Сущность и назначение микроконтроллера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Микроконтроллер - компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства. Эти устройства выполняют свои задачи под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера.

К наиболее распространенным встроенным устройствам относятся устройства памяти и порты ввода/вывода (I/O), интерфейсы связи, таймеры, системные часы. Устройства памяти включают оперативную память (RAM), постоянные запоминающие устройства (ROM), перепрограммируемую ROM (EPROM), электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM). Таймеры включают и часы реального времени, и таймеры прерываний. Средства I/O включают последовательные порты связи, параллельные порты (I/O линии), аналого-цифровые преобразователи (A/D), цифроаналоговые преобразователи (D/A), драйверы жидкокристаллического дисплея (LCD) или драйверы вакуумного флуоресцентного дисплея (VFD). Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.

В отличие от микроконтроллера контроллером обычно называют плату, построенную на основе микроконтроллера, но достаточно часто при использовании понятия "микроконтроллер" применяют сокращенное название этого устройства, отбрасывая приставку "микро" для простоты. Также при упоминании микроконтроллеров можно встретить слова "чип" или "микрочип", "кристалл" (большинство микроконтроллеров изготавливают на едином кристалле кремния), сокращения МК или от английского microcontroller - MC.

Микроконтроллеры можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах... и даже кофеварках. Среди производителей микроконтроллеров можно назвать Intel, Motorola, Hitachi, Microchip, Atmel, Philips, Texas Instruments, Infineon Technologies (бывшая Siemens Semiconductor Group) и многих других.

Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность данных, обрабатываемых арифметико-логическим устройством (АЛУ). По этому признаку они делятся на 4-, 8-, 16-, 32- и 64-разрядные. Сегодня наибольшая доля мирового рынка микроконтроллеров принадлежит восьмиразрядным устройствам (около 50 % в стоимостном выражении). За ними следуют 16-разрядные и DSP-микроконтроллеры (DSP - Digital Signal Processor - цифровой сигнальный процессор), ориентированные на использование в системах обработки сигналов (каждая из групп занимает примерно по 20 % рынка). Внутри каждой группы микроконтроллеры делятся на CISC- и RISC-устройства. Наиболее многочисленной группой являются CISC-микроконтроллеры, но в последние годы среди новых чипов наметилась явная тенденция роста доли RISC-архитектуры.

Тактовая частота, или, более точно, скорость шины, определяет, сколько вычислений может быть выполнено за единицу времени. В основном производительность микроконтроллера и потребляемая им мощность увеличиваются с повышением тактовой частоты. Производительность микроконтроллера измеряют в MIPS (Million Instruсtions per Second - миллион инструкций в секунду).

Для микроконтроллеров AVR существуют различные языки программирования, но, пожалуй, наиболее подходящими являются ассемблер и Си, поскольку в этих языках в наилучшей степени реализованы все необходимые возможности по управлению аппаратными средствами микроконтроллеров.

Ассемблер - это низкоуровневый язык программирования, использующий непосредственный набор инструкций микроконтроллера. Создание программы на этом языке требует хорошего знания системы команд программируемого чипа и достаточного времени на разработку программы. Ассемблер проигрывает Си в скорости и удобстве разработки программ, но имеет заметные преимущества в размере конечного исполняемого кода, а соответственно, и скорости его выполнения.

Си позволяет создавать программы с гораздо большим комфортом, предоставляя разработчику все преимущества языка высокого уровня.

Следует еще раз отметить, что архитектура и система команд AVR создавалась при непосредственном участии разработчиков компилятора языка Си и в ней учтены особенности этого языка. Компиляция исходных текстов, написанных на Си, осуществляется быстро и дает компактный, эффективный код.

Основные преимущества Си перед ассемблером: высокая скорость разработки программ; универсальность, не требующая досконального изучения архитектуры микроконтроллера; лучшая документируемость и читаемость алгоритма; наличие библиотек функций; поддержка вычислений с плавающей точкой.

В языке Си гармонично сочетаются возможности программирования низкого уровня со свойствами языка высокого уровня. Возможность низкоуровневого программирования позволяет легко оперировать непосредственно аппаратными средствами, а свойства языка высокого уровня позволяют создавать легко читаемый и модифицируемый программный код. Кроме того, практически все компиляторы Си имеют возможность использовать ассемблерные вставки для написания критичных по времени выполнения и занимаемым ресурсам участков программы.

Одним словом, Си - наиболее удобный язык как для начинающих знакомиться с микроконтроллерами AVR, так и для серьезных разработчиков.

Компиляторы

Чтобы преобразовать исходный текст программы в файл прошивки микроконтроллера, применяют компиляторы.

Фирма Atmel поставляет мощный компилятор ассемблера, который входит в среду разработки AVR Studio, работающую под Windows. Наряду с компилятором, среда разработки содержит отладчик и эмулятор.

AVR Studio совершенно бесплатна и доступна на сайте Atmel.

В настоящее время представлено достаточно много компиляторов Си для AVR. Самым мощным из них считается компилятор фирмы IAR Systems. Именно ее сотрудники в середине 90-х годов участвовали в разработке системы команд AVR. IAR C Compiler имеет широкие возможности по оптимизации кода и поставляется в составе интегрированной среды разработки IAR Embedded Workbench (EWB), включающей в себя также компилятор ассемблера, линкер, менеджер проектов и библиотек, а также отладчик. Цена полной версии пакета составляет 2.820 EUR.

Фирмой Image Craft выпускается компилятор языка Си, получивший достаточно широкую популярность. Image Craft C Compiler обладает неплохим уровнем оптимизации кода и достаточно низкой ценой (от $199 до $749 в зависимости от версии).

Не меньшую популярность завоевал Code Vision AVR C Compiler, цена полной версии этого компилятора невысока и составляет 150 EUR. Компилятор поставляется вместе с интегрированной средой разработки, в которую, помимо стандартных возможностей, включена достаточно интересная функция - CodeWizardAVR Automatic Program Generator. Наличие в среде разработки последовательного терминала позволяет производить отладку программ с использованием последовательного порта микроконтроллера.

Поистине культовой стала интегрированная среда разработки WinAVR. Она включает мощные компиляторы Си и ассемблера, программатор AVRDUDE, отладчик, симулятор и множество других вспомогательных программ и утилит. WinAVR прекрасно интегрируется со средой разработки AVR Studio от Atmel. Ассемблер идентичен по входному коду ассемблеру AVR Studio. Компиляторы Си и ассемблера имеют возможность создания отладочных файлов в формате COFF, что позволяет применять не только встроенные средства, но и использовать мощный симулятор AVR Studio. Еще одним немаловажным плюсом является то, что WinAVR распространяется свободно без ограничений (производители поддерживают GNU General Public License).

В качестве резюме стоит сказать, что WinAVR является идеальным выбором для тех, кто начинает осваивать микроконтроллеры AVR. Именно эта среда разработки и рассматривается в качестве основной в данном курсе.

Перый микроконтроллер появился на свет в 1976 году, через 5 лет после создания первого микропроцессора. Это была микросхема фирмы Intel, получившая имя 8048.

Помимо центрального процессора, на кристалле находились 1 КБайт памяти программ, 64 байта памяти данных, два восьмибитных таймера, генератор часов и 27 портов ввода/вывода.

Микроконтроллеры семейства 8048 использовались в игровых консольных приставках Magnavox Odyssey, в клавиатурах первых IBM PC и в ряде других устройств.

Существует также мнение, что первым микроконтроллером был 4-х pазpядный TMS1000 от Texas Instruments, котоpый содеpжал ОЗУ (32 байта), ПЗУ (1К), часы и поддеpжку ввода-вывода, что позволяло считать его именно первым микpоконтpоллеpом. Выпущенный в 1972 году, он имел новую по тем временам возможность - добавление новых инструкций.

8051

Следующий микроконтроллер Intel 8051, выпущенный в 1980 году, стал поистине классическим образцом устройств данного класса. Этот 8-битный чип положил начало целому семейству микроконтроллеров, которые господствовали на рынке вплоть до недавнего времени.

Аналоги 8051 выпускали советские предприятия в Минске, Киеве, Воронеже, Новосибирске, на них выросло целое поколение отечественных разработчиков.

Большинство фирм производителей микроконтроллеров и сегодня выпускают устройства, основанные на этой архитектуре. Среди них Philips, Atmel, Dallas, OKI, Siemens -- можно перечислить более полутора десятков имен. Но 51-е семейство постепенно сдает свои позиции более молодым и совершенным микроконтроллерам.

Motorola и Zilog

Другими яркими представителями восьмиразрядных микроконтроллеров явились изделия компаний Motorola (68HC05, 68HC08, 68HC11) и Zilog (Z8). Motorola длительное время не предоставляла средств, позволяющих дешево и быстро начать работать с ее контроллерами, что явно не способствовало их популярности у некорпоративных разработчиков. Однако стоит заметить, что за рубежом микроконтроллеры от Motorola занимают лидирующее положение на рынке. В нашей стране их популярность не очень высока, возможно, еще в силу отсутствия достаточного количества доступных учебных материалов и средств разработки. Микроконтроллеры фирмы Zilog, основанной бывшими сотрудниками Intel, еще недавно казавшиеся столь многообещающими, не выдержали гонки в стремительно развивающемся секторе рынка, и сегодня система команд Z8 выглядит достаточно устаревшей.

Microchip

Чтобы перепрограммировать такой PIC-микроконтроллер, необходимо было посветить некоторое время в специальное окошечко кварцевой лампой. Сегодня новые микроконтроллеры от Microchip оснащаются электрически перепрограммируемой Flash-памятью программ.

Первые значительные перемены произошли с появлением PIC-контроллеров фирмы Microchip. Эти чипы предлагались по рекордно низким ценам, что позволило им в короткий срок захватить значительную часть рынка микроконтроллеров. К тому же кристаллы от Microchip оказались не уступающими, а нередко и превосходящими микроконтроллеры х51 по производительности и не требовали дорогостоящего программатора.

Вместе с контроллерами появились дешевые комплекты PICSTART, содержащие все, что было нужно для того, чтобы, не имея ни средств, ни навыков работы с PIC-контроллерами, быстро создать и отладить на нем продукт.

Эти микроконтроллеры имели хорошие порты, но все остальное было сделано весьма неудобно. Архитектура оставляла желать лучшего, система команд была крайне ограничена. Тем не менее, PIC-контроллеры остаются популярными в тех случаях, когда требуется создать недорогую систему, не предъявляющую высоких требований по ее управлению.

Scinex

На волне успеха PIC-контроллеров появились очень похожие на них изделия фирмы Scinex. Они обладали уже 52-мя командами против PIC-овских 33-х. Были добавлены хорошие инструкции для работы с памятью, улучшена архитектура, каждая команда выполнялась за один такт, что при прочих равных условиях было вчетверо быстрее, чем у Microchip, и к тому же их тактовая частота достигала 100 МГц.

Столь высокая скорость контроллера позволяет его создателям отказаться от различной периферии -- таймеров, счетчиков, регистров сдвига в приемопередатчиках, -- все это рекомендуется реализовывать чисто программными средствами, благо быстродействия для этого хватает: внутри -- лишь сверхбыстрое ядро, память да порты ввода/вывода.

Atmel

Настоящая революция в мире микроконтроллеров произошла в 1996 году, когда корпорация Atmel представила свое семейство чипов на новом прогрессивном ядре AVR. Более продуманная архитектура AVR, быстродействие, превосходящее контроллеры Microchip, привлекательная ценовая политика способствовали оттоку симпатий многих разработчиков от недавних претендентов на звание контроллера номер 1.

Микроконтроллеры AVR имеют более развитую систему команд, насчитывающую до 133 инструкций, производительность, приближающуюся к 1 MIPS/МГц, Flash ПЗУ программ с возможностью внутрисхемного перепрограммирования. Многие чипы имеют функцию самопрограммирования. AVR-архитектура оптимизирована под язык высокого уровня Си. Кроме того, все кристаллы семейства совместимы "снизу вверх".

Огромную роль сыграла доступность программного обеспечения и средств поддержки разработки. У Atmel много бесплатно распространяемых программных продуктов. Хорошо известно, что развитые средства поддержки разработок при освоении и знакомстве с любым микроконтроллерным семейством играют не менее значимую роль, чем сами кристаллы. Фирма Atmel уделяет этому вопросу большое внимание. Чрезвычайно удачная и совершенно бесплатная среда разработки AVR Studio, работающая под Windows.

Ведущие сторонние производители выпускают полный спектр компиляторов, программаторов, ассемблеров, отладчиков, разъемов и адаптеров.

Для начинающего разработчика немаловажным является и то, что для программирования AVR можно обойтись вовсе без аппаратного программатора. Самым популярным сопособом программирования этих микроконтроллеров являются пять проводков, подсоединенных к параллельному порту персонального компьютера.

Можно считать, что AVR постепенно становится еще одним индустриальным стандартом среди 8-разрядных микроконтроллеров общего назначения. Они легкодоступны в России и отличаются в среднем невысокой стоимостью, успешно конкурируя с изделиями компании MICROCHIP. Все это делает микроконтроллеры Atmel AVR одними из самых привлекательных для обучения.

RCX

В основе RCX лежит микроконтроллер Hitachi H8/3297 (семейство процессоров H8/300 с 32Kb оперативной памяти). Микроконтроллер используется для управления тремя моторами, тремя сенсорами и инфракрасным портом.

Встроенная в чип 16Kb ROM содержит драйвер, который запускается при первом включении RCX. Возможности прошитого драйвера расширяются при загрузке в RCX 16Kb программного обеспечения (firmware). Вместе они позволяют выполнять команды, полученные с компьютера через ИК порт. Программы, созданные пользователем, загружаются в RCX как байт-код и хранятся в отведенном для них 6Kb участке памяти.

Список микроконтроллеров, упомянутых на этой странице, далеко не полный. Среди крупных производителей микроконтроллеров следовало бы подробнее упомянуть Cypress, Texas Instruments, Dallas Semiconductor, Philips, Infineon (Siemens), STMicroelectronics, Futjitsu, Mitsubishi Electronics, Temic, National Semoconductor, Oki Semiconductor и др.

Отдельного упоминания заслуживают мощные контроллеры фирмы Toshiba. Хотя у них и отсутствует внутренняя память программ, нужен кристалл внешнего ПЗУ, но они имеют хорошо развитую периферию и способны поддерживать модули памяти типа SIMM, используемые в IBM. За рубежом эти контроллеры ставятся в DVD-проигрыватели, CD-проигрыватели, автоответчики, -- словом, туда, где надо работать с большими объемами памяти.

Также следует сказать о самых маленьких в мире микроконтроллерах ACE. Это 8-разрядные чипы размерами около 3х4 мм, из 8 выводов 6 - это порты ввода/вывода. По возможностям они похожи на Microchip или AVR, но в очень маленьком корпусе. Им можно сделать минимальное обрамление и поместить в ручку какого-нибудь изделия.

И, конечно же, нельзя пройти мимо широко развитой линии микроконтроллеров H8 фирмы Hitachi. Это большая семья микроконтроллеров, включающая H8/300, H8/300H, H8/500 и H8S серии. Основа архитектуры H8 базируется на решениях фирмы DEC и их легендарном компьютере PDP-11. Несколько компаний выпускают для этих микроконтроллеров компиляторы ассемблера и языков высокого уровня. H8 могут быть найдены в цифровых фотокамерах, контроллерах принтеров и различных автоматических подсистемах. Также они трудятся в контроллерных блоках RCX робоконструкторов Lego MindStorm.

Простого робота на микроконтроллере можно собрать на основе драйвера управления двигателями и непосредственно самого микроконтроллера.

В качестве драйвера двигателей используем микросхему L293D, входы которой подсоединим к выводам микроконтроллера так, как показано на схеме. В данном примере будет рассмотрен микроконтроллер ATmega8, хотя можно использовать практически любой микроконтроллер (например, ATtiny2313, ATtiny26 или любой микроконтроллер из семейства Mega).

Схема робота на микроконтроллере AVR

На схеме робота входы драйвера двигателей L293D подключены к выводам порта C микроконтроллера ATmega8, но их можно подключить к любому из портов микроконтроллера (при этом будет необходимо внести изменения в программную часть, указав порт и непосредственно его выводы в соответствующих строках программы, приводимой ниже).

Электролитический конденсатор C3 (1000 мкф, 10-25 в.) необходим для того, чтобы сгладить броски по питанию, вызванные работой моторов. Для того чтобы еще больше стабилизировать работу микроконтроллера, хорошим решением может служить керамический конденсатор емкостью около 0,33 мкф, подсоединенный между выводами питания VCC, GND (ножки 7 и 8) и располагающийся в непосредственной близости от них (на схеме не указан).

Механическая схема рассматриваемого робота должна быть собрана по "танковому" принципу: левый мотор передает движение на левое колесо, правый - на правое.

Для того чтобы собранный робот "ожил", напишем для него программу. Откомпилируем ее и загрузим в микроконтроллер. (Как это сделать, см. в статьях: Makefile и компиляция программы; Простой программатор AVR; Первый проект на микроконтроллере AVR.)

ПРИМЕР 1 :: ВРАЩЕНИЕ МОТОРАМИ ВПЕРЕД-НАЗАД

программа микроконтроллер компилятор

#include <avr/io.h>

/***************** Функция задержки ****************/

void delay(unsigned short ms) // Минимальная задержка с кварцем 8 МГц - 1 мс

{

unsigned short i, j, k; // объявляем переменные

for (i=0; i<ms; i++) // главный цикл формирования задержки

for (j=0; j<185; j++) // вложенный цикл формирования задержки

k++; // произвольное действие

}

/****************************************************/

int main(void) // начало основной программы

{

DDRC = 0xff; // все выводы порта C сконфигурировать как выходы

while (1) { // Бесконечный цикл

// ---------- вращаем моторы вперед 1 сек ----------

PORTC |= _BV(PC1); // установить "1" на линии 1 порта C

PORTC &= ~_BV(PC2); // установить "0" на линии 2 порта C

PORTC |= _BV(PC3); // установить "1" на линии 3 порта C

PORTC &= ~_BV(PC4); // установить "0" на линии 4 порта C

delay(1000); // ждем 1 сек.

// --------------------------------------------------

// ---------- вращаем моторы назад 1 сек ----------

PORTC &= ~_BV(PC1); // установить "0" на линии 1 порта C

PORTC |= _BV(PC2); // установить "1" на линии 2 порта C

PORTC &= ~_BV(PC3); // установить "0" на линии 3 порта C

PORTC |= _BV(PC4); // установить "1" на линии 4 порта C

delay(1000); // ждем 1 сек.

// --------------------------------------------------

} // закрывающая скобка бесконечного цикла

} // закрывающая скобка основной программы

Отсоединив программатор, проверим направление вращения колес робота. Если моторы вращают колеса в противоположные стороны, поменяйте местами их выводы.

Следующим шагом будет создание программы, реализующей поворот на необходимый угол остановкой одного из моторов.

ПРИМЕР 2 :: ДВИЖЕНИЕ ПРЯМО С ПОВОРОТОМ

#include <avr/io.h>

/***************** Функция задержки ****************/

void delay(unsigned short ms) // Минимальная задержка с кварцем 8 МГц - 1 мс

{

unsigned short i, j, k; // объявляем переменные

for (i=0; i<ms; i++) // главный цикл формирования задержки

for (j=0; j<185; j++) // вложенный цикл формирования задержки

k++; // произвольное действие

}

/****************************************************/

int main(void) // начало основной программы

{

DDRC = 0xff; // все выводы порта C сконфигурировать как выходы

while (1) { // Бесконечный цикл

// ---------- вращаем моторы вперед 1 сек ------------

PORTC |= _BV(PC1); // установить "1" на линии 1 порта C

PORTC &= ~_BV(PC2); // установить "0" на линии 2 порта C

PORTC |= _BV(PC3); // установить "1" на линии 3 порта C

PORTC &= ~_BV(PC4); // установить "0" на линии 4 порта C

delay(1000); // ждем 1 сек.

// ----------------------------------------------------

// ---------- останавливаем мотор M2 на 0,5 сек ------

PORTC |= _BV(PC1); // установить "1" на линии 1 порта C

PORTC |= _BV(PC2); // установить "1" на линии 2 порта C

delay(500); // ждем 0,5 сек.

// ----------------------------------------------------

} // закрывающая скобка бесконечного цикла

} // закрывающая скобка основной программы

Изменяя время задержки, попробуйте добиться поворота на прямой угол так, чтобы траектория движения робота напоминала квадрат.

Для более быстрого разворота робота можно использовать реверс (вращение в противоположную сторону) одного из моторов. Написание такой программы будет хорошим практикумом для самостоятельного программирования движения робота.

Размещено на Allbest.ru