Раздел 3. Микроконтроллеры

Тема 3.1. Назначение и принцип работы микроконтроллеров

3.1.1 Общие сведения о микроконтроллерах

Микроконтроллеры МК – это разновидность микропроцессоров МП, предназначенных для управления техническими устройствами и технологическими процессами в реальном времени. МК встраиваются в системы автоматического управления радиоаппаратурой, сотовыми телефонами, зажигания автомобилей и др.

Особенности МК. МК по структуре и выполняемым функциям соответствует микропроцессорной системе, но проще чем МПС. Понятие центральный процессор для МК не применяется, так как ЦП – это отдельное устройство. Функции ЦП в МК выполняет арифметико-логическое устройство АЛУ. Кроме АЛУ МК содержит: тактовый генератор, память данных, память программ, устройства ввода-вывода (АЦП, ЦАП, модемы, параллельные и последовательные интерфейсы), таймеры и др. Все эти элементы соединены между собой внутренними шинами данных и адреса и размещаются на одном кристалле, поэтому МК называют также «Однокристальные микроЭВМ».

С внешним устройствами МК общается при помощи нескольких портов ввода-вывода. Современные МК всегда имеют развитую систему прерываний. За счёт применения механизма прерываний основная программа выполняется как бы сама по себе, а прерывающая программы – независимо от неё. Например, работа манипулятора «мышь». При выполнении любой программы курсор всегда выполняет её указания. По прерываниям работают: клавиатура, жесткий диск, порт принтера и многое другое.

Так как основное применение МК – в системах реального времени, обязательным их элементом являются таймеры-счётчики, число которых в некоторых модификациях МК доходит до 32.

В МК реализуются заранее известные несложные алгоритмы, поэтому ёмкость памяти в сотни и тысячи раз меньше, чем у МПС широкого применения. Блоки програм-мной памяти и памяти данных обычно раздельные и разной ёмкости, что соответствует гарвардской архитектуре и повышает производительность. При необходимости возможно подключение внешних БИС ОЗУ и ПЗУ для расширения памяти. Применение флэш-памяти позволяет вносить изменения в программы.

Комбинации кодов операций тщательно подобраны так, чтобы их можно было выполнять за один такт тактового генератора. За счёт этого упрощается аппаратная реализация, уменьшаются площадь кристалла, потребляемая мощность и стоимость, повышается производительность МК.

Для связи с удалёнными устройствами применяются последовательные порты стандарта RS-232. Кроме RS-232 часто применяются порты, поддерживающие прото-колы RS-485 (двунаправленная связь по двухпроводной линии); SPI (последовательный периферийный трёхпроводный интерфейс); Bitbus (последовательная магистраль управ-

ления); CAN (межконтроллерный сетевой интерфейс); USB (универсальная последова-

тельная шина).

Для уменьшения числа выводов ИМС широко применяется мультиплексирование. Например, одни и те же выводы используются для выдачи сначала адреса, потом для

75

ввода данных, а затем и ввода/вывода управляющих сигналов.

Число выводов тысяч разновидностей выпускаемых МК составляет от 8 до 356, их рабочие частоты от 32 кГц до 200 МГц, имеются МК, работающие при напряжении питания 1,2 в и потребляющие ток, не превышающий единиц мкА.

Первые МК были выпущены фирмой Intel в 1976 году.