Пн-Пт: с 9.00 до 18.00
Представьте себе портативный компьютер на интегральной схеме. Это и есть микроконтроллер (МК). МК состоит из центрального процессора (ЦП), встроенной памяти, портов ввода-вывода (I/O) и различных периферийных устройств, к примеру, таймера, аналого-цифровых преобразователей и интерфейсов связи. Встраиваемая память бывает двух видов. Первый: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое хранит вре́менные файлы небольшого размера. Второй вид: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), например, NOR-флэш-память, которая хранит сам код программы в зависимости от назначения микроконтроллера.
Микроконтроллеры предназначены для управления широким спектром электронных устройств: от кредитных карточек до сложных промышленных систем. Практически во всей бытовой технике, включающей в себя электронные системы управления, используются МК: это касается, например, стиральных и посудомоечных машин, микроволновых печей, телефонов, систем «умный дом». В вычислительной технике они применяются при производстве материнских плат, оборудования мультисервисных сетей доступа, серверного оборудования, различного рода маршрутизаторов и контроллеров дисководов. Кроме того, МК используются в устройствах промышленной автоматики — от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК (программируемого логического контроллера), а также систем управления станками.
С этим вопросом сталкивается каждый разработчик в начале работы над новым проектом или при редизайне. Первое, о чём надо подумать, — для каких целей нужен микроконтроллер. Ответ на этот вопрос определит характеристики МК. Кроме того, следует учитывать стоимость, доступность для заказа и условия технической поддержки со стороны производителя.
При выборе необходимо учитывать несколько критериев.
Это первое, с чего следует начать выбор МК, и здесь мы рассмотрим RISC-V и ARM, два основных типа архитектуры. RISC-V имеет открытый исходный код, то есть за неё не нужно вносить лицензионные платежи. Это даёт возможность бесплатных экспериментов и расширения архитектуры новыми инструкциями. Микроархитектура процессоров также поддаётся обновлениями. Получается, можно назвать RISC-V бесплатным базовым конструктором для проектирования систем, которым не нужна высокая производительность. ARM является проприетарной архитектурой, то есть коммерческим решением, за которое следует выплачивать роялти (лицензионные платежи) корпорации ARM Holdings. Большие плюсы этого типа архитектуры: высокая производительность и наличие линейки готовых ядер для различных целей. ARM — сложная архитектура, ориентированная на большой спектр устройств. Архитектуру ARM используют в производстве как потребительских устройств (смартфоны, планшеты, мультимедийные системы), так и промышленных (бортовые компьютеры, системы контроля доступа или системы мониторинга).
Вычислительная мощность определяется тактовой частотой и количеством задач, которые МК может выполнить в секунду. Когда требуются сложные вычисления или обработка в реальном времени, подойдёт микроконтроллер с более высокой тактовой частотой и большей вычислительной мощностью.
Объём памяти также следует учитывать. Если проект требует хранения или обработки множества данных, понадобится МК с бо́льшим объёмом памяти.
Они предназначены для обмена данными микроконтроллера с внешними устройствами, что напрямую определяет требуемое количество и тип портов.
В зависимости от типа питания устройства выбирают потребляемую мощность. Для устройства, имеющего постоянное питание, энергоэффективность МК не столь принципиальна, как для устройства, работающего от батареи — понадобится микроконтроллер, рассчитанный на низкое энергопотребление.
Стоимость — определяющий критерий при выборе электронных компонентов. Важно найти адекватный баланс между требуемыми характеристиками и стоимостью микроконтроллера. При выборе МК Aurora Evernet предлагает оптимальные решения по соотношению цены и качества.
Существует множество типов корпусов, среди которых можно выделить три самых распространённых, отличающихся габаритами, а также расположением и количеством выводов (пинов):
Как правило, выделяют основные типовые диапазоны. Показатели могут варьироваться у разных производителей, усреднённые числа примерно такие:
Прежде чем сделать окончательный выбор в пользу того или иного микроконтроллера, изучите подключаемые интерфейсы. Самые распространённые — UART, SPI и I2C. UART (universal asynchronous receiver / transmitter) определяет протокол или набор правил для обмена последовательными данными между двумя устройствами. UART очень прост и использует только два провода между передатчиком и приёмником для передачи и приёма в обоих направлениях. Оба конца также имеют заземление. SPI (serial peripheral interface) — это интерфейс, обычно используемый в компьютерах и встроенных системах для облегчения связи на коротких расстояниях между микроконтроллером и одной или несколькими периферийными интегральными схемами (ИС). I2C (Inter-Integrated Circuit) — это протокол подключения интерфейса шины, встроенный в устройства для последовательной связи. Первоначально он был разработан компанией Philips Semiconductor в 1982 году. В последнее время он широко используется для связи на коротких расстояниях.
Основная особенность микроконтроллера — количество обрабатываемых бит данных, называемое разрядностью или шириной данных. Так, 8-битный МК обрабатывает 8 бит данных в любой конкретный момент времени.
Одно из ключевых различий между 8-битными и 32-битными микроконтроллерами — это ограничение на арифметические операции. 8-битный обычно допускает только арифметические операции, выводящие числа в диапазоне от 0 до 255 (или от -127 до 128), хотя большее число может быть разделено между двумя потоками. Это вносит некоторую сложность в программирование, поскольку многопоточность не происходит автоматически на аппаратном уровне.
Микроконтроллеры с большей шириной данных выполняют вычисления с большими числами. 32-битный может обрабатывать беззнаковые числа от 0 до 4 294 967 295. Предположим, вы используете язык программирования высокого уровня, такой как C, или собственную интегрированную среду разработки (IDE, integrated development environment). В таком случае у вас должен быть доступ к библиотеке, которая обеспечивает поддержку больших чисел или использование учётной записи.
Можно было бы подумать, что 32-битный МК всегда будет помещаться в корпусе большего размера, чем 8-битный, но это не всегда так. Некоторые 8-битные, 16-битные и 32-битные микроконтроллеры имеют одинаковый формфактор, чтобы облегчить процесс перехода с одного семейства на другое.
В современной терминологии микроконтроллер похож на систему на кристалле (SoC), но менее сложен. SoC может включать микроконтроллер в качестве одного из своих компонентов, но обычно интегрирует его с расширенными периферийными устройствами, такими как графический процессор (GPU), модуль Wi-Fi или один или несколько сопроцессоров.
Микроконтроллеры используются в системах управления автомобильными двигателями, имплантируемых медицинских устройствах, пультах дистанционного управления, бытовой технике, электроинструментах и различных встраиваемых системах.
МК объединяют в одном корпусе микропроцессор, память и устройства ввода-вывода. Так экономится место на плате, а разработчики могут выбирать и использовать необходимый функционал для решения конкретных задач.
Часть из них работают в режиме низкого энергопотребления, для сохранения функциональности в режиме ожидания, что делает их подходящим решением для устройств с длительным автономным использованием, к примеру, таких как GPS-маяки.
Другие микроконтроллеры могут выполнять критически важные функции, где им может потребоваться действовать как процессор цифровых сигналов (DSP) с более высокими тактовыми частотами и энергопотреблением.
Aurora Evernet — поставщик электронных компонентов с пятнадцатилетним опытом работы в отрасли. Мы предлагаем различные электронные компоненты от полупроводников и антенн до разъёмов и аккумуляторов. Микроконтроллеры входят в основу деятельности компании и популярны среди наших клиентов. Мы поставляем продукцию высочайшего качества по выгодным ценам и прямой техподдержкой, чтобы вы были уверены работоспособности и успешности вашего проекта.
