Programmalashtirilgan mikrokontrollerlarning umumlashtirilgan strukturali sxemalari

PROGRAMMALASHTIRILGAN MIKROKONTROLLERLARNING UMUMLASHTIRILGAN STRUKTURALI SXEMALARI
MOS integral mikrosxemasi va Mikroprotsessor xronologiyasi
Ikkalasining kelib chiqishi mikroprotsessor va mikrokontroller ixtirosidan kelib chiqqan holda kuzatilishi mumkin MOSFET (metall oksidi-yarimo'tkazgichli dala effektli tranzistor), shuningdek, MOS tranzistor deb nomlanadi.[2] U tomonidan ixtiro qilingan Mohamed M. Atalla va Devon Kanx da Bell laboratoriyalari 1959 yilda va birinchi bo'lib 1960 yilda namoyish etilgan.[3] Xuddi shu yili Atalla. Kontseptsiyasini taklif qildi MOS integral mikrosxemasi, bu edi integral mikrosxema chip uydirma MOSFET-lardan.^[4] 1964 yilga kelib MOS chiplari yuqori darajaga ko'tarildi tranzistor zichligi va ishlab chiqarish xarajatlari nisbatan past ikki qutbli chiplar. MOS chiplari murakkablikda oldindan taxmin qilingan darajada oshdi Mur qonuni, olib boradi keng ko'lamli integratsiya (LSI) bilan yuzlab tranzistorlar 1960 yillarning oxiriga kelib bitta MOS chipida. MOS LSI chiplarini qo'llash hisoblash birinchi mikroprotsessorlar uchun asos bo'ldi, chunki muhandislar buni to'liq tan olishni boshladilar kompyuter protsessori bitta MOS LSI chipida bo'lishi mumkin.^[2]
Birinchi ko'p chipli mikroprotsessorlar AL1 to'rt fazali tizimlar 1969 yilda va Garret AiResearch MP944 1970 yilda bir nechta MOS LSI chiplari bilan ishlab chiqilgan. Birinchi bitta chipli mikroprotsessor bu edi Intel 4004, 1971 yilda bitta MOS LSI chipida chiqarilgan. U tomonidan ishlab chiqilgan Federiko Faggin, undan foydalanib kremniy-eshik MOS texnologiyasi, shu bilan birga Intel muhandislar Marcian Hoff va Sten Mazor va Busicom muhandis Masatoshi Shima.^[5] Undan keyin 4-bit Intel 4040, 8-bit Intel 8008 va 8-bit Intel 8080. Ushbu protsessorlarning barchasi uchun ishlaydigan tizimni amalga oshirish uchun bir nechta tashqi chiplar, jumladan, xotira va tashqi interfeys chiplari kerak edi. Natijada, tizimning umumiy qiymati bir necha yuz (1970 yillar) AQSh dollarini tashkil etdi, bu esa kichik maishiy texnika vositalarini iqtisodiy jihatdan kompyuterlashtirishning iloji yo'q edi. MOS texnologiyasi 6501 va - 100 dollarlik mikroprotsessorlarni taqdim etdi 6502, ushbu iqtisodiy to'siqni bartaraf etishning asosiy maqsadi, ammo bu mikroprotsessorlar tashqi qo'llab-quvvatlash, xotira va tashqi mikrosxemalarga ehtiyoj sezdilar, bu esa tizimning umumiy narxini yuzlab dollarga etkazdi.
Rivojlanish
Bitta kitob TI muhandislari Gari Boon va Maykl Koxranlar birinchi mikrokontrollerni 1971 yilda muvaffaqiyatli yaratdilar. Ularning ishlarining natijasi TMS 1000 1974 yilda sotuvga chiqarildi. U faqat o'qish uchun xotira, o'qish / yozish xotirasi, protsessor va soatni bitta chipda birlashtirdi va o'rnatilgan tizimlarga yo'naltirilgan edi.^[6]
1970-yillarning boshidan o'rtalariga qadar Yaponiyaning elektronika ishlab chiqaruvchilari avtomobillar uchun mikrokontroller, shu jumladan 4-bit MCU ishlab chiqarishni boshladilar. mashinada o'yin-kulgi, avtomatik o'chirish moslamalari, elektron qulflar va asboblar paneli va dvigatelni boshqarish uchun 8 bitli MCU.^[7]
Qisman bitta chipli TMS 1000 mavjudligiga javoban,^[8] Intel boshqaruv dasturlari uchun optimallashtirilgan mikrosxemada kompyuter tizimini ishlab chiqdi Intel 8048, 1977 yilda tijorat qismlari birinchi etkazib berish bilan.^[8] U birlashtirildi Ram va ROM mikroprotsessor bilan bir xil chipda. Ko'p sonli dasturlar orasida ushbu chip bir milliarddan ortiq kompyuter klaviaturalariga kirib boradi. O'sha paytda Intel prezidenti Lyuk J. Valenter mikrokontroller kompaniya tarixidagi eng muvaffaqiyatli mahsulotlardan biri ekanligini ta'kidladi va u mikrokontroller bo'limi byudjetini 25 foizdan ziyodga kengaytirdi.
Hozirgi vaqtda aksariyat mikrokontrolrlar bir xil variantlarga ega edilar. Bittasi bor edi EPROM dastur xotirasi, paketning qopqog'idagi shaffof kvarts oynasi, uni ta'sir qilish orqali yo'q qilishga imkon beradi ultrabinafsha yorug'lik. Ushbu o'chiriladigan mikrosxemalar ko'pincha prototip yaratish uchun ishlatilgan. Boshqa variant esa niqob dasturlashtirilgan ROM yoki a edi BITIRUV KECHASI faqat bir marta dasturlashtiriladigan variant. Ikkinchisi uchun ba'zan "bir martalik dasturlashtiriladigan" degan ma'noni anglatuvchi OTP belgisi ishlatilgan. OTP mikrokontrollerida PROM odatda EPROM bilan bir xil bo'lgan, ammo chip to'plamida kvarts oynasi bo'lmagan; chunki EPROMni ultrabinafsha nurlar ta'siriga duchor qilishning iloji yo'q edi, uni o'chirib bo'lmaydi. O'chirilishi mumkin bo'lgan versiyalarda kvartsli derazalarga ega bo'lgan keramika paketlar talab qilinganligi sababli, ular OTP versiyalariga qaraganda ancha arzonroq edi, ular arzonroq shaffof bo'lmagan plastik paketlarda tayyorlanishi mumkin edi. O'chirilishi mumkin bo'lgan variantlar uchun ultrabinafsha nurlaridagi shaffofligi uchun unchalik qimmat bo'lmagan shisha o'rniga kvarts kerak edi, bu shisha asosan shaffof emas, lekin xarajatlarning asosiy farqi keramika paketining o'zi edi.
Advertisement
1993 yilda EEPROM xotira uchun ruxsat berilgan mikrokontroller (Microchip bilan boshlangan) PIC16C84 )^[9] talab qilinadigan qimmat to'plamsiz tezda elektr o'chirilishi EPROM, ham tezkor prototipni yaratishga imkon beradi, ham tizimda dasturlash. (EEPROM texnologiyasi shu vaqtgacha mavjud edi,^[10] Ammo avvalgi EEPROM qimmatroq va kamroq bardoshli bo'lib, uni arzon narxlardagi ommaviy ishlab chiqariladigan mikrokontroller uchun yaroqsiz holga keltirdi.) Xuddi shu yili Atmel birinchi mikrokontrollerni ishlatib taqdim etdi Fleshli xotira, maxsus EEPROM turi.^[11] Ikkala xotira turiga ega bo'lgan boshqa kompaniyalar ham tezlik bilan unga ergashishdi.
Hozirgi kunda mikrokontrollerlar havaskorlar uchun arzon va osonlikcha mavjud bo'lib, ma'lum protsessorlar atrofida katta onlayn jamoalar mavjud.
Hajmi va narxi
2002 yilda, taxminan 55% CPU dunyoda 8 bitli mikrokontroller va mikroprotsessorlar sotilgan.^[12]
1997 yilda ikki milliarddan ortiq 8-bitli mikrokontroller sotildi,^[13] va Semico ma'lumotlariga ko'ra 2006 yilda to'rt milliarddan ziyod 8-bitli mikrokontroller sotilgan.^[14] Yaqinda Semico MCU bozori 2010 yilda 36,5% va 2011 yilda 12% o'sganligini da'vo qildi.^[15]
Rivojlangan mamlakatdagi odatiy uyda faqat to'rtta umumiy maqsadli mikroprotsessor bo'lishi mumkin, ammo ularning soni o'nga yaqin mikrokontrollerdir. Oddiy o'rta masofadagi avtomashinada 30 ga yaqin mikrokontroller mavjud. Ular, shuningdek, kir yuvish mashinalari, mikroto'lqinli pechlar va telefon kabi ko'plab elektr qurilmalarida ham bo'lishi mumkin.
Tarixiy jihatdan 8 bitli segment MCU bozorida hukmronlik qilgan [..] 16 bitli mikrokontrollerlar 2011 yilda eng katta hajmli MCU toifasiga aylanib, o'sha yili birinchi marta 8 bitli qurilmalarni ortda qoldirdi [..] IC Insights kompaniyasi kelgusi besh yil ichida MCU bozori sezilarli o'zgarishlarga duch keladi, 32-bitli qurilmalar sotuvlar va birliklar hajmining katta qismini barqaror ravishda egallab olishadi. 2017 yilga kelib 32-bit MCU mikrokontroller sotuvining 55% ni tashkil qilishi kutilmoqda [..] Birlik hajmi bo'yicha 32-bit MCU-lar 2017-yilda mikrokontroller etkazib berishning 38% ni tashkil qilishi kutilmoqda, 16-bitli qurilmalar esa Jami 34% va 4/8-bitli dizaynlarning o'sha yili sotilgan birliklarning 28% bo'lishi kutilmoqda 32-bitli MCU bozori ko'milgan ishlov berishda yuqori aniqlik darajasiga bo'lgan talab ortib borishi sababli tez o'sishi kutilmoqda. tizimlar va Internetdan foydalangan holda ulanishning o'sishi. [..] Keyingi bir necha yil ichida murakkab 32-bit MCU'lar avtoulovlarda ishlash quvvatining 25% dan ortig'ini tashkil qilishi kutilmoqda.
— IC Insights, MCU bozori 32-bitli va ARM-ga asoslangan qurilmalarga migratsiya yo'lida^[16]
Ishlab chiqarish narxi bir birlik uchun 0,10 dollardan past bo'lishi mumkin.
Vaqt o'tishi bilan narx eng arzonga tushdi 8-bit ostida mavjud bo'lgan mikrokontrollerlar 0,03 AQSh dollari 2018 yilda,^[17] va ba'zilari 32-bit shunga o'xshash miqdor uchun 1 AQSh dollar atrofida mikrokontroller.
2012 yilda global inqirozdan so'ng - har yilgi eng yomon savdo pasayishi va tiklanishi va o'rtacha savdo narxi yil davomida 17% ga tushib ketdi - 1980-yillardan beri eng katta pasayish - mikrokontroller uchun o'rtacha narx 0,88 AQSh dollarini tashkil etdi (4- uchun 0,69 dollar). / 8-bit, 16-bit uchun 0,59 dollar, 32-bit uchun 1,76 dollar).^[16]
2012 yilda butun dunyo bo'ylab 8-bitli mikrokontrollerlarning sotuvi taxminan 4 milliard dollarni tashkil etdi 4-bit mikrokontrollerlar ham sezilarli sotuvlarga erishdilar.^[18]
2015 yilda 8 bitli mikrokontrollerlarni 0,311 dollarga (1000 dona) sotib olish mumkin edi,^[19] 0,385 dollar uchun 16 bit (1000 dona),^[20] va 0,378 dollar uchun 32 bit (1000 dona, lekin 5000 uchun 0,35 dollar).^[21]
2018 yilda 8 bitli mikrokontrollerlarni 0,03 dollarga sotib olish mumkin,^[17] $ 0,393 uchun 16 bit (1000 dona, lekin 10063 uchun $ 0,563 yoki to'liq g'altak uchun $ 0,349),^[22] va 32-bit 0,503 dollarga (1000 dona, ammo 5000 uchun 0,466 dollar).^[23] Bir dona birlikda pastroq narxdagi 32 bitli mikrokontrollerni 0,891 dollarga sotib olish mumkin.^[24]
2015 yilda yuqoridagi arzon narxlardagi mikrokontrollerlarning barchasi qimmatroq (inflyatsiya ushbu aniq birliklar uchun 2018-2015 yillar oralig'ida hisoblab chiqilgan): 8 bitli mikrokontrollerni 0,319 dollarga (1000 dona) yoki 2,6 foizga yuqori narxda sotib olish mumkin,^[19] 16 bitli bittasi 0,464 dollar (1000 dona) yoki 21 foizga yuqori,^[20] va 32 bitli bittasi 0,503 dollarga (1000 dona, ammo 5000 uchun 0,466 dollar) yoki 33 foizga yuqori.^[21]
Advertisement

A PIC 80 pinli 18F8720 mikrokontroller TQFP paket
Eng kichik kompyuter
2018 yil 21-iyun kuni "dunyodagi eng kichik kompyuter" e'lon qilindi Michigan universiteti. Qurilma "0,04 mm3 16 nVt simsiz va batareyasiz sensorli tizim Cortex-M0 + protsessor va uyali haroratni o'lchash uchun optik aloqa. "Bu" guruch donasi tomonidan mitti tomonga atigi 0,3 mm. [...] RAMdan tashqari va fotoelektrlar, yangi hisoblash moslamalarida protsessorlar va simsiz transmitterlar va qabul qiluvchilar. Ular odatiy radio antennalarga ega bo'lish uchun juda kichik bo'lgani uchun, ular ko'rinadigan yorug'lik bilan ma'lumotlarni qabul qilishadi va uzatadilar. Asosiy stansiya quvvat va dasturlash uchun yorug'lik beradi va u ma'lumotlarni qabul qiladi. "^[25] Qurilma 2018 yil mart oyidan beri IBMning ilgari da'vo qilingan dunyo miqyosidagi kompyuterining 1/10 hajmiga teng,^[26] "tuz donasidan kichikroq",^[27] million tranzistorga ega, uni ishlab chiqarish uchun 0,10 dollardan kam mablag 'sarflanadi va shu bilan birga blok zanjiri logistika va "kripto-langar" uchun mo'ljallangan texnologiya -raqamli barmoq izi ilovalar.^[28]
Ichki dizayn
Advertisement
Advertisement
Mikrokontroller protsessor, xotira va tashqi qurilmalarga ega bo'lgan mustaqil tizim deb qaralishi mumkin va undan foydalanish mumkin o'rnatilgan tizim.^[29] Hozirgi kunda qo'llanilayotgan mikrokontrolrlarning aksariyati boshqa mashinalarda, masalan, avtomobillar, telefonlar, maishiy texnika va kompyuter tizimlari uchun tashqi qurilmalarda joylashgan.
Ba'zi ichki tizimlar juda murakkab bo'lsa-da, ko'plari operatsion tizimsiz va dasturiy ta'minotning murakkabligi past bo'lgan xotira va dastur uzunligiga minimal talablarga ega. Odatda kirish va chiqish qurilmalariga kalitlarga, o'rni, solenoidlar, LED kichik yoki odatiy suyuq kristalli displeylar, radiochastota qurilmalari va harorat, namlik, yorug'lik darajasi va boshqalar kabi ma'lumotlar uchun datchiklar. O'rnatilgan tizimlarda odatda klaviatura, ekran, disk, printer va boshqa taniqli I / U qurilmalari mavjud emas shaxsiy kompyuter va har qanday turdagi odamlarning o'zaro ta'sirlashish moslamalari etishmasligi mumkin.
Uzilishlar
Mikrokontroller ta'minlashi shart haqiqiy vaqt (bashorat qilish mumkin, garchi tez emas), ular boshqaradigan ichki tizimdagi voqealarga javob. Muayyan hodisalar sodir bo'lganda, an uzmoq tizim protsessorga amaldagi ko'rsatmalar ketma-ketligini qayta ishlashni to'xtatib turish va an boshlash uchun signal berishi mumkin uzilish xizmati muntazamligi (ISR, yoki "interrupt handler"), dastlabki ko'rsatmalar ketma-ketligiga qaytishdan oldin, uzilish manbasiga asoslangan har qanday qayta ishlashni amalga oshiradi. Mumkin bo'lgan uzilish manbalari qurilmaga bog'liq bo'lib, ko'pincha ichki taymerni to'ldirish, analogga raqamli konversiyani yakunlash, tugmachani bosish kabi kirishdagi mantiqiy darajani o'zgartirish va aloqa havolasida olingan ma'lumotlar kabi hodisalarni o'z ichiga oladi. Batareya qurilmalarida bo'lgani kabi, energiya sarfi muhim bo'lgan joyda, uzilishlar mikrokontrollerni kam quvvatli uyqu holatidan uyg'otishi mumkin, bu erda protsessor atrof-muhit hodisasi bilan biron bir narsa qilish uchun talab qilinmaguncha to'xtatiladi.
Dasturlar
Advertisement
Odatda mikrokontroller dasturlari mavjud bo'lgan chipdagi xotiraga mos kelishi kerak, chunki tizimni tashqi, kengaytiriladigan xotira bilan ta'minlash qimmatga tushadi. Ikkalasini konvertatsiya qilish uchun kompilyatorlar va montajchilar ishlatiladi yuqori darajadagi va assambleya tili kodlarni ixcham holga keltiring mashina kodi mikro-kontroller xotirasida saqlash uchun. Qurilmaga qarab, dastur xotirasi doimiy bo'lishi mumkin, faqat o'qish uchun xotira faqat fabrikada dasturlashtirilishi mumkin yoki maydon o'zgarishi mumkin miltillovchi yoki o'chiriladigan faqat o'qish uchun xotira.
Uskunalarga yordam berish uchun ishlab chiqaruvchilar tez-tez o'zlarining mikro-tekshirgichlarining maxsus versiyalarini ishlab chiqarishgan dasturiy ta'minotni ishlab chiqish maqsadli tizim. Dastlab ular kiritilgan EPROM qurilmaning yuqori qismida "oyna" bo'lgan versiyalar, ular orqali dastur xotirasini o'chirish mumkin ultrabinafsha dasturlash ("kuyish") va sinov tsiklidan keyin qayta dasturlash uchun tayyor bo'lgan engil. 1998 yildan beri EPROM versiyalari kamdan-kam uchraydi va ularning o'rniga almashtirildi EEPROM va fleshka, ulardan foydalanish osonroq (elektron tarzda o'chirilishi mumkin) va ishlab chiqarish arzonroq.
ROMga ichki xotira sifatida emas, balki tashqi qurilma sifatida kirish mumkin bo'lgan boshqa versiyalar mavjud bo'lishi mumkin, ammo arzon mikrokontroller dasturchilarining keng tarqalishi tufayli ular kamdan-kam uchraydi.
Mikro tekshirgichda maydonda programlanadigan qurilmalardan foydalanish maydonni yangilashga imkon beradi proshivka yoki yig'ilgan, ammo hali jo'natilmagan mahsulotlarga kechiktirilgan zavodni qayta ko'rib chiqishga ruxsat berish. Dasturlashtiriladigan xotira, shuningdek, yangi mahsulotni joylashtirish uchun zarur bo'lgan vaqtni qisqartiradi.
Yuz minglab bir xil qurilmalar talab qilinadigan joyda, ishlab chiqarish vaqtida dasturlashtirilgan qismlardan foydalanish tejamkor bo'lishi mumkin. Bular "niqob dasturlashtirilgan "qismlar dasturga bir vaqtning o'zida chip mantig'i bilan bir xil tarzda joylashtirilgan.
Moslashtirilgan mikro-kontroller qo'shimcha ishlov berish qobiliyati uchun moslashtirilishi mumkin bo'lgan raqamli mantiq blokini o'z ichiga oladi, atrof-muhit va interfeyslar dastur talablariga moslashtirilgan. Bir misol AT91CAP dan Atmel.
Boshqa mikrokontroller xususiyatlari
Mikrokontrollerlar odatda bir necha o'ndan umumiy kirish / chiqish pinlarini (GPIO) o'z ichiga oladi. GPIO pinlari kirish yoki chiqish holatida sozlanishi dasturiy ta'minotdir. GPIO pinlari kirish holatiga sozlanganda, ular ko'pincha datchiklarni yoki tashqi signallarni o'qish uchun ishlatiladi. Chiqish holatiga moslashtirilgan GPIO pinlari tashqi kuchlanuvchi elektronika orqali ko'pincha bilvosita bilvosita LED yoki dvigatel kabi tashqi qurilmalarni boshqarishi mumkin.
Ko'pgina ichki tizimlar analog signallarni ishlab chiqaradigan datchiklarni o'qishlari kerak. Buning maqsadi analog-raqamli konvertor (ADC). Protsessorlar raqamli ma'lumotlarni, ya'ni 1 va 0 raqamlarini talqin qilish va qayta ishlash uchun qurilganligi sababli, ular unga qurilma tomonidan yuborilishi mumkin bo'lgan analog signallari bilan hech narsa qila olmaydi. Shunday qilib analogdan raqamli konvertorga kiruvchi ma'lumotlarni protsessor taniy oladigan shaklga o'tkazish uchun foydalaniladi. Ba'zi mikrokontrollarda kamroq tarqalgan xususiyat - bu raqamli-analogli konvertor (DAC), bu protsessorga analog signallarni yoki kuchlanish darajasini chiqarishga imkon beradi.
Konverterlardan tashqari, ko'plab o'rnatilgan mikroprotsessorlar turli xil taymerlarni ham o'z ichiga oladi. Taymerlarning eng keng tarqalgan turlaridan biri bu dasturlashtiriladigan intervalli taymer (PIT). PIT biron bir qiymatdan nolga yoki hisoblash registri sig'imiga qadar orqaga qarab, nolga tushishi mumkin. Nolga etganidan so'ng, protsessorga hisoblashni tugatganligini ko'rsatuvchi uzilish yuboradi. Bu termostatlar kabi qurilmalar uchun foydalidir, ular vaqti-vaqti bilan konditsionerni yoqish, isitgichni yoqish va hokazolarni tekshirish uchun atrofdagi haroratni sinab ko'rishadi.
Bag'ishlangan impuls kengligi modulyatsiyasi (PWM) bloki protsessorni boshqarish imkoniyatini beradi quvvat konvertorlari, qarshilik ko'rsatadigan yuklar, motorlar va hokazo, qattiq taymerda ko'plab CPU resurslaridan foydalanmasdan ko'chadan.
A universal asenkron qabul qiluvchi / uzatuvchi (UART) bloki CPU-ga juda kam yuk bilan ketma-ket chiziq orqali ma'lumotlarni qabul qilish va uzatish imkonini beradi. Maxsus chipdagi qo'shimcha qurilmalar ko'pincha boshqa qurilmalar (chiplar) bilan raqamli formatlar bilan aloqa qilish imkoniyatlarini o'z ichiga oladi, masalan, Intertegrated Circuit (I²C ), Ketma-ket tashqi interfeys (SPI ), Universal ketma-ket avtobus (USB ) va Ethernet.[30]