Mikrokontroléry - co to je?

V současné době lze mikrokontroléry nalézt téměř v každé kopii domácích spotřebičů a elektroniky. Například pokud je v mikrovlnné troubě LED nebo LCD obrazovka a klávesnice, je nutně vybaven speciálním řídicím mikroobvodem.

Rozmanitost aplikací

Všechny moderní automobily obsahují alespoň jeden mikrořadič a mohou být vybaveny několika pro motor, protiblokovací systém, tempomat atd. Každé zařízení s dálkovým ovládáním má téměř jistě řízení mikrokontroléru. Tato kategorie zahrnuje televizory, přehrávače a kvalitní stereosy. Digitální kompaktní a zrcadlovky, mobilní telefony, videokamery, záznamníky, laserové tiskárny, pevné telefony s identifikačním číslem volajícího a pamětí pro 20 čísel, multifunkční ledničky, myčky nádobí a myčky stroje, sušičky. V zásadě mají domácí spotřebiče nebo zařízení, které komunikují s uživatelem, vestavěný mikrořadič.

Co to je?

Mikrokontrolér je počítač. Všechny počítače, ať už jsou osobní nebo velké sálové počítače, mají některé společné rysy. Mají centrální procesorovou jednotku (CPU), která spouští programy, stahuje příkazy z libovolného úložiště dat. Například v počítači je to pevný disk. Počítač je také vybaven pamětí s náhodným přístupem (RAM). Pro komunikaci s vnějším světem by měly být poskytnuty zvláštní prostředky. Na počítači jsou klávesnice a myš vstupní zařízení a monitor a tiskárna se používají k jejich výstupu. Pevný disk kombinuje obě tyto funkce, protože pracuje s vstupními i výstupními daty.

CPU

Typ procesoru používaného v mikrokontroléru závisí na konkrétní aplikaci. Možnosti jsou k dispozici od jednoduchých 4-, 8- nebo 16-bitových až po složitější 32- nebo 64bitové. Pokud jde o paměť, lze použít paměť RAM, paměť flash, EPROM nebo EEPROM. Obecně platí, že mikroprocesory jsou určeny pro použití bez dalších komponentů pro zpracování, protože jsou navrženy s dostatečnou kapacitu vnitřní paměti, a mají společný kontakt na vstupně-výstupní operace, komunikovat přímo se senzory a další komponenty.

Architektura CPU může být buď Harvard nebo von Neumann a nabízí různé metody výměny informací mezi procesorem a pamětí. V prvním případě jsou data a příkazové řádky odděleny, což umožňuje současný přenos. V von Neumannovy architektury pro toto je obecně používán.

Programování

Procesory mikroprocesorů mohou být založeny na rozšířené (CISC) nebo zkrácené instrukční sadě (RISC). CISC obvykle obsahuje asi 80 instrukcí (RISC - asi 30), stejně jako větší počet adresovacích režimů - 12-24 v porovnání s 3-5 pro RISC. Přestože je rozšířená sada instrukcí snadněji implementována a efektivněji využívá paměť, její výkon je nižší díky více hodinovým cyklům potřebným k jejich provedení. Procesory RISC věnují více pozornosti softwaru a jsou produktivnější.

Zpočátku byl jazykem mikrokontrolérů assembler. Dnes je populární jazyk C.

S příslušným kabelem, softwarem a počítačem není obtížné programovat mikrokontrolér vlastními silami. Musíte připojit řadič k serveru paralelního portu počítač, spusťte aplikaci a načtěte sadu příkazů.

Definování vlastností

Jak odlišit počítač od mikrokontroléru? Pokud je první zařízení obecného účelu, které může spouštět tisíce různých programů, pak druhá je specializovaná, zaměřená na jednu aplikaci. Existuje řada dalších vlastností, které umožňují rozlišit mikrokontroléry. Pro začátečníky to nebude problém - stačí zjistit přítomnost většiny následujících vlastností v čipu, abyste je mohli bezpečně odkázat na tuto kategorii.

• Mikrokontroléry jsou prvky nějakého jiného zařízení (často domácí spotřebiče), které řídí své funkce nebo práci. Jsou také nazývány vestavěné řadiče.
• Zařízení je navrženo tak, aby plnilo jeden úkol a spustilo jeden konkrétní program uložený v ROM, který se obvykle nemění.

• Mikrokontroléry jsou nízkonapěťové čipy. Jejich výkon s baterií je asi 50 mW. Stolní počítač je téměř vždy připojen k elektrické zásuvce a spotřebuje 50 W nebo více.
• Mikrokontrolér obsahuje speciální vstupní jednotku a často (ale ne vždy) malý LED nebo LCD displej pro výstup. Získává vstup ze zařízení, které řídí, vysílá signály do svých různých komponent. Například mikrokontrolér televizoru přijímá signály z dálkového ovládání a zobrazí výstup na televizní obrazovce. Ovládá volič kanálů, reproduktory a některé nastavení obrazu, například kontrast a jas. Řídicí jednotka motoru vozidla přijímá vstupní signály z senzorů kyslíku a detonace, reguluje tvorbu palivové směsi a synchronizuje činnost zapalovacích svíček. V mikrovlnné troubě přijímá vstup z klávesnice, zobrazuje výstup na displeji LCD a ovládá relé pro zapínání a vypínání generátoru mikrovln.
• Mikrokontroléry jsou často malé a levné zařízení. Komponenty jsou vybírány tak, aby minimalizovaly velikost a maximalizovaly výrobní náklady.
• Často, ale ne vždy, mikrokontrolér pracuje za nepříznivých podmínek. Například řídicí zařízení motoru automobilu musí pracovat při extrémních teplotách, při nichž normální počítač vůbec nemůže fungovat. Na severu by mikrokontrolér automobilu měl pracovat při teplotě -34 ° C a na jihu - při 49 ° C. V motorovém prostoru může teplota dosáhnout 65-80 ° C. Na druhé straně mikrokontrolér zabudovaný do přehrávače Blu-ray by neměl být vůbec zvlášť silný.

Požadavky CPU

Procesory používané v mikrokontrolérech se mohou značně lišit. Například mobilní telefony používaly 8bitový mikroprocesor Z-80, vyvinutý v 70. letech a původně používaný v domácích počítačích. GPS-navigátor Garmin byl vybaven nízkonapěťovou verzí Intel 80386, která byla také původně nainstalována v stolních počítačích.

Většina domácích spotřebičů, jako jsou mikrovlnné trouby, je pro zpracovatele nenáročná, ale jejich cena je důležitým faktorem. V těchto případech se výrobci obracejí na specializované mikrokontroléry vyvinuté z levných, malých a nízkoprocesních procesorů. Motoroly 6811 a Intel 8051 jsou dobrými příklady takových čipů. Série populárních Regulátory PIC společnost Microchip. Podle dnešních standardů jsou tyto procesory neuvěřitelně minimalistické, ale jsou extrémně levné a mohou často plně vyhovět potřebám projektanta.

Ekonomické

Typickým mikrokontrolérem je čip s 1000 bajty ROM, 20 bajtů paměti RAM a 8 I / O čepů. Při produkci ve velkých dávkách je jejich cena nízká. Samozřejmě není možné spustit aplikaci Microsoft Word na takový čip - vyžaduje to minimálně 30 MB paměti RAM a procesor, který provádí miliony operací za sekundu. Ovládání mikrovlnné trouby však není nutné. Mikroprocesor provádí jeden konkrétní úkol a jeho hlavní výhody jsou nízké náklady a spotřeba energie.

Jak to funguje?

I přes širokou škálu mikrokontrolérů a ještě více programů pro ně, kteří se naučili zvládnout jeden z nich, můžete se s nimi seznámit. Typický scénář práce je následující:

• Je-li vypnuto napájení, zařízení se nezobrazí.
• Připojení mikrokontroléru ke zdroji energie spouští logický blok řídícího systému, který odpojí všechny ostatní obvody kromě křemenného krystalu.
• Když napětí dosáhne svého maxima, frekvence oscilátoru se stabilizuje. Registry jsou naplněny bity odrážejícími stav všech okruhů mikrokontroléru. Všechny kontakty jsou konfigurovány jako vstupy. Elektronika začíná pracovat podle rytmické sekvence hodinových impulzů.
• Počítadlo příkazů se resetuje. Pokyn na této adrese je odeslán dekodéru instrukcí, který ho rozpozná, po němž je okamžitě proveden.
• Hodnota čítače příkazů se zvýší o 1 a celý proces se opakuje rychlostí jednoho milionu operací za sekundu.