Микроконтро́ллер ( англ. Micro Controller Unit, MCU ) — микросхема , предназначенная для управления электронными устройствами .

Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств , содержит ОЗУ и/или ПЗУ . По сути, это однокристальный компьютер , способный выполнять относительно простые задачи.

Отличается от микропроцессора интегрированными в микросхему устройствами ввода-вывода, таймерами и другими периферийными устройствами.

История

С появлением однокристальных микроЭВМ связывают начало эры массового применения компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому ^{[ источник не указан 1453 дня ]} , это обстоятельство и определило термин «контроллер» ( англ. controller — регулятор, управляющее устройство).

В связи со спадом отечественного производства и возросшим импортом техники, в том числе вычислительной, термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микроЭВМ».

Первый патент на однокристальную микроЭВМ был выдан в 1971 году инженерам Майклу Кокрэну и Гэри Буну, сотрудникам американской Texas Instruments . Именно они предложили на одном кристалле разместить не только процессор, но и память с устройствами ввода-вывода.

В 1976 году американская фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048 . В 1978 году фирма Motorola выпустила свой первый микроконтроллер MC6801, совместимый по системе команд с выпущенным ранее микропроцессором MC6800. В 1980 году Intel выпускает следующий микроконтроллер: i8051 . Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер i8051 являлся для своего времени очень сложным изделием — в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов , что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре i8086 .

В СССР велись разработки оригинальных микроконтроллеров, также осваивался выпуск клонов наиболее удачных зарубежных образцов . В 1979 году в СССР НИИ ТТ разработали однокристальную 16-разрядную ЭВМ К1801ВЕ1 , микроархитектура которой получила название « Электроника НЦ ».

На 2013 год существовало более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускавшихся двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные, 16-битные и 32-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology , микроконтроллеры AVR фирмы Atmel (с 2016 года производятся фирмой Microchip ), 16-битные MSP430 фирмы TI , а также 32-битные микроконтроллеры архитектуры ARM , которую разрабатывает фирма ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их производства. Несмотря на популярность в России микроконтроллеров, упомянутых выше, на 2009 год мировой рейтинг по объёму продаж, по данным Gartner Group, выглядел иначе: первое место с большим отрывом занимала Renesas Electronics , на втором — Freescale , на третьем — Samsung , затем шли Microchip и TI, далее — все остальные .

Описание

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать компромисс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, различающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д.

В отличие от обычных компьютерных микропроцессоров, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных в ОЗУ , а команд — в ПЗУ .

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Многие модели контроллеров вообще не имеют шин для подключения внешней памяти.

Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись, либо хранимая программа записывается в кристалл на этапе изготовления (конфигурацией набора технологических масок). Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи программы в энергонезависимой памяти.

Неполный список периферийных устройств , которые могут использоваться в микроконтроллерах, включает в себя:

• универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;
• различные интерфейсы ввода-вывода, такие, как UART , I²C , SPI , CAN , USB , IEEE 1394 , Ethernet ;
• аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
• компараторы ;
• широтно-импульсные модуляторы ( ШИМ-контроллер );
• таймеры ;
• контроллеры бесколлекторных двигателей, в том числе шаговых ;
• контроллеры дисплеев и клавиатур;
• радиочастотные приемники и передатчики;
• массивы встроенной флеш-памяти ;
• встроенные тактовый генератор и сторожевой таймер ;

Ограничения по цене и энергопотреблению ограничивает тактовую частоту контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания. Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров . Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения , в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.

Известные семейства

• MCS 51 (Intel)

• ESP8266 и ESP32 (Espressif)

• MSP430 (TI)

• ARM (ARM Limited)
  • ST Microelectronics STM32 ARM-based MCUs
  • ARM Cortex, ARM7 и ARM9-based MCUs
  • Texas Instruments Stellaris MCUs
  • NXP ARM-based LPC MCUs
  • Toshiba ARM-based MCUs
  • Analog Devices ARM7-based MCUs
  • ARM7-based MCUs
  • Freescale Semiconductor ARM9-based MCUs
  • Silicon Labs EFM32 ARM-based MCUs
• AVR (Atmel)
  • ATmega
  • ATtiny
• PIC ( Microchip )
• ( STMicroelectronics )
• RL78 ( Renesas Electronics )

Применение

Использование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств.

Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:

• в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков , CD и DVD , калькуляторах ;
• электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления — стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах, различных роботах, системах «умный дом», и др..

В промышленности:

• устройства промышленной автоматики — от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК ,
• систем управления станками

В то время как 8-разрядные микропроцессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие больши́ми вычислительными возможностями, например, цифровые сигнальные процессоры , применяющиеся для обработки большого потока данных в реальном времени (например, аудио-, видеопотоков).

Программирование

Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке ассемблера или Си , хотя существуют компиляторы для других языков, например, Форта и Бейсика . Используются также встроенные интерпретаторы Бейсика .

Известные компиляторы Си для МК:

• GNU Compiler Collection — поддерживает ARM , AVR , MSP430 и многие другие архитектуры
• Small Device C Compiler — поддерживает множество архитектур
• CodeVisionAVR (для AVR)
• (для любых МК)
• WinAVR (для AVR и AVR32)
• Keil (для архитектуры 8051 и ARM)
• HiTECH (для архитектуры 8051 и PIC от Microchip)

Известные компиляторы бейсика для МК:

• (архитектуры PIC, AVR, 8051 и ARM)
• Bascom (архитектуры AVR и 8051)
• (для архитектуры AVR)
• (для архитектуры PIC)
• (для архитектуры PIC)

Для отладки программ используются программные симуляторы (специальные программы для персональных компьютеров, имитирующие работу микроконтроллера), внутрисхемные эмуляторы (электронные устройства, имитирующие микроконтроллер, которые можно подключить вместо него к разрабатываемому встроенному устройству) и отладочный интерфейс, например, JTAG .

См. также

• Программируемый логический контроллер
• Система на кристалле
• Однокристальный микроконтроллер

Примечания

Литература

• Бродин В. Б., Калинин А. В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики. — М. : ЭКОМ, 2002. — ISBN 5-7163-0089-8 .
• Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования = Digital Integrated Circuits. — 2-е изд. — М. : , 2007. — ISBN 0-13-090996-3 .
• Микушин А. Занимательно о микроконтроллерах. — М. : , 2006. — ISBN 5-94157-571-8 .
• Новиков Ю. В., Скоробогатов П. К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. — М. : Интернет-университет информационных технологий, 2003. — ISBN 5-7163-0089-8 .
• Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто! — М. : ООО «ИД СКИМЕН», 2002. — Т. 1. — ISBN 5-94929-002-X .
• Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто! — М. : ООО «ИД СКИМЕН», 2002. — Т. 2. — ISBN 5-94929-003-8 .
• Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто! — М. : ООО «ИД СКИМЕН», 2003. — Т. 3. — ISBN 5-94929-003-7 .

Ссылки