МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ: КРАТКИЙ ОБЗОР

8-битные микроконтроллеры

Первый микроконтроллер

Первый 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 разрядный TMS1000 от Texas Instruments, который содержал ОЗУ (32 байта), ПЗУ (1К), часы и поддержку ввода-вывода, что позволяло считать его именно первым микроконтроллером. Анонсированный 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 начала 2000-х.
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 Atmel, Maxim, Philips, Dallas, OKI, Siemens — можно перечислить более полутора десятков имен.

Motorola и Zilog

Другими яркими представителями восьмиразрядных микроконтроллеров являлись изделия компаний Motorola (68HC05, 68HC08, 68HC11) и Zilog (Z8, Z86).
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 долгое время занимали одно из лидирующих положений на рынке. В нашей стране их популярность была не очень высока, возможно, еще в силу отсутствия достаточного количества доступных учебных материалов и средств разработки.
Микроконтроллеры фирмы Zilog, основанной бывшими сотрудниками Intel, когда-то казавшиеся столь многообещающими, не выдержали гонки в стремительно развивающемся секторе рынка и сегодня серии Z8 и Z86 вспоминают только ветераны.

PIC от Microchip

Один из ранних микроконтроллеров от Microchip. Чтобы перепрограммировать такой PIC-микроконтроллер, необходимо было посветить некоторое время в специальное окошечко кварцевой лампой.

Первые значительные перемены в мире микроконтроллеров произошли с появлением PIC-контроллеров фирмы Microchip. Эти микросхемы 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.

Вместе с широким распространением PIC появилось множество DIY-проектов на этих микроконтроллерах, но самый большой шаг в сторону DIY был сделан компанией Parallax, которая в начале 90-х начала выпускать микроконтроллерные платы Basic Stamp на основе PIC. Эти платы имели заранее прошитый интерпретатор языка Basic и не требовали программатора. Для загрузки программ достаточно было подсоединить плату к последовательному COM-порту компьютера с операционной системой Windows. На волне успеха Basic Stamp появились микроконтроллерные платы Basic Atom и система PICAXE с предварительно запрограммированной прошивкой, которая также позволяла загружать код непосредственно с ПК, упрощая разработку встраиваемых систем любителями.

Сегодня PIC-контроллеры по-прежнему остаются популярными в тех случаях, когда требуется создать энергоэкономичную недорогую систему, не предъявляющую высоких требований по ее управлению.

AVR от Atmel

В 1996 году корпорация Atmel представила свое семейство чипов на новом прогрессивном ядре AVR – это была настоящая революция. 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 имели более развитую систему команд, насчитывающую до 133 инструкций, производительность, приближающуюся к 1 MIPS/МГц, Flash ПЗУ программ с возможностью внутрисхемного перепрограммирования. Многие чипы имели функцию самопрограммирования. AVR-архитектура была оптимизирована под язык высокого уровня Си. Кроме того, все кристаллы семейства были совместимы "снизу вверх".

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 уделила этому вопросу большое внимание и выпустила чрезвычайно удачную и совершенно бесплатную среду разработки Atmel Studio, работающую под Windows. Кроме того, сторонние производители начали выпуск полного спектра компиляторов, программаторов, ассемблеров, отладчиков, разъемов и адаптеров для микроконтроллеров AVR. Наиболее значимой сторонней средой программирования стала WinAVR, появившаяся в 2003 году.

Для начинающих разработчиков немаловажным являлось и то, что для программирования AVR можно было обойтись вовсе без аппаратного программатора. Самым популярным способом программирования этих микроконтроллеров долгое время являлись пять проводков, подсоединенных к параллельному LPT-порту компьютера.

В 2005 году в Италии группа энтузиастов из Института интерактивного дизайна Ивреа (IDII) начала продавать плату Arduino RS232 на основе AVR-микроконтроллера ATmega8-16PC. А в 2010 году появились Arduino UNO, которые обладали USB-интерфейсом, и запрограммировать такую плату стало возможным просто подключив ее к компьютеру обычным USB-кабелем. Для китайских клонов Arduino необходимо было установить драйвер CH340. Платы Arduino стали новым стандартом не только в обучении работе с микроконтроллерами, но и обрели более 30 миллионов пользователей.

Со временем на платах Arduino стали появляться микроконтроллеры Atmel с ядром ARM, а затем и микроконтроллеры STM32 от STMicroelectronics. А в 2023 году Arduino выпустила в продажу плату Arduino Nano ESP32 с микроконтроллером ESP32-S3 и обновление классической Uno – плату UNO R4 на базе микроконтроллера Arm Cortex M4, что позволяет реализовывать более сложные проекты.

Успех Arduino во многом был связан с созданием среды программирования Arduino IDE. Она облегчала процесс создания программируемых устройств и была достаточно простой и понятной начинающим. В качестве языка программирования для Arduino был выбран упрощенный вариант С++, основанный на фреймворке Wiring и названный Arduino C.

С ростом популярности Arduino сторонние разработчики портировали в Arduino IDE поддержку целого ряда популярных платформ, среди которых PIC, STM32, TI MSP430. Кроме того, сегодня Arduino IDE позволяет работать с популярными 32-битными микроконтроллерами ESP от Espressif, поддерживающими Wi-Fi и Bluetooth.

16-битные микроконтроллеры

MSP430 от Texas Instruments

16-битные микроконтроллеры занимают промежуточное место между 8-битными и 32-битными чипами. В этой группе можно выделить широкое семейство MSP430 представленное в 1992 году, которое разрабатывается и производится компанией Texas Instruments. Аббревиатура MSP расшифровывается как Mixed Signal Processor (процессор смешанных сигналов). Инженеры, создавшие эту замечательную архитектуру вдохновились ставшей сегодня уже легендарной системой команд и архитектурой компьютера PDP-11 компании DEC.

Микроконтроллеры MSP430 имеют сверхнизкое энергопотребление, это самые энергоэкономичные в мире микроконтроллеры. С появлением MSP430 возникла даже концепция устройств с одной батареей для всего времени жизни устройства. Чипы MSP430C09x и MSP430L092, способны работать при напряжении 0,9 В.

В 2010 году Texas Instruments выпустила отладочную плату MSP430 LaunchPad для быстрого знакомства со своими микроконтроллерами. Плата поставляется с установленным микроконтроллером MSP430G2553 (16 КБ Flash-памяти для программ, 512 Байт ОЗУ) и дополнительным MSP430G2452. Для составления программ на языке Си можно использовать Code Composer Studio (на базе Eclipse) от производителя платы. Кроме того, существует бесплатная ардуиноподобная среда Energia.

32-битные микроконтроллеры

STM32 от STMicroelectronics

В 2004 году, компания ARM, зародившаяся в недрах Acorn Computers, разработала 32-разрядное процессорное ядро ARM Cortex-M3 и компания STMicroelectronics уже через три года вывела на рынок семейство микроконтроллеров на этом ядре, получивших название STM32. При том, что эти микроконтроллеры имели универсальную и хорошо сбалансированную архитектуру, их распространению первоначально препятствовало отсутствие достаточного количества учебной литературы и бесплатных и удобных средств программирования. Но через некоторое время ситуация стала меняться в лучшую сторону.

С 2016 года стали приобретать популярность платы на STM32 от компании WeAct Studio, получившие название "Синяя таблетка" (Blue Pill). Их появление снизило порог вхождения для новичков в платформу STM32. Еще одним фактором являлась цена на эти платы. А в 2018 году STMicroelectronics купила одну из наиболее удачных коммерческих сред разработки – Atollic TRUEStudio и стала предоставлять ее бесплатно. Вслед за TRUEStudio появилась не менее удачная STM32CubeIDE, являющаяся также бесплатной.

В 2019 году компания WeAct Studio представила платы Black Pill (WeAct Black Pill V2.0) уже с микроконтроллерами STM32 на ядре ARM Cortex-M4. В варианте с микроконтроллером STM32F411CEU6 плата Black Pill располагает 512 КБ флеш-памяти для программ, 128 КБ оперативной памяти (ОЗУ), может работать на частоте до 100 МГц, имеет аппаратную поддержку чисел с плавающей запятой и блок DSP инструкций. Программировать Black Pill можно как с помощью ПО от STMicroelectronics, так и с помощью Arduino IDE. При небольшом старании на Black Pill можно установить даже сборку MicroPython от WeAct Studio или интерпретатор JavaScript от проекта Espruino.

ESP32 от Espressif

Очередным поворотным моментом в мире микроконтроллеров стал выпуск в августе 2014 года чипа ESP8266. Создала новый микроконтроллер китайская компания Espressif Systems, до этого никому особо неизвестная за пределами поднебесной. Модули на базе ESP8266 "наделали много шума, подняв настоящее цунами, которое переросло в IoT революцию в электронике"^(цит.). Этот микроконтроллер стал мегапопулярным еще и благодаря проекту NodeMCU, который представил плату разработки на основе ESP8266 и USB-UART моста на чипе CH340, а также прошивку с открытым исходным кодом, позволяющую программировать этот микроконтроллер с помощью популярного языка Lua. Имея модуль USB-UART плата не требовала подключения программатора и для создания своего первого проекта на микроконтроллере, требовалось только подключить ее с помощью USB-кабеля к компьютеру для загрузки программы.

В 2016 году Espressif закрепила своё лидерство в области разработки и производства высокопроизводительных маломощных Wi-Fi и Bluetooth- решений для интернета вещей выпуском флагманского двухъядерного SoC-чипа ESP32, ставшего самым интегрированным Wi-Fi + Bluetooth + BLE чипом в истории индустрии.

ESP32 имеет очень богатую периферию, соединенную с вычислительной мощью двух 32-битных ядер с архитектурой Xtensa LX6. В это чудо, работающее на частоте в 240 МГц, Espressif интегрировали вообще всё, что только можно: большое ОЗУ (520 КБ!), Wi-Fi, Bluetooth, четыре 64-битных таймера, два многоканальных АЦП, два ЦАПа, модуль RTC, драйвер сенсорных кнопок, интерфейсы SPI, I2C, I2S, UART-ы, контроллеры Enternet, CAN, SD-карт, ИК-датчиков, многоканальные формирователи ШИМ-сигналов для управления двигателями и светодиодами, аппаратные ускорители алгоритмов шифрования AES, SHA, RSA и ECC, и даже датчик Холла. И всё это за цену вдвое, втрое или вчетверо меньшую, чем сравнимые микроконтроллеры конкурентов.

ESP32 стал идеальным решением для управление различными схемами через интернет, а также получения из интернета или локальной сети различных параметров. Он отлично подходит для создания роботов, умного дома, для реализации домашней автоматизации и многого другого. Существует множество рекомендаций к использованию ESP32 в качестве отправной точки для изучения микроконтроллеров.

Для программирования микроконтроллеров от Espressif создано множество средств программирования на различных языках, среди которых C/C++, MicroPython, Lua, JavaScript, Go, Rust, Toit, Basic, Ruby, Lisp, С#, Swift, DeviceScript, Nim, Zig. Кроме того, существуют визуальные средства программирования, которые позволяют создавать программы из широкого набора блоков-кирпичиков, просто перетаскивая и компонуя их в цепочки. Но самое главное, чипы ESP можно программировать "по воздуху" совсем не подключая к компьютеру. Такая возможность особенно удобна при отладке программ для роботов.

В 2019 году Espressif представила микроконтроллер ESP32-S2 – одноядерную версию ESP32, но с большим количеством GPIO, а в 2020 – микроконтроллер ESP32-C3 на новой архитектуре RISC-V и двухъядерный чип ESP32-S3 с дополнительной поддержкой векторных инструкций для ускорения нейронных сетей и обработки сигналов. В 2021 Espressif презентовала чип ESP32-C6 на RISC-V архитектуре с радиомодулями Wi-Fi 6.0, BLE 5.0 и 802.15.4 для обеспечения доступности протоколов Thread и Zigbee. В 2022 году появился ESP32-C2 с улучшенными радиочастотными характеристиками и поддержкой нового протокола Matter.

Raspberry Pi Pico

Интересный микроконтроллер Raspberry Pi Pico выпустила в 2021 году британская компания Raspberry Pi Ltd, известный производитель одноплатных компьютеров. Сердцем Pico является чип RP2040 собственной разработки Raspberry Pi, построенный на двух ядрах ARM Cortex-M0+ с частотой до 133 МГц. Pico имеет 264Кб оперативной памяти, 2 МБ флэш-памяти для программ и богатый набор периферийных устройств. В документации содержатся руководства для начала работы с C/C++ и MicroPython. Разработчики советуют работать с MicroPython, порт которого для Pico включает модули для доступа к аппаратному обеспечению низкого уровня, специфичному для чипа.

Первые платы Pico не имели Wi-Fi модуля и это сильно ограничивало их возможности, но в 2022 году была представлена Raspberry Pi Pico W, снабженная чипом Infineon CYW43439, который работает на протоколе 802.11n с тактовой частотой 2,4 ГГц и обеспечивает связь по Wi-Fi. Сегодня выпускаются четыре различных модели: Pico, Pico H (c отладочным коннектором), Pico W (с модулем Wi-Fi), Pico WH (с модулем Wi-Fi и отладочным коннектором).

В заключение

В рамках небольшого материала даже кратко рассказать о всех популярных семействах микроконтроллеров просто невозможно. В результате не были упомянуты микроконтроллеры от NXP Semiconductors, Silicon Labs, Cypress Semiconductor.

Кроме того, с исторической точки зрения, конечно же, следовало бы упомянуть о широко развитой линии микроконтроллеров H8 фирмы Hitachi. Основа архитектуры H8 базируется, почти как и в случае с MSP430, на решениях фирмы DEC и их компьютере PDP-11. Hitachi H8/3297 с 32Kb оперативной памяти трудился в самом первом микроконтроллерном блоке конструктора роботов Lego MindStorms.

Стоило также упомянуть о семействе Mitsubishi 740, которое имеет усовершенствованное ядро на основе WDC 65C02, совместимое с набором команд MOS Technology 6502 (считается, что архитектура ARM также находилась под сильным влиянием 6502).

В 2002 году Mitsubishi Electric и Hitachi договорились объединить свои операции по производству чипов в новую компанию Renesas Technology. А в 2010 году Renesas Technology и NEC Electronics объединились в Renesas Electronics. В результате набор инструкций 740 все еще используется в новых сериях микроконтроллеров Renesas.

Сегодня особое место занимают также микроконтроллеры от Nordic Semiconductor. Их чип Nordic nRF52840 используется в популярных, но довольно дорогих платах Arduino Nano 33 BLE Sense. Он базируется на архитектуре ARM Cortex-M4 и имеет тактовую частоту 64 МГц.

Микроконтроллеры от Nordic Semiconductor используются и в проекте BBC micro:bit. Об этом проекте очень популярном за рубежом, но не получившем большого распространения в России, также стоит сказать отдельно. Проект BBC включал бесплатную раздачу плат micro:bit всем британским школьникам 11-12 лет (в 2015 году был передан 1 миллион плат).

BBC micro:bit имеет довольно интересный форм-фактор, на борту присутствует микроконтроллер Nordic nRF51822 с 32-х разрядным ARM Cortex-M0, работающим на частоте 16 МГц, Bluetooth 4.1 с поддержкой BLE, 256 КБ Flash-памяти и 16 КБ оперативки. Имеется дисплей — светодиодная матрица 5х5, акселерометр, компас и большие контакты под зажим типа «крокодил».

02.07.2024

См. также:

Первый проект на микроконтроллере ESP32

ESP32: Подключаем светодиод

Программируем микроконтроллер ESP32 по Wi-Fi