Для чего нужен микроконтроллер
Микроконтроллеры: что это такое и зачем нужны
Сегодня я хотел бы написать о микроконтроллерах в целом, чтобы свои знания подтянуть и заодно другим рассказать.
Для работы с микроконтроллерами, такими как Ардуино или Iskra JS и подобными, нужны дополнительные знания, которые мы постепенно будем познавать.
Что такое микроконтроллеры?
Микроконтроллеры широко используются в вычислительной технике (процессоры, материнские платы, контроллеры дисководов, накопители HDD/FDD), бытовой электронике (стиральные машины, микроволновые печи, телефоны и т.д.), в промышленности и т.д. Рассмотрим, как проходит подключение и управление микроконтроллером, а также другие нюансы, связанные с ними.
Подключение микроконтроллера
Нижеописанная схема является упрощенным вариантом подключения микроконтроллера AVR.
По-хорошему, необходимо добавить еще несколько дополнительных внешних элементов в схему.
Упрощенная схема подключения микроконтроллера
Провод, который указан на схеме пунктиром, использовать не обязательно в том случае, если питание микроконтроллера идет от внешнего источника.
АЦП (Аналого-цифровой преобразователь) — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код
На вывод AREF рекомендуется подключить конденсатор, который позволит увеличить качество напряжения АЦП и, тем самым, позволит провести правильные измерения АЦП. Между AVCC и GND установлен конденсатор и дроссель, а между GND и VCC установлен керамический конденсатор с емкостью 100 нФ (поближе к выводам питания схемы) для сглаживания кратких импульсов помех, образующихся в результате работы микросхемы.
Также между GND и VCC устанавливается ещё один конденсатор с емкостью в 47 мкФ для того, чтобы сгладить возможные броски напряжения.
Управление микроконтроллером
Микроконтроллеры AVR оснащены Гарвардской архитектурой. Каждая из областей памяти располагаются в своем адресном пространстве. Память данных в контроллерах осуществляется посредством регистровой, энергонезависимой и оперативной памяти.
Микроконтроллер AVR
Регистровая память предусматривает наличие 32 регистров общего назначения, которые объединены в файл, а также служебные регистры для ввода и вывода. И первые, и вторые располагаются в пространстве ОЗУ, однако не являются его частью.
Устройства на микроконтроллерах
Микроконтроллеры AVR являются простыми в использовании, имеют низкую потребляемую мощность и высокий уровень интеграции.
Как правило, такие микроконтроллеры могут использоваться на самых разных устройствах, в том числе системах общего назначения, системах оповещения, для ЖК-дисплеев, плат с ограниченным пространством.
Также они используются для измерителей уровня заряда аккумулятора, аутентификации, в автомобильной электронике, для защиты от короткого замыкания и перегрева и т.д. Кроме промышленных целей, микроконтроллеры могут использоваться (и чаще всего используются новичками) для создания следующих устройств:
Отметим, что для разных устройств используются разные модели микроконтроллеров. Так, 32-разрядные микроконтроллеры AVR UC3 (а также XMEGA, megaAVR, tinyAVR и т.д.) подойдут для систем общего назначения с технологиями picoPower, QTouch, EEPROM, системами обработки событий и самопрограммированием.
Микроконтроллеры для начинающих
Если вы собираетесь программировать микроконтроллеры, такие как Ардуино, например, а также собирать устройства, которые предусматривают их наличие в схеме, необходимо учитывать некоторые правила и рекомендации:
Для того, чтобы новичок мог заниматься микроконтроллерами, рекомендуется изучать базовые материалы. К таким материалам можно отнести следующие книги:
Данные книги являются практическим руководством, в котором затрагиваются аспекты и основы цифровой логики, а также рассматриваются примеры программ для микроконтроллеров, написанных на языке С с различными имитаторами схем, компиляторами и средами.
Разработчики микроконтроллеров придумали остроумную идею – объединить процессор, память, ПЗУ и периферию внутри одного корпуса, внешне похожего на обычную микросхему. С тех пор производство микроконтроллеров ежегодно во много раз превышает производство процессоров, а потребность в них не снижается.
Микроконтроллеры выпускают десятки компаний, причем производятся не только современные 32-битные микроконтроллеры, но и 16, и даже 8-битные (как i8051 и аналоги). Внутри каждого семейства часто можно встретить почти одинаковые модели, различающиеся скоростью работы ЦПУ и объемом памяти.
Дело в том, что микроконтроллеры применяются преимущественно во встроенных системах, в игрушках, в станках, в массовой домашней технике, в домашней автоматике – там, где нужна не мощность процессора, а, скорее, баланс между ценой и достаточной функциональностью.
Именно поэтому самые старые типы микроконтроллеров еще до сих пор в ходу – они многое могут: от автоматического открывания дверей и включения полива газонов до интеграции в систему «умный дом». При этом существуют и более мощные микроконтроллеры, способные выполнять сотни миллионов операций в секунду и обвязанные периферией «до зубов». У них и задачи соответствующие. Таким образом, разработчик сначала оценивает задачу, а уж потом выбирает под нее подходящее «железо».
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 PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 фирмы TI, а также 32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM, которую разрабатывает фирма ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их производства.
16-битный 28-pin PDIP PIC24 микроконтроллер
Микроконтроллер Atmel AVR ATmega8 в корпусе DIP
Устройство микроконтроллера AVR
Микроконтроллер характеризуется большим числом параметров, поскольку он одновременно является сложным программно-управляемым устройством и электронным прибором (микросхемой). Приставка «микро» в названии микроконтроллера означает, что выполняется он по микроэлектронной технологии.
В ходе работы микрконтроллер считывает команды из памяти или порта ввода и исполняет их. Что означает каждая команда, определяется системой команд микроконтроллера. Сиситема команд заложена в архитектуре микрконтроллера и выполнение кода команды выражается в проведении внутренними элементами микросхемы определенных микроопераций.
Микроконтроллеры позволяют гибко управлять различными электронными и электрическими устройствами. Некоторые модели микроконтроллеров настолько мощны, что могут непосредственно переключать реле (к примеру, на елочных гирляндах).
Микроконтроллеры, как правило, не работает в одиночку, а запаивается в схему, где, кроме него, подключаются экраны, клавиатурные входы, различные датчики и т.д.
Софт для микроконтроллеров может привлечь внимание тех, кто обожает «гоняться за битами», так как обычно память в микроконтроллерах составляет от 2 до 128 Кб. Если меньше, то писать приходится на ассемблере или Форте, если есть возможность, то используют специальные версии Бейсика, Паскаля, но в основном – Си. Прежде чем окончательно запрограммировать микроконтроллер, его тестируют в эмуляторах – программных или аппаратных.
Тут может возникнуть вопрос: микропроцессор и микроконтроллер это просто разное название одного и того же устройства, или это все-таки разные вещи?
Микропроцессор это центральное устройство любой ЭВМ, выполненный по интегральной технологии. Само название говорит о том, что именно в нем происходят вычислительные процессы. Чтобы из него получилась ЭВМ, пусть даже не очень современная и мощная (вспомните любительские конструкции Радио-86 или Синклер), его надо дополнить внешними устройствами. В первую очередь это оперативная память и порты ввода вывода информации.
Микроконтроллер имеет внутри себя процессор, оперативную память, память программ, а кроме этого целый набор периферийных устройств, которые превращают процессор в полнофункциональную ЭВМ. По старой терминологии советских времен подобные устройства назывались Однокристальными Микро ЭВМ. Но советская вычислительная техника, как известно, зашла в тупик, а вместе с ней и ОМЭВМ.
Зарубежная же вычислительная техника на месте не стояла, поэтому ОМЭВМ стали называться контроллерами (от англ. Control – управлять, управление). И в самом деле, контроллеры оказались весьма пригодны для управления различной техникой, даже не очень сложной.
Если вдуматься и присмотреться, то можно обнаружить, что процессоры применяются в большинстве приборов бытового предназначения. Только там используются не такие процессоры как в компьютере, а микропроцессоры и даже микроконтроллеры.
Так что же такое микроконтроллер и чем отличается от собственно процессора или это совершенно различные электронные компоненты?
Большие интегральные микросхемы или микросхемы с большой степенью интеграции и есть процессоры. Микропроцессоры, по сути те же процессоры, но из-за приставки «микро» определяется их суть, что они миниатюрнее своих «больших» собратьев. В своё историческое время процессор со своим размером мог занимать не одну комнату, впору их назвать как вымерших динозавров макро-процессорами, чтобы и их как-то упорядочить в современном представлении об электронике.
Уменьшенный в габаритах и скомпонованный процессор занимает меньше места и его можно поместить в более компактное изделие, это и есть микропроцессор. Но сам процессор мало что способен делать, кроме как данные пересылать между регистрами и совершать какие-то арифметические и логические действия над ними.
Чтобы микропроцессор мог переслать данные в память, эта самая память должна присутствовать либо на самом кристалле, на котором находится сам процессорный элемент, либо подключаться к внешней оперативной памяти выполненной в виде отдельного кристалла или модуля.
Кроме памяти процессор должен взаимодействовать с внешними устройствами – периферией. Иначе какой пользы можно ожидать от работы процессора, перемешивающего и перемещающего данные туда-сюда. Смысл возникает тогда, когда процессор взаимодействует с устройствами ввода-вывода. У компьютера это клавиатура, манипулятор мышь и устройства отображения как дисплей, опционально – принтер и, например, сканер опять же для ввода информации.
Чтобы управлять устройствами ввода-вывода, непременно необходимы соответствующие буферные схемы и элементы. На их основе реализуются интерфейсные так называемые аппаратные средства. Способы взаимодействия с интерфейсными элементами предполагают наличие схем портов ввода-вывода, дешифраторов адреса и формирователей шин с буферными схемами, для увеличения нагрузочной способности микропроцессора.
Интеграция процессора со всеми необходимыми дополнительными элементами, для того чтобы это изделие выливалось в какой-то завершённый конструктив и приводит к образованию микроконтроллера. Микросхема или микроконтроллерный чип реализует на одном кристалле процессор и интерфейсные схемы.
Самодостаточный чип, который содержит практически всё, чтобы этого хватало для построения законченного изделия и есть пример типового микроконтроллера. Например наручные электронные часы или часы-будильник имеют внутри микроконтроллер, который реализует все функции такового устройства. Отдельные периферийные устройства подключаются непосредственно к ножкам микросхемы микроконтроллера, либо совместно используются дополнительные элементы или микросхемы малой либо средней степени интеграции.
Микроконтроллеры широко используются в изделиях которые содержат всю систему целиком исключительно в одной миниатюрной микросхеме, часто называемой микросборкой. Например «чиповая» кредитная карточка содержит микроконтроллер внутри в пластиковой основе. Таблетка домофона так же внутри себя содержит микроконтроллер. И примеров использования и применения микроконтроллеров настолько обширен в современном мире, что легко обнаружить наличие контроллера в любом мало-мальски интеллектуальном устройстве от детской игрушки до беспроводной гарнитуры сотового телефона.
Смотите также у нас на сайте:
Смотрите также по этой теме обучающие видеокурсы Мaкcима Селиванова:
Кур 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 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.
Разработка электроники. О микроконтроллерах на пальцах
Задумывая технологический стартап, вы совсем не обязаны быть асом в электронике, гораздо больше шансов на хорошую идею имеет узкий специалист со знанием основ маркетинга, но, даже заказывая кому-то разработку, ориентироваться в возможностях современной элементной базы и представлять цену решения необходимо обязательно. Иначе можно потребовать невозможного, либо получить устройство с завышенной себестоимостью на устаревшей элементной базе.
Под катом попытка кратко и просто рассказать о возможностях современных микроконтроллеров людям от них далёким. Для тех, у кого есть идея нового электронного устройства, но отсутствует представление о том, что такое микроконтроллер. Те, кто хочет сделать первый шаг от занимательных экспериментов с платформой ардуино к проектированию собственных устройств, также могут найти в ней простые, но полезные советы. Я старался, не останавливаясь на технических подробностях, для этого и книги не достаточно изложить суть и дать несколько простейших, но полезных советов по схемотехнике, чтобы предостеречь от элементарных ошибок начинающих.
Краткое содержание статьи:
Защита кода, возможность его обновления и многообразие помогли микроконтроллерам завоевать мир
Любой умный прибор требует управления. В большинстве случаев сегодня этим занимаются микроконтроллеры — чипы, которые совмещают в себе микропроцессорное ядро, память и периферийные модули, отвечающие за связь с остальными компонентами устройства и внешним миром.
Микроконтроллеры — мастера на все руки. Один микроконтроллер способен заменить десятки специализированных микросхем, которые были бы необходимы для выполнения требуемых функций в случае, если бы роль вычислителя занимал микропроцессор.
Одно из неоспоримых преимуществ микроконтроллера — программа, под управлением которой он работает, скрыта внутри его корпуса (в секции под названием “память программ”) и очень хорошо защищена от взлома, конечно, в случае, если разработчик микрокода об этом позаботился, активизировав встроенные механизмы защиты. Таким образом, вы получаете защиту интеллектуальной собственности настолько большую, насколько это возможно в наши дни.
Что нельзя взломать — то можно скопировать. Зачем пытаться считать код, встроенной в микроконтроллер программы, с помощью дорогостоящих хитроумных приспособлений, если проще и дешевле найти профессионала, который может написать его заново? Возможно результат будет даже лучше, а функционал богаче чем у прототипа. Да это стоит денег, но содержание FLASH памяти сегодняшних микроконтроллеров настолько хорошо защищено, что попытки грубого “взлома” обойдутся ещё дороже. Кроме того, решается проблема интеллектуальной собственности, а вы, вместе с исходными кодами программы, получаете возможность развивать и совершенствовать своё устройство.
Память программ, в современных универсальных микроконтроллерах, является перезаписываемой, причём процесс перезаписи можно повторять не один десяток тысяч раз. Напрашивается использование этого факта для обновления программного обеспечения с целью устранения найденных в нём ошибок или расширения функций уже работающего устройства. Это достаточно просто реализовать — добавив в программу специальный участок кода под названием “бутлоадер”, вы получаете возможность обновлять программное обеспечение вашего прибора различными способами: в пункте сервисного обслуживания (если устройство имеет специальный, скрытый внутри корпуса от посторонних глаз, разъём), подключив к компьютеру по USB, через сетевой или даже беспроводной интерфейс. Главное, предусмотреть в приборе необходимую для этого периферию. Предоставляя возможность обновления ПО, всегда следует думать о безопасности, если этот процесс недостаточно защищён, мало того, что злоумышленники могут похитить ваш код, они могут модифицировать его и использовать в своих не исключено, что коварных целях. Например, взять под контроль вещи вашего “умного дома” или шпионить с помощью, установленной вами же у себя дома, WEB камеры.
Архитектура ARM — сегодняшний лидер рынка микроконтроллеров
Со времён Царя Гороха микроконтроллеры принято разделять по разрядности данных, над которыми они проводят операции. В подавляющем большинстве случаев, сегодня, в новых разработках, стоит останавливать свой выбор на 32 битных микроконтроллерах с ядром АRM. Существует огромное количество их модификаций и всегда можно подобрать экземпляр, наилучшим образом подходящий для решения вашей задачи. В зависимости от набора функций и производительности, цена чипа может составлять от десятков центов до десятков долларов.
Микроконтроллеры(MCU), в зависимости от архитектуры вычислительного ядра, принято разделять на крупные семейства. На сегодняшний день, для разработок устройств малой и средней сложности, наиболее популярны микроконтроллеры c ядрами от Cortex-M0 до Cortex-M7. Чем больше цифра, тем больше вычислительные (и не только) возможности, цена и максимальное энергопотребление. Не последнюю роль в популярности ARM сыграла преемственность архитектуры. Разработчик может с минимальными издержками модифицировать программный код своих предыдущих наработок, переходя от микроконтроллеров одного производителя к чипам другого и мигрируя между ядрами с разной производительностью.
Конкуренция с младшими братьями
Однако ARMы «рулили» не всегда. Я хорошо помню времена, когда абсолютными лидерами рынка были 8 битные микроконтроллеры и, с занятых позиций, их безуспешно пытались оттеснить 16 битные коллеги, но, по иронии судьбы, удалось сделать это только 32 битным старшим братьям. Так сложилось, что к моменту их появления, технологии изготовления чипов сильно удешевили интеграцию в них больших объёмов FLASH памяти. Воспользовавшись удобным случаем, программисты стали переходить с ассемблера на язык более высокого уровня — Си, структура которого отлично ложилась на 32 битную архитектуру. В результате 32 битные микроконтроллеры выполняли вычисления гораздо быстрее своих 8 и 16 битных коллег, но была одна проблема — у них был выше ток потребления.
Поэтому, поначалу, они использовались в случаях, когда требовалась большая вычислительная производительность.
Известно, что средний ток потребления вычислительного ядра микроконтроллера существенно увеличивается с поднятием его тактовой частоты. Поначалу 8 битные модели микроконтроллеров отличались заметно меньшим потреблением при сходной частоте и, кроме того, были способны работать от низкой тактовой частоты, вплоть до 32 кГц.
Энергопотребление микроконтроллеров сильно зависит от тактовой частоты ядра и периферии, чтобы её регулировать, для генерации стали использовать, широко применявшийся в радиопередающих устройствах, узел формирования тактовой частоты на основе ФАПЧ. Это позволило в широких пределах изменять тактовую частоту, не меняя задающий кварцевый резонатор. Периферийным модулям совсем не обязательно иметь такую же тактовую частоту, что и вычислительному ядру. Чтобы снизить их энергопотребление, частоту на них стали подавать через делители с программно-регулируемым коэффициентом деления. Ввели возможность отключать неиспользуемые модули. Эти меры сильно уменьшили энергопотребление, но оно по прежнему оставалось существенно больше, чем у 8 битных.
На короткое время сложился паритет — 32 битные MCU захватили нишу топовых приложений, а 8 битные уверенно удерживали позиции в устройствах, для которых было важно низкое энергопотребление. Он сохранялся до тех пор, пока 32 битные MCU не освоили в совершенстве «импульсный» режим работы.
8-битники, к тому времени, тоже научились это делать, но, из-за низкой производительности, бодрствовать им приходилось гораздо больше и, как результат, они начали проигрывать по энергопотреблению, особенно в задачах, требующих расчётов, что иллюстрирует картинка ниже.
Об укладке асфальта, пользе сна и его разновидностях
Итак, микроконтроллеры настолько хорошо научились считать, что стали выполнять свою работу очень быстро и большинство времени были вынуждены “бить баклуши”, пожирая энергию для выполнения холостых циклов. В устройствах с автономным питанием это сильно сокращает ресурс батарей или время работы от одной зарядки аккумуляторов.
Понаблюдайте за строительными рабочими которые кладут асфальт. Они резко активизируют свою работу, когда пришёл грузовик с новой порцией асфальта, а после его укладки снижают темп. Так и микроконтроллеры умеют повышать и снижать частоту тактирования ядра. Однако, им это даётся не так просто, как рабочим — одновременно изменится и частота работы всей внутренней периферии, поэтому, чувствительные к этому её части придётся перенастраивать.
Не проще ли, выполнив быстро всю работу, немного поспать. Зачастую, да. Причём виды сна микроконтроллеров отличаются ещё более драматично, чем у человека.
Можно просто вздремнуть. В этом случае наш чип всегда наготове и как только зазвенел будильник таймера или его потревожило внешнее прерывание, он просыпается практически мгновенно. Как человек во время дремоты может снять напряжение, но не выспаться толком, когда тебя постоянно дёргают, так и микроконтроллер может снизить своё энергопотребление в этом режиме “всего” раз в 10, называют этот режим SLEEP.
Лучший способ хорошо выспаться — раздеться, лечь в постель, задёрнуть шторы на окне и включить будильник. Однако, после такого сна, уже моментально в работу не включишься. Придётся, как минимум, предварительно ополоснуться холодной водой и одеться. Есть такой режим и у микроконтроллера, когда он ограничивает количество внешних раздражителей и выключает основной тактовый генератор. Это режим STOP. В нём можно уменьшить потребление в 1000 раз, но и на выход из него уже потребуется существенное время.
Теперь, представьте себе, что вы перед сном выпили изрядную дозу снотворного, отключили будильник и телефон, закрыли все окна и двери. Это будет режим STAND BY. Вывести из такого режима микроконтроллер можно только с помощью особых выводов и большая часть памяти о том, чем он занимался перед таким сном будет потеряна навсегда, придётся начинать работу заново. Зато находясь в таком режиме MCU потребляет ещё в два раза меньше.
Последний, весьма экзотический режим, напоминает уже кому, из которой нельзя выйти без специального оборудования. В этом случае работает только специальный генератор тем не менее, являющийся частью микроконтроллера на отдельном часовом кварце, который может функционировать от собственного источника питания и иметь буквально несколько байт оперативной памяти, предназначение которой напомнить микроконтроллеру о том, из какого состояния он в эту кому впал. Если остальные части микроконтроллера, при этом, отключить от питания, то энергопотребление может составить уже одну десятитысячную часть от активного режима.
Выбирая режим экономии энергопотребления необходимо помнить о последствиях применения:
Если ваши программист со схемотехником не первый день винят друг друга в криворукости и, вместе, производителя в публикации нереальных цифр в даташитах на микроконтроллер, а ваше устройство сажает батарейки на порядок быстрее, чем вы рассчитывали, это повод, по крайней мере, обратиться к независимым высококвалифицированным экспертам.
Совсем коротко о технологии изготовления и о том, как появляются серии микроконтроллеров
Физически активная часть микроконтроллера, как и подавляющее количество других микросхем, обычно сформирована на пластине монокремния (назовём его, в данном контексте, ЧИП). Чипы занимают очень маленькую площадь, технологически же выгодно производить пластины большого диаметра, поэтому, обычно большое количество чипов, как соты, размещают на одной большой пластине и формируют, в ходе одного технологического процесса. В последствии пластины нарезают на кусочки, получая уже отдельные чипы, которые и помещают в корпуса. 
Разработка топологии и отладка технологических процессов нового чипа стоит очень дорого, а занимаемое на пластине одним чипом место, как правило, не велико. Производителям выгодно выпускать чипы крупными партиями, но пользователям требуются микроконтроллеры в разных корпусах — кому то важно получить корпус поменьше и подешевле, другому наоборот требуется побольше выводов, чтобы управлять LCD или внешней памятью с параллельным интерфейсом. Производителям выгодно перекрывать все ниши, чтобы клиенты не перебегали к конкурентам, не найдя оптимальной для себя модели.
Очень часто бывает выгодней выпустить крупной партией один универсальный чип и помещать его в разные корпуса, чем запускать десяток различных. У чипов, помещённых в корпуса с малым количеством выводов, часть портов (в данном контексте, под портами будем понимать контактные площадки на поверхности чипа, служащие для общения с внешним миром) просто останутся неподсоединёнными. Часто производители идут дальше — чтобы поднять спрос и цену на микроконтроллеры с большим количеством ножек, они искусственно обрезают функциональность тех, у которых их меньше — отключают некоторые функции, ограничивают объём доступной памяти и т. п.
Так на основе одного чипа формируют серии микроконтроллеров, существенно отличающиеся по объёму памяти и набору периферийных модулей, иной раз и в разы по цене. При этом чипы, в них установленные, могут нарезаться из одних и тех же пластин. Поскольку площадь, на которой размещается один чип, невелика, вклад её в себестоимость конечного изделия также мал и им можно пожертвовать. Становится выгодным отключение дополнительной памяти и других функций, например, на этапе тестирования — либо с помощью однократно программируемых битов конфигурации, либо пережиганием перемычек лазером. Лишь для наиболее массовых изделий имеет смысл для этого создавать слегка изменённый фотошаблон. Причём, совсем не обязательно там будет физически отсутствовать неиспользуемая память, её, опять же, можно просто отключить, удалив перемычки в шаблоне.
Так из одного стандартного дизайна чипа формируется целая серия микросхем.
Периферия простейшего ARM микроконтроллера за пол бакса
Процессорное ядро — это мозг, но, чтобы он не был подобен “сферическому коню в вакууме”, требуются аналоги органов чувств и конечностей.
В микроконтроллере их роль играют выводы на корпусе, к которым внутри корпуса могут подключаются порты(контактные площадки) чипа. В свою очередь, через внутренние коммутаторы, к одному и тому же порту могут подключаться различные периферийные модули.
Для начала рассмотрим периферию одной из простейших серий от ST на основе ядра Cortex-M0 — stm32F03.
WatchDog — сторожевая собака мешающая микроконтроллеру заснуть навсегда, например, свалившись в бесконечный цикл или перейдя по несуществующему адресу. Его принцип работы прост. Программист настраивает таймер защиты от “зависания” на определённый период времени, допустим на секунду, и запускает его. Затем он расставляет, в выбранных им местах программы, короткие участки кода, которые перезапускают таймер с нулевого значения. Если за секунду не произошло ни одного сброса таймера, WatchDog считает, что с программой что-то не так и устраивает микроконтроллеру перезапуск. Программа начинает работать с начала, причём существует возможность определить являлся ли инициатором ресета WatchDog и учесть этот факт при запуске.
Универсальные цифровые входы-выходы (General Purpose Input-Output GPIO) — это самая распространённая функция, которую поддерживают большинство выводов микроконтроллера. Они могут конфигурироваться либо как входы, либо как выходы.
Рассмотрим работу в качестве входа. Если напряжение на входе микроконтроллера меньше некоего порога (как правило близкого к половине питания), то оно воспринимается как логический ноль, в противном случае как 1. Цифровые входы обычно имеют очень высокое входное сопротивление, поэтому, если их оставить не подключенными, их состояние может скакать из нуля в единицу и обратно, под действием наводок электромагнитных полей. Для того, чтобы этого не происходило, существуют специальные режимы, когда внутри чипа вход соединяется через сопротивление 20 — 50 КОм с плюсом питания микроконтроллера (pull-up) или с минусом (pull-down).
Если выводы сконфигурированы цифровыми выходами, то их программно можно перевести в высокий уровень равный напряжению питания микроконтроллера, либо низкий. Существуют и более хитрые режимы, но не будем вдаваться в чрезмерные подробности.
Выводы микроконтроллера — мастера на все руки, но следует соблюдать простые правила, чтобы не вывести их из строя. Несмотря на все предосторожности, предпринимаемые производителями чипов, они боятся статики и перенапряжений, поэтому не стоит подсоединять их напрямую к разъёмам, выходящим за пределы платы. Необходимо, в этом случае, предпринять меры — либо воспользоваться специальными интегральными компонентами защиты, либо предусмотреть в схеме супрессор, стабилитрон или защитные диоды, плюс установить в разрыв между выводом разъёма и портом токоограничивающее сопротивление.
На рисунке выше изображён участок схемы, спроектированного мной устройства (спутникового модема), с элементами простейшей защиты портов микроконтроллера. X4 — разъём для внешних коммуникаций. Нас интересуют контакты 5-7, к которым присоединяются тревожные кнопки. Сигналом тревоги служит замыкание на землю, поэтому, в нормальном состоянии, на портах должно присутствовать напряжение питания микроконтроллера, что и обеспечивают резисторы R24-R26, номиналом 1 КОм. Супрессоры VD4-VD6 ограничивают напряжение на уровне 5 вольт, это допустимо потому, что применяемый мной микроконтроллер, хотя и питается напряжением 3,3 вольта, но имеет порты толерантные к напряжению 5 вольт. Резисторы R29-R31 на 100 Ом.
Подобная защита спасёт порты вашего микроконтроллера от внешних перенапряжений. У некоторых микроконтроллеров отдельные порты не боятся напряжений, превышающих их напряжение питания. Так у многих микроконтроллеров STM32Fxx почти все порты будучи сконфигурированными как цифровые могут работать с 5 вольтовыми цепями, но если они работают в аналоговом режиме, например в качестве входа АЦП, теряют эту способность и это необходимо учитывать при разработке схемы.
Пожалуйста, соблюдайте технику безопасности. Не оставляйте, свободные, висящие в воздухе порты микроконтроллера сконфигурированными в виде входов, особенно в устройствах временами уходящих в глубокий сон — это как минимум может значительно усложнить процесс прохождение вашего устройства теста на ЭМС (электро-магнитную совместимость). Если оставляете их входами, лучше замкнуть их на землю или питание. Либо программно сконфигурировать выходами.
Существует ещё один лайфхак. Иногда их можно оставить входом и замкнуть на другую цепь. Это помогает в случае очень плотной трассировки провести проводник «сквозь» микроконтроллер, что особо актуально для двухслойных плат.
Используя порты микроконтроллеров в качестве выходов, также стоит свериться с даташитом. Отдельные порты могут иметь разное ограничение по максимальному току, который от них можно получить не опасаясь выхода их строя — нагрузочную способность. Кроме этого, сам чип имеет максимальную нагрузочную способность всех выходов в сумме, которую не следует превышать.
Последнее, о чём хочется упомянуть, выходные порты ARM микроконтроллеров не реагируют на программные инструкции мгновенно, как у 8-битных микроконтроллеров. Они управляются через шину, и их быстродействие зависит от частоты тактирования соответствующего узла, которую можно менять программно. Если вы хотите быстрой реакции, позаботьтесь об увеличении этой частоты, если важнее уменьшить энергопотребление, наоборот выберите менее скоростной режим.
Температурный сенсор Микроконтроллер имеет свой собственный температурный сенсор, правда не слишком точный, тем не менее его можно, с определёнными допущениями, использовать для измерения температуры внутри корпуса прибора.
Уникальный серийный номер Каждый микроконтроллер имеет свой уникальный серийный номер, присвоенный ему на производстве. Очень удобная особенность, которую можно использовать при организации серийного производства ваших изделий.
Интерфейсы обмена данными Различные микроконтроллеры данной серии могут иметь по нескольку наиболее распространённых интерфейсов, сильно облегчающих общение с другими чипами и внешним миром:
Аналого-цифровой преобразователь АЦП или ADС на котором придётся остановиться подробнее.
Чрезвычайно полезный модуль, который способен измерять напряжение аналоговых сигналов. Оценивает он их в долях от величины опорного источника сигнала, в нашем случае это напряжения питания аналогового модуля микроконтроллера, которое может быть равным или немного ниже основного напряжения питания чипа. Теоретическая точность работы АЦП зависит от его разрядности. В современных микроконтроллерах чаще всего применяется 12 разрядный АЦП последовательного приближения, реже 10 и как экзотика встречается 16.
При питании 3 вольта 12 разрядный АЦП микроконтроллера будет иметь разрешающую способность 3/4096=0.00073 Вольта — лучше одного милливольта.
Но на практике достичь этого идеала бывает не просто.
На практике всё бывает далеко не так красиво и точность измерений может снижаться по многим причинам. Ниже перечисляю основные, хорошо известные любому опытному электронщику, а также простые но эффективные способы сведения их пагубного влияния до минимума
нестабильность напряжения источника питания АЦП
Выше изображён участок реальной схемы для подачи питания на аналоговую часть микроконтроллера в устройстве с батарейным питанием. В данном случая я использовал АЦП для оцифровки сигнала с аналогового MEMS микрофона и поэтому имело смысл выделить в отдельную цепь не только аналоговое питание, но и аналоговую землю. В большинстве случаев это избыточно, для того чтобы от неё действительно был толк, нужна ещё и правильная трассировка.
От цепи VBUT питается вся цифровая часть микроконтроллера. На всякий случай привожу номиналы элементов: R5-10 Ом, С10 0.1 мкФ, без индуктивностей L1 и L2 BLM18PG471SN1D в большинстве случаев можно обойтись.
Ещё один любопытный пример из моей практики. В плате, на которой размещалось большое количество высокопотребляющих чипов ASIC, необходимо было измерять их температуру. Самый простой и дешёвый способ — использование высокоомных термисторов. В качестве фильтров я применил конденсаторы достаточно большой ёмкости, воспользовавшись тем фактом, что температура меняется сравнительно медленно. Для оцифровки звука такой фокус однозначно бы «не прокатил».
Осталось упомянуть ещё одну важную особенность АЦП, характерную для микроконтроллеров. Собственно, модулей АЦП в нём, как правило, один или два, а вот входов может быть много. В описываемой серии модуль 1, а входов может быть до 16. Как же так? Очень просто, входы подсоединены к нему через коммутатор. Если вы собираетесь измерять напряжение с 10 входов, то должны организовать цикл — последовательно переключить коммутатор к каждому из 10 входов и сделать измерение. Это необходимо учитывать, рассчитывая времена измерения. В данной серии АЦП, теоретически, способно сделать измерение за 1 микросекунду. Получается, что полный цикл 10 измерений у вас займёт точно больше 10 микросекунд!
Система прямого доступа в память ПДП или DMA — ещё одна архиважная вещь. Этот модуль позволяет пересылать данные от периферии в память или наоборот.
Например, с его помощью вы можете выделить участок памяти для хранения данных, приходящих из АЦП и сделать из него кольцевой буфер. Далее запускается АЦП в режиме считывания данных через равные промежутки времени. Используя механизмы DMA, считанные данные будут, без участия ядра, самостоятельно, байт за байтом, помещаться в выделенный буфер. Когда буфер будет полностью заполнен, ядро получит сигнал и приступит к их программной обработке, а система DMA начнёт процесс загрузки сначала. Поскольку DMA имеет несколько каналов, то никто не мешает реализовать для нашего случая автоматический вывод на USART данных из буфера. В результате мы получим, работающий без использования ядра процесс передачи считанных с АЦП в USART, и не простая работа программиста по конфигурации DMA окупится сторицей.
Что можно получить, добавив 30 центов?
Переход на Cortex-M0+. Самый дешёвый способ получить дополнительные функции
А какие дополнительные плюшки предлагает микроконтроллер новейшей серии с ядром чуть посовременнее Cortex-M0+, при стоимости на 20-50 центов дороже аналогов в рассмотренной выше серии по корпусу и количеству выводов?
Таблица отличий между сериями
А что добавит переход на Cortex-M4, кроме возросшей в пару раз цены?
Cortex-M7 — когда хочется большего.
В подавляющем количестве проектов возможностей предоставляемых вышеописанными ядрами достаточно, но случаются и исключения. Лично со мной такое случалось всего пару раз, причём лишь один раз по действительно уважительной причине — требовалась высокая производительность для подготовки данных для ASIC, контроллер Ethernet и шина CAN-FD c повышенной скоростью обмена.
Если на уровне универсальных микроконтроллеров с ядрами Cortex 4 и ниже, на мой субъективный взгляд, по параметру цена/функциональность сейчас лидирует фирма ST, то в области более высокопроизводительных чипов она уступает лидерство ATMEL, вернее, теперь уже недавно поглотившему его MICROCHIP. Поэтому я остановил свой выбор на серии ATSAMV71, стоимостью от 6 долларов.
Помимо вышеописанного (контроллер Ethernet и шина CAN-FD), по большому счёту, мы получаем, существенно увеличивающее производительность ядро с ускорителем операций, работающее на тактовой частоте до 300 МГц, интерфейсы для подключения видеоматрицы и поддержку динамической памяти.
В заключении попрошу имеющих опыт общения с микроконтроллерами попрошу выбрать подходящий ответ на вопрос.