Mikrokontrollerlarning turlari va ularning maqsadi. Mikrokontrollerlar. Qurilma va xususiyatlar. Ilova. Taymerlardan foydalanishga misollar

Mikrokontrollerlarning turlari
An'anaviy ravishda mikrokontrollerlarni uchta guruhga bo'lish mumkin: eng oddiy, o'rnatilgan va universal.
Eng oddiy mikrokontrollerlar talab qilinmagan hollarda qo'llaniladi yuqori ishlash lekin arzon narx muhim ahamiyatga ega.
Qurilmalar va jihozlarga o'rnatilgan mikrokontrollerlar yuqori ixtisoslashgan vazifalarni amalga oshirish uchun dasturlashtirilgan.
Universal mikrokontrollerlar nazorat, tartibga solish va boshqarish tizimlaridagi ko'plab vazifalarni hal qilishga qaratilgan.
Agar siz barcha turdagi zamonaviy mikrokontrollerlarni tasavvur qilsangiz, iste'molchi uchun mavjud bo'lgan ushbu toifadagi juda ko'p turli xil qurilmalardan hayratda qolishingiz mumkin. Biroq, ushbu qurilmalarning barchasini quyidagi asosiy turlarga bo'lish mumkin:
o'rnatilgan 8 bitli MCU,
16 va 32 bitli MK,
raqamli signal protsessorlari (maxsus mikroprotsessor uchun mo'ljallangan raqamli ishlov berish signallari).
Mikrokontroller korpuslarining turlari
DIP (Dual Inline Package) - ikki qatorli kontaktli korpus. Tanadagi oyoqlarning soni 8 dan 56 gacha.
SOIC (Small Outline Integrated Circuit) - planar mikrosxema - oyoqlar korpus joylashgan bir tomonda lehimlangan. Shu bilan birga, mikrosxema tanasi bilan taxtada yotadi. Oyoqlarning soni va ularning raqamlanishi DIP bilan bir xil.
PLCC (Plastic Leader Chip Carrier) - kvadrat tanasi. Oyoqlari to'rt tomondan joylashgan va J shaklida.
TQFP (Thin Profile Quad Flat Package) SOIC va PLCC o'rtasidagi o'rtacha hisoblanadi. Taxminan 1 mm qalinlikdagi kvadrat quti, har tomondan o'tkazgichlar joylashgan. Oyoqlar soni 32 dan 144 gacha.
Keling, har qanday mikrokontrollerning asosiy komponentlarini sanab o'tamiz:
Hisoblash birligi (arifmetik mantiq birligi) -> bu miniatyura kompyuter har bir mikrokontrollerning yuragi hisoblanadi. Albatta, kichik kristall ichiga o'rnatilgan hisoblash mantiqiy moduli ish stolidagi hamkasbi kabi deyarli kuchli emas, lekin bu barcha ot kuchiga muhtoj emas. Ish stoli kompyuteri bir vaqtning o'zida bir nechta vazifalarni bajarishi kerak bo'lsa-da, Internetda ma'lumot qidirish, elektron jadvallarni hisoblash va viruslarni ushlash, odatda mikrokontroller har qanday vazifani hal qilish uchun mo'ljallangan.
Doimiy xotira -> mikrokontroller har doim mavjud doimiy xotira dasturlar saqlanadigan joy. Ushbu xotira quvvat o'chirilgandan keyin ham ma'lumotlarni saqlashda davom etadi. Batareyani yoki boshqa manbani yoqish paytida mikrokontrollerda saqlangan ma'lumotlar yana mavjud bo'ladi.
I/U portlari -> mikrokontrollerning tashqi dunyo bilan aloqa qilishiga imkon beradi.
Yuqori darajadagi integratsiyaga (qismlarni bir butunga birlashtirish jarayoni) va ishonchlilikka erishish uchun barcha mikrokontrollerlar o'rnatilgan. qo'shimcha qurilmalar... O'rnatilgan qurilmalar tizim ishonchliligini oshiradi, chunki ular hech qanday tashqi elektr davrlarini talab qilmaydi. Ular ishlab chiqaruvchi tomonidan oldindan sinovdan o'tkaziladi va barcha ulagichlar bo'lgani uchun taxtada joy bo'shatadi elektr zanjirlari mikrokontrollerda kristall ustida qilingan. Eng keng tarqalgan o'rnatilgan qurilmalarga xotira qurilmalari va kirish / chiqish (I / U) portlari, aloqa interfeyslari, taymerlar va tizim soatlari kiradi. Xotira qurilmalariga tasodifiy kirish xotirasi (RAM), faqat o'qish uchun xotira (ROM), dasturlashtiriladigan ROM (EPROM), elektr dasturlashtiriladigan ROM (EEPROM) kiradi. Taymerlar real vaqt soatlari va uzilish taymerlarini o'z ichiga oladi. I/U vositalariga ketma-ket aloqa portlari, parallel portlar (I/U liniyalari), analog-raqamli konvertorlar (A/D), raqamli-analog konvertorlar (D/A), suyuq kristall displey (LCD) drayverlari yoki vakuumli floresan displey kiradi. (VFD) drayverlari ... O'rnatilgan qurilmalar juda ishonchli, chunki ular tashqi elektr zanjirlarini talab qilmaydi.
ALU raqamlar ustida amallarni bajaradi va operatsiya natijasini raqam sifatida qaytaradi. Bu raqamlar joylashtirilgan registrlar umumiy maqsad - vaqtinchalik xotiraning bir turi. Har bir mikrokontrollerda turli xil registrlar soni mavjud. Biroq, mikrokontrollerning normal ishlashi uchun umumiy maqsadli registrlar etarli emas, chunki, masalan, 32 bayt xotiraning juda kichik hajmi. Ko'proq ma'lumotni saqlash imkoniyatiga ega bo'lish uchun u ishlatiladi tasodifiy kirish xotirasi (RAM)... Umumiy maqsadli registrlar ALU ishlaydigan ma'lumotlarni o'z ichiga oladi bu daqiqa RAM esa qolgani. Buyruqlar, aniqrog'i, ALU bajaradigan buyruqlar ketma-ketligi saqlanadi faqat o'qish uchun xotira (ROM)... Bu odatda Flash xotira. Bu buyruqlar ketma-ketligi dasturchi tomonidan yaratilgan mikrokontroller dasturidan boshqa narsa emas. Barcha buyruqlar ROMda ma'lum manzillarda joylashgan. ROMdan biron bir buyruqni olish uchun siz uning manziliga murojaat qilishingiz kerak, bu dastur hisoblagichi yoki dastur hisoblagichi bajaradi. ROMdan olingan ma'lumotlar buyruqlar registriga tushadi. ALU doimiy ravishda buyruqlar registrining mazmunini "ko'rib chiqadi" va agar unda buyruq paydo bo'lsa, ALU darhol uni bajarishni boshlaydi. Ushbu mikrokontroller qurilmalarining barchasi mikrokontroller tashqi dunyo bilan aloqa qiladigan kiritish-chiqarish portlarisiz foydasiz bo'ladi. Kirish-chiqarish portlari ham kirish, ham chiqish sifatida ishlash uchun sozlanishi mumkin. Portlar maxsus registrlar orqali nazorat qilinadi. Odatiy bo'lib, mikrokontrollerning barcha portlari chiqish uchun o'rnatiladi.
Shuni ham ta'kidlash kerakki, mikrokontrollerning barcha ishi ichki yoki tashqi bo'lishi mumkin bo'lgan soat generatori tomonidan sinxronlashtiriladi. Soat chastotasi, yoki aniqrog'i, avtobus tezligi, vaqt birligida qancha hisoblashni amalga oshirish mumkinligini aniqlaydi.
Mikrokontroller aslida kichik kompyuter hisoblanganligi sababli, uning imkoniyatlari nihoyatda kengdir. Misol uchun, mikrokontrollerga turli miqdorlarni o'lchash, turli signallarni qayta ishlash va turli xil qurilmalarning keng doirasini boshqarish topshirilishi mumkin. Ko'p jihatdan, mikrokontrollerlarning imkoniyatlari faqat tasavvur va ular bilan ishlash qobiliyati bilan cheklangan, ammo ikkalasini ham o'rganish mumkin.
Mikrokontrollerni dasturlash uchun u kompyuterga ulangan bo'lishi kerak, buning uchun dasturchi deb ataladigan maxsus qurilma ishlatiladi. Uning yordamida mikrokontroller va kompyuter o'rtasidagi munosabatlar amalga oshiriladi. Siz hatto dasturchini o'ziga xos ko'prik deb aytishingiz mumkin. Misol uchun, siz mikrokontroller uchun C dasturlash tilida dastur yozasiz, shundan so'ng siz mikrodastur faylini yaratasiz va mikrokontrollerni ushbu proshivka bilan miltillash uchun kompyuterda dasturdan foydalanasiz. Aslida, hamma narsa juda oddiy va agar xohlasangiz, o'rganish juda oson!
Siz mikrokontrollerga asoslangan qurilmani o'zingiz uchun qulayroq bo'lgan narsaga va mo'ljallangan qurilmaning murakkabligiga qarab, o'z taxtasida ham, panelda ham yoki hatto osilgan o'rnatish orqali yig'ishingiz mumkin.
Agar siz mikrokontrollerlarga qiziqsangiz, mikrokontrollerlar uchun C dasturlash tilini o'rganishdagi qiyinchiliklardan xavotirlanmang.
Mikrokontrollerlar bugungi kunda deyarli hamma joyda qo'llaniladi: zamonaviy monitorlarda, muzlatgichlarda, planshetlarda, xavfsizlik tizimlarida, kir yuvish mashinalari va h.k. Boshqarish zarur bo'lgan har qanday elektron qurilmada mikrokontroller o'z o'rnini egallashi mumkin. Va barchasini deyarli xohlaganingizcha dasturlash mumkinligi tufayli. Shuning uchun, hatto bitta turdagi mikrosxema ham elektron qurilmalar to'plamida ishlatilishi mumkin.
Zamonaviy mikrokontroller dizaynining murakkabligiga qaramay, uning qanday ishlashini faqat bitta jumla bilan aytishingiz mumkin: "Dastur kodi oddiygina mikrokontroller xotirasiga yoziladi, MC bu dasturdan buyruqlarni o'qiydi va keyin ularni oddiygina bajaradi" - bu butun ishlash printsipi.

Albatta, mikrokontroller hech qanday buyruqlarni bajarishga qodir emas, lekin faqat o'zi ishlab chiqilgan buyruqlar (asosiy buyruqlar to'plami), ularni tushunadi va ularni qanday hazm qilishni biladi. Buyruqlarni birlashtirib, siz deyarli har qanday dasturni yozishingiz mumkin, uning yordamida elektron qurilma aynan siz undan xohlaganingizcha ishlaydi.
Ba'zi MCU'larda juda ko'p asosiy buyruqlar bo'lishi mumkin, boshqalari esa kamroq. Bu an'anaviy bo'linish bo'lib, ular uchun mutafakkirlar ikkita atama ishlatadilar: CISC va RISC. CISC - bu juda ko'p turli xil buyruqlar, RISC - eng keraklisi.
Aksariyat MClar RISC xudosiga ibodat qilishni afzal ko'rishadi. Bu qisqartirilgan buyruqlar to'plamidan foydalanganda MCU-larni ishlab chiqarish ancha oson va arzonroq, qo'shimcha ravishda ularni apparat ishlab chiqaruvchilari, ayniqsa choynaklar tomonidan hazm qilish osonroq bo'lishi bilan izohlanadi. CISC va RISC o'rtasida juda ko'p farqlar mavjud, ammo choynak uchun faqat CISC juda ko'p buyruqlar ekanligini tushunish juda muhim, RISC etarli emas. Biz buni chuqurroq tushunamiz, birozdan keyin, siz unchalik yashil bo'lmaganingizda.
Keling, ideal holatni tasavvur qilaylik, bizda MC bor va dastur kodi allaqachon uning xotirasida yozilgan. Yoki, odatda, "quloqli qalampir" aytganidek, Mikrokontroller "tikilgan" (dastur kodi "proshivka" deb ataladi).
Agar siz ushbu MK bilan kontaktlarning zanglashiga olib kelsangiz nima bo'ladi? Ma'lum bo'lishicha, ko'p narsa bo'lmaydi, MK faqat muloyimlik bilan uning xotirasida nima borligini so'raydi. Shu bilan birga, u o'z dasturining birinchi buyrug'ini osongina topadi, chunki dastur kodining boshlanish joyi zavodda MK ishlab chiqarish jarayonida tikiladi va hech qachon o'zgarmaydi. Mikrosxema birinchi buyruqni o'qiydi, keyin uni bajaradi, keyin ikkinchi buyruqni o'qiydi va uni yana, keyin uchinchi va hokazolarni bajaradi. MK oxirgi buyruqni hisoblaganda, agar u to'xtatilmagan bo'lsa, hamma narsa qaytadan boshlanadi. Shunday qilib, u shunday ishlaydi.
Siz ham mikrokontrollerdan boshqariladigan qurilmalarni qanday yaratishni o'rganishga harakat qilishingiz mumkin. Ammo bu sizning shaxsiy vaqtingiz, xohishingiz va hatto lavangizdan ozgina oladi. Ammo keyin siz uni albatta qaytarishingiz mumkin.
Har qanday MK, har qanday mikroprotsessorli tizim kabi, uchta ustunga asoslanadi:
Protsessor (ALU + boshqaruv qurilmasi)
Xotira (RAM, ROM, FLASH)
I/U portlari.
Protsessor kiritish-chiqarish portlaridan turli xil ma'lumotlarni raqamlar ko'rinishida qabul qilish yoki jo'natish, ular ustida arifmetik amallarni bajarish va keyin ularni xotirada saqlash uchun foydalanadi. Protsessor, xotira va portlar o'rtasida ma'lumotlar almashinuvi simlar orqali amalga oshiriladi, ular raqamli elektronikada odatda avtobus deb ataladi (avtobuslar maqsadiga ko'ra bir necha turlarga bo'linadi). Bu mikroprotsessor tizimining umumiy g'oyasi.

Turli seriyali mikrokontrollerlarning fizik tuzilishi mutlaqo boshqacha bo'lishi mumkin, ammo ularning umumiy bazasi o'xshash bo'ladi va u quyidagi bloklardan iborat bo'ladi: RAM, ROM, ALU, taymerlar, kiritish-chiqarish portlari, registrlar, hisoblagichlar.
Raqamli elektronika asoslari kursidan allaqachon bilganingizdek, raqamli dunyodagi barcha ma'lumotlar ikkilik sonlar ko'rinishida ifodalanadi, ular faqat ikkita raqam yordamida yoziladi: ikkilik sanoq sistemasida "nol" va "bir". Ikkilik tizimda biz uchun odatiy o'nlik sistemada uchta raqam "11" bo'ladi, ya'ni. 3 10 = 11 2. Pastki belgilar sanoq tizimini bildiradi. Ikkilik sondagi bitta raqam bit deyiladi. Darajalar stajga ega. Eng o'ngdagi raqam eng kam ahamiyatli, eng chap raqam esa mos ravishda eng katta deb ataladi. Darajaning darajasi o'ngdan chapga oshadi: Mikrokontroller ishlayotganida, unda bir xil ikkilik raqamlar ishlaydi. Ular protsessordan xotiraga va aksincha, shuningdek kiritish-chiqarish qurilmalariga (IO) o'tadi. Raqamlar simlar bo'ylab ishlaydi (MKda ular mikrosxema ichida yashiringan). Dastur tomonidan belgilangan ma'lum bir vaqtda har bir bunday o'tkazgich "0" yoki "1" qiymati bilan faqat bitta bitni uzatishi mumkin. Shuning uchun protsessordan 8 bitli raqamni xotiraga va aksincha o'tkazish uchun kamida 8 ta bunday o'tkazgich kerak bo'ladi.
Ushbu birlashtirilgan simlarning bir nechtasi avtobus deb ataladi. Shinalar bir necha turga bo'linadi:
Manzil avtobusi
Ma'lumotlar avtobusi
Boshqaruv avtobusi
Raqamlar ma'lumotlarni qabul qilish yoki yozish uchun zarur bo'lgan xotira xujayrasi yoki havo portlash qurilmasining manzilini o'rnatadigan manzil bo'ylab ishlaydi. Va ma'lumotlarning o'zi allaqachon ma'lumotlar shinasi orqali o'tadi.
Manzil avtobusining kengligi unga uzatilishi mumkin bo'lgan manzillar soniga ta'sir qiladi. Aytaylik, 4 bitli tizimda bu 2 4 = 16 manzil, 64 bitli tizimda manzillar soni allaqachon 2 64 = 18446744073709551616 bo'ladi, ya'ni manzillar shinasining bit kengligi qanchalik baland bo'lsa, shuncha ko'p bo'ladi. foydalanishingiz mumkin bo'lgan xotira va ko'proq IOIlar bilan foydalanish mumkin.work MK. Bu juda muhim nuqta.
Ma'lumotlar avtobusining kengligi protsessor bir vaqtning o'zida qancha ma'lumotni o'qiy olishiga ta'sir qiladi. Bit chuqurligi qanchalik ko'p bo'lsa, bir vaqtning o'zida ko'proq ma'lumot o'qilishi mumkin. Ma'lumotlar avtobusining kengligi to'liq ma'lum bir MC ning dizayni bilan belgilanadi. Ammo shu bilan birga, u har doim sakkizning karrali bo'ladi. Bu deyarli barcha xotira qurilmalarida axborotning minimal birligi bayt ekanligi bilan izohlanadi, ya'ni. sakkiz bitli oddiy ikkilik son.
Axborot miqdorini ko'rsatish uchun bayt kerak. Agar bitlar soni faqat ikkilik sonning uzunligi haqida gapirsa, bitlik sizga bu raqam uzatadigan ma'lumot miqdori haqida xabar beradi. Ikkilik sonning bir biti bir bit ma'lumotni uzatishga qodir, deb ishoniladi. Bunda bitlar bayt, kilobayt, megabayt va hokazolarga guruhlanadi.
Aytgancha, odatdagi sanoq tizimidan farqli o'laroq, 1 bayt = 8 bit, 1 kilobayt = 1024 bayt, 1 megabayt = 1024 kilobayt va hokazo. Nima uchun aynan 1024? Siz so'raysiz. Ha, chunki xotira hajmi ikki darajaning karrali: ya'ni 2 3 = 8, 2 10 = 1024.
Keling, xotiraning MC bilan o'zaro ta'sirini batafsil ko'rib chiqaylik va nima uchun boshqaruv shinasi kerakligini tushunishga harakat qilaylik. Arifmetikani bajarishdan tashqari har qanday mikrokontroller va mantiqiy operatsiyalar bir nechta muhim buyruqlarni bajarishga qodir, masalan: xotira katagidan o'qish yoki yozish, kiritish-chiqarish portiga o'qish yoki yozish:
MCga ushbu buyruqlardan qaysi biri bajarilishi kerakligini va boshqaruv shinasi kerakligini aytish uchun. Signallar u bo'ylab xotiraga yoki kirish / chiqish portlariga boradi:
Agar MC xotiraga kirishi kerak bo'lsa, u boshqaruv avtobusida MREQ signalini o'rnatadi, shu bilan birga RD / WR signali o'rnatiladi. Agar MC xotiraga yozsa, u holda WR signali o'rnatiladi, agar o'qilsa, keyin RD. Bu MC havo portlashiga ishora qilganda ham sodir bo'ladi.
Ammo mikrokontrollerga o'qish yoki yozish tugallanganligini aytish uchun READY signali kerak.
Shunday qilib, agar siz MC ga ta'minot kuchlanishini qo'llasangiz, u MREQ, RD boshqaruv shinasiga signal o'rnatadi va manzil shinasiga - uning algoritmining birinchi buyrug'i (dastur kodi, odatda nol xotira manzili) joylashgan manzil. ) xotira katagida bo'lishi kerak. Keyin MC uni bajaradi va boshqaruv shinalaridagi boshqaruv buyruqlari, manzillar va ma'lumotlarga qarab, dasturga mos keladigan ma'lumotlar va signallar paydo bo'ladi.
AVR MCU-lar havaskor radio muhitida juda mashhur bo'lib, narx, energiya samaradorligi va tezlik kabi ko'rsatkichlar bilan elektronika muhandislarini jalb qildi. Bundan tashqari, qulay dasturlash rejimlari, bepul foydalanish imkoniyati katta ortiqcha. dasturiy vositalar qo'llab-quvvatlash va MK ning keng tanlovi. Ushbu Atmel seriyasi avtomobil va maishiy elektronikada ishlatiladi, tarmoq kartalari va anakartlar kompyuterlar va noutbuklar, smartfonlar va planshetlar.
Dunyoga ARM Cortex-M3 yadrosi asosida mikrokontrollerlarni chiqargan birinchi firmalardan biri bu STMicroelectronics hisoblanadi. Hammasi yaqinda 2007 yilda ikkita oilaning paydo bo'lishi bilan boshlandi - "Performance Line" (STM32F103) va "Access Line" (STM32F101). Ayni paytda MK STM32 turli vazifalar uchun o'nta asosiy yo'nalish bilan ifodalanadi. Ularning asosiy afzalliklari "pin-to-pin" va to'liq dasturiy ta'minot muvofiqligi barcha mumkin bo'lgan hukmdorlar uchun. Va bularning barchasi ARM Cortex-M3 yadrosiga mos keladi. STM32 MK bilan ishlashni boshlash uchun asosiy vositalarni ko'rib chiqaylik.