MCU: mësoni për familjet më të rëndësishme të mikrokontrolluesve

Përdorim një mori tabelash zhvillimi që ne i përdorim shpesh, nga vetë Arduino e deri te shumë të tjerë Njësitë MCU ose mikrokontrolluesit. Disa patate të skuqura jetike për të qenë në gjendje programoni këto pajisje dhe se instruksionet e krijuara nga programuesi mund të përpunohen për të marrë rezultatet e pritura.

Megjithatë, Sektori i mikrokontrolluesve është mjaft i gjerë., siç ndodh edhe me CPU-të ose mikroprocesorët, pasi jo vetëm që ka shumë projektues apo prodhues, si dhe modele, por ka edhe shumë familje të ndryshme që duhet t'i njihni. Pra, ne do t'ia kushtojmë këtë artikull pikërisht kësaj gjëje, në mënyrë që të dini se cili mund t'ju interesojë më shumë për projektet tuaja…

Çfarë është një mikrokontrollues ose MCU?

Un mikrokontrollues ose MCU (njësia e mikrokontrolluesit) Është një pajisje kompakte që integron funksionet e një procesori qendror (CPU), memorien dhe pajisjet periferike në një çip të vetëm. Kjo pajisje është pjesa qendrore e shumë sistemeve elektronike dhe është thelbësore në fushën e elektronikës së integruar. Me pak fjalë, një alternativë e shkëlqyeshme për elektronikën me tela, duke lejuar kështu një çip të vetëm të kryejë një mori funksionesh në mënyrë fleksibël, pasi është i programueshëm.

Mikrokontrolluesit përdoren në a shumëllojshmëri të gjerë të aplikacioneve për shkak të shkathtësisë dhe efikasitetit të tij. Disa shembuj të përdorimit të mikrokontrolluesve përfshijnë sistemet e kontrollit në automobila, pajisjet shtëpiake, sistemet e automatizimit industrial, sistemet e kontrollit të procesit, lodrat, sistemet e sigurisë, bordet e zhvillimit dhe shumë pajisje të tjera elektronike.

Pjesë të mikrokontrolluesve

Mikrokontrolluesit janë pajisje të integruara, dhe të gjithë përbërësit e tyre janë implementuar në një çip ose qark të integruar. Në mes të pjesët më themelore nga këto çipa janë:

CPU (njësia qendrore e përpunimit): Njësia qendrore e përpunimit është truri i mikrokontrolluesit dhe pjesa më e rëndësishme e tij. Kjo njësi është përgjegjëse për përdorimin e të dhënave dhe udhëzimeve të programit për t'i interpretuar dhe përpunuar ato në mënyrë të përshtatshme në njësitë e ekzekutimit për të marrë rezultatet e pritura. Kjo do të thotë, CPU kryen të gjitha operacionet e llogaritjes dhe merr vendime bazuar në logjikën e programit. Shpejtësia dhe efikasiteti i CPU-së përcakton kryesisht performancën e mikrokontrolluesit. Përveç kësaj, ato zakonisht kanë gjithashtu pjesë elementare si sistemet e ndërprerjeve, të cilat lejojnë mikrokontrolluesin t'i përgjigjet ngjarjeve të caktuara në kohën e duhur. Kur ndodh një ngjarje specifike, siç është një hyrje sinjali ose një kohëmatës që arrin një vlerë specifike, mikrokontrolluesi mund të ndërpresë detyrën e tij aktuale për t'iu përgjigjur kësaj ngjarjeje.
Kujtim: Zakonisht kanë dy lloje memorie si RAM dhe flash. RAM-i përdoret për të ruajtur të dhëna të përkohshme, si instruksionet që përbëjnë programet dhe të dhënat (variablat, konstantat,...) gjatë ekzekutimit të programit. Ndërsa memoria flash përdoret për të ruajtur programin që do të ekzekutohet, dhe është e paqëndrueshme si RAM, kështu që kur ndërpritet energjia ose pajisja fiket, programi do të mbetet.
Pajisjet periferike hyrëse/dalëse (I/O): lejoni që mikrokontrolluesi të ndërveprojë me botën e jashtme. Këto mund të përfshijnë portet dixhitale I/O, konvertuesit analog në dixhital (ADC), konvertuesit dixhital në analog (DAC), ndërfaqet e komunikimit si UART, SPI dhe I2C, kontrollorët e varietetit, kohëmatësit, numëruesit, GPIO dhe të tjerët.

Si është i ndryshëm nga një mikroprocesor ose CPU?

Një mikroprocesor dhe një mikrokontrollues janë dy komponentë themelorë në fushën e elektronikës, por ato kanë ndryshime të konsiderueshme për sa i përket strukturës dhe përdorimit, edhe pse shumë njerëz i ngatërrojnë të dyja ose besojnë se janë të njëjta.

Ndërsa CPU vetëm integrohet njësitë funksionale për kontrollin dhe interpretimin e instruksioneve, regjistrave, si dhe instruksioneve të ekzekutimit si ALU, FPU, etj., dhe mund të kombinohen me elementë të tjerë ndihmës në një mënyrë më fleksibël, mikrokontrolluesit janë disi më të mbyllur në kuptimin që integrojnë. shumë nga pjesët që CPU i lë jashtë. Në fakt, ndërsa CPU është truri i një kompjuteri, MCU mund të konsiderohet një kompjuter i plotë, pasi përfshin të gjitha pjesët themelore në një çip të vetëm.

Megjithatë, mos e ngatërroni integrimin më të madh me termat e kompleksiteti dhe performanca. Ndërsa mikroprocesorët aktualë janë jashtëzakonisht kompleks dhe me performancë shumë të lartë, mikrokontrolluesit aktualë zakonisht kanë një CPU të integruar me performancë shumë më të ulët dhe më të thjeshtë. Në fakt, shumë nga mikrokontrolluesit e sotëm mund të kenë performancë të ngjashme me mikroprocesorët e dekadave më parë. Për më tepër, siç do të shohim më vonë, ne kemi edhe mikrokontrollues 8-bit ose 16-bit si CPU-të e viteve '70.

Dallimet në krahasim me një SoC?

Meqenëse mikrokontrolluesi integron disa elementë në të njëjtin çip, Gjithashtu shpesh ngatërrohet me SoC (Sistemi në një Çip)Megjithatë, as nuk është e njëjta gjë. Ashtu si me CPU vs MCU, SoC-të integrojnë gjithashtu një CPU me performancë shumë më të lartë se shumica e mikrokontrolluesve aktualë. Për më tepër, SoC është një sistem pafundësisht më kompleks dhe më i avancuar. Nga ana tjetër, SoC zakonisht nuk integron disa nga pjesët që janë të integruara në një mikrokontrollues, pasi aplikacionet për të cilat është menduar nuk e kërkojnë atë, si RAM dhe memorie flash, konvertuesit ADC, etj.

Një histori pak

Mikroprocesorët e hershëm me shumë qark, si AL1 nga Sistemet Katër Fazore në 1969 dhe MP944 nga Garrett AiResearch në 1970, u zhvilluan me çipa të shumtë MOS LSI. Mikroprocesori i parë me një çip ishte Intel 4004, i lëshuar në vitin 1971. Këta procesorë kërkonin disa çipa të jashtëm për të zbatuar një sistem funksional, i cili ishte i shtrenjtë. Sidoqoftë, pothuajse paralelisht, u zhvillua ajo që ne njohim sot si mikrokontrollues. AI u atribuohet inxhinierëve të IT-së, Gary Boone dhe Michael Cochran, krijimi i suksesshëm i mikrokontrolluesit të parë në vitin 1971, TMS 1000, i cili kombinonte memorien vetëm për lexim, memorien për lexim/shkrim, procesorin dhe orën në një çip të vetëm. Në fakt, edhe pse kjo është një histori tjetër, ajo gjeneroi një luftë patentash dhe padi për autorësinë e mikroprocesorit...

Gjatë viteve 1970, Prodhuesit japonezë të elektronikës filluan të prodhojnë mikrokontrollues për automobila. Ato gradualisht u bënë të njohura dhe në përgjigje të ekzistencës së TMS 1000 me një çip të vetëm, Intel zhvilloi një sistem kompjuterik në një çip të optimizuar për aplikacionet e kontrollit, Intel 8048, i cili kombinonte RAM dhe ROM në të njëjtin çip së bashku me një CPU. Me kalimin e kohës, kujtimet jo të paqëndrueshme u përmirësuan dhe kaluan nga regjistrimi në fabrikë me një program të përhershëm si ROM-et e para deri në prezantimin e PROM-it, ose EEPROM-it të vitit 1993, i cili lejoi që ajo të fshihej dhe riprogramohej. me një program tjetër në mënyrë të thjeshtë dhe sa herë të dëshironi.

Rreth këtij lloji të çipeve lindën pak nga pak kompanitë, si p.sh Atmel, Microchip Technology dhe shumë të tjerë. Kompani të tjera në sektor gjithashtu filluan të shpërndajnë MCU-të e tyre, si Intel, Analog Devices, Cypress, AMD, ARM, Hitachi, EPSON, Motorola, Zilog, Infineon, Lattice, National Semiconductor, NEC, Panasonic, Renesas, Rockell, Sony. , STMicroelectronics , Sinopsis, Toshiba, etj.

Sot, mikrokontrolluesit janë të lirë dhe lehtësisht të aksesueshëm për hobiistët dhe një mori sektorësh të ndryshëm industrialë. Për më tepër, vlerësohet se janë shitur pothuajse 5 miliardë njësi 8-bit në mbarë botën, duke qenë më i përdoruri aktualisht. Mund t'i gjeni në elektroshtëpiake, automjete, kompjuterë, telefona, makineri industriale dhe shumë më tepër. Për më tepër, ata kanë arritur të miniaturizojnë në maksimum, duke krijuar disa nga kompjuterët më të vegjël në botë, madje shumë më të vegjël se një kokërr kripë...

ISA dhe familjet e mikrokontrolluesve

Tani që dini pak më shumë se çfarë është një MCU ose mikrokontrollues, le të shohim disa prej tyre familjet më të rëndësishme të këtyre mikrokontrolluesve. Dhe, si CPU-të, ato mund të ndahen sipas ISA-së, domethënë repertorit të instruksioneve, regjistrave dhe llojeve të të dhënave që përdoren, dhe nga kjo do të varet përputhshmëria e programeve binare që mund të ekzekutohen, duke i bërë ato të papajtueshme. mes familjeve. Dhe këto familje janë krejtësisht të pavarura nga modeli, marka ose njësitë e përfshira në çip.

Ndërmjet familjet më të njohura ne kemi sa vijon:

Fëmijët: është një gjeneratë e bërthamave të buta për FPGA nga Altera, tashmë të absorbuara nga Intel.
Fina e zezë: është një familje e mikroprocesorëve 16/32-bit të zhvilluar, prodhuar dhe tregtuar nga Analog Devices. Procesorët kanë gjithashtu funksion të integruar të procesorit të sinjalit dixhital (DSP), i kryer nga akumulimi i shumëzimit 16-bit (MAC).
TigerSHARC: qëndron për Super Harvard Architecture Single-Chip Computer, gjithashtu nga Pajisjet Analoge. Në këtë rast ato janë ideale për aplikacione që kërkojnë performancë të lartë kompjuterike me konsum të ulët të energjisë. Këta procesorë ofrojnë një arkitekturë unike memorie që mundëson qasje efikase në të dhëna dhe udhëzime pa ndëshkimin e performancës që lidhet me arkitekturat e autobusëve Von Neumann.
Korteks-M- Mikrokontrolluesit Cortex-M të ARM-së janë një familje e njohur mikrokontrolluesish 32-bitësh që janë shumë efikas në energji dhe ofrojnë performancë të mirë. Ato janë veçanërisht të njohura në aplikimet industriale dhe konsumatore, dhe aktualisht përfaqësojnë shumicën e çipave modernë të shitur nga shumë kompani.
AVR32: Është një arkitekturë mikrokontrolluesi RISC 32-bit i prodhuar nga Atmel dhe mund ta gjeni në shumë tabela zhvillimi, si Arduino dhe klone të tij.
RISC-V: Ky ISA i hapur synon ta kalojë ARM-në dhe pak nga pak ka filluar të ketë rëndësi në botën e mikrokontrolluesve, pasi është shumë fleksibël dhe lejon përdorimin e tij pa paguar honorare.
PIC- janë një familje mikrokontrolluesish 8-bitësh të zhvilluar nga Microchip Technology, të njohur për arkitekturën e tyre të avancuar RISC dhe janë mjaft të njohur në industri.
PowerQUICC: janë të bazuara në teknologjinë Power Architecture të IBM, dhe janë përdorur nga Motorola (tani Freescale), ato mbështesin spektrin e plotë të pajisjeve të rrjetit të integruar, aplikacionet industriale dhe të përgjithshme të integruara.
Spansion: Këto janë MCU të Fujitsu, dhe janë të fokusuara në produktet analoge dhe dixhitale, dhe të dizajnuara për efikasitet dhe performancë të balancuar.
8051: Është një mikrokontrollues 8-bitësh i zhvilluar nga Intel, megjithëse tani do ta gjeni të prodhuar edhe nga kompani të tjera. Është një nga mikrokontrolluesit më të njohur dhe përdoret në një gamë të gjerë aplikimesh. 8051 është një mikrokontrollues CISC i bazuar në arkitekturën e Harvardit.
TriCore: është një mikrokontrollues i zhvilluar nga Infineon Technologies. TriCore bashkon elementet e një bërthame procesori RISC, një mikrokontrollues dhe një DSP në një çip të vetëm. Në atë kohë ishte një revolucion.
MC-48 ose 8048: Është një mikrokontrollues nga linja Intel, me 64 bajt RAM dhe akses në 4096 bajt memorie të jashtme programore.
Mico8- është një familje mikrokontrolluesish 8-bitësh e implementuar tërësisht në memorie dhe logjikë për qëllime të përgjithshme për FPGA-të grilë.
Helikë: Arkitektura me shumë bërthama 32-bitëshe e zhvilluar nga Parallax Inc. Çdo helikë ka 8 procesorë identikë 32-bit të lidhur në një qendër të përbashkët.
Vula bazë- është një mikrokontrollues me një përkthyes të vogël të specializuar BASIC (PBASIC) të integruar në ROM. Është prodhuar nga Parallax, Inc dhe ishte një produkt mjaft popullor për prodhuesit që dëshironin të bënin një mori projektesh në shtëpi përpara se Arduino të lëshohej.
SuperH: është një arkitekturë e grupit të instruksioneve kompjuterike RISC 32-bitëshe e zhvilluar nga Hitachi dhe aktualisht e prodhuar nga Renesas, dhe e fokusuar në mikrokontrolluesit për sistemet e integruara.
Tiva: është një mikrokontrollues i serisë i zhvilluar nga Texas Instruments. Ka një frekuencë të integruar të orës së procesorit deri në 80 MHz me një njësi me pikë lundruese (FPU), me performancë të shkëlqyer.
Mikroblaze: është një sistem procesori shumë i integruar i destinuar për aplikacionet e kontrolluesve. MicroBlaze është implementuar tërësisht në memorien dhe logjikën e qëllimeve të përgjithshme të FPGA-ve Xilinx (tani AMD), domethënë një bërthamë e butë.
Picoblaze: i ngjashëm me atë të mëparshëm, por në këtë rast është 8-bit dhe më i thjeshtë, për aplikacione më të integruara.
XCore: Janë MCU me shumë bërthama XMOS, 32 bit që janë programuar në një mjedis të gjuhës C dhe funksionojnë në mënyrë deterministe dhe me vonesë të ulët. Ato janë shumë të plota dhe mund të zbatohen në formën e pllakave.
Z8: është nga Zilog dhe janë pajisje 8-bitësh që ofrojnë një gamë të gjerë opsionesh të performancës dhe burimeve. Këta mikrokontrollues janë idealë për aplikacione me volum të lartë dhe të ndjeshme ndaj kostos, duke përfshirë produktet e konsumatorit, automobilave, sigurisë dhe HVAC.
Z180: Është një tjetër nga ato më të njohurat brenda Zilog përpara daljes së eZ-ve të reja që kanë përditësuar sferat e mëparshme. Ai përfshin një procesor 8-bit, i pajtueshëm me bazën e madhe të softuerit të shkruar për Z80. Familja Z180 shton performancë më të lartë dhe veçori të integruara periferike si gjeneratori i orës, numëruesit/kohëmatësit 16-bit, kontrolluesi i ndërprerjes, gjeneratorët e gjendjes së pritjes, portat serike dhe një kontrollues DMA.
STM: Kjo familje STMicroelectronics ka disa njësi MCU të bazuara në arkitekturën e vetë kësaj kompanie, megjithëse në modelet më të fundit është zgjedhur, si në shumë raste të tjera, të integrohet seria ARM Cortex-M 32-bit. Ai ofron produkte që kombinojnë performancë shumë të lartë, aftësi në kohë reale, përpunim dixhital të sinjalit, funksionim dhe lidhje me fuqi të ulët/tension të ulët, duke ruajtur integrimin e plotë dhe lehtësinë e zhvillimit.

Ka më shumë, por këto janë më të rëndësishmet…

Hardwarelibre