ЧТО ТАКОЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕР

Микроконтроллер – компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. Говоря простыми словами, микроконтроллер – это программируемая микросхема. То есть мы можем написать программу, загрузить ее в микросхему-микроконтроллер и управлять с помощью программы устройствами, подключенными к нашей микросхеме.

Используя микроконтроллер можно сделать умный дом, умного робота, систему управления станком с ЧПУ, интеллектуальную систему управления поливом растений или управления целой теплицей, охранную сигнализацию, справочную систему, интернет-информер, часы, музыкальный плеер, электронные игры и многое-многое другое.

В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства. Эти устройства выполняют свои задачи под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера.

Встроенные устройства микроконтроллеров

К наиболее распространенным встроенным устройствам относятся:

GPIO (General Purpose Input-Output) – контакты входов и выходов общего назначения
Каждый из Input-Output контактов может быть сконфигурирована как вход, или как выход.

Устройства памяти

ROM – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)
Это энергонезависимая память, в которой хранится программа (прошивка). Для микроконтроллеров это обычно флэш-память, которую можно электрически стирать и перепрограммировать.

RAM – оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)
Это энергозависимая память, которая используется микроконтроллером для временного хранения значений и данных во время выполнения программы.

EEPROM – электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ)
Эта энергонезависимая память, используемая микроконтроллером для хранения данных, например, данных конфигурации и настройки, которые должны сохраняться при отключении питания. Многие современные микроконтроллеры не имеют EEPROM и эмулируют его во флэш-памяти.

Интерфейсы связи и обмена данными

USART — асинхронный последовательный порт
Часто используется для связи с компьютером и другими устройствами и является наиболее распространённым интерфейсом. Через этот интерфейс часто производится загрузка программ в микроконтроллеры. В компьютере он обычно называется COM-порт или RS232.

SPI (Serial Peripheral Interface) — последовательный периферийный интерфейс
Предназначен для обеспечения высокоскоростной передачи данных на короткие расстояния между микроконтроллером и периферией. Этот интерфейс имеют многие чипы, например, внешняя память. Часто через SPI осуществляется программирование микроконтроллеров. SPI также иногда называют четырёхпроводным (англ. four-wire) интерфейсом. Он использует четыре цифровых сигнала: MOSI, MISO, CLK или SCK, CS или SS.

I²C — двухпроводной интерфейс
Используется для связи между чипами внутри электронных приборов. Разработан фирмой Philips Semiconductors в начале 1980-х для связи с датчиками и другой периферией на небольшом расстоянии и небольших скоростях обмена. Использует две двунаправленные линии связи (SDA и SCL). С помощью I2C одновременно к одной шине можно подключить десятки различных устройств.

Кроме того, ряд микроконтроллеров имеют на борту CAN-интерфейс, предназначенный для объединения в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Он обладает высокой надежностью, устойчивостью к помехам и широко используется в автомобильной электронике и промышленной автоматизации.

Таймеры

Таймеры измеряют длительность каких-либо событий. С помощью них можно обеспечить точное значение временной задержки. Встроенные таймеры есть в большинстве современных микроконтроллеров. Таймеры могут использоваться не только для формирования временных задержек, но и в качестве счетчиков.

WatchDog – сторожевой таймер предназначен для предотвращения "зависания" микроконтроллера. Таймер может быть настроен на определённый период времени, допустим на секунду. В выбранных местах программы пишут код, который перезапускает таймер. Если за секунду не произошло ни одного перезапуска таймера, WatchDog считает, что с программой что-то не так и перезапускает микроконтроллер.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

PWM (pulse-width modulation) — широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
Модуль ШИМ может управлять мощностью методом пульсирующего включения и выключения выводов микроконтроллера. С помощью ШИМ можно управлять скоростью вращения двигателей, рулевыми машинками, изменять яркость светодиодов и даже синтезировать звук.

АЦП и ЦАП

ADC (Analog to Digital Converter) – аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
Может измерять напряжение аналоговых сигналов. Оценивает он их в долях от величины источника опорного напряжения. Точность работы АЦП зависит от его разрядности. В современных микроконтроллерах чаще всего применяются 12-разрядные АЦП последовательного приближения.

DAC (Digital to Analog Converter) – цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)
Служит для преобразования цифровых сигналов в аналоговые выходные сигналы напряжения.

Поскольку встроенные устройства и внутренние модули не требуют внешних электрических цепей и находятся внутри чипа микроконтроллера, они обладают повышенной надежностью.

Где используются микроконтроллеры?

Микроконтроллеры можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах... и даже кофеварках. Использование микроконтроллеров позволяет упростить систему, повысить её надежность и снизить общую стоимость.

Микроконтроллеры используются в самых различных роботах от умных пылесосов и мойщиков окон до летающих дронов. Появление доступных и дешевых микроконтроллеров позволило огромному числу энтузиастов во всем мире создавать множество разнообразных и недорогих в изготовлении роботов.

Основные характеристики микроконтроллеров

Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность данных, обрабатываемых арифметико-логическим устройством (АЛУ). По этому признаку они делятся на 8-, 16- и 32-разрядные. Сегодня наибольшая доля мирового рынка микроконтроллеров принадлежит 32-разрядным устройствам. За ними следуют 16-разрядные и 8-разрядные. С каждым годом увеличивается доля 64-разрядных устройств.


Еще одной важной характеристикой является архитектура микропроцессороного ядра микроконтроллера. Среди распространенных 32-разрядных архитектур можно выделить ARM, RISC-V, Xtensa LX, PIC32.

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).

Производители микроконтроллеров

Среди производителей микроконтроллеров можно назвать Intel, Analog Devices, Cypress, GigaDevice, Infineon, Maxim, Microchip, NXP Semiconductors, Renesas, Silicon Labs, ST Microelectronics, Texas Instruments и многих других.

Заметную роль среди производителей микроконтроллеров играет китайская компания Espressif. Их 32-разрядные микроконтроллеры ESP32, создаваемые на основе архитектур Xtensa LX и RISC-V, стали очень популярными благодаря своим широким возможностям и производительности. Помимо стандатных для микроконтроллеров устройств ESP32 несут на борту модули для работы с Wi-Fi и Bluetooth.

В России микроконтроллеры разрабатывает и производит компания Микрон в Зеленограде. В 2024 году она представила новый 32-битный микроконтроллер MIK32 Амур с ядром на базе открытой архитектуры RISC-V, а новосибирская компания ELRON создала плату разработки ELBEAR ACE-UNO на этом микроконтроллере, совместимую с популярной платой Arduino UNO.

Платы разработки

Современные микроконтроллеры выпускают в очень миниатюрных корпусах и, чтобы облегчить работу с ними, множество производителей предлагает удобные платы разработки (Development Board) и наборы разработчика (DevKit). Многие платы разработки для микроконтроллеров приспособлены для удобного размещения на макетных платах и имеют дополнительную память и интерфейс для загрузки программ в микроконтроллер.

Одной из наиболее популярных плат разработки является ESP32 DEVKIT V1 — это лучшая плата для новичков. На ней есть все необходимое для работы с ESP32, а мощности двухъядерного ESP32 хватает даже для проектов на основе библиотеки машинного обучения TensorFlow.

См. также:

Микроконтроллеры: краткий обзор

Первый проект на микроконтроллере ESP32

ESP32: Подключаем светодиод

Программируем микроконтроллер ESP32 по Wi-Fi