Когда вы приступаете к изучению микропроцессоров и микроконтроллеров, то первый вопрос, который может у вас возникнуть это «эй...а в чем же между ними разница?». В этой статье будут приведены основные сходства и различия между микроконтроллерами и микропроцессорами. По сути, это будет простое сравнение обоих микровычислительных устройств.

Основное назначение микропроцессоров и микроконтроллеров заключается в выполнении определенных операций — выборки инструкций (или команд) из памяти, выполнении этих инструкций (выполнение арифметических, логических операций) и выдачи результата на устройства вывода. Оба устройства способны непрерывно выбирать команды из памяти и продолжать выполнение этих команд тех пор, пока не будет отключено питание. Команды представляют собой набор битов. Эти команды всегда извлекаются из области хранения, называемой памятью. Теперь давайте взглянем на блок-схемы микропроцессорной системы и микроконтроллерной системы.

При внимательном рассмотрении этой блок-схемы можно увидеть, что микропроцессор имеет много вспомогательных устройств, вроде постоянно запоминающего устройства (ПЗУ), оперативно запоминающего устройства (ОЗУ), интерфейсов последовательной передачи данных, таймеров, портов ввода/вывода и т.п. Все эти устройства взаимодействуют с микропроцессором посредством системной шины. То есть, все вспомогательные устройствав микропроцессорной системе являются внешними. Системная шина состоит из шины адреса, шины данных и шины управления.

На этой блок-схеме представлена микроконтроллерная система. Итак, какое основное отличие мы видим? Все вспомогательные устройства, такие как ПЗУ, ОЗУ, последовательный интерфейс, порты ввода/вывода, являются внутренними. В данном случае нет необходимости сопряжения этих устройств, такой подход может сэкономить много времени для разработчиков систем. То есть, микроконтроллер ни что иное, как микропроцессорная система со всеми вспомогательными устройствами внутри одной микросхемы. Здесь не требуется какого-либо обязательного внешнего взаимодействия, если только не нужно работать с внешней памятью, модулями АЦП/ЦАП и прочими подобными устройствами. Для обеспечения работы микроконтроллера нужно только подвести к нему питающее напряжение постоянного тока, подключить цепь сброса и при необходимости кварцевый генератор для тактирования.

Итак, теперь нам ясны базовые различия между микроконтроллерами и микропроцессорами. Сейчас давайте сравним некоторые особенности обеих систем.

Сравнение

Как вы уже знаете, вспомогательные устройства в микропроцессорной системе являются внешними, а в микроконтроллерной — внутренними. В микроконтроллерах обеспечивается защита программного кода, в то время как в микропроцессорной системе не предлагается системы защиты. То есть, в микроконтроллерах можно «заблокировать» внутреннюю память программ для предотвращения ее считывания с помощью внешней схемы. Хорошо, но это только основные различия, в процессе работы с этими устройствами вы обнаружите больше. Так, например, поскольку в микропроцессорной системе требуется внешнее взаимодействие с вспомогательными устройствами, то время на создание схемы будет затрачено больше, размер устройства будет больше, а также возрастет энергопотребление по сравнению с микроконтроллерной системой.

Altera-Cyclone and Arduino

Суть вопроса. Разница между ПЛИС и микроконтроллером

Каждый начинающий микропрогер на определенном этапе своего развития задается вопросом в чем же разница между ПЛИС (фирм Altera или Xilinx) и микроконтроллером (микропроцессором)?

Читаешь форумы — знатоки дела пишут, что это совершенно разные вещи, которые нельзя сравнить, аргументируя это тем, что у них разная архитектура . Читаешь мануал по Verilog или C++ — и тот и другой используют похожие операторы со схожим функционалом, даже синтаксис похож, а почему разные? Заходишь на марсоход — там светодиодами (или даже просто лампочками) с помощью FPGA моргают, смотришь проекты на Arduino — там роботами управляют. СтОп!

А вот теперь остановимся и спросим себя: почему с ПЛИС — тупо лампочка, а Ардуино — умно робот? Ведь и первый и второй вроде как программируемое устройство, неужели у ПЛИС возможностей для робота не хватает?

В какой-то степени суть вопроса «В чем разница между ПЛИС и микроконтроллером ?» раскрывается именно на таком примере.

Отметим сразу. Функционал ПЛИС изначально не уступает микроконтроллеру (и микропроцессору, кстати, тоже), точнее — основные функции у одного и второго по сути идентичны — выдавать логические 0 или 1 при определенных условиях, а если говорить о быстродействии, количестве выводов(ножек) и возможностях конвейерной обработки, то микроконтроллеру до ПЛИС а вообще далеко. Но есть одно «но». Время на разработку одного и того же программного алгоритма на двух разных устройствах (ПЛИС и микроконтроллер ) различается в разы, а то и в десятки раз. Именно ПЛИС здесь в 99% случаев сильно уступает МК. И дело вовсе не в замороченности языков Verilog , VHDL или AHDL , а в устройстве самой ПЛИС .

О взаимодействии программного языка с архитектурой ПЛИС и микроконтроллера

FPGA : в ПЛИС и нет сложных автоматизированных цепочек(делающих часть работы за вас). Есть только железные проводные трассы и магистрали, входы, выходы, логические блоки и блоки памяти. Среди трасс есть особый класс — трасса для тактирования(привязанная к определенным ножкам, через которые рекомендуется проводить тактовую частоту).

Основной состав:

Трасса — металл, напаянный на слои микросхемы, является проводником электричества между блоками.

Блоки — отдельные места в плате, состоящие из ячеек. Блоки служат для запоминания информации, умножения, сложения и логических операций над сигналами вообще.

Ячейки — группы от нескольких единиц до нескольких десятков транзисторов.

Транзистор — основной элемент ТТЛ логики.

Выводы (ножки микросхемы) — через них происходит обмен ПЛИС с окружающим миром. Есть ножки специального назначения, предназначенные для прошивки, приема тактовой частоты, питания, а так же ножки, назначение которых устанавливаются пользователем в программе. И их, как правило, гораздо больше, чем у микроконтроллера .

Тактовый генератор — внешняя микросхема, вырабатывающая тактовые импульсы, на которых основывается большая часть работы ПЛИС .

Архитектура ПЛИС. Взаимосвязь составляющих элементов

Трассы подключаются к блокам с помощью специальных КМОП-транзисторов. Эти транзисторы способны сохранять свое состояние(открытое или закрытое) на протяжении длительного периода времени. Изменяется состояние транзистора при подаче сигнала по определенной трассе, которая используется только при программировании ПЛИС . Т.е., в момент прошивки осуществляется именно подача напряжения на некоторый набор КМОП-транзисторов. Этот набор определяется прошивочной программой. Таким образом происходит сложное построение огромной сети трасс и магистралей внутри ПЛИС , связывающей сложным образом между собой огромное количество логических блоков. В программе вы описываете какой именно алгоритм нужно выполнять, а прошивка соединяет между собой элементы, выполняющие функции, которые вы описываете в программе. Сигналы бегают по трассе от блока к блоку. А сложный маршрут задается программой.

Архитектура Микроконтроллера

В этом элементе ТТЛ логики все операции по обработкам отдельных сигнальчиков проводятся независимо от вас. Вы лишь указываете что делать с тем или иным набором принятых сигналов и куда выдавать те сигналы, которые нужно передать. Архитектура микроконтроллера состоит совсем из других блоков, нежели ПЛИС . И связи между блоками осуществляются по постоянным магистралям(а не перепрошиваемым). Среди блоков МК можно выделить основные:

Постоянная память (ПЗУ) — память, в которой хранится ваша программа. В нее входят алгоритмы действий и константы. А так же библиотеки(наборы) команд и алгоритмов.

Оперативная память (ОЗУ) — память, используемая микроконтроллером для временного хранения данных(как триггеры в ПЛИС ). Например, при вычислении в несколько действий. Допустим, нужно умножить первое пришедшее число на второе(1-е действие), затем третье на четвертое(2 действие) и сложить результат(3 действие). В оперативную память при этом занесется результат 1 действия на время выполнения второго, затем внесется результат 2 действия. А затем оба этих результата пойдут из оперативной памяти на вычисление 3 действия.

Процессор — это калькулятор микроконтроллера . Он общается с оперативной памятью, а так же с постоянной. С оперативной происходит обмен вычислениями. Из постоянной процессор получает команды, которые заставляют процессор выполнять определенные алгоритмы и действия с сигналами на входах.

Средства (порты) ввода-вывода и последовательные порты ввода-вывода — ножки микроконтроллера , предназначенные для взаимодействия с внешним миром.

Таймеры — блоки, предназначенные для подсчета количества циклов при выполнении алгоритмов.

Контроллер шины — блок, контролирующий обмен между всем блоками в микроконтроллере . Он обрабатывает запросы, посылает управляющие команды, организовывает и упорядочивает общение внутри кристалла.

Контроллер прерываний — блок, принимающий запросы на прерывание от внешних устройств. Запрос на прерывание — сигнал от внешнего устройства, информирующий о том, что ему необходимо совершить обмен какой-либо информацией с микроконтроллером .

Внутренние магистрали — трассы, проложенные внутри микроконтроллера для информационного обмена между блоками.

Тактовый генератор — внешняя микросхема, вырабатывающая тактовые импульсы, на которых основывается вся работа микроконтроллера .

Взаимосвязь составляющих блоков микроконтроллера

В микроконтроллере , в отличии от ПЛИС , работа происходит между вышеперечисленными блоками, имеющими сложную архитектуру , облегчающую процесс разработки программ. При прошивке вы изменяете только постоянную память, на которую опирается вся работа МК.

Основное отличие ПЛИС и микроконтроллера

ПЛИС прошивается на уровне железа, практически по всей площади кристалла. Сигналы проходят через сложные цепочки транзисторов. Микропроцессор же прошивается на уровне программы для железа, сигналы проходят группами, от блока к блоку — от памяти к процессору, к оперативной памяти, от оперативной к процессору, от процессору к портам ввода-вывода, от портов ввода-вывода к оперативной памяти, от оперативной памяти… и так далее. Вывод: за счет архитектуры ПЛИС выигрывает в быстродействии и более широких возможностях конвеерной обработки, МК выигрывает в простоте написания алгоритмов. За счет более простого способа описания программ, фантазия разработчика Микроконтроллера менее скованна временем на отладку и разработку, и, таким образом, время на программирование того же робота на МК и ПЛИС будет отличаться во многие и многие разы. Однако робот, работающий на ПЛИС будет гораздо шустрее, точнее и проворнее.

Железо и программа.

В ПЛИС всю работу нужно делать самому, вручную: для того, чтобы реализовать какую-либо программу на ПЛИС , нужно отследить каждый сигнальчик по каждому проводку, приходящему в ПЛИС , расположить какие-то сигнальчики в ячейки памяти, позаботиться о том, чтобы в нужный момент именно к этим ячейкам памяти обратился другой сигнальчик, который вы так же отслеживаете или даже генерируете, и в итоге набор сигнальчиков, задержанный в памяти задействовал нужный вам сигнальчик, который, например, пойдет на определенную выходную ножку и включит светодиодик, который к ней подключен. Часть сигнальчиков идет не в память, а например на запуск определенной части алгоритма(программы). То есть, говоря языком микропрогера, эти ножки являются адресными. Например, имеем на нашей плате в нашей программе три адресные ножки для включения неких не связанных(или связанных) друг с другом алгоритмов, которые мы реализовали на языке Verilog в ПЛИС . Также в программе, кроме трех адресных ножек, у нас есть еще например 20 информационных ножек, по которым приходит набор входных сигнальчиков(например с разных датчиков) с какой-либо информацией (например температура воды в аквариуме с датчика температуры воды в аквариуме). 20 ножек = 20 бит. 3 ножки -3 бита. Когда приходит адресный сигнал 001(с трех ножек адреса) — запускаем первый алгоритм, который записывает 20 информационных сигнальчиков в 20 ячеек памяти(20 триггеров), затем следующие 20 сигнальчиков умножаем на полученные ранее 20, а результат умножения записываем в память, а потом отсылаем по другим ножкам например в терморегулятор воды в аквариуме. Но Отошлем мы этот результат только тогда, когда на наши адресные ножки придет код например 011 и запустит алгоритм считывания и передачи. Ну, естественно «отсылаем», «считываем» и еще что-то прописываем в ручную. Ведем каждый сигнальчик в каждый такт работы ПЛИС по определенному пути, не теряем. Обрабатываем или записываем. Складываем или умножаем. Не забываем записать. Не забываем принять следующий сигнал и записать в другие триггеры. Еще добавьте сюда работу, привязанную к тактовой частоте, синхронизацию (которая так же реализуется вручную), неизбежные ошибки на этапах разработки и отладки и кучу других проблем, которые в данной статье рассматривать просто бессмысленно. Трудно. Долго. Но зато на выходе работает супер оперативно, без глюков и тормозов. Железно!

Теперь микроконтроллер . 20 ножек на прием информации — для большинства микроконтроллеров физически невозможная задача. А вот 8 или 16 — да пожалуйста! 3 информационных — в легкую! Программа? По адресу 001 умножить первое пришедшее число на второе, по адресу 011 отсылай результат в терморегулятор. Все! Быстро. Легко. Не супер, но оперативно. Если очень грамотно написать программу- без глюков и тормозов. Программно!

Железо и Программа! Вот главное отличие между ПЛИС и Микроконтроллером .

В микроконтроллере большинство замороченных, но часто используемых алгоритмов уже вшиты железо(в кристалл). Нужно лишь вызвать программным способом нужную библиотеку, в которой этот алгоритм хранится, назвать его по имени и он будет делать всю грязную работу за вас. С одной стороны это удобно, требует меньшего количества знаний о внутреннем устройстве микросхемы. Микрик берет на себя заботу об отслеживании принятых, генерируемых и результирующих сигналов, об их складировании, обработке, задержке. Все делает сам. В большинстве микропрогерских задач это то, что нужно. Но если безграмотно использовать все эти удобства, то возникает вероятность некорректной работы. Железо и Программа!

Заключение

Современные разработчики процессоров и микропроцессоров изначально разрабатывают свои устройства на ПЛИС . Да-да, вы правильно догадываетесь: сначала они имитируют создаваемую архитектуру микроконтроллера с помощью разработки и прошивки программы на ПЛИС , а затем измеряют скорость выполнения алгоритмов при том или ином расположении имитируемых блоков МК и том или ином наборе функционала каждого блока отдельно.

По характеристикам выдаваемого сигнала, ПЛИС чаще всего рассчитана на 3,3В, 20мА, Микроконтроллер на 5В, 20мА.

Под микроконтроллер AVR, успешно внедренный в платформу Arduino, написано множество открытых программ, разработано великое множество примочек в виде датчиков, двигателей, мониторчиков, да всего, чего только душе угодно! Arduino в настоящее время больше похож на игровой конструктор для детей и взрослых. Однако не стоит забывать, что ядро этого конструктора управляет «умными домами», современной бытовой электроникой, техникой, автомобилями, самолетами, оружием и даже космическими аппаратами. Несомненно, такой конструктор будет являться одним из лучших подарков для любого представителя сильной половины человечества.

В принципе, все просто!

Остались вопросы? Напишите комментарий. Мы ответим и поможем разобраться =)

Ключевое отличие : Разница между микропроцессором и микроконтроллером заключается в наличии ОЗУ, ПЗУ и других периферийных устройств в микроконтроллере. Микропроцессор содержит только процессор и не имеет других компонентов.

Микропроцессор и микроконтроллер, оба являются основными процессорами, предназначенными для работы компьютеров. Функции обоих процессоров одинаковы. Основное различие между ними состоит в том, что микропроцессоры выполняют различные функции, тогда как микроконтроллеры - это небольшие компьютеры, предназначенные для конкретных задач. Эта статья помогает найти больше различий между двумя процессорами.

Микропроцессоры обычно называются центральным процессором или процессором микрокомпьютера. Говорят, что это сердце и мозг компьютеризированной машины.

Микропроцессор необходим для выполнения множества задач. Это небольшой компьютер, который используется для выполнения арифметических и логических операций, таких как управление системой, хранение данных и т. Д. Микропроцессор обрабатывает входные или выходные данные периферийных устройств и дает функцию для возврата результатов. Первый коммерческий микропроцессор был выпущен Intel в ноябре 1971 года и получил название 4004; это был 4-битный микропроцессор.

Операции, выполняемые микропроцессором, являются общими по своему назначению. Поэтому считается необходимым выполнять любые логические операции на компьютеризированной машине. Микропроцессоры настроены на микросхемы; он изготовлен из миниатюрных транзисторов и некоторых других элементов схемы на одиночной полупроводниковой ИС для выполнения своих задач в компьютере. Он сокращенно обозначается как «µP» или «uP». Существует пять основных типов процессоров:

• Комплексный набор инструкций микропроцессоров
• Микропроцессоры с уменьшенным набором команд
• Суперскалярные процессоры
• Специализированная интегральная схема
• Цифровые сигнальные мультипроцессоры

Микроконтроллер - это встроенный компьютер, оптимизированный для управления электрическими устройствами. Это устройство, которое включает в себя микропроцессор, память и устройства ввода / вывода на одной микросхеме. Говорят, что это сердце встроенной системы.

Микроконтроллеры имеют специфическую природу для задачи, которую они должны выполнить. Он имеет микропроцессор на своей плате для выполнения всех логических операций гаджета. После того, как микроконтроллер запрограммирован, он может работать самостоятельно с сохраненным набором инструкций и может выполнять операции или задачи по мере необходимости. Это предназначено, чтобы быть самодостаточным и прибыльным. Кроме того, микроконтроллер представляет собой набор дробей в системе, который является фундаментальным для комплектации печатной платы. «Фиксированная компьютерная система» предназначена для выполнения одной или нескольких функций снова и снова в режиме реального времени. Эта система встроена как элемент в аппаратные средства и моторизованные элементы компьютеризированной машины.

Микроконтроллеры предназначены для выполнения определенных операций, которые помогают управлять конкретными системами. Он сокращенно обозначен как «uC», «µC» или «MCU».

Микроконтроллеры похожи на небольшой компьютер, в котором ЦП, блок памяти, такой как ОЗУ и ПЗУ, периферийные устройства ввода / вывода, таймеры, счетчики, встроены в одну интегральную схему, т.е. IC. Они легко подключаются к внешним периферийным устройствам, таким как последовательные порты, АЦП, ЦАП, Bluetooth, Wi-Fi и т. Д. Здесь процесс сопряжения происходит быстрее по сравнению с сопряжением микропроцессора. В большинстве случаев микроконтроллеры используют архитектуру RISC или CISM для выполнения задач на разных машинах. Различные типы микроконтроллеров:

• 8-битный микроконтроллер
• 16-битный микроконтроллер
• 32-битный микроконтроллер
• Встроенный микроконтроллер
• Встроенный микроконтроллер

Сравнение между микропроцессором и микроконтроллером:

Удивительно, как небольшая часть технологии изменила лицо персональных компьютеров. С первого коммерческого микропроцессора (4-бит 4004), который был разработан Intel в 1971 году для более продвинутого и универсального 64-битного Itanium 2, микропроцессорная технология перешла в совершенно новую сферу архитектуры следующего поколения. Достижения в области микропроцессорной техники сделали персональные вычисления более быстрыми и надежными, чем когда-либо прежде. Если микропроцессор является сердцем компьютерной системы, микроконтроллер - это мозг. Как микропроцессор, так и микроконтроллер часто используются в синонимах друг друга из-за того, что они имеют общие функции и специально разработаны для приложений реального времени. Однако у них есть и их доля различий.

Что такое микропроцессор?

Микропроцессор - это интегрированный чип на основе кремния, имеющий только центральный процессор. Это сердце компьютерной системы, которая предназначена для выполнения множества задач, связанных с данными. Микропроцессоры не имеют RAM, ROM, IO контактов, таймеров и других периферийных устройств на чипе. Они должны быть добавлены извне, чтобы сделать их функциональными. Он состоит из ALU, который обрабатывает все арифметические и логические операции; блок управления, который управляет и управляет потоком инструкций по всей системе; и Register Array, который хранит данные из памяти для быстрого доступа. Они предназначены для приложений общего назначения, таких как логические операции в компьютерной системе. Проще говоря, это полностью функциональный процессор на единой интегральной схеме, который используется компьютерной системой для выполнения своей работы.

Что такое микроконтроллер?

Микроконтроллер похож на мини-компьютер с процессором, а также RAM, ROM, последовательные порты, таймеры и периферийные устройства ввода-вывода, встроенные в один чип. Он предназначен для выполнения конкретных задач, требующих определенной степени контроля, таких как пульт телевизора, светодиодная панель дисплея, интеллектуальные часы, транспортные средства, управление светофором, контроль температуры и т. Д. Это высококачественное устройство с микропроцессор, память и порты ввода / вывода на одном чипе. Это мозги компьютерной системы, которые содержат достаточно схем для выполнения определенных функций без внешней памяти. Поскольку в нем отсутствуют внешние компоненты, потребляемая мощность меньше, что делает его идеальным для устройств, работающих на батареях. Простой разговор, микроконтроллер - это полная компьютерная система с меньшим внешним оборудованием.

Разница между микропроцессором и микроконтроллером

1) Технология, используемая в микропроцессоре и микроконтроллере

Микропроцессор - это программируемый многоцелевой кремниевый чип, который является наиболее важным компонентом в компьютерной системе. Это, как сердце компьютерной системы, состоящее из ALU (Арифметической логической единицы), блока управления, декодеров команд и массива регистров. Микроконтроллер, с другой стороны, является сердцем встроенной системы, которая является побочным продуктом микропроцессорной технологии.

2) Архитектура микропроцессора и микроконтроллера

Микропроцессор - это просто интегральная схема без ОЗУ, ПЗУ или контактов ввода / вывода. В основном это относится к центральному процессору компьютерной системы, который извлекает, интерпретирует и выполняет команды, переданные ему. Он включает функции ЦП в единую интегральную схему. Микроконтроллеры, с другой стороны, являются более мощными устройствами, которые содержат схему микропроцессора и имеют ОЗУ, IO и процессор в одном чипе.

3) Работа микропроцессора и микроконтроллера

Для микропроцессора требуется внешняя шина для подключения к периферийным устройствам, таким как RAM, ROM, Analog и Digital IO, а также последовательные порты. ALU выполняет все арифметические и логические операции, поступающие с устройств памяти или ввода, и выполняет результаты на выходных устройствах. Микроконтроллер представляет собой небольшое устройство со всеми периферийными устройствами, встроенными в один чип, и предназначен для выполнения определенных задач, таких как выполнение программ для управления другими устройствами.

4) Память данных в микропроцессоре и микроконтроллере

Память данных является частью ПОС, которая содержит регистры специальных функций и регистры общего назначения. Он временно хранит данные и сохраняет промежуточные результаты. Микропроцессоры выполняют несколько инструкций, которые хранятся в памяти и отправляют результаты на выход. Микроконтроллеры содержат один или несколько процессоров вместе с ОЗУ и другими периферийными устройствами. CPU извлекает инструкции из памяти и выполняет результаты.

5) Хранение в микропроцессоре и микроконтроллере

Микропроцессоры основаны на архитектуре фон Неймана (также известной как модель фон Неймана и архитектура Принстона), в которой блок управления получает команды, назначая управляющие сигналы аппаратным средствам и декодирует их. Идея состоит в том, чтобы хранить инструкции в памяти вместе с данными, на которых действуют инструкции. Микроконтроллеры, с другой стороны, основаны на архитектуре Гарварда, где инструкции и данные программы хранятся отдельно.

6) Приложения микропроцессора и микроконтроллера

Микропроцессоры представляют собой устройство массовой памяти с одним чипом и встроены в несколько приложений, таких как контроль спецификации, управление светофором, контроль температуры, тестовые инструменты, система мониторинга в реальном времени и многое другое.Микроконтроллеры в основном используются в электрических и электронных схемах и устройствах с автоматическим управлением, таких как высококачественные медицинские инструменты, системы управления автомобильным двигателем, солнечные зарядные устройства, игровой автомат, управление светофором, промышленные устройства управления и т. Д.

Микропроцессор против микроконтроллера: сравнительная таблица

Резюме микропроцессора и микроконтроллера

Ключевое различие между этими терминами заключается в наличии периферийных устройств. В отличие от микроконтроллеров, микропроцессоры не имеют встроенной памяти, ПЗУ, последовательных портов, таймеров и других периферийных устройств, которые составляют систему. Для взаимодействия с периферийными устройствами требуется внешняя шина. С другой стороны, микроконтроллер имеет все периферийные устройства, такие как процессор, оперативная память, ПЗУ и IO, встроенные в один чип. Он имеет внутреннюю управляющую шину, которая недоступна дизайнеру. Поскольку все компоненты упакованы в один чип, он компактный, что делает его идеальным для крупномасштабных промышленных применений. Микропроцессор - это сердце компьютерной системы, а микроконтроллер - это мозг.

Общие сведения об устройстве микроконтроллеров и основные даты

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.

До определённых пор фирма производила п/п запоминающие устройства. Первым была МС «3101» - 64 разряда, Шотки - биполярная статическая ОЗУ.

Следующим было изобретение «4004» - микропроцессора с 2300 п/п транзисторов в своём составе, по производительности не хуже, чем ENIAC, а размером меньше ладони. Т.е. размер 4004-го микропроцессора был на много порядков меньше.

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.

Следующим этапом стал выпуск в 1972 году процессора «8008». В отличие от предыдущей модели он уже больше похож на современные модели. 8008 - 8 разрядный, имеет аккумулятор, 6 регистров общего назначения, указатель стэка, 8 регистров адреса, команды ввода-вывода.

Событие:

А в 1973 году была изобретена наиболее удачная конфигурация микропроцессора, который до сих пор является классическим - это 8 разрядный «8080».

Через полгода у Intel появился серьезный конкурент - Motorola с процессором «6800», n-МОП технология, трёхшинную структуру с 16 разрядной шиной адреса. Более мощная система прерываний, для его питания достаточно оного напряжения, а не три, как у «8080». Кроме того, команды были проще и короче.

До нашего времени сохраняется противостояние семейств микропроцессоров этих производителей.

Ускорило скорость работы и расширило возможности микропроцессоров внедрение 16-разрядных микропроцесоров. Первым из них был разработан «8086» от Intel. Именно его использовали в компании IBM для создания первых персональных компьютеров.

Процессор «68000» - 16 разрядный ответ от «Motorola», использовался в компьютерах ATARI и Apple

Для широкой аудитории в роли ПК стали популярны ZX Spectrum . В них устанавливались процессоры «Z80», от Sinclair Research Ltd. Одна из основных причин популярности - не нужно покупать монитор, ведь спектрум, как современные приставки, подключался к телевизору, а обычный магнитофон как устройство для записи и хранения программ и данных.

Микроконтроллеры

Микро-ЭВМ - главный шаг массового применения компьютерной автоматизации в области управления. Так как в автоматизации основная задача контроль и регулирование параметров, то термин «контроллер» закрепился и в этой среде.

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 . 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 2017 году, и последние десятилетие наиболее распространены следующие виды микроконтроллеров:

8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel;

16-битные MSP430 фирмы TI;

32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM. Она продаётся разработчиками различным фирмам, на базе которой выпускается масса различных продуктов.

В Советском союзе техника не стояла на месте. Ученные не только копировали наиболее удачные и интересные зарубежные разработки, но и занимались разработкой уникальных проектов. Таким образом к 1979 году в НИИ ТТ была разработана К1801ВЕ1, эта микроархитектура называлась «Электроника НЦ» и имела 16 разрядов.

Различия микроконтроллеров

Микроконтроллеры можно разделить по таким критериям:

Разрядность;

Система команд;

Архитектура памяти.

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 . Из курса вы узнаете много новой информации, даже если думаете, что хорошо изучили дисплей!

Приближается осень, а вместе с ней наступит День знаний! Это отличная пора для новых дел, идей и начинаний и самое время для обучения. Используйте это время с пользой для прокачки своих знаний!

Полный курс обучения программированию микроконтроллеров со скидкой: