Eine Vielzahl von Entwicklungsboards, die wir häufig verwenden, vom Arduino selbst bis hin zu vielen anderen, kommen zum Einsatz MCU-Einheiten oder Mikrocontroller. Einige wichtige Chips, um in der Lage zu sein Programmieren Sie diese Geräte und dass die vom Programmierer erstellten Anweisungen verarbeitet werden können, um die erwarteten Ergebnisse zu erzielen.
Jedoch Der Mikrocontroller-Bereich ist recht breit gefächert., wie es auch bei CPUs oder Mikroprozessoren der Fall ist, da es nicht nur viele Designer bzw. Hersteller sowie Modelle gibt, sondern auch viele verschiedene Familien, die man kennen sollte. Deshalb widmen wir diesen Artikel genau dieser Sache, damit Sie wissen, welche davon Sie für Ihre Projekte am meisten interessieren könnte …
Was ist ein Mikrocontroller oder eine MCU?
Un Mikrocontroller oder MCU (MicroController Unit) Es handelt sich um ein kompaktes Gerät, das die Funktionen eines Zentralprozessors (CPU), eines Speichers und von Peripheriegeräten auf einem einzigen Chip vereint. Dieses Gerät ist das Herzstück vieler elektronischer Systeme und von grundlegender Bedeutung im Bereich der eingebetteten Elektronik. Kurz gesagt, eine großartige Alternative zur kabelgebundenen Elektronik, die es einem einzelnen Chip ermöglicht, eine Vielzahl von Funktionen flexibel auszuführen, da er programmierbar ist.
Mikrocontroller werden in a verwendet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten aufgrund seiner Vielseitigkeit und Effizienz. Einige Anwendungsbeispiele für Mikrocontroller sind Steuerungssysteme in Automobilen, Haushaltsgeräten, industriellen Automatisierungssystemen, Prozesssteuerungssystemen, Spielzeug, Sicherheitssystemen, Entwicklungsplatinen und vielen anderen elektronischen Geräten.
Teile von Mikrocontrollern
Mikrocontroller sind integrierte Geräte und alle ihre Komponenten sind auf einem Chip oder einer integrierten Schaltung implementiert. Zwischen den grundlegendsten Teile Zu diesen Chips gehören:
- CPU (Central Processing Unit): Die Zentraleinheit ist das Gehirn des Mikrocontrollers und sein wichtigster Teil. Diese Einheit ist dafür verantwortlich, die Daten und Anweisungen des Programms zu nutzen, um sie in den Ausführungseinheiten entsprechend zu interpretieren und zu verarbeiten, um die erwarteten Ergebnisse zu erzielen. Das heißt, die CPU führt alle Rechenoperationen aus und trifft Entscheidungen auf Basis der Programmlogik. Die Geschwindigkeit und Effizienz der CPU bestimmt maßgeblich die Leistung des Mikrocontrollers. Darüber hinaus verfügen sie meist auch über elementare Teile wie Interrupt-Systeme, die es dem Mikrocontroller ermöglichen, rechtzeitig auf bestimmte Ereignisse zu reagieren. Wenn ein bestimmtes Ereignis eintritt, beispielsweise wenn ein Signaleingang oder ein Timer einen bestimmten Wert erreicht, kann der Mikrocontroller seine aktuelle Aufgabe unterbrechen, um auf dieses Ereignis zu reagieren.
- Speicher: Sie verfügen normalerweise über zwei Arten von Speicher, z. B. RAM und Flash. RAM wird zum Speichern temporärer Daten verwendet, z. B. der Anweisungen, aus denen die Programme bestehen, und der Daten (Variablen, Konstanten usw.) während der Ausführung des Programms. Während der Flash-Speicher zum Speichern des auszuführenden Programms verwendet wird und wie der RAM nichtflüchtig ist, bleibt das Programm erhalten, wenn die Stromversorgung unterbrochen oder das Gerät ausgeschaltet wird.
- Eingabe-/Ausgabe-Peripheriegeräte (I/O): Erlauben Sie dem Mikrocontroller, mit der Außenwelt zu interagieren. Dazu können digitale I/O-Ports, Analog-Digital-Wandler (ADC), Digital-Analog-Wandler (DAC), Kommunikationsschnittstellen wie UART, SPI und I2C, verschiedene Controller, Timer, Zähler, GPIO usw. gehören Andere.
Wie unterscheidet es sich von einem Mikroprozessor oder einer CPU?
Ein Mikroprozessor und ein Mikrocontroller sind zwei grundlegende Komponenten auf dem Gebiet der Elektronik, aber sie haben es signifikante Unterschiede in Bezug auf Struktur und Verwendung, auch wenn viele Menschen die beiden verwechseln oder glauben, dass sie gleich sind.
Während die CPU nur integriert Funktionseinheiten B. für die Steuerung und Interpretation von Anweisungen, Registern sowie Ausführungsanweisungen wie ALU, FPU usw. und können flexibler mit anderen Hilfselementen kombiniert werden, Mikrocontroller sind im Sinne dieser Integration etwas geschlossener viele der Teile, die die CPU weglässt. Während die CPU das Gehirn eines Computers ist, kann die MCU als vollständiger Computer betrachtet werden, da sie alle grundlegenden Teile auf einem einzigen Chip vereint.
Verwechseln Sie eine stärkere Integration jedoch nicht mit den Begriffen von Komplexität und Leistung. Während aktuelle Mikroprozessoren äußerst komplex und sehr leistungsstark sind, verfügen aktuelle Mikrocontroller meist über eine integrierte CPU mit deutlich geringerer und einfacherer Leistung. Tatsächlich können viele der heutigen Mikrocontroller eine ähnliche Leistung wie Mikroprozessoren von vor Jahrzehnten aufweisen. Darüber hinaus gibt es, wie wir später sehen werden, sogar 8-Bit- oder 16-Bit-Mikrocontroller wie die CPUs der 70er Jahre.
Unterschiede zu einem SoC?
Da der Mikrocontroller mehrere Elemente auf demselben Chip integriert, Es wird auch oft mit dem SoC (System on a Chip) verwechselt.Allerdings ist es auch nicht dasselbe. Wie bei der CPU vs. MCU integrieren auch SoCs eine CPU mit viel höherer Leistung als die meisten aktuellen Mikrocontroller. Darüber hinaus ist der SoC ein unendlich komplexeres und fortschrittlicheres System. Andererseits integriert der SoC in der Regel nicht einige der Teile, die in einen Mikrocontroller integriert sind, da die Anwendungen, für die er gedacht ist, sie nicht erfordern, wie etwa RAM und Flash-Speicher, ADC-Wandler usw.
Ein wenig Geschichte
Frühe Mikroprozessoren mit mehreren Schaltkreisen, wie der AL1 von Four-Phase Systems im Jahr 1969 und der MP944 von Garrett AiResearch im Jahr 1970, wurden mit mehreren MOS-LSI-Chips entwickelt. Der erste Einzelchip-Mikroprozessor war der Intel 4004, der 1971 auf den Markt kam. Diese Prozessoren erforderten mehrere externe Chips, um ein funktionsfähiges System zu implementieren, was teuer war. Fast parallel dazu wurde jedoch das entwickelt, was wir heute als Mikrocontroller kennen. ER wird den IT-Ingenieuren Gary Boone und Michael Cochran zugeschrieben, die erfolgreiche Entwicklung des ersten Mikrocontrollers im Jahr 1971, des TMS 1000, der Nur-Lese-Speicher, Lese-/Schreibspeicher, Prozessor und Uhr auf einem einzigen Chip vereinte. Obwohl dies eine andere Geschichte ist, löste sie tatsächlich einen Patentkrieg und Rechtsstreitigkeiten über die Urheberschaft des Mikroprozessors aus ...
In den 1970er Jahren wurde die Japanische Elektronikhersteller begannen mit der Produktion von Mikrocontrollern für Automobile. Sie wurden nach und nach populär, und als Reaktion auf die Existenz des Single-Chip-TMS 1000 entwickelte Intel ein für Steuerungsanwendungen optimiertes Computersystem auf einem Chip, den Intel 8048, der RAM und ROM zusammen mit einer CPU auf demselben Chip kombinierte. Im Laufe der Zeit wurden nichtflüchtige Speicher verbessert und reichten von der werkseitig mit einem permanenten Programm beschrifteten Speicherkapazität wie die ersten ROMs bis zur Einführung des PROM bzw. EEPROM von 1993, das es ermöglichte, sie zu löschen und neu zu programmieren mit einem anderen Programm auf einfache Weise und so oft Sie möchten.
Nach und nach entstanden Unternehmen rund um diese Art von Chips, wie z Atmel, Microchip Technology und viele andere. Auch andere Unternehmen der Branche begannen mit dem Vertrieb eigener MCUs, wie Intel, Analog Devices, Cypress, AMD, ARM, Hitachi, EPSON, Motorola, Zilog, Infineon, Lattice, National Semiconductor, NEC, Panasonic, Renesas, Rockell, Sony , STMicroelectronics , Synopsis, Toshiba usw.
Heutzutage sind Mikrocontroller günstig und für Bastler und eine Vielzahl unterschiedlicher Industriezweige leicht zugänglich. Darüber hinaus wird geschätzt, dass sie verkauft werden fast 5 Milliarden 8-Bit-Einheiten weltweit, wird derzeit am häufigsten verwendet. Man findet sie in Haushaltsgeräten, Fahrzeugen, Computern, Telefonen, Industriemaschinen und vielem mehr. Darüber hinaus ist es ihnen gelungen, das Maximum zu miniaturisieren und einige der kleinsten Computer der Welt zu schaffen, sogar viel kleiner als ein Salzkorn ...
ISA- und Mikrocontroller-Familien
Nachdem Sie nun etwas mehr darüber wissen, was eine MCU oder ein Mikrocontroller ist, sehen wir uns einige davon an wichtigsten Familien dieser Mikrocontroller. Und wie CPUs können sie nach ISA unterteilt werden, d zwischen Familien. Und diese Familien sind völlig unabhängig vom Modell, der Marke oder den im Chip enthaltenen Einheiten.
Zwischen den beliebtesten Familien wir haben folgendes:
- Kinder: ist eine Generation von Softcores für FPGAs von Altera, die jetzt von Intel übernommen wurde.
- Schwarzflosse: ist eine Familie von 16/32-Bit-Mikroprozessoren, die von Analog Devices entwickelt, hergestellt und vermarktet werden. Die Prozessoren verfügen außerdem über eine integrierte DSP-Funktion (Digital Signal Processor), die durch 16-Bit-Multiplikations-Akkumulation (MAC) ausgeführt wird.
- TigerSHARC: steht für Super Harvard Architecture Single-Chip Computer, ebenfalls von Analog Devices. In diesem Fall eignen sie sich ideal für Anwendungen, die eine hohe Rechenleistung bei geringem Stromverbrauch erfordern. Diese Prozessoren bieten eine einzigartige Speicherarchitektur, die einen effizienten Zugriff auf Daten und Anweisungen ohne die mit Von-Neumann-Busarchitekturen verbundenen Leistungseinbußen ermöglicht.
- Kortex-M- Die Cortex-M-Mikrocontroller von ARM sind eine beliebte Familie von 32-Bit-Mikrocontrollern, die sehr energieeffizient sind und eine gute Leistung bieten. Sie erfreuen sich besonders großer Beliebtheit in Industrie- und Verbraucheranwendungen und stellen derzeit den Großteil der von vielen Unternehmen verkauften modernen Chips dar.
- AVR32: Es handelt sich um eine 32-Bit-RISC-Mikrocontroller-Architektur von Atmel, die auf vielen Entwicklungsboards wie Arduino und Klonen davon zu finden ist.
- RISC-V: Diese offene ISA zielt darauf ab, ARM zu übertreffen, und nach und nach gewinnt sie in der Welt der Mikrocontroller an Bedeutung, da sie sehr flexibel ist und ihre Verwendung ohne Zahlung von Lizenzgebühren ermöglicht.
- PIC- sind eine Familie von 8-Bit-Mikrocontrollern, die von Microchip Technology entwickelt wurden, für ihre fortschrittliche RISC-Architektur bekannt sind und sich in der Branche großer Beliebtheit erfreuen.
- PowerQUICC: basieren auf der Power Architecture-Technologie von IBM und wurden von Motorola (jetzt Freescale) verwendet. Sie unterstützen das gesamte Spektrum eingebetteter Netzwerkgeräte sowie industrieller und allgemeiner eingebetteter Anwendungen.
- Spansion: Dies sind Fujitsus MCUs, die sich auf analoge und digitale Produkte konzentrieren und auf Effizienz und ausgewogene Leistung ausgelegt sind.
- 8051: Es handelt sich um einen von Intel entwickelten 8-Bit-Mikrocontroller, der mittlerweile aber auch von anderen Unternehmen hergestellt wird. Er ist einer der beliebtesten Mikrocontroller und wird in den unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt. Der 8051 ist ein CISC-Mikrocontroller, der auf der Harvard-Architektur basiert.
- Dreikern: ist ein von Infineon Technologies entwickelter Mikrocontroller. TriCore vereint die Elemente eines RISC-Prozessorkerns, eines Mikrocontrollers und eines DSP auf einem einzigen Chip. Damals war es eine Revolution.
- MC-48 oder 8048: Es handelt sich um einen Mikrocontroller aus der Intel-Reihe mit 64 Byte RAM und Zugriff auf 4096 Byte externen Programmspeicher.
- mico8– ist eine 8-Bit-Mikrocontroller-Familie, die vollständig in Allzweckspeicher und Logik für Lattice-FPGAs implementiert ist.
- Propeller: 32-Bit-Multicore-Architektur, entwickelt von Parallax Inc. Jeder Propeller verfügt über 8 identische 32-Bit-Prozessoren, die an einen gemeinsamen Hub angeschlossen sind.
- Grundlegender Stempel- ist ein Mikrocontroller mit einem kleinen spezialisierten BASIC-Interpreter (PBASIC), der im ROM integriert ist. Es wird von Parallax, Inc. hergestellt und war ein recht beliebtes Produkt für Hersteller, die vor der Veröffentlichung von Arduino eine Vielzahl von Projekten zu Hause durchführen wollten.
- SuperH: ist eine 32-Bit-RISC-Rechenbefehlssatzarchitektur, die von Hitachi entwickelt und derzeit von Renesas produziert wird und sich auf Mikrocontroller für eingebettete Systeme konzentriert.
- tiva: ist ein Serien-Mikrocontroller, der von Texas Instruments entwickelt wurde. Er verfügt über eine integrierte Prozessortaktfrequenz von bis zu 80 MHz mit einer Gleitkommaeinheit (FPU) und bietet eine hervorragende Leistung.
- Mikrobrand: ist ein hochintegriertes Prozessorsystem für Controller-Anwendungen. MicroBlaze ist vollständig im Speicher und in der Allzwecklogik von Xilinx (jetzt AMD) FPGAs implementiert, also ein Softcore.
- Picoblaze: ähnlich dem vorherigen, aber in diesem Fall 8-Bit und einfacher, für stärker integrierte Anwendungen.
- XCore: Es handelt sich um XMOS-Multicore-MCUs, 32 Bit, die in einer C-Sprachumgebung programmiert sind und deterministisch und mit geringer Latenz arbeiten. Sie sind sehr vollständig und können in Form von Kacheln umgesetzt werden.
- Z8: stammt von Zilog und es handelt sich um 8-Bit-Geräte, die eine breite Palette an Leistungs- und Ressourcenoptionen bieten. Diese Mikrocontroller sind ideal für hochvolumige, kostensensible Anwendungen, einschließlich Verbraucher-, Automobil-, Sicherheits- und HVAC-Produkte.
- Z180: Es ist ein weiteres beliebtes Produkt von Zilog vor der Veröffentlichung des neuen eZ, das die vorherigen Sortimente aktualisiert hat. Es enthält einen 8-Bit-Prozessor, der mit der umfangreichen Softwarebasis kompatibel ist, die für das Z80 geschrieben wurde. Die Z180-Familie bietet höhere Leistung und integrierte Peripheriefunktionen wie Taktgenerator, 16-Bit-Zähler/Timer, Interrupt-Controller, Wartezustandsgeneratoren, serielle Anschlüsse und einen DMA-Controller.
- STM: Diese STMicroelectronics-Familie verfügt über einige MCU-Einheiten, die auf der unternehmenseigenen Architektur basieren, obwohl in den neuesten Modellen wie in vielen anderen Fällen die Integration der 32-Bit-ARM-Cortex-M-Serie gewählt wurde. Das Unternehmen bietet Produkte an, die sehr hohe Leistung, Echtzeitfähigkeiten, digitale Signalverarbeitung, Betrieb mit geringem Stromverbrauch/Niederspannung und Konnektivität vereinen und gleichzeitig vollständige Integration und einfache Entwicklung gewährleisten.
Es gibt noch mehr, aber das sind die wichtigsten…