Принцип работы микроконтроллера для чайника

Сегодня наибольшей популярностью пользуются микроконтроллеры семейства AVR, ARM, PIC. Каждая из фирм, что производит МК,изготавливает десятки, сотни и даже иногда тысячи разновидностей микроконтроллеров, используемые под все мыслимые и немыслимые цели.

Как работает микроконтроллер глазами чайника

Несмотря на сложность конструкции современного микроконтроллера, рассказать, как он работает можно всего одним предложением: "В память микроконтроллера просто пишется код программы, МК считывает команды из этой программы, а затем просто выполняет их", - вот и весь принцип работы.

Конечно, микроконтроллер не способен выполнять какие угодно команды, а только те на которые он расчитан (базовый набор команд), их он понимает и знает как их переварить. Комбинируя команды, можно написать практически любую программу, с помощью которой электронное устройство будет работать ровно так, как от него хотят.

Некоторые МК могут иметь огромное число базовых команд, другие куда меньшее. Это условное разделение, для которых думатели используют два термина: CISC и RISC. CISC - это много разных видов команд, RISC - это только самые нужные.

Большинство МК предпачитают молиться богу RISC. Объясняется это тем, что при применении сокращенного набора команд МК изготовить гораздо проще и наного дешевле, кроме того их легче переваривают разработчики аппаратуры, особенно чайники. Между CISC и RISC имеется множество отличий, но принципиально важно понять чайнику только то, что CISC - много команд, RISC -мало. Глубже разберемся, чуть позже, когды вы не будете такими зелеными.

Что происходит, когда микроконтроллер начинает работать?

Давайте представим идеальный случай, У нас есть МК и в его память уже записан программный код. Или, как обычно говорят "ушастые перцы", Микроконтроллер "прошит" (при этом программный код кличат "прошивкой").

Что случится, если подать питание на схему с этим МК? Оказывается, ничего особо и не произойдет, МК лишь вежливо поинтересуется тем, что находится у него в памяти. При этом он легко отыщит первую команду своей программы, т.к местоположение начала программного кода зашивается при изготовлении МК на заводе и никогда не меняется. Микросхема считает первую команду, затем выполнит её, затем считает вторую команду, и снова выполнит её, затем третью и т.д. Когда же МК считает последнюю команду, то всё начнётся опять, при условии если его не остановили. Так вот он и работает.

Ты тоже можешь можешь попытаться научиться создавать устройства с управлением от микроконтроллера. Но это потребует немного твоего личсного времени, желания и даже лаве. Но зато потом ты сможешь его обязательно вернуть.

Устройство типичного МК

Любой МК, как и любая микропроцессорная система базируется на трёх китах:

Процессор с помощью портов ввода-вывода получает или отправляет различные данные в виде чисел, осуществляет над ними арифметические операции и затем сохраняет их в память. Обмен данными между процессором, памятью и портами происходит по проводам, которые в цифровой электронике принято называть шиной (шины делятся на несколько видов по назначению). Это общая идея работы микропроцессорной системы.

Физическая структура микроконтроллеров разных серий может достаточно сильно отличаться, но общая база у них будет похожа и она будет состоять из следующих блоков: ОЗУ, ПЗУ, АЛУ, таймеры, порты ввода/вывода, регистры, счетчики.

Шины и разряды микроконтроллера

Как ты уже знаешь из курса основы цифровой электроники, вся информация в цифровом мире представляется в виде двоичных чисел, которые записываются с помощью всего двух цифр: "нуля" и "единицы" в двоичной системе счисления. Число три в привычной для нас десятичной системе в двоичной будет "11", т.е. 3¹⁰ = 11². Нижние индексы подсказывают о системе счисления. Одна цифра в двоичном числе называется разрядом. У разрядов имеется старшинство. Самый правый разряд называют младшим, а самый левый соответственно старшим. Старшинство разряда увеличивается справа налево:

При работе микроконтроллера в нем "бегают такие же двоичные числа". Они перемещаются от процессора к памяти и обратно, а также к устройствам ввода-вывода (УВВ). Бегают циферки по проводам (в МК они спрятаны внутри микросхемы). Каждый такой проводник в какой-то заданный программой момент времени может передавать только один разряд со значением "0" или "1". Поэтому, для передачи 8-ми разрядного числа от процессора к памяти и обратно понадобится минимум 8 таких проводников.

Несколько таких объединенных проводов, называют шиной. Шины бывают нескольких видов:

По адресной бегают числа, которые задают адрес ячейки памяти или УВВ, откуда необходимо получить или записать данные. А сами данные уже будут идти по шине данных.

Разрядность шины адреса влияет на количество адресов, которые можно по ней пропустить. Допустим, в 4-разрядной системе это 2₄ = 16 адресов, в 64-разрядной, числов адресов будет уже 2₆₄=18446744073709551616, т.е чем выше разрядность адресной шины тем к больше объем памяти и больше УВВ можно использовать, с которыми может работать МК. Это очень важный момент.

Разрядность шины данных влияет на то, сколько данных процессор способен считать за один раз. Чем больше разрядность, тем больше данных можно считать за один раз. Разрядность шины данных целиком задается конструкцией конкретного МК. Но при этом она всегда будет кратна восьми. Объясняется это тем, что практически во всех устройствах памяти минимальной единицей информации является байт, т.е. обычное двоичное число из восьми разрядов.

Байт необходим для обозначения количества информации. Если количество разрядов говорит только о длине двоичного числа, то битность подскажет о количестве информации, которую это число передает. Считается, что один разряд двоичного числа способен передать один бит информации. При этом биты группируются в байты, килобайты, мегабайты и т.д.

Кстати в отличии от привычной системы счисления, 1 байт = 8 бит, 1 килобайт = 1024 байтам, 1 мегабайт = 1024 килобайтам и т.д. Почему именно 1024? Спросите вы. Да потому, что размер памяти кратен степени двойки: т.е 2₃ = 8, 2₁₀=1024.

Алгоритм работы микроконтроллера

Давайте взглянем поподробней на момент взаимодействия памяти с МК и попытаемся понять зачем нужна управляющая шина. Любой микроконтроллер помимо выполнения арифметических и логических операций способен выполнять еще парочку важных команд, таких как: чтение или запись из ячейки памяти, чтение или запись в порт ввода-вывода:

Для того, чтобы подсказать МК какую из этих команд требуется выполнить и нужна шина управления. По ней к памяти или портам ввода-вывода следуют сигналы:

Если МК необходимо обратиться к памяти он задает на управляющей шине сигнал MREQ, при этом одновременно с ним задается сигнал RD/WR. Если МК будет писать в память, то задается сигнал WR, если чтение, соответственно RD. Тоже случится, когда МК обращается к УВВ.

А вот сигнал READY необходим для того, чтобы подсказать микроконтроллеру, что чтение или запись закончены.

Таким образом, если подать питающее напряжение на МК, то он выставляет сигнал на управляющей шине MREQ, RD, а на адресной шине - адрес, по которому в ячейке памяти должна быть первая команда его алгоритма (программного кода, обычно это нулевой адрес памяти). Затем МК её выполняет и в зависимости от управляющих команд на шинах управления, адреса и данных будут появляться соответствующие программе данные и сигналы.

Микроконтроллеры AVR устройство и работа

МК AVR приобрели огромную популярность в радиолюбительской среде, привлекая электронщиков такими показателями, как цена, энергоэффективность и быстродействие. Кроме того огромным плюсом являются удобные режимы программирования, свободная доступностью программных средств поддержки и широкий выбор МК. Эта серия компании Atmel применяется в автомобильной и бытовой электронике, сетевых картах и материнских платах компьютеров и ноутбуков, в смартфонах и планшетах.

Микроконтроллеры STM32

Одной из первых фирм выпустившей в большой мир микроконтроллеры на ядре ARM Cortex-M3 является компания «STMicroelectronics». Начиналось всё не так и давно в 2007 году с появления двух семейств – «Performance Line» (STM32F103) и «Access Line» (STM32F101). На текущий момент МК STM32 представлены десятью основными линейками для различных задач. Основные их достоинства это «pin-to-pin» и полная программная совместимость по всем возможным линейкам. И это всё уместилось на ядре ARM Cortex-M3. Рассмотрим основные инструменты, для того что бы можно было начать работу с МК STM32.