Микроконтроллеры

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  или ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

С появлением однокристальных  микро-ЭВМ связывают начало эры  массового применения компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, 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 микро-ЭВМ». Первый патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. 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[1] 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. Через 4 года, 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.

На сегодняшний  день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 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, по данным Gartner Grup от 2009 года мировой рейтинг по объёму продаж выглядит иначе: [2] первое место с большим отрывом занимает Renesas Electronics на втором Freescale, на третьем Samsung, затем идут Microchip и TI, далее все остальные.

В СССР велись разработки оригинальных микроконтроллеров, также осваивался выпуск клонов наиболее удачных зарубежных образцов[3][4][5], [6].

 В 1979 году  в СССР НИИ ТТ разработали  однокристальную 16-разрядную ЭВМ  К1801ВЕ1, микроархитектура которой  называлась «Электроника НЦ».

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс 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, отличающихся 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 и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер  может иметь встроенную энергонезависимую  память для хранения программы и  данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти.

Неполный список периферии, которая может присутствовать 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;
• таймеры;
• контроллеры бесколлекторных двигателей;
• контроллеры дисплеев и клавиатур;
• радиочастотные приемники и передатчики;
• массивы встроенной флеш-памяти;
• встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер;

Ограничения по цене и энергопотреблению сдерживают также рост тактовой частоты 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)
• MSP430 (TI)
• ARM (ARM Limited)
• AVR (Atmel)
• ATmega
• ATtiny
• XMega
• PIC (Microchip)

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;
• электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления — стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах;

В промышленности:

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

В то время как 8-разрядные процессоры 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 большими вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.

Семейства микроконтроллеров  фирмы Motorola.

Основные представители 8-разрядные микроконтроллеры:

• Семейство НС05
• Семейство НС08
• Семейство НС11

Motorola предлагает  самую широкую в мире номенклатуру  МК, охватывающую практически все  области применения и включающая  в себя около 300 моделей: от  простейших дешевых МК до высокопроизводительных 32-разрядных МК с RISC-ядром и  мощной периферией.

8-разрядные  микроконтроллеры

Семейство НС05

Семейство НС05 содержит наибольшее количество модификаций  МК (около 180), поскольку это семейство  в немалой степени формировалось  крупными потребителями фирмы Motorola, заказывавшими разработку МК нужной конфигурации под свою конкретную продукцию, поэтому семейство НС05 иногда называют семейством "заказных" МК (CSIC-Customer Specified Integrated Circuit - создание микроконтроллеров с характеристиками, определяемыми пользователями).

Все МК этого  семейства имеют одинаковое 8-разрядное процессорное ядро, основанное на популярной процессорной архитектуре 6800, и отличаются набором периферийных функций. Это означает, что применение любого МК этого семейства открывает пользователю возможность использовать приобретенный опыт при создании новых устройств как с применением других МК из обширного семейства НС05, так и на основе более производительного, но программно совместимого семейства НС08.

В состав МК семейства  НС05 входят: ЦПУ ,которое имеет стандартную  внутреннюю тактовую частоту 2 МГц, для некоторых МК существуют версии с тактовой частотой 4 МГц (цикл команды 250 нс), ПЗУ всех типов, ОЗУ объемом до 768 байт, таймеры, АЦП, ШИМ, контроллеры ЖКИ и других дисплеев, последовательные интерфейсы и многие другие устройства. Все представители семейства НС05 имеют версии с пониженным питанием и расширенным температурным диапазоном, и выпускаются в самых разнообразных корпусах.

Обозначение МК содержит символ, следующий в названии МК непосредственно за МС68НС05... и  относящий его к одной из подгрупп в пределах семейства, или к серии, которые отличаются друг от друга функциональными особенностями. С другой стороны, большинство МК семейства НС05 создавались под определенные приложения, поэтому классификацию удобно провести с учетом этих двух факторов одновременно.

МК общего назначения

Серия С характерна широким разнообразием встроенной памяти и линий параллельного ввода/вывода. Асинхронный последовательный интерфейс (SCI) позволяет организовать обмен данными с внешними устройствами со скоростью до 131 кГц. Высокоскоростной синхронный последовательный интерфейс (SPI) удобен для управления дисплеями и внешними периферийными устройствами по 4-проводной линии. Все МК серии С имеют в своем составе 16-битный программируемый таймер с функциями "входной фиксации" и "выходного сравнения" для одновременного измерения временных параметров внешних импульсов и генерации импульсного сигнала. Наиболее популярным представителем серии С является МК МС68HC705C8A с однократно программируемой встроенной памятью, большим количеством линий ввода/вывода, наличием версии с удвоенной тактовой частотой и защитой кода от чтения. МК MC68HC05C0 является единственным представителем семейства НС05, не имеющим встроенного ПЗУ и адресующим внешнюю память до 64к байт.

Серия J включает в себя недорогие 20-выводные МК, содержащие ПЗУ, многофункциональный таймер и функцию прерывания реального времени. Наиболее яркой моделью этой серии является МК МС68НС705J1A, наличие в котором программируемой памяти с защитой от чтения, выходов с высокой нагрузочной способностью, прерываний от клавиатуры, а также наличие скоростной версии и крайне недорогого комплекта отладочных средств делают этот новый МК все более популярным.

Серия К содержит самые дешевые из выпускаемых фирмой Motorola 16-выводные МК, включающие в себя память, таймер, прерывания реального времени, линии с повышенной нагрузочной способностью и программируемую пользователем "идентификационную" область памяти (8 байт) даже в масочном варианте. МК MC68HC805K3 со встроенным EEPROM (Flash) предназначен для макетирования и небольших производственных серий.

Серия Р характерна наличием встроенного АЦП, разнообразием вариантов встроенной памяти (включая EEPROM), наличием простого последовательного порта, а также небольшим 28-выводным корпусом и низкой ценой. Наиболее популярным представителем этой серии является MC68HC705P9.

МК для телекоммуникаций

Серия F была специально создана для построения абонентских телефонных аппаратов различных групп сложности и терминалов. Главной особенностью МК этой серии является наличие в них генератора DTMF для тонального набора номера и цифровой сигнализации. Ряд МК этой серии дополнительно содержит контроллер ЖКИ-дисплея, а также большой объем ПЗУ для реализации сложных алгоритмов современных ТА и энергонезависимую память для хранения номеров. Все эти функции, наряду с низким потреблением, позволяющим питать от телефонной линии или батарей, делают МК серии F привлекательными для создания как массовых телефонных аппаратов, так и сложного абонентского оборудования.

Серия L, главными особенностями которой является наличие встроенных контроллеров алфавитно-цифровых и графических ЖКИ-дисплеев (от 32 до 40000 сегментов), наличие тонального генератора, часов реального времени и низкое потребление, также широко используются при создании разнообразного, особенно портативного, связного оборудования: беспроводных телефонов, устройств персонального вызова (пейджеров), радиостанций, цифровых блокнотов и т.д.

Серия Е включает МК, содержащие синтезатор тактовой частоты с ФАПЧ для гибкого управления потреблением, энергонезависимую память, АЦП и интерфейс I2C, и используется в средствах связи как МК общего назначения.

МК серии  общего назначения С также активно  используется в коммуникационных устройствах, таких, как абонентские модули АТС, системы цифрового уплотнения абонентских линий и т.д.