История развития микроконтроллеров кратко
Обновлено: 05.07.2024
Появление первого микропроцессора в 1971 году произвело революцию в области цифровой электроники и вычислительных машин. Разрабатывался микропроцессор как элемент, способный заменить большое количество микросхем процессорной платы ЭВМ. В результате, в одном корпусе были скомпонованы счетчики, регистры, логические блоки и другие элементы. Для получения готового компьютера, к микропроцессору следовало добавить устройства ввода/вывода, память и некоторые другие элементы. При этом почти сразу возник вопрос, а нельзя ли и всю эту периферию также разместить на кристалле микропроцессора? Через некоторое время такой элемент был создан и получил название микроконтроллера.
Микроконтроллер — микропроцессорная система, содержащая на одном кристалле процессорное ядро, долговременную и оперативную память, устройства ввода/вывода и предназначенная для построения систем управления, датчиков и других компактных устройств. В отличие от микропроцессора, микроконтроллер обладает меньшей универсальностью, так как к нему нельзя подключать произвольные элементы. Доступно только то, что расположено внутри корпуса. Также память микроконтроллеров и сегодня не превышает 512Кб, что делает невозможным их работу с современными операционными системами. Тем не менее, эти микропроцессорные устройства получили огромное распространение. Если взять информацию по количеству, то они составляют 90% всех выпускаемых микропроцессоров. Микроконтроллеры сегодня используются во всей бытовой технике, промышленных установках и станках, датчиках, регуляторах и иных приложениях, где не требуется большая вычислительная мощность. Например, в каждом современном автомобиле имеется несколько микроконтроллеров, управляющих двигателем, подвеской, кондиционером, акустической системой, приборной панелью.
Огромная популярность микроконтроллеров связана, прежде всего, с законченностью этого устройства и простотой разработки готовых конструкций. Для использования микроконтроллера достаточно подключить к нему необходимые датчики, исполнительные элементы и написать программу работы. Разработка управляющих программ осуществляется на персональных компьютерах, при этом большинство производителей предлагает бесплатные средства программирования и отладки проектов. В качестве языков программирования микроконтроллеров, сегодня используются C, Pascal, Basic. В итоге создание программ практически ничем не отличается от этого же действия, выполняемого для обычных ПК. Вторым достоинством стала низкая стоимость микросхем. Цена на микроконтроллеры редко превышает 10 долларов, а для большинства из них находится в пределах от 1 до 3 долларов.
В отличие от больших компьютеров, создать устройство с использованием микроконтроллера может практически каждый желающий. В настоящее время предлагается огромный выбор всевозможных отладочных плат, например Amicus18, в которых реализована вся электрическая часть устройства. Достаточно только написать программу, подключить разъемы необходимых элементов и устройство готово.
Появление и развитие микроконтроллеров полностью изменило возможности современной техники. Она стала более функциональной, более умной и при этом дешевой. При этом создавать многие устройства стало доступным, не выходя из дома. В будущем применение микроконтроллеров будет только увеличиваться и вполне возможно, что в скором времени они составят реальную конкуренцию и на рынке персональных компьютеров.
Про микроконтроллеры для начинающих - история создания, основные виды и различия
Микроконтроллеры являются неотъемлемой частью быта современного человек. Применяются от детских игрушек до АСУТП. Благодаря использованию микроконтроллеров, инженерам получилось достигнуть большую скорость изготовления и качество продукции практических во всех сферах производства.
Данный материал является общим обзором ключевых дат в истории развития микроконтроллеров. Это не техническое пособие, многие тонкости и моменты упущены.
Предпосылки для появления микропроцессорных и микроконтроллерных систем
Чтобы разобраться с причинами появления и развития микропроцессорной техники взгляните на характеристики и особенности первых компьютеров. ENIAC – первый компьютер, 1946 год. Вес – 30 т, занимал целое помещение или 85 кубических метров объёма в пространстве. Большое тепловыделение, энергопотребление, постоянные неполадки из-за разъёмов электронных ламп. Окислы приводили к исчезновению контактов и лампы теряли связь с платой. Требовали постоянного обслуживания.
Компьютерная техника развивалась и к концу 60-х в мире их было порядка 30 тысяч, в их числе как универсальные ЭВМ, так и мини-компьютеры. Мини – того времени были размерами со шкаф.
Кстати, в 1969 году уже был изобретен прообраз интернета - ARPANET (англ. Advanced Research Projects Agency Network).
Параллельно развивались полупроводниковые технологии - в 1907 работы по детекторам и электролюминесценции полупроводников. В 1940-е диоды и транзисторы. Это всё привело к появлению интегральных технологий. Роберт Нойс в 1959 году изобрел интегральную микросхему (дальше ИМС или МС).
Важно:
Фирма Intel – внесла огромный вклад в развитие микроконтроллеров. Основатели: Роберт Нойс, Гордон Мур и Эндрю Гроув. Основана в 1968 году.
Архитектура, программирование, физическая реализация
Разработчиком архитектуры первого микропроцессора стал – Тед Хофф, системы команд – Стен Мейзор. Федерико Феджин – спроектировал кристалл. Но изначально компания Intel не владела всеми правами на этот чип, и, заплатив 60 000 долларов компании Busicom, получила полные права. Вскоре, последняя обанкротилась.
Для популяризации и внедрения новых технологи Intel вела как рекламную, так и образовательную кампанию.
Впоследствии и другие производители электроники объявляли о создании подобных устройств.
Это интересно:
4004 – 4-разрядная, p-МОП микросхема.
Событие:
До нашего времени сохраняется противостояние семейств микропроцессоров этих производителей.
Микроконтроллеры
А первый патент в СССР на однокристальные микро-ЭВМ был выдан в 1971 году М. Кочрену и Г. Буну, из Texas Instruments. С этих пор на кристалле кремния кроме процессора размещали еще память, и дополнительные устройства.
Конец семидесятых – это новая волна конкуренции между Intel и Motorola. Причиной этому стали две презентации, а именно в 76 году Intel выпустила i8048, а Motorola, только в 78 – mc6801, который был совместим с раним микропроцессором mc6800.
Спустя 4 года, к 80 году, Intel выпускает популярны и до сих пор МК i8051. Это было зарождение огромного семейства, которое живет и до сих пор. Ведущие мировые производители выпускают на этой архитектуры сильно модифицированные микроконтроллеры для широкого спектра задач.
Для своего времени он имел немыслимые 128 000 транзисторов. Это в четыре раза превосходило количество в i8086 процессоре.
В 2020 году, и последние десятилетие наиболее распространены следующие виды микроконтроллеров:
16-битные MSP430 фирмы TI;
32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM. Она продаётся разработчиками различным фирмам, на базе которой выпускается масса различных продуктов.
Различия микроконтроллеров
Микроконтроллеры можно разделить по таким критериям:
Разрядность – это длина одного слова обрабатываемого контроллером или процессором, чем она больше, тем быстрее микроконтроллер может обработать большие массивы данных, но такой подход не всегда справедлив, для каждой задачи выдвигаются индивидуальные требования, как по скорости, так и по способу обработку, например, применение 32-х разрядного ARM микропроцессор для работы в простых устройствах, оперирующих с 8 битным словами может быть не обосновано как по удобству написания программы и обработки информации, так и по себе стоимость.
Однако, по статистике на 2017 год, стоимость таких контроллеров активно снижается, и, если так будет продолжаться и далее – он будет дешевле простейших PIC контроллеров, при наличии гораздо большем наборе функций. Не понятно только одно – это маркетинговый ход и занижение цены, или реальный технологический прогресс.
Деление происходит на:
Деление по типу системы команд:
RISC-архитектура, или сокращенная система команд. Ориентирована на быстрое выполнение базовых команд за 1, реже 2 машинных цикла, а также имеет большое количество универсальных регистров, и более длинный способ доступа к постоянной памяти. Архитектурна характерна для систем под управление UNIX;
СISC-архитектура, или полная система команд, характерна прямая работа с памятью, большее число команд, малое число регистров (ориентирована на работу с памятью), длительность команд от 1 до 4 машинных циклов. Пример – процессоры Intel.
Деление по типу памяти:
Архитектура Фон-Неймана – основная черта общая область памяти для команд и данных, при работе с такой архитектурой в результате ошибки программиста данные могут записаться в область памяти программ и дальнейшее выполнение программы станет невозможным. Пересылка данных и выборка команды не может осуществляться одновременно по тем же причинам. Разработана в 1945 году.
Гарвардская архитектура – раздельная память данных и память программ, использовалась в первые на компьютерах семейства Mark. Разработана в 1944 году.
Выводы
В результате внедрения микропроцессорных систем размеры устройств снизились, а функционал увеличился. Выбор архитектуры, разрядности, системы команд, структуры памяти – влияет на конечную стоимость устройства, поскольку при единичном производстве разница в цене может быть не значительно, но при тиражировании – более чем ощутимой.
Пошаговое обучение программированию и созданию устройств на микроконтроллерах AVR
У электронщиков, специализирующихся на проектировании микроконтроллерных устройств, существует термин "быстрый старт " . Относится он к случаю, когда надо в короткий срок опробовать микроконтроллер и заставить его выполнять простейшие задачи.
Цель состоит в том, чтобы, не углубляясь в подробности, освоить технологию программирования и быстро получить конкретный результат. Полное представление, навыки и умения появятся позже в процессе работы.
Освоить работу с микроконтроллерами в режиме "быстрый старт", научиться их программировать и создавать различные полезные умные электронные устройства можно легко с помощью обучающих видеокурсов Максима Селиванова в которых все основные моменты разложены по полочкам.
Методика быстрого изучения принципов работы с микроконтроллерами основывается на том, что достаточно освоить базовую микросхему, чтобы затем достаточно уверенно составлять программы к другим ее разновидностям. Благодаря этому первые опыты по программировании микроконтроллеров проходят без особых затруднений. Получив базовае знания можно приступать к разработке собственных конструкций.
На данный момент у Максима Селиванова есть 4 курса по созданию устройств на микроконтроллерах, построенные по принципу от простого к сложному.
Курс для тех, кто уже знаком с основами электроники и программирования, кто знает базовые электронные компоненты, собирает простые схемы, умеет держать паяльник и желает перейти на качественно новый уровень, но постоянно откладывает этот переход из-за сложностей в освоении нового материала.
Курс замечательно подойдет и тем, кто только недавно предпринял первые попытки изучить программирование микроконтроллеров, но уже готов все бросить от того, что у него ничего не работает или работает, но не так как ему нужно (знакомо?!).
Курс будет полезен и тем, кто уже собирает простенькие (а может и не очень) схемы на микроконтроллерах, но плохо понимает суть того как микроконтроллер работает и как взаимодействует с внешними устройствами.
Курс посвящен обучению программирования микроконтроллеров на языке Си. Отличительная особенность курса - изучение языка на очень глубоком уровне. Обучение происходит на примере микроконтроллеров AVR. Но, в принципе, подойдет и для тех, кто использует другие микроконтроллеры.
Курс рассчитан на подготовленного слушателя. То есть, в курсе не рассматриваются базовые основы информатики и электроники и микроконтроллеров. Но, что бы освоить курс понадобятся минимальные знания по программированию микроконтроллеров AVR на любом языке. Знания электроники желательны, но не обязательны.
Курс идеально подойдет тем, кто только начал изучать программирование AVR микроконтроллеров на языке С и хочет углубить свои знания. Хорошо подойдет и тем, кто немного умеет программировать микроконтроллеры на других языках. И еще подойдет обычным программистам, которые хотят углубить знания в языке Си.
Этот курс для тех, кто не хочет ограничиваться в своем развитии простыми или готовыми примерами. Курс отлично подойдет тем, кому важно создание интересных устройств с полным пониманием того, как они работают. Курс хорошо подойдет и тем, кто уже знаком с программированием микроконтроллеров на языке Си и тем, кто уже давно программирует их.
Материал курса прежде всего ориентирован на практику использования. Рассматриваются следующие темы: радиочастотная идентификация, воспроизведение звука, беспроводной обмен данными, работа с цветными TFT дисплеями, сенсорным экраном, работа с файловой системой FAT SD-карты.
Дисплеи NEXTION представляют собой программируемые дисплеи с тачскрином и UART для создания самых разных интерфейсов на экране. Для программирования используется очень удобная и простая среда разработки, которая позволяет создавать даже очень сложные интерфейсы для различной электроники буквально за пару вечеров! А все команды передаются через интерфейс UART на микроконтроллер или компьютер. Материал курса составлен по принципу от простого к сложному.
Этот курс рассчитан на тех, кто хотя бы немного имеет опыта в программировании микроконтроллеров или arduino. Курс отлично подойдет и для тех, кто уже пытался изучать дисплеи Nextion . Из курса вы узнаете много новой информации, даже если думаете, что хорошо изучили дисплей!
Полный курс обучения программированию микроконтроллеров со скидкой: Все 4 курса со скидкой
А микроконтроллер (MCU за блок микроконтроллера) - небольшой компьютер на одном металл-оксид-полупроводник (MOS) Интегральная схема (IC) чип. Микроконтроллер содержит один или несколько Процессоры (ядра процессора) вместе с объем памяти и программируемый ввод, вывод периферийные устройства. Программная память в виде сегнетоэлектрическое RAM, НЕ мигает или же OTP ROM также часто включается в чип, а также в небольшом количестве баран. Микроконтроллеры предназначены для встроенный приложений, в отличие от микропроцессоры используется в персональные компьютеры или другие приложения общего назначения, состоящие из различных дискретных микросхем.
В современной терминологии микроконтроллер похож на микроконтроллер, но менее сложен, чем система на чипе (SoC). SoC может включать микроконтроллер в качестве одного из своих компонентов, но обычно интегрирует его с продвинутыми периферийными устройствами, такими как графический процессор (GPU), Вай фай модуль, или один или несколько сопроцессоры. [1]
Микроконтроллеры используются в автоматически управляемый продукты и устройства, такие как системы управления автомобильным двигателем, имплантируемые медицинские устройства, пульты дистанционного управления, офисная техника, бытовая техника, электроинструменты, игрушки и др. встроенные системы. За счет уменьшения размера и стоимости по сравнению с дизайном, в котором используется отдельный микропроцессор, память, устройства ввода / вывода, микроконтроллеры делают более экономичным цифровое управление еще большим количеством устройств и процессов. Смешанный сигнал Микроконтроллеры широко распространены, они объединяют аналоговые компоненты, необходимые для управления нецифровыми электронными системами. В контексте Интернет вещей, микроконтроллеры - экономичное и популярное средство сбор информации, зондирование и приводящий в действие физический мир как крайние устройства.
Некоторые микроконтроллеры могут использовать четырехбитный слова и работают на частотах до 4 кГц для низкого потребляемая мощность (однозначный милливатты или микроватты). Как правило, они могут сохранять функциональность, пока ожидающий для мероприятие например, нажатие кнопки или другое прерывать; энергопотребление во время сна (частота процессора и большинство периферийных устройств отключены) может составлять всего нановатт, что делает многие из них хорошо подходящими для приложений с длительным сроком службы батарей. Другие микроконтроллеры могут выполнять критически важные для производительности роли, когда им, возможно, придется действовать как цифровой сигнальный процессор (DSP), с более высокими тактовыми частотами и потребляемой мощностью.
Содержание
История
Истоки как микропроцессор и микроконтроллер можно проследить до изобретения МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), также известный как МОП-транзистор. [2] Это было изобретено Мохамед М. Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году и впервые продемонстрирован в 1960 году. [3] В том же году Аталла предложил концепцию MOS интегральная схема, который был Интегральная схема чип сфабрикованный от полевых МОП-транзисторов. [4] К 1964 году MOS-чипы достигли более высокого уровня плотность транзисторов и более низкие производственные затраты, чем биполярный чипсы. Микросхемы МОП стали более сложными со скоростью, предсказанной Закон Мура, что приводит к крупномасштабная интеграция (LSI) с сотнями транзисторы на одном кристалле MOS к концу 1960-х. Применение микросхем MOS LSI для вычисление была основой для первых микропроцессоров, поскольку инженеры начали понимать, что полный компьютерный процессор может содержаться на одном кристалле MOS LSI. [2]
Разработка
Кредиты на одну книгу TI инженеры Гэри Бун и Майкл Кокран с успешным созданием первого микроконтроллера в 1971 году. Результатом их работы стал ТМС 1000, который стал коммерчески доступным в 1974 году. Он сочетал в себе постоянную память, память для чтения / записи, процессор и часы на одном кристалле и был нацелен на встроенные системы. [6]
Частично в ответ на существование однокристального TMS 1000, [8] Intel разработала компьютерную систему на чипе, оптимизированном для приложений управления, Intel 8048, первые коммерческие части отгружены в 1977 году. [8] Он объединил баран и ПЗУ на одной микросхеме с микропроцессором. Среди множества приложений этот чип в конечном итоге нашел свое применение в более чем миллиардных клавиатурах ПК. В то время президент Intel Люк Валентер заявил, что микроконтроллер был одним из самых успешных продуктов в истории компании, и увеличил бюджет подразделения микроконтроллеров более чем на 25%.
В 1993 году введение EEPROM память позволяет микроконтроллерам (начиная с Microchip PIC16C84) [9] Быстро стирать электрически без дорогостоящей упаковки, необходимой для EPROM, позволяя как быстрое прототипирование, так и внутрисистемное программирование. (Технология EEPROM была доступна до этого времени, [10] но более ранняя EEPROM была более дорогой и менее долговечной, что делало ее непригодной для недорогих микроконтроллеров массового производства.) В том же году Atmel представила первый микроконтроллер, использующий Флэш-память, специальный тип EEPROM. [11] Другие компании быстро последовали их примеру с обоими типами памяти.
В настоящее время микроконтроллеры дешевы и легко доступны для любителей, с большими онлайн-сообществами вокруг определенных процессоров.
Объем и стоимость
В типичном доме в развитой стране, вероятно, будет всего четыре микропроцессора общего назначения, но около трех десятков микроконтроллеров. Типичный автомобиль среднего класса имеет около 30 микроконтроллеров. Их также можно найти во многих электрических устройствах, таких как стиральные машины, микроволновые печи и телефоны.
Стоимость изготовления может составлять менее $ 0,10 за единицу.
Стоимость со временем резко упала, теперь самые дешевые 8 бит микроконтроллеры доступны под 0,03 долл. США в 2018 году [17] и немного 32-битный микроконтроллеры около 1 доллара США за аналогичное количество.
Самый маленький компьютер
Встроенный дизайн
Микроконтроллер можно рассматривать как автономную систему с процессором, памятью и периферийными устройствами и использовать в качестве Встроенная система. [29] Большинство микроконтроллеров, используемых сегодня, встроены в другое оборудование, такое как автомобили, телефоны, бытовые приборы и периферийные устройства для компьютерных систем.
Хотя некоторые встроенные системы очень сложны, многие из них имеют минимальные требования к памяти и длине программы, без операционной системы и с низкой сложностью программного обеспечения. Типичные устройства ввода и вывода включают переключатели, реле, соленоиды, ВЕЛмаленькие или нестандартные жидкокристаллические дисплеи, радиочастотные устройства и датчики данных, таких как температура, влажность, уровень освещенности и т. д. Встроенные системы обычно не имеют клавиатуры, экрана, дисков, принтеров или других распознаваемых устройств ввода-вывода персональный компьютер, и может не иметь устройств для взаимодействия с людьми любого типа.
Прерывания
Программы
Обычно программы микроконтроллера должны умещаться в доступной внутренней памяти, поскольку было бы дорого обеспечить систему внешней расширяемой памятью. Компиляторы и ассемблеры используются для преобразования обоих высокий уровень и язык ассемблера коды в компактный Машинный код для хранения в памяти микроконтроллера. В зависимости от устройства память программ может быть постоянной, только для чтения памяти который может быть запрограммирован только на заводе или может быть изменен на месте вспышка или стираемая постоянная память.
Могут быть доступны другие версии, где доступ к ПЗУ осуществляется как к внешнему устройству, а не как к внутренней памяти, однако они становятся редкостью из-за широкой доступности дешевых программаторов микроконтроллеров.
Использование программируемых на месте устройств на микроконтроллере может позволить обновление на месте прошивка или разрешать поздние заводские изменения продуктов, которые были собраны, но еще не отправлены. Программируемая память также сокращает время, необходимое для развертывания нового продукта.
Там, где требуются сотни тысяч идентичных устройств, использование деталей, запрограммированных во время производства, может быть экономичным. Эти "маска запрограммирована«части имеют программу, заложенную таким же образом, как и логика микросхемы, в то же время.
Индивидуальный микроконтроллер включает в себя блок цифровой логики, который можно персонализировать для дополнительных возможностей обработки, периферийные устройства и интерфейсы которые адаптированы к требованиям приложения. Одним из примеров является AT91CAP из Атмель.
Другие особенности микроконтроллера
Микроконтроллеры обычно содержат от нескольких до десятков контактов ввода / вывода общего назначения (GPIO). Контакты GPIO программно конфигурируются либо для состояния ввода, либо для вывода. Когда контакты GPIO настроены на входное состояние, они часто используются для считывания датчиков или внешних сигналов. Настроенные на выходное состояние, выводы GPIO могут управлять внешними устройствами, такими как светодиоды или двигатели, часто косвенно, через внешнюю силовую электронику.
Многим встроенным системам необходимо считывать датчики, вырабатывающие аналоговые сигналы. Это цель аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Поскольку процессоры созданы для интерпретации и обработки цифровых данных, то есть единиц и нулей, они не могут ничего делать с аналоговыми сигналами, которые могут быть отправлены на него устройством. Таким образом, аналого-цифровой преобразователь используется для преобразования входящих данных в форму, которую может распознать процессор. Менее распространенной функцией некоторых микроконтроллеров является цифро-аналоговый преобразователь (DAC), который позволяет процессору выводить аналоговые сигналы или уровни напряжения.
Помимо преобразователей, многие встроенные микропроцессоры также включают в себя множество таймеров. Один из самых распространенных типов таймеров - это программируемый интервальный таймер (ЯМА). PIT может либо отсчитывать от некоторого значения до нуля, либо до емкости счетного регистра, переполняясь до нуля. Как только он достигает нуля, он отправляет прерывание процессору, показывая, что счет завершен. Это полезно для таких устройств, как термостаты, которые периодически проверяют температуру вокруг себя, чтобы узнать, нужно ли включать кондиционер, обогреватель и т. Д.
Специальный широтно-импульсная модуляция (PWM) блок позволяет ЦП управлять преобразователи мощности, резистивный грузы, моторыи т. д., без использования большого количества ресурсов ЦП в условиях жесткого таймера петли.
А универсальный асинхронный приемник / передатчик Блок (UART) позволяет принимать и передавать данные по последовательной линии с очень небольшой нагрузкой на ЦП. Выделенное внутрикристальное оборудование также часто включает возможности для связи с другими устройствами (микросхемами) в цифровых форматах, таких как межинтегральная схема (I²C), Последовательный периферийный интерфейс (SPI), Универсальная последовательная шина (USB), и Ethernet. [30]
Более высокая интеграция
Читайте также: