Глава I. Микроконтроллеры

Микроконтроллер (MК) – программируемая микросхема, предназначенная для арифметико-логической обработки информации и управления техническими объектами и/или технологическими процессами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и ПЗУ. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Наиболее распространённым семейством микроконтроллеров являются 8-битные микроконтроллеры, широко используемые в промышленности. 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.

Архитектура МК - результат эволюции архитектуры микропроцессоров и микропроцессорных систем, обусловленных стремлением существенно снизить их аппаратные затраты и стоимость. Как правило, эти цели достигаются как путем повышения уровня интеграции БИС, так и за счет поиска компромисса между стоимостью, аппаратными затратами и техническими характеристиками МК.

МК представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде одной БИС и включающие в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор, запоминающее устройство данных, запоминающее устройство команд, внутренний генератор тактовых сигналов, АЦП, интерфейсы и другие программируемые модули для связи с внешней средой. Использование МК в системах управления обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при столь низкой стоимости (во многих применениях система может состоять только из одной БИС МК), что им, видимо, нет в ближайшем времени альтернативной элементной базы для построения управляющих и/или регулирующих систем. Специфическая организация ввода-вывода информации предопределяет область их применения в качестве специализированных вычислителей, включенных в контур управления объектом или процессом. Структурная организация, набор команд и аппаратно-программные средства ввода-вывода информации этих микросхем лучше всего приспособлены для решения задач управления и регулирования в приборах, устройствах и системах автоматики, а в последнее время и для решения задач обработки данных. Указанные выше соображения отражают технический уровень МК в настоящий момент.

Первые 8-разрядные микропроцессоры появились в 1971 г. Пять лет спустя, в 1976 г., был произведен первый 8-разрядный микроконтроллер (МК), который объединил в одном кристалле основные элементы микропроцессорной управляющей системы [1]: центральный процессор, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, порты ввода-вывода, таймеры. С тех пор микропроцессорная элементная база встраиваемых систем управления развивается высокими темпами:

-16 - и 32-разрядные МК с интегрированной на кристалл многофункциональной периферией стали обычным явлением;

-в последние годы бурно развиваются МК с процессором цифровой обработки сигналов (DSP) в качестве процессорного ядра.

-на очереди МК с командами обработки чисел с плавающей запятой и однокристальные программируемые логические МК.

Каждый из представителей, перечисленных выше групп, значительно превосходит по производительности скромного 8-разрядного предка. Однако высокоинтегрированные высокопроизводительные собратья не вытеснили 8-разрядные МК. Более того, 8-разрядные МК по количеству их модификаций значительно превосходят все остальные группы. И вот почему.

Во-первых, основная область применения 8-разрядных МК - устройства интеллектуального управления промышленной автоматики и бытовой аппаратуры. Специфика алгоритмов управления этих устройств не требует выполнения расчетов высокой точности в жестких условиях реального времени. Основная доля операций управления состоит в преобразовании логической информации. Следовательно, 8-разрядные МК могут с успехом реализовать эти задачи и не имеют тенденций к вытеснению МК с более высокой разрядностью обрабатываемого слова. Во-вторых, процессы глобальной информатизации настоятельно диктуют необходимость объединения в информационные сети даже очень простых устройств управления, например: торговых автоматов, уличного освещения и т.д. В результате 8-разрядные MK начинают применяться в тех областях, где до недавнего времени микропроцессорная техника не использовалась. В-третьих, степень алгоритмической культуры инженеров-разработчиков повысилась настолько, что они предпочитают применять простейшие МК вместо цифровых ИС средней степени интеграции. А низкая цена 8-разрядных МК этому только способствует. Все эти причины обусловливают возросшую потребность в 8-разрядных МК и, как следствие, постоянное расширение номенклатуры 8-разрядных МК такими известными компаниями, как Motorola, NEC, Microchip, Mitsubishi, Hitachi, Philips, Infineon, а также выход на рынок новых фирм-производителей 8-разрядных МК с очень интересной продукцией (Atmel, Scenix). Чтобы выстоять в конкурентной борьбе, производители стремятся предложить разработчикам такие МК, которые, с одной стороны, наиболее точно соответствуют требованиям разрабатываемого устройства, а с другой стороны, не являются функционально избыточными для этого устройства, что обеспечивает конкурентоспособность конечного изделия по стоимости продукции. Результатом этого стремления явилось великое множество моделей 8-разрядных МК.

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 AVR фирмы Atmel и PIC фирмы Microchip Technology, шестнадцатибитные MSP430 фирмы TI, а также МК ARM, архитектуру, которых разрабатывает фирма ARM и продаёт лицензии другим фирмам для их производства.

И вся эта продукция в настоящее время стала доступной российскому разработчику и производителю.