Giới thiệu MCU
MCU là gì ? nó viết tắt của microcontroller unit – Bộ vi điều khiển MCU là một máy tính nhỏ trên một chip bán dẫn tích hợp. Trong thuật ngữ hiện đại, nó tương tự nhưng kém tinh vi hơn các hệ thống ở trên chip SoC. Một vi điều khiển chứa một hoặc nhiều CPU (lõi bộ xử lý) cùng với bộ nhớ , và các thiết bị ngoại vi đầu vào/ đầu ra được lập trình.
Bộ nhớ chương trình lưu trữ như RAM, flash NOR hoặc ROM OTP cũng thường đã được bao gồm trên chip. Bộ vi điều khiển MCU được thiết kế cho các ứng dụng nhúng, trái ngược với bộ vi xử lý đã được sử dụng trong máy tính cá nhân hoặc các ứng dụng mục đích khác.
Bạn đang đọc: MCU là gì ? Vi điều khiển tích hợp trên các hệ thống nhúng
Vi điều khiển đã được sử dụng trong các sản phẩm , thiết bị điều khiển tự động, như hệ thống điều khiển động cơ ô tô, thiết bị y tế cấy ghép, điều khiển đến từ xa, máy văn phòng, dụng cụ điện, đồ chơi và các hệ thống nhúng khác.
Bằng cách giảm kích thước , và chi phí so với thiết kế sử dụng bộ vi xử lý, bộ nhớ , và thiết bị đầu vào/đầu ra riêng biệt, bộ vi điều khiển giúp tiết kiệm cho nhiều thiết bị. Trong bối cảnh internet vạn vật (IoT), vi điều khiển MCU chính là một biện pháp kinh tế , phổ biến, tiếp nhận dữ liệu cảm biến , và kích hoạt các thiết bị theo lập trình.
MCU là gì ? Vi điều khiển tích hợp ở trên các hệ thống nhúng
Một số vi điều khiển và tinh chỉnh hoàn toàn có thể sử dụng 4 bit , và hoạt động giải trí ở tần số thấp như 4 kHz, cho mức tiêu thụ điện năng thấp ( một số lượng milliwatt hoặc microwatt ). Chúng thường có công dụng chờ đón một sự kiện như nhấn nút hoặc ngắt. Nhờ tiêu thụ nguồn năng lượng trong chính sách chờ thấp ( đồng hồ đeo tay CPU và hầu hết những thiết bị ngoại vi tắt ) khiến chúng rất nhiều tương thích cho những ứng dụng sử dụng pin cần thời hạn hoạt động giải trí dài .Các bộ vi điều khiển , tinh chỉnh khác cũng hoàn toàn có thể ship hàng những vai trò quan trọng về hiệu năng, trong đó chúng hoàn toàn có thể cần hoạt động giải trí giống như bộ giải quyết và xử lý tín hiệu số ( DSP ), với vận tốc xung nhịp cao hơn và tiêu thụ điện năng nhiều hơn .
Lịch sử tăng trưởng MCU
Một cuốn sách ghi nhận những kỹ sư TI Gary Boone và Michael Cochran với việc tạo thành công xuất sắc bộ vi tinh chỉnh , điều khiển tiên phong vào năm 1971. Kết quả việc làm của họ là TMS 1000, đã được bán ở trên thị trường vào năm 1974. Nó tích hợp bộ nhớ chỉ đọc, bộ nhớ đọc / ghi, bộ giải quyết , xử lý , và đồng hồ đeo tay ở trên một chip , đã được nhắm tiềm năng vào những mạng lưới hệ thống nhúng .Trong những năm đầu đến giữa thập niên 1970, những nhà phân phối thiết bị điện tử Nhật Bản đã mở màn sản xuất bộ vi tinh chỉnh , điều khiển cho xe hơi, gồm có MCU 4 bit trong xe hơi, cần gạt nước tự động hóa, khóa điện tử, bảng tinh chỉnh , điều khiển và MCU 8 bit để điều khiển và tinh chỉnh động cơ .Một phần để cung ứng với sự sống sót của MCU TMS 1000, Intel đã tăng trưởng một mạng lưới hệ thống máy tính trên chip được tối ưu hóa cho những ứng dụng điều khiển và tinh chỉnh, Intel 8048, đã được thương mại lần tiên phong vào năm 1977. Nó phối hợp RAM và ROM ở trên cùng một con chip với bộ vi giải quyết , xử lý. Nó đã được ứng dụng thoáng rộng với hơn một tỷ bàn phím PC. Vào thời gian đó, quản trị của Intel, Luke J. Valenter, đã công bố rằng vi điều khiển , tinh chỉnh ( MCU ) là một trong những loại sản phẩm thành công xuất sắc số 1 trong lịch sử vẻ vang của công ty , và ông đã lan rộng ra ngân sách tăng trưởng dành cho bộ vi tinh chỉnh , và điều khiển thêm 25 % .
Hầu hết những vi tinh chỉnh , và điều khiển tại thời gian này có những biến thể. Một vài các loại có bộ nhớ chương trình EPROM, với một hành lang cửa số thạch anh trong suốt đã được cho phép nó hoàn toàn có thể xóa khi tiếp xúc với tia cực tím Những con chip hoàn toàn có thể xóa được thường đã được sử dụng trong nguyên mẫu .Biến thể khác là ROM hoặc PROM biến thể chỉ đã được lập trình một lần. Về sau, đôi lúc thuật ngữ OTP đã được sử dụng, viết tắt của “ lập trình một lần ”. Trong một vi điều khiển , và tinh chỉnh OTP, PROM thường có cùng loại với EPROM, nhưng chip không có hành lang cửa số thạch anh ; nên nó không hề bị xóa. Những phiên bản hoàn toàn có thể xóa được nhu yếu những có hành lang cửa số thạch anh, chúng đắt hơn đáng kể so với những phiên bản OTP .Vào năm 1993, việc trình làng bộ nhớ EEPROM được cho phép những bộ vi điều khiển và tinh chỉnh ( khởi đầu với Microchip PIC16C84 ) được xóa nhanh gọn mà chưa cần hành lang cửa số ( bài viết về ROM chính là gì ), đã được cho phép tạo mẫu nhanh và lập trình trong mạng lưới hệ thống .Công nghệ EEPROM đã có sẵn trước thời gian này, nhưng EEPROM đắt hơn và kém bền hơn, khiến nó chưa tương thích với những bộ vi điều khiển , và tinh chỉnh sản xuất hàng loạt ngân sách thấp. Cùng năm đó, Atmel đã trình làng bộ vi tinh chỉnh , và điều khiển tiên phong sử dụng bộ nhớ Flash, một các loại EEPROM đặc biệt quan trọng. Các công ty khác nhanh gọn thực hiện theo với cả hai các loại bộ nhớ .Ngày nay, vi điều khiển và tinh chỉnh có giá rẻ , sẵn có cho những người có sở trường thích nghi, với những hội đồng trực tuyến lớn xung quanh những bộ giải quyết , và xử lý nhất định .
Số lượng và chi phí sản xuất MCU
Năm 2002, khoảng chừng 55 % tổng số CPU đã được bán trên quốc tế chính là bộ vi điều khiển và tinh chỉnh và bộ vi giải quyết và xử lý 8 bit .
Hơn hai tỷ bộ vi tinh chỉnh và điều khiển 8 bit đã được bán vào năm 1997, , và theo Semico, hơn bốn tỷ bộ vi điều khiển và tinh chỉnh 8 bit đã được bán trong năm 2006. Gần đây, Semico đã công bố thị trường MCU tăng 36,5 % trong năm 2010 , 12 % trong năm 2011 .Một ngôi nhà nổi bật ở một vương quốc tăng trưởng hoàn toàn có thể chỉ có bốn bộ vi giải quyết , xử lý đa năng nhưng có khoảng chừng ba chục bộ vi tinh chỉnh và điều khiển. Một chiếc ôtô tầm trung thường thì có khoảng chừng 30 bộ vi tinh chỉnh , điều khiển. Chúng cũng hoàn toàn có thể đã được tìm thấy trong nhiều thiết bị điện như máy giặt, lò vi sóng , điện thoại cảm ứng .Trong lịch sử vẻ vang, phân khúc 8 bit đã thống trị thị trường MCU. Năm 2011 vi tinh chỉnh , điều khiển 16 bit trở thành các loại MCU có khối lượng lớn nhất, lần tiên phong vượt qua những thiết bị 8 bit IC Insights tin rằng thị trường MCU sẽ trải qua những đổi khác đáng kể trong năm năm tới với những thiết bị 32 bit liên tục chiếm thị phần lớn hơn về doanh thu , và khối lượng đơn vị chức năng .Vào năm 2017, MCU 32 bit chiếm 55 % doanh thu của vi tinh chỉnh và điều khiển Và chiếm 38 % trong tống số lô hàng vi điều khiển , tinh chỉnh trong năm 2017, trong khi những thiết bị 16 bit sẽ đại diện thay mặt 34 % tổng số phong cách thiết kế , 4/8 bit được Dự kiến chính là 28 % số đơn vị chức năng được bán trong năm đó .Thị phần MCU 32 bit dự kiến sẽ tăng nhanh do nhu yếu về độ đúng mực cao hơn trong những mạng lưới hệ thống giải quyết , và xử lý nhúng , sự tăng trưởng trong liên kết sử dụng Internet IoT. Trong vài năm tới, MCU 32 bit phức tạp dự kiến cũng sẽ chiếm hơn 25 % hiệu suất giải quyết và xử lý trong xe hơi .
giá thành sản xuất MCU
Có thể dưới 0,1 đô la mỗi đơn vị chức năng. Chi tiêu đã giảm mạnh theo thời hạn, với giá rẻ số 1 8 – bit vi điều khiển , tinh chỉnh chính là có sẵn với giá dưới 0,03 USD vào năm 2018, , 1 số ít 32 – bit vi tinh chỉnh và điều khiển khoảng chừng USD 1 cho số lượng tựa như .Vào năm 2012, sau một cuộc khủng hoảng cục bộ toàn thế giới, một sự sụt giảm doanh thu hàng năm tồi tệ nhất , và giá cả trung bình giảm 17 %, giảm mạnh nhất kể từ những năm 1980, giá trung bình cho một vi tinh chỉnh và điều khiển chính là 0,88 đô la Mỹ ( 0,69 đô la cho 4 – 8 bit, 0,59 đô la cho 16 bit, 1,76 đô la cho 32 bit ). Năm 2012, doanh thu bán vi điều khiển , và tinh chỉnh 8 bit trên toàn quốc tế là khoảng chừng 4 tỷ USD, trong khi đó, vi tinh chỉnh và điều khiển 4 bit cũng có doanh thu đáng kể .Trong năm năm ngoái, những bộ vi tinh chỉnh , điều khiển 8 bit hoàn toàn có thể đã được mua với giá USD 0,11 ( 1.000 đơn vị chức năng ), 16 – bit với giá USD 0,385 ( 1.000 đơn vị chức năng ) , 32 – bit với giá USD 0,378 ( 1.000 đơn vị chức năng, nhưng ở mức USD 0,35 cho 5.000 ) .Trong năm 2018, những bộ vi tinh chỉnh và điều khiển 8 bit hoàn toàn có thể đã được mua với giá 0,03 đô la, 16 bit với giá 0,393 ( 1.000 đơn vị chức năng, nhưng ở mức 0,563 đô la cho 100 hoặc 0,349 cho một cuộn 2 nghìn ), , và 32 bit với giá 0,503 ( 1.000 đơn vị chức năng, nhưng ở mức USD 0,466 cho 5.000 ). Một số bộ vi tinh chỉnh , điều khiển 32 bit có giá thấp hơn, tính theo đơn vị chức năng một, hoàn toàn có thể có giá USD 0,891 .
Máy tính nhỏ số 1 quốc tế
Vào ngày 21 tháng 6 năm 2018, “ máy tính nhỏ số 1 quốc tế ” đã được Đại học Michigan công bố. Thiết bị này là “ mạng lưới hệ thống cảm ứng chưa dây , và pin có kích cỡ 0,04 mm3 hiệu suất 16 nW với bộ giải quyết , xử lý Cortex-M0 + tích hợp , và tiếp xúc quang học ” Nó có kích cỡ nhỏ hơn một hạt gạo .Thiết bị đã được tích hợp RAM, tế bào quang điện, bộ giải quyết , xử lý , và bộ truyền phát chưa dây. Vì chúng quá nhỏ để trang bị ăng ten vô tuyến thường thì, chúng nhận , và truyền tài liệu bằng ánh sáng. Thiết bị này có kích cỡ bằng 1/10 so với máy tính có size kỷ lục quốc tế đã được IBM công bố trước đó vào tháng 3 năm 2018, nó có một triệu bóng bán dẫn, giá tiền sản xuất thấp hơn 0,1 đô la .
Thiết kế nhúng chính là gì
Một vi điều khiển , tinh chỉnh hoàn toàn có thể đã được coi là một mạng lưới hệ thống khép kín với bộ giải quyết , xử lý, bộ nhớ , và những thiết bị ngoại vi , hoàn toàn có thể được sử dụng như một mạng lưới hệ thống nhúng. Phần lớn những bộ vi tinh chỉnh , điều khiển đang sử dụng ngày này được nhúng vào những máy móc khác, như xe hơi, điện thoại cảm ứng, thiết bị và thiết bị ngoại vi cho những mạng lưới hệ thống máy tính .Trong khi một số ít mạng lưới hệ thống nhúng rất nhiều phức tạp, nhiều mạng lưới hệ thống có nhu yếu tối thiểu về bộ nhớ, chưa có hệ quản lý và điều hành , độ phức tạp ứng dụng thấp. Các thiết bị nguồn vào và đầu ra điển hình bao gồm công tắc nguồn, rơle, solenoids, đèn LED, màn hình hiển thị tinh thể lỏng nhỏ hoặc tùy chỉnh, thiết bị tần số vô tuyến và cảm ứng cho tài liệu như nhiệt độ, nhiệt độ, mức độ ánh sáng, vvCác mạng lưới hệ thống nhúng thường không có bàn phím, màn hình hiển thị, ổ cứng, máy in hoặc những thiết bị I / O dễ Nhận biết khác của máy tính cá thể .
Ngắt vi tinh chỉnh và điều khiển MCU chính là gì
Vi điều khiển và tinh chỉnh phải phân phối phản ứng thời hạn thực ( hoàn toàn có thể Dự kiến được, mặc dầu chưa nhất thiết phải nhanh ) so với những sự kiện trong mạng lưới hệ thống nhúng mà chúng đang điều khiển , và tinh chỉnh .Khi 1 số ít sự kiện xảy ra, một mạng lưới hệ thống ngắt hoàn toàn có thể báo hiệu cho bộ giải quyết , và xử lý tạm dừng giải quyết , xử lý chuỗi lệnh hiện tại và khởi đầu một dịch vụ ngắt ( ISR hoặc “ trình giải quyết , và xử lý ngắt ” ) sẽ triển khai bất kể giải quyết , và xử lý nào đã được nhu yếu dựa trên nguồn của ngắt, trước khi quay lại chuỗi lệnh khởi đầu .Các nguồn ngắt hoàn toàn có thể phụ thuộc vào vào thiết bị và thường gồm có những sự kiện như tràn bộ đếm thời hạn bên trong, hoàn thành xong quy đổi tựa như sang kỹ thuật số, đổi khác mức logic ở trên nguồn vào như nút được nhấn và tài liệu nhận được trên link truyền thông online .Trong trường hợp tiêu thụ nguồn năng lượng thấp, những ngắt cũng hoàn toàn có thể thức tỉnh vi tinh chỉnh và điều khiển khỏi trạng thái ngủ hiệu suất thấp nơi bộ giải quyết , xử lý bị dừng cho đến khi được nhu yếu làm điều gì đó bởi một sự kiện ngoại vi .
Chương trình lập trình cho MCU
Thông thường những chương trình đã được lập trình cho vi tinh chỉnh , điều khiển phải tương thích với bộ nhớ trên chip có sẵn, vì cũng sẽ tốn kém khi trang bị một mạng lưới hệ thống với bộ nhớ ngoài, hoàn toàn có thể lan rộng ra .Trình biên dịch đã được sử dụng để quy đổi cả mã ngôn đến từ cấp cao và mã assembly thành mã máy nhỏ gọn để tàng trữ trong bộ nhớ của bộ vi điều khiển và tinh chỉnh MCU. Tùy thuộc vào thiết bị, bộ nhớ chương trình hoàn toàn có thể chính là vĩnh viễn, bộ nhớ chỉ đọc chỉ hoàn toàn có thể được lập trình tại nhà máy sản xuất hoặc hoàn toàn có thể chính là bộ nhớ flash hoàn toàn có thể biến hóa hoặc bộ nhớ chỉ đọc hoàn toàn có thể xóa .Các đơn vị sản xuất thường sản xuất những phiên bản đặc biệt quan trọng của bộ điều khiển , tinh chỉnh MCU của họ để giúp tăng trưởng phần cứng và ứng dụng của mạng lưới hệ thống đích. Ban đầu chúng gồm có những phiên bản EPROM có “ hành lang cửa số ” trên đỉnh thiết bị, qua đó bộ nhớ chương trình hoàn toàn có thể bị xóa bởi ánh sáng cực tím, sẵn sàng chuẩn bị để lập trình lại sau một quy trình lập trình ( “ ghi ” ) , kiểm tra. Từ năm 1998, những phiên bản EPROM rất nhiều hiếm và được sửa chữa trị thay thế chỉ bằng EEPROM , flash, dễ sử dụng hơn ( hoàn toàn có thể xóa bằng điện tử ) , và rẻ hơn để sản xuất .Các phiên bản khác của chương trình hoàn toàn có thể có sẵn khi ROM đã được truy vấn như một thiết bị bên ngoài thay vì bộ nhớ trong, tuy nhiên những phiên bản này đang trở nên hiếm do sự sẵn có thoáng rộng của những lập trình viên vi điều khiển , tinh chỉnh giá rẻ .Việc sử dụng những thiết bị lập trình trên bộ vi điều khiển , và tinh chỉnh MCU hoàn toàn có thể đã được cho phép update chương trình firmware hoặc được cho phép sửa đổi so với những mẫu sản phẩm đã được lắp ráp nhưng chưa đã được xuất xưởng. Bộ nhớ lập trình được cũng giảm thời hạn dẫn thiết yếu để tiến hành một mẫu sản phẩm mới .Một bộ vi tinh chỉnh , điều khiển MCU tùy chỉnh phối hợp một khối logic kỹ thuật số hoàn toàn có thể được cá thể hóa cho năng lực giải quyết và xử lý bổ trợ, những thiết bị ngoại vi , và giao diện tương thích với nhu yếu của ứng dụng. Một ví dụ chính là AT91CAP từ Atmel .
Các tính năng khác của vi điều khiển , tinh chỉnh MCU
MCU thường chứa từ vài đến hàng chục chân đầu vào / đầu ra cho mục tiêu chung ( GPIO ). Các chân GPIO hoàn toàn có thể thông số kỹ thuật theo trạng thái đầu vào hoặc đầu ra. Khi những chân GPIO được thông số kỹ thuật ở trạng thái nguồn vào, chúng thường được sử dụng để đọc những cảm ứng hoặc tín hiệu bên ngoài. Được thông số kỹ thuật ở trạng thái đầu ra, chân GPIO hoàn toàn có thể tinh chỉnh và điều khiển những thiết bị bên ngoài như đèn LED hoặc động cơ, nhưng thường là gián tiếp trải qua những linh phụ kiện hiệu suất cao bên ngoài .Nhiều mạng lưới hệ thống nhúng cần đọc những cảm ứng gây nên tín hiệu tựa như. Đây là mục tiêu của bộ chuyển đổi tựa như sang số ( ADC ). Vì bộ giải quyết , xử lý được kiến thiết xây dựng để lý giải , và giải quyết , và xử lý tài liệu số, tức là 1 , và 0, nên chúng không hề làm bất kể điều gì với những tín hiệu tương tự như hoàn toàn có thể đã được gửi đến thiết bị .Vì vậy, bộ chuyển đổi tương tự như sang số đã được sử dụng để quy đổi tài liệu đến thành một dạng mà bộ giải quyết và xử lý hoàn toàn có thể nhận ra. Một tính năng ít thông dụng hơn trên 1 số ít bộ vi tinh chỉnh , điều khiển là bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự như ( DAC ) được cho phép bộ giải quyết , xử lý phát tín hiệu tương tự như hoặc mức điện áp .
Ngoài các bộ chuyển đổi, nhiều bộ vi xử lý nhúng cũng bao gồm nhiều bộ định thời khác nhau. Một trong những loại bộ định thời phổ biến số 1 là bộ định thời PIT. Bộ PIT có thể đếm ngược từ một số giá trị về 0 hoặc tối đa dung lượng của thanh ghi đếm về 0. Khi nó đạt đến 0, nó sẽ gửi một ngắt đến bộ xử lý phát hiện ra rằng nó đã kết thúc đếm. Điều này rất hữu ích cho các thiết bị như máy điều chỉnh nhiệt, định kỳ kiểm tra nhiệt độ xung quanh chúng để xem chúng có cần bật điều hòa, bật máy sưởi, v.v.
Khối điều chế độ rộng xung chuyên đã được dùng ( PWM ) giúp CPU hoàn toàn có thể điều khiển , và tinh chỉnh bộ biến hóa hiệu suất, tải điện trở, động cơ, v.v. mà chưa cần sử dụng nhiều tài nguyên CPU trong những vòng lặp hẹn giờ ngặt nghèo .Một khối thu / phát không đồng nhất ( UART ) được cho phép nhận và truyền tài liệu qua một liên kết tiếp nối đuôi nhau với rất nhiều ít tải ở trên CPU. Phần cứng trên những vi điều khiển , và tinh chỉnh MCU chuyên được dùng cũng thường gồm có những năng lực tiếp xúc với những thiết bị ( chip ) khác ở những định dạng kỹ thuật số như Mạch tích hợp ( I²C ), Giao diện ngoại vi tiếp nối đuôi nhau ( SPI ), Bus tiếp nối đuôi nhau vạn năng ( USB ) , và Ethernet .
MCU Tích hợp cao
Bộ vi tinh chỉnh , điều khiển MCU hoàn toàn có thể chưa tiến hành địa chỉ bên ngoài hoặc bus tài liệu vì chúng tích hợp RAM và bộ nhớ chưa mất tài liệu trên cùng một chip với CPU. Sử dụng ít chân hơn, chip hoàn toàn có thể được đặt trong một gói nhỏ hơn, rẻ hơn nhiều .
Tích hợp bộ nhớ , và những thiết bị ngoại vi khác ở trên một chip duy nhất thực hiện tăng ngân sách của chip đó, nhưng thường dẫn đến giảm hàng loạt ngân sách tổng của mạng lưới hệ thống nhúng. Ngay cả khi ngân sách CPU có những thiết bị ngoại vi tích hợp cao hơn một chút ít so với ngân sách của CPU và những thiết bị ngoại vi bên ngoài, việc có ít chip hơn thường đã được cho phép một bảng mạch nhỏ hơn , và rẻ hơn, , và giảm thời hạn thiết yếu để lắp ráp , và kiểm tra bảng mạch, có khuynh hướng giảm tỷ suất lỗi lắp ráp hoàn thành xong .
Bộ vi điều khiển MCU là một mạch tích hợp đơn, thường có các tính năng sau:
Đơn vị xử lý trung tâm – từ nhỏ và đơn giản 4-bit đến phức tạp 32-bit hoặc 64-bitBộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (RAM)ROM, EPROM, EEPROM hoặc bộ nhớ Flash để lưu trữ chương trình vận hànhCác đầu vào , và đầu ra riêng biệt, cho phép kiểm soát hoặc phát hiện trạng thái logic của một chân riêng lẻCổng nối tiếp đầu vào/đầu ra như cổng nối tiếp (UARTs)Các giao tiếp truyền thông nối tiếp khác như I²C, Giao diện ngoại vi nối tiếp , và Mạng để kết nối hệ thốngCác khối ngoại vi như bộ hẹn giờ, bộ đếm sự kiện, bộ tạo PWM , bộ giám sátBộ tạo xung nhịp – thường là bộ tạo dao động tinh thể thạch anh, bộ cộng hưởng hoặc mạch RCĐôi khi thường bao gồm bộ chuyển đổi tương tự sang số, một số bao gồm bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tựMạch lập trình , mạch hỗ trợ gỡ lỗi
Việc tích hợp này thực hiện giảm đáng kể số lượng chip và số lượng khoảng trống bảng mạch và dây điện thiết yếu để sản xuất những mạng lưới hệ thống tương tự bằng cách sử dụng những chip riêng không liên quan gì đến nhau. Hơn nữa, đặc biệt quan trọng ở trên những thiết bị nguồn năng lượng thấp, mỗi chân ( pin ) hoàn toàn có thể tiếp xúc với 1 số ít thiết bị ngoại vi bên trong, với tính năng pin được lập trình chỉ bằng ứng dụng. Điều này đã được cho phép những chân MCU được sử dụng trong nhiều ứng dụng hơn so với những chân có công dụng chuyên sử dụng .Bộ vi điều khiển , và tinh chỉnh MCU đã được triệu chứng tỏ chính là rất nhiều phổ cập trong những mạng lưới hệ thống nhúng kể đến từ khi đã được trình làng vào những năm 1970 .Một số bộ vi điều khiển , và tinh chỉnh MCU sử dụng kiến trúc Harvard : những bus bộ nhớ riêng để hướng dẫn , và tài liệu, được cho phép truy vấn diễn ra đồng thời. Khi sử dụng kiến trúc Harvard, những hướng dẫn cho bộ giải quyết , và xử lý hoàn toàn có thể có size bit khác với chiều dài của bộ nhớ trong , và những thanh ghi ; ví dụ : hướng dẫn 12 bit được sử dụng với những thanh ghi tài liệu 8 bit .Các đơn vị sản xuất vi điều khiển , tinh chỉnh MCU thường phong cách thiết kế tần số hoạt động giải trí và mạng lưới hệ thống linh động trước những nhu yếu từ thị trường của người mua và phải cân đối nhu yếu giảm thiểu kích cỡ chip so với tính năng bổ trợ .Kiến trúc vi điều khiển , và tinh chỉnh MCU rất nhiều khác nhau. Một số phong cách thiết kế gồm có những lõi vi giải quyết , và xử lý đa năng, với một hoặc nhiều công dụng ROM, RAM hoặc I / O được tích hợp. Một tập lệnh của bộ vi tinh chỉnh và điều khiển MCU thường có nhiều hướng dẫn để thực hiện cho những chương trình tinh chỉnh , và điều khiển nhỏ gọn hơn .Ví dụ, bộ MCU đa năng hoàn toàn có thể nhu yếu một số ít hướng dẫn để kiểm tra một bit trong thanh ghi nếu bit đã được đặt, trong đó MCU hoàn toàn có thể có một lệnh duy nhất để cung ứng tính năng thường được nhu yếu .Theo truyền thống cuội nguồn, vi tinh chỉnh , và điều khiển chưa có bộ giải quyết , xử lý toán học, vì thế những phép toán dấu phẩy động đã được triển khai chỉ bằng ứng dụng. Tuy nhiên, một số ít phong cách thiết kế gần đây gồm có những tính năng được tối ưu hóa của FPU , và DSP. Một thí dụ là dòng dựa ở trên PIC32 MIPS của Microchip .
Môi trường lập trình MCU chính là gì ?
Các bộ vi tinh chỉnh và điều khiển khởi đầu chỉ đã được lập trình chỉ bằng ngôn đến từ assembly, nhưng những ngôn từ lập trình cấp cao khác, như C, Python và JavaScript, hiện cũng đã được sử dụng phổ cập cho vi tinh chỉnh và điều khiển , và những mạng lưới hệ thống nhúng .Trình biên dịch cho những ngôn đến từ cấp cao thường cũng sẽ có 1 số ít tránh nhưng cũng có 1 số ít nâng cấp cải tiến để tương hỗ tốt hơn những đặc tính của vi tinh chỉnh , điều khiển. Một số vi điều khiển , và tinh chỉnh có thiên nhiên , và môi trường để tương hỗ tăng trưởng ứng dụng. Các nhà sản xuất vi tinh chỉnh và điều khiển thường phân phối những dụng cụ không lấy phí để thuận tiện lập trình , ứng dụng ở trên phần cứng của họ .Các bộ vi điều khiển , và tinh chỉnh có phần cứng đặc biệt quan trọng hoàn toàn có thể nhu yếu những ngôn từ chưa chuẩn của riêng họ, ví dụ điển hình như SDCC cho 8051. Những trình biên dịch cũng hoàn toàn có thể chứa những tính năng chưa tiêu chuẩn, thí dụ điển hình như MicroPython .Phần mềm biên dịch cũng có sẵn cho 1 số ít vi điều khiển , tinh chỉnh. Ví dụ, BASIC trên những bộ vi điều khiển , tinh chỉnh MCU Intel 8052 ; BASIC và FORTH trên Zilog Z8 cũng như 1 số ít thiết bị tân tiến. Thông thường những trình biên dịch tương hỗ lập trình tương tác .Mô phỏng có sẵn cho 1 số ít vi điều khiển và tinh chỉnh. Điều này cho phép nhà tăng trưởng khảo sát , phân tích hành vi của vi tinh chỉnh , và điều khiển , và chương trình của họ sẽ như thế nào trong trong thực tiễn. Một trình giả lập sẽ hiển thị trạng thái bộ giải quyết , và xử lý bên trong , và cả trạng thái đầu ra, cũng như đã được cho phép những tín hiệu nguồn vào đã được gây ra .Mặc dù hầu hết những trình giả lập cũng sẽ bị tránh do chưa hề mô phỏng nhiều phần cứng khác nhau trong một mạng lưới hệ thống, chúng hoàn toàn có thể thực thi những điều kiện kèm theo khó hoàn toàn có thể tái tạo theo cách thực thi trong thực tiễn , hoàn toàn có thể chính là cách nhanh số 1 để gỡ lỗi , điều tra , phân tích những yếu tố .Các bộ vi tinh chỉnh và điều khiển gần đây thường đã được tích hợp với mạch gỡ lỗi trên chip khi được trình giả lập trong mạch ( ICE ) truy vấn trải qua JTAG, đã được cho phép gỡ lỗi firmware với trình gỡ lỗi. ICE thời hạn thực hoàn toàn có thể được cho phép xem hoặc thao tác những trạng thái nội bộ trong khi chạy. ICE truy lùng hoàn toàn có thể ghi lại chương trình đã triển khai và trạng thái MCU trước / sau điểm kích hoạt .
Các loại vi tinh chỉnh , và điều khiển MCU thông dụng
Có hàng tá kiến trúc và đơn vị sản xuất vi điều khiển , tinh chỉnh gồm có :
ARM core processors (nhiều nhà sản xuất)ARM Cortex-M cores sử dụng cho các ứng dụng cụ thể khác nhauMicrochip Technology Atmel AVR (8-bit), AVR32 (32-bit) , AT91SAM (32-bit)Cypress Semiconductor’s M8C core sử dụng ở trên các PSoC (Programmable System-on-Chip)Freescale ColdFire (32-bit) và S08 (8-bit)Freescale 68HC11 (8-bit) , và loại khác thuộc họ Motorola 6800Intel 8051 đã được sản xuất bởi NXP Semiconductors và nhiều nhà sản xuất khácInfineon: 8-bit XC800, 16-bit XE166, 32-bit XMC4000 (ARM dựa ở trên Cortex M4F), 32-bit TriCore và 32-bit Aurix Tricore BitMaxim tích hợp MAX32600, MAX32620, MAX32625, MAX32630, MAX32650, MAX32640MIPSMicrochip Technology PIC, (8-bit PIC16, PIC18, 16-bit dsPIC33 / PIC24), (32-bit PIC32)NXP Semiconductors LPC1000, LPC2000, LPC3000, LPC4000 (32-bit), LPC900, LPC700 (8-bit)Parallax PropellerPowerPC ISERabbit 2000 (8-bit)Renesas Electronics: RL78 16-bit MCU; RX 32-bit MCU; SuperH; V850 32-bit MCU; H8; R8C 16-bit MCUSilicon Laboratories Pipelined 8-bit 8051 , ARM-dựa ở trên 32-bit MCUSTMicroelectronics STM8 (8-bit), ST10 (16-bit), STM32 (32-bit), SPC5 (automotive 32-bit)Texas Instruments TI MSP430 (16-bit), MSP432 (32-bit), C2000 (32-bit)Toshiba TLCS-870 (8-bit/16-bit)
Nhiều vi tinh chỉnh , điều khiển MCU khác sống sót được sử dụng trong khoanh vùng phạm vi ứng dụng rất hẹp hoặc giống như bộ giải quyết và xử lý ứng dụng hơn là vi điều khiển , tinh chỉnh. Thị trường vi điều khiển , và tinh chỉnh cực kỳ phân mảnh, với nhiều nhà cung ứng, công nghệ tiên tiến và thị trường. Lưu ý rằng nhiều nhà phân phối hoàn toàn có thể bán những kiến trúc vi điều khiển và tinh chỉnh cho những đơn vị sản xuất khác .
Độ trễ ngắt của MCU là gì
Trái ngược với những máy tính đa năng, những bộ vi điều khiển , tinh chỉnh đã được sử dụng trong những mạng lưới hệ thống nhúng thường tìm cách tối ưu hóa độ trễ ngắt. Bao gồm cả việc giảm độ trễ và làm cho nó dễ Dự kiến hơn ( để tương hỗ trấn áp thời hạn thực ) .Khi một thiết bị gây ra gián đoạn ( ngắt ), những tốt nhất trung gian ( thanh ghi ) phải được lưu trước khi ứng dụng chịu nghĩa vụ , và trách nhiệm giải quyết , xử lý ngắt hoàn toàn có thể chạy. Chúng cũng phải đã được Phục hồi sau khi giải quyết , xử lý ngắt đó kết thúc .Nếu có nhiều thanh ghi bộ giải quyết , và xử lý, quy trình tàng trữ , Phục hồi này hoàn toàn có thể mất nhiều thời hạn hơn, làm tăng độ trễ. ( Nếu ISR không nhu yếu sử dụng 1 số ít thanh ghi, nó hoàn toàn có thể đã được giữ nguyên thay vì lưu , Phục hồi chúng, thế cho nên trong trường hợp đó, những thanh ghi đó chưa tương quan đến độ trễ ) .Các cách để giảm độ trễ như nhu yếu ít những tiến trình của lõi giải quyết , và xử lý ( hạn chế chiếm hữu lõi giải quyết , xử lý vì nó thực hiện chậm hầu hết quá trình giải quyết , và xử lý ) hoặc tối thiểu chính là phần cứng chưa lưu toàn bộ chúng ( điều này chưa hiệu suất cao nếu ứng dụng sau đó cần phải bù bằng cách lưu phần còn lại “ thủ công bằng tay ” ) .Một kỹ thuật khác tương quan đến việc sử dụng cổng silicon cho “ shadow registers ” : Một hoặc nhiều thanh ghi trùng lặp chỉ đã được sử dụng bởi ứng dụng ngắt, tương hỗ ngăn xếp chuyên đã được dùng .
Các yếu tố khác ảnh hưởng tác động đến độ trễ ngắt gồm có :
Chu kỳ thiết yếu để hoàn thành xong những hoạt động giải trí CPU hiện tại. Để giảm thiểu những ngân sách đó, bộ vi điều khiển , tinh chỉnh có khuynh hướng có những đường ống ngắn ( pipelines ), bộ đệm ghi nhỏ , bảo vệ rằng những lệnh dài hoàn toàn có thể liên tục hoặc hoàn toàn có thể khởi động lại. Nguyên tắc phong cách thiết kế của RISC bảo vệ rằng hầu hết những hướng dẫn đều có cùng số chu kỳ luân hồi, giúp cho hạn chế sự thiết yếu của quy trình liên tục / khởi động lại như vậy .Độ dài của bất kỳ phần quan trọng cần phải bị gián đoạn. Hạn chế truy vấn cấu trúc tài liệu đồng thời. Một cấu trúc tài liệu phải được truy vấn bởi một trình giải quyết và xử lý ngắt, phần quan trọng phải chặn ngắt đó. Theo đó, khi có những ràng buộc bên ngoài cứng so với độ trễ mạng lưới hệ thống, những nhà tăng trưởng thường cần những công cụ để đo độ trễ ngắt và theo dõi phần nào quan trọng tạo ra sự lừ đừ .Một kỹ thuật phổ cập chỉ chặn toàn bộ những ngắt trong thời hạn của phần quan trọng. Điều này dễ thực thi, nhưng đôi lúc những phần quan trọng trở nên dài một cách chưa dễ chịu .Một kỹ thuật phức tạp hơn chỉ chặn những ngắt hoàn toàn có thể kích hoạt quyền truy vấn vào cấu trúc tài liệu đó. Điều này thường dựa trên những ưu tiên ngắt, có khuynh hướng chưa thích hợp tốt với những cấu trúc tài liệu mạng lưới hệ thống có tương quan. Theo đó, kỹ thuật này được sử dụng đa phần trong môi trường tự nhiên rất tránh .Bộ giải quyết , và xử lý hoàn toàn có thể có tương hỗ phần cứng cho 1 số ít phần quan trọng. Những thí dụ gồm có tương hỗ truy vấn vào bit hoặc byte hoặc những hàm truy vấn LDREX / STREX được trình làng trong kiến trúc ARMv6 .Một số vi tinh chỉnh và điều khiển đã được cho phép ngắt ưu tiên cao hơn để ngắt những ưu tiên thấp hơn. Điều này đã được cho phép ứng dụng quản trị độ trễ chỉ bằng cách cung ứng những ngắt thời hạn quan trọng ưu tiên cao hơn ( , và do đó độ trễ thấp hơn , dễ Dự kiến hơn ) .Tỷ lệ kích hoạt. Khi ngắt xảy ra back-to-back, vi tinh chỉnh , điều khiển hoàn toàn có thể hạn chế chu kỳ luân hồi lưu / Phục hồi ngữ cảnh bổ trợ bằng một hình thức tối ưu hóa .Các bộ vi tinh chỉnh và điều khiển cấp thấp có khuynh hướng độ trễ ngắt ít hơn .
Công nghệ bộ nhớ trên MCU
Hai loại bộ nhớ khác nhau thường được sử dụng với vi tinh chỉnh , điều khiển, bộ nhớ chưa mất tài liệu ( bộ nhớ chỉ đọc ) để tàng trữ phần firmware và bộ nhớ đọc ghi cho tài liệu trong thời điểm tạm thời .
Dữ liệu
Từ những bộ vi tinh chỉnh , và điều khiển sớm số 1 cho đến ngày này, SRAM hầu hết luôn đã được sử dụng làm bộ nhớ thao tác đọc / ghi. FRAM hoặc MRAM có năng lực hoàn toàn có thể thay thế sửa chữa trị vì nó cũng sẽ giúp cho tiết kiệm ngân sách , và chi phí ngân sách hơn .Ngoài SRAM, một số ít bộ vi điều khiển và tinh chỉnh cũng có EEPROM nội bộ để tàng trữ tài liệu ; , và thậm chí còn những cái chưa có ( hoặc không đủ ) thường được liên kết với chip EEPROM bên ngoài ( như tem BASIC ) hoặc chip bộ nhớ flash bên ngoài .
Phần sụn firmware của MCU là gì
Các bộ vi điều khiển sớm số 1 đã sử dụng ROM để lưu trữ firmware. Các bộ vi điều khiển sau này (các phiên bản đầu của Freescale 68HC11 và các bộ vi điều khiển PIC đầu tiên) có bộ nhớ EPROM, sử dụng cửa sổ cho phép xóa qua đèn UV, trong khi các phiên bản sản xuất chưa có cửa sổ như vậy chính là OTP (có thể lập trình một lần). Các bản cập nhật firmware có thể tương đương với việc thay thế chính vi điều khiển, do đó nhiều sản phẩm không thể nâng cấp được.
Motorola MC68HC805 chính là bộ vi tinh chỉnh , và điều khiển tiên phong sử dụng EEPROM để tàng trữ phần sụn. Bộ vi tinh chỉnh , điều khiển EEPROM trở nên phổ cập hơn vào năm 1993 khi Microchip ra mắt PIC16C84 , và Atmel trình làng bộ vi tinh chỉnh và điều khiển 8051, lần tiên phong sử dụng bộ nhớ NOR Flash để tàng trữ firmware. Các bộ vi tinh chỉnh , điều khiển ngày này phần nhiều chỉ sử dụng bộ nhớ flash, với một số ít MCU sử dụng FRAM , và 1 số ít bộ phận có ngân sách cực thấp vẫn sử dụng OTP hoặc Mask-ROM .Nguồn : chỉnh sửa , và biên tập thiebiketnoi.com :