Чем отличается микроконтроллер от микропроцессора

Микропроцессор и его архитектура

Аннотация: Цель лекции: знакомство с архитектурой микропроцессоров, отличительными чертами микропроцессоров различных типов архитектуры, этапами развития архитектуры универсальных микропроцессоров, а также с основными чертами архитектуры IA-32.

Микропроцессор (МП) — это программно управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Понятие большая интегральная схема в настоящее время четко не определено. Ранее считалось, что к этому классу следует относить микросхемы, содержащие более 1000 элементов на кристалле. И действительно, в эти параметры укладывались первые микропроцессоры.

Например, 4-разрядная процессорная секция микропроцессорного комплекта К584, выпускавшегося в конце 1970-х годов, содержала около 1500 элементов.

Сейчас, когда микропроцессоры содержат десятки миллионов транзисторов и их количество непрерывно увеличивается, под БИС будем понимать функционально сложную интегральную схему.

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, основу которой составляет микропроцессор.

Микропроцессор характеризуется большим количеством параметров и свойств, так как он является, с одной стороны, функционально сложным вычислительным устройством, а с другой — электронным прибором, изделием электронной промышленности.

Как средство вычислительной техники он характеризуется прежде всего своей архитектурой, то есть совокупностью программно-аппаратных свойств, предоставляемых пользователю.

Сюда относятся система команд, типы и форматы обрабатываемых данных, режимы адресации, количество и распределение регистров, принципы взаимодействия с оперативной памятью и внешними устройствами (характеристики системы прерываний, прямой доступ к памяти и т. д.). По своей архитектуре микропроцессоры разделяются на несколько типов (рис. 1.1).

Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями на время выполнения задания. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К нему относятся такие известные микропроцессоры, как МП ряда Pentium фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD.

Рис. 1.1. Классификация микропроцессоров

Характеристики универсальных микропроцессоров:

  • разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ);
  • виды и форматы обрабатываемых данных;
  • система команд, режимы адресации операндов;
  • емкость прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;
  • частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации обычно указывается ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, к которым относятся и микропроцессоры, иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации — одно из направлений энергосбережения. В ряде современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в , при котором сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнить производительность микропроцессоров. Но разные архитектурные решения влияют на производительность гораздо больше, чем частота;
  • производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, чтобы они по возможности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.

Универсальные микропроцессоры принято разделять на CISC — и RISC-микропроцессоры. CISC-микропроцессоры (Completed Instruction Set Computing — вычисления с полной системой команд) имеют в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов.

Именно к этому классу относятся, например, микро процессоры типа Pentium. В то же время RISC-микропроцессоры (reduced instruction set computing — вычисления с сокращенной системой команд) используют, как следует из определения, уменьшенное количество команд и режимов адресации.

Здесь прежде всего следует выделить такие микропроцессоры, как Alpha 21×64, Power PC. Количество команд в системе команд — наиболее очевидное, но на сегодняшний день не самое главное различие в этих направлениях развития универсальных микропроцессоров.

Другие различия мы будем рассматривать по мере изучения особенностей их архитектуры.

Однокристальные микроконтроллеры (ОМК или просто МК) предназначены для использования в системах промышленной и бытовой автоматики.

Они представляют собой большие интегральные схемы, которые включают в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор (как правило, целочисленный), ЗУ команд, ЗУ данных, генератор тактовых сигналов, программируемые устройства для связи с внешней средой (контроллер прерывания, таймеры-счетчики, разнообразные порты ввода/вывода), иногда аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т. д. В некоторых источниках этот класс микропроцессоров называется однокристальными микро-ЭВМ (ОМЭВМ).

В настоящее время две трети всех производимых микропроцессорных БИС в мире составляют МП этого класса, причем почти две трети из них имеет разрядность, не превышающую 16 бит. К классу однокристальных микроконтроллеров прежде всего относятся микропроцессоры серии MCS-51 фирмы Intel и аналогичные микропроцессоры других производителей, архитектура которых де-факто стала стандартом.

Отличительные особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров:

  • физическое и логическое разделение памяти команд и памяти данных (гарвардская архитектура), в то время как в классической неймановской архитектуре программы и данные находятся в общем запоминающем устройстве и имеют одинаковый механизм доступа;
  • упрощенная и ориентированная на задачи управления система команд: в МК, как правило, отсутствуют средства обработки данных с плавающей точкой, но в то же время в систему команд входят команды, ориентированные на эффективную работу с датчиками и исполнительными устройствами, например, команды обработки битовой информации;
  • простейшие режимы адресации операндов.

Основные характеристики микроконтроллеров (в качестве примера численные значения представлены для MK-51):

  1. Разрядность (8 бит).
  2. Емкость внутренней памяти команд и памяти данных, возможности и пределы их расширения:
    • внутренняя память команд — 4 Кбайт (в среднем команда имеет длину 2 байта, таким образом, во внутренней памяти может быть размещена программа длиной около 2000 команд); возможность наращивания за счет подключения внешней памяти до 64 Кбайт;
    • память данных на кристалле 128 байт (можно подключить внешнюю память общей емкостью до 64 Кбайт).
  3. Тактовая частота:
    • внешняя частота 12 МГц;
    • частота машинного цикла 1 МГц.
  4. Возможности взаимодействия с внешними устройствами: количество и назначение портов ввода-вывода, характеристики системы прерывания, программная поддержка взаимодействия с внешними устройствами.

Наличие и характеристики встроенных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) для упрощения согласования с датчиками и исполнительными устройствами системы управления.

Секционированные микропроцессоры (другие названия: микропрограммируемые и разрядно-модульные) — это микропроцессоры, предназначенные для построения специализированных процессоров.

Они представляют собой микропроцессорные секции относительно небольшой (от 2 до 16) разрядности с пользовательским доступом к микропрограммному уровню управления и средствами для объединения нескольких секций.

Такая организация позволяет спроектировать процессор необходимой разрядности и со специализированной системой команд.

Из-за своей малой разрядности микропроцессорные секции могут быть построены с использованием быстродействующих технологий.

Совокупность всех этих факторов обеспечивает возможность создания процессора, наилучшим образом ориентированного на заданный класс алгоритмов как по системе команд и режимам адресации, так и по форматам данных.

Одним из первых комплектов секционированных микропроцессоров были МП БИС семейства Intel 3000. В нашей стране они выпускались в составе серии К589 и 585. Процессорные элементы этой серии представляли собой двухразрядный микропроцессор.

Наиболее распространенным комплектом секционированных микропроцессоров является Am2900, основу которого составляют 4-разрядные секции. В нашей стране аналог этого комплекта выпускался в составе серии К1804.

В состав комплекта входили следующие БИС:

  • разрядное секционное АЛУ;
  • блок ускоренного переноса;
  • разрядное секционное АЛУ с аппаратной поддержкой умножения;
  • тип схем микропрограммного управления;
  • контроллер состояния и сдвига;
  • контроллер приоритетных прерываний.

Основным недостатком микропроцессорных систем на базе секционированных микропроцессорных БИС явилась сложность проектирования, отладки и программирования систем на их основе.

Использование специализированной системы команд приводило к несовместимости разрабатываемого ПО для различных микропроцессоров.

Возможность создания оптимального по многим параметрам специализированного процессора требовала труда квалифицированных разработчиков на протяжении длительного времени.

Однако бурное развитие электронных технологий привело к тому, что за время проектирования специализированного процессора разрабатывался универсальный микропроцессор, возможности которого перекрывали гипотетический выигрыш от проектирования специализированного устройства. Это привело к тому, что в настоящее время данный класс микропроцессорных БИС практически не используется.

Процессоры цифровой обработки сигналов, или цифровые сигнальные процессоры, представляют собой бурно развивающийся класс микропроцессоров, предназначенных для решения задач цифровой обработки сигналов — обработки звуковых сигналов, изображений, распознавания образов и т. д.

Они включают в себя многие черты однокристальных микро-контроллеров: гарвардскую архитектуру, встроенную память команд и данных, развитые возможности работы с внешними устройствами.

В то же время в них присутствуют черты и универсальных МП, особенно с RISC-архитектурой: конвейерная организация работы, программные и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей запятой, аппаратная поддержка сложных специализированных вычислений, особенно умножения.

Как электронное изделие микропроцессор характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которых являются следующие:

  1. Требования к синхронизации: максимальная частота, стабильность.
  2. Количество и номиналы источников питания, требования к их стабильности. В настоящее время существует тенденция к уменьшению напряжения питания, что сокращает тепловыделение схемы и ведет к повышению частоты ее работы. Если первые микропроцессоры работали при напряжении питания+-15В, то сейчас отдельные схемы используют источники менее 1 В.
  3. Мощность рассеяния — это мощность потерь в выходном каскаде схемы, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзисторы. Иначе говоря, она характеризует показатель тепловыделения БИС, что во многом определяет требования к конструктивному оформлению микропроцессорной системы. Эта характеристика особенно важна для встраиваемых МПС.
  4. Уровни сигналов логического нуля и логической единицы, которые связаны с номиналами источников питания.
  5. Тип корпуса — позволяет оценить пригодность схемы для работы в тех или иных условиях, а также возможность использования новой БИС в качестве замены существующей на плате.
  6. Температура окружающей среды, при которой может работать схема. Здесь выделяют два диапазона:
    • коммерческий (0 0С … +700С);
    • расширенный (-40 0С … +85 0С).
  7. Помехоустойчивость — определяет способность схемы выполнять свои функции при наличии помех. Помехоустойчивость оценивается интенсивностью помех, при которых нарушение функций устройства еще не превышает допустимых пределов. Чем сильнее помеха, при которой устройство остается работоспособным, тем выше его помехоустойчивость.
  8. Нагрузочная способность, или коэффициент разветвления по выходу, определяется числом схем этой же серии, входы которых могут быть присоединены к выходу данной схемы без нарушения ее работоспособности. Чем выше нагрузочная способность, тем шире логические возможности схемы и тем меньше таких микросхем необходимо для построения сложного вычислительного устройства. Однако с увеличением этого коэффициента ухудшаются помехоустойчивость и быстродействие.
  9. Надежность — это способность схемы сохранять свой уровень качества функционирования при установленных условиях за установленный период времени. Обычно характеризуется интенсивностью отказов (час-1) или средним временем наработки на отказ (час). В настоящее время этот параметр для больших инте- гральных схем обычно не указывается изготовителем. О надежности МП БИС можно судить по косвенным показателям, например, по приводимой разработчиками средств вычислительной техники надежности изделия в целом.
  10. Характеристики технологического процесса. Основной показатель здесь — разрешающая способность процесса. В настоящее время она составляет 32 нм, то есть около 30 тыс. линий на 1 мм. Более совершенный технологический процесс позволяет создать микропроцессор, обладающий большими функциональными возможностями.
Читайте также:  Чем отличается западная европа от восточной

Рис. 1.2. Затраты на производство микропроцессорной системы

Затраты на изготовление устройств, использующих микропроцессорные БИС, представлены на рис. 1.2. Здесь:

  1. затраты на изготовление БИС (чем больше степень интеграции элементов на кристалле, тем дороже обходится производство схемы);
  2. затраты на сборку и наладку микропроцессорной системы (с увеличением функциональных возможностей МП потребуется меньше схем для создания МПС);
  3. общая стоимость микропроцессорной системы, которая складывается из затрат (1) и (2). Она имеет некоторое оптимальное значение для данного уровня развития технологии;
  4. переход на новую технологию (оптимальным будет уже другое количество элементов на кристалле, а общая стоимость изделия снижается).

В 1965 году Гордон Мур сформулировал гипотезу, известную в настоящее время как , согласно которой каждые 1,5-2 года число транзисторов в расчете на одну интегральную схему будет удваиваться. Это обеспечивается непрерывным совершенствованием технологических процессов производства микросхем.

Наиболее развитая в технологическом отношении фирма Intel в жизненном цикле полупроводниковых технологий, создаваемых и применяемых в корпорации, выделяет шесть стадий.

Самая ранняя стадия проходит за пределами Intel — в университетских лабораториях и независимых исследовательских центрах, где ведутся поиски новых физических принципов и методов, которые могут стать основой научно-технологического задела на годы вперед. Корпорация финансирует эти исследования.

На второй стадии исследователи Intel выбирают наиболее перспективные направления развития новых технологий. При этом обычно рассматривается 2-3 варианта решения.

Главная задача третьей стадии — полная черновая проработка новой технологии и демонстрация ее осуществимости.

После этого начинается четвертая стадия, главная цель которой — обеспечить достижение заданных значений таких ключевых технических и экономических показателей, как выход годных изделий, надежность, стоимость и некоторые другие. Завершение этапа подтверждается выпуском первой промышленной партии новых изделий.

Пятая стадия — промышленное освоение новой технологии. Эта проблема не менее сложна, чем разработка самой технологии, поскольку необычайно трудно в точности воспроизвести в условиях реального производства то, что было получено в лаборатории. Обычно именно здесь возникают задержки со сроками выпуска новых изделий, с достижением запланированного объема поставок и себестоимости продукции.

Последняя, шестая стадия жизненного цикла технологии (перед отказом от ее применения) — зрелость. Зрелая технология, подвергаясь определенному совершенствованию с целью повышения производительности оборудования и снижения себестоимости продукции, обеспечивает основные объемы производства. По мере внедрения новых, более совершенных технологий производства ликвидируются.

Но не сразу: сначала они переводятся на выпуск микросхем с меньшим быстродействием или с меньшим числом транзисторов, например, периферийных БИС.

Источник: http://www.intuit.ru/studies/courses/604/460/lecture/10321

Микропроцессоры и микроконтроллеры, назначение, сфера применения и архитектура. Структура типового микроконтроллера. Память и внешние устройства микроконтроллеров

Микропроцессор характеризуется:

  1. тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;
  2. разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

Разрядность МП обозначается m/n/k/ и включает: m — разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров; n — разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации; k — разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства.

Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20; 3) архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.

Микроархитектура микропроцессора — это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.

Макроархитектура — это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.

Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рисунке. Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации.

Рисунок 25.1 – Архитектура типичной небольшой вычислительной системы

Микроконтроллер — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ.

По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах, таких, как телефоны, стиральные машины и т. п. Большая часть выпускаемых в мире процессоров — микроконтроллеры.

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой.

Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно.

Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д.

В то время, как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться.

Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость.

В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие больши?ми вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.

Ограничения по цене и энергопотреблению сдерживают, также, рост тактовой частоты контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания.

Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и, даже, не терять данные при полной остановке тактового генератора.

Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись.

Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти.

В отличие от процессоров общего назначения, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура.

Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:

  • различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I2C, SPI, CAN
  • аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
  • компараторы
  • широтно-импульсные модуляторы
  • таймеры

Программирование микроконтроллеров, обычно, осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков, используются, также, встроенные интерпретаторы Бэйсика и Форта.

Для отладки программ используются программные симуляторы (специальные программы для персональных компьютеров, имитирующие работу микроконтроллера), внутрисхемные эмуляторы (электронные устройства, имитирующие микроконтроллер, которые можно подключить вместо него к разрабатываемому встроенному устройству) и интерфейс JTAG.

На рисунке 25.2 изображена структурная схема типичного современного микроконтроллера.

Рисунок 25.2 – Структурная схема типичного современного микроконтроллера.

Из рисунка видно, что микроконтроллер может управлять различными устройствами и принимать от них данные при минимуме дополнительных узлов, так как большое число периферийных схем уже имеется непосредственно на кристалле микроконтроллера. Это позволяет уменьшить размеры конструкции и снизить потребление энергии от источника питания.

Типичные схемы, присутствующие в микроконтроллерах.

  1. Центральное процессорное устройство (ЦПУ) — сердце микроконтроллера. Оно принимает из памяти программ коды команд, декодирует их и выполняет. ЦПУ состоит из регистров, арифметико-логического устройства (АЛУ) и цепей управления.
  2. Память программ. Здесь хранятся коды команд, последовательность которых формирует программу для микроконтроллера.
  3. Оперативная память данных. Здесь хранятся переменные программ. У большинства микроконтроллеров здесь расположен также стек.
  4. Тактовый генератор. Этот генератор определяет скорость работы микроконтроллера.
  5. Цепь сброса. Эта цепь служит для правильного запуска микроконтроллера.
  6. Последовательный порт — очень полезный элемент микроконтроллера. Он позволяет обмениваться данными с внешними устройствами при малом количестве проводов.
  7. Цифровые линии ввода/вывода. По сравнению с последовательным портом с помощью этих линий возможно управлять одновременно несколькими линиями (или проверять несколько линии).
  8. Таймер. Используется для отсчета временных интервалов.

Источник: https://studopedya.ru/1-40716.html

Что такоке микропроцессор, микроконтроллер и программируемый логический контроллер

Стремительное развитие электроники быстро меняет нашу жизнь, и мы замечаем это, прежде всего, в социальной сфере, сферах коммуникации (общения) и связи. Первое, что приходит на ум в этой связи, – это компьютеры, Интернет и сотовые телефоны.

Мы свободны в поисках необходимой информации, имеем возможность выйти на связь с желаемым абонентом, невзирая на наше местоположение. Мы можем получать дистанционное образование и объединяться в группы по профессиональным, социальным или культурным интересам.

Все это стало возможным в значительной мере благодаря появлению микропроцессора и созданию микропроцессорных систем.

А существуют ли другие проявления прогресса микроэлектроники, не такие заметные на первый взгляд, но играющие значительную роль в нашей жизни?

Да! микропроцессоры и микроконтроллеры широко применяются в бытовой технике, автомобильной электронике, аэрокосмической и военной отраслях и, конечно же, в промышленном производстве.

Эта статья раскрывает некоторые аспекты применения микропроцессорных систем в технике и промышленности. Если дальнейший текст покажется вам слишком тяжелым и непонятным, рекомендуем предварительно ознакомиться со статьей «Основы информатики. Компоненты микропроцессорных систем».

Читайте также:  Чем отличается толерантность от терпимости

Итак:

  • Что такое микропроцессор?
  • Что такое микроконтроллер? Каковы его особенности?
  • Где используются микроконтроллеры?
  • Чем микроконтроллер отличается от микропроцессора?
  • Что такое сигнальный процессор?
  • Что такое программируемый логический контроллер (ПЛК)? Как он построен?
  • Как программируют ПЛК?

Вы уже наверняка знаете, что любой компьютер – это машина для обработки информации, не взирая на то, какую конкретно задачу он выполняет. Центральным элементом компьютера является микропроцессор. Если спросить у ученика средней школы: – Что такое микропроцессор?, – то, скорее всего, получите ответ «Микропроцессор – это сердце компьютера».

Микропроцессор – это микроэлектронное программируемое устройство, предназначенное для обработки информации и управления процессами обмена этой информацией в составе микропроцессорной системы (компьютера).

Почему «микроэлектронное»? Потому что микропроцессоры производятся с помощью технологий современной микроэлектроники на основе полупроводникового кристалла. Информация в микропроцессорной системе передается электрическими импульсами. Конструктивно микропроцессор исполняется в виде одной микросхемы (иногда – нескольких).

Микросхема состоит из пластикового или керамического корпуса, внутри которого размещается миниатюрная полупроводниковая подкладка (рис. 1). На этой подкладке лазером «начерчены» все электронные схемы микропроцессора.

Входы и выходы схемы на подкладке соединены с металлическими выводами, расположенными по бокам или снизу корпуса микросхемы.

а) б)

Рис. 1. Интегральная микросхема (а) и ее внутреннее строение (б)

Почему микропроцессор – это «программируемое устройство»? Потому что микропроцессорные системы в общем случае универсальны, т. е. способны выполнять широкий круг задач по обработке информации. А на выполнение конкретной задачи микропроцессор «настраивают» с помощью программы – последовательного перечня машинных команд.

Обязательными компонентами микропроцессора являются регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и блок управления.

Регистры предназначены для временного хранения данных, арифметико-логическое устройство – для выполнения арифметических и логических операций (т. е. для обработки данных).

Блок управления отвечает за последовательное выполнение команд программы и правильное перенаправление потоков данных.

Микропроцессор не может работать сам по себе. Он является центральным звеном микропроцессорной системы, в которую также входят устройства постоянной и оперативной памяти, устройства ввода и вывода информации, накопители на жестких магнитных дисках (так называемые «винчестеры»), и т. д. Такие микропроцессорные системы собственно и называют компьютерами.

Персональный компьютер может иметь множество применений, однако это достаточно дорогое и громоздкое устройство.

А как же наделить элементами интеллекта бытовую технику, автомобили, медицинские приборы? Как сделать их «умными»? Понятно, что в бытовой кондиционер нельзя вмонтировать системный блок обычного компьютера. Это повысит его стоимость в два-три раза.

И в составе так называемого смарт-телевизора мы не найдем отдельного персонального компьютера в его обычном виде. Для автоматизации такого рода техники разработаны и изготавливаются специальные процессорные устройства – однокристальные микроконтроллеры (англ.: «Microcontroller»).

Английское слово «control» обозначает «контролировать», «управлять». Таким образом, микроконтроллер – это специальный микропроцессор, предназначенный для автоматизации разнообразных устройств и управления их работой.

Итак, микроконтроллер – это специализированное микроэлектронное программируемое устройство, предназначенное для использования в управляющих узлах всевозможных технических изделий, системах передачи данных и системах управления технологическими процессами.

Микроконтроллеры применяют в бытовой технике, медицинских приборах, системах управления лифтами, телефонах, рациях и прочих средствах связи, электронных музыкальных инструментах и автомагнитолах, компьютерной периферии (клавиатурах, джойстиках, принтерах и т. п.), светофорах, автоматических воротах и шлагбаумах, интерактивных детских игрушках, автомобилях, локомотивах и самолетах, роботах и промышленных станках.

Рис. 2. Сферы применения микроконтроллеров.

Микроконтроллеры также широко используются в автомобильной электронике.

Например, автомобиль «Peugeot 206» имеет на борту 27 микроконтроллеров, а в автомобилях высокого класса, таких как, например, «BMW» седьмой серии, используется более 60 микроконтроллеров.

Они регулируют жесткость адаптивной подвески, управляют впрыском топлива, светотехникой, двигателями дворников, стеклоподъемников и зеркал заднего вида и т. п. (рис. 3).

Рис. 3. Использование микроконтроллеров в автомобильной электронике
(по материалам Microchip Technology).

Микроконтроллер, в отличие от микропроцессора, обычно имеет небольшую разрядность (8 – 16 бит) и богатый набор команд манипулирования отдельными битами.

Битовые команды дают возможность управлять дискретным оборудованием (поднять/опустить шлагбаум, включить/выключить лампу, нагреватель, запустить/остановить двигатель, открыть/закрыть клапан, и проч.

) Средства, обеспечивающие возможность оперировать отдельными битами, вводить и выводить дискретные сигналы называют «битовым процессором».

Еще одно из основных отличий микроконтроллера от микропроцессора заключается в том, что в составе микросхемы контроллера наличествуют все необходимые элементы для построения простой (а иногда – и достаточно сложной) системы управления.

Так, внутри микроконтроллера есть память данных (оперативная память), память программ (постоянная память), генератор тактовых импульсов, таймеры, счетчики, параллельные и последовательные порты.

Поэтому система минимальной конфигурации на основе микроконтроллера может состоять из блока питания, непосредственно микросхемы контроллера и нескольких пассивных элементов (резисторов, конденсаторов и кварцевого резонатора).

И это фактически есть ничто иное, как одноплатный мини-компьютер на основе одной микросхемы, подходящий для встраивания в объект управления. Средняя стоимость системы минимальной конфигурации составляет несколько десятков долларов (сравните со средней стоимостью персонального компьютера).

Типовая архитектура микроконтроллера (рис. 4) содержит систем систему синхронизации и управления (1), арифметико-логическое устройство (2), регистры общего назначения (3), память данных (4) и память программ (5), порты (6), функциональные устройства (таймеры, счетчики, широтно-импульсные модуляторы, интерфейсы) и регистры для их настройки (7), рис. 4.

Рис. 4. Архитектура типичного микроконтроллера.

Программы для микроконтролеров создают в специальных интегрованных инструментальных средах (англ.: Integrated Development Environment, IDE) языками Асемблера (машинных команд) или C++.

Остается добавить, что ежегодно в мире продаются миллиарды микроконтроллеров, а обычный житель развитой страны в течение дня десятки раз соприкасается с микроконтроллерами, являющимися неотъемлемой частью современной технологичной окружающей среды.

Кроме микропроцессоров общего назначения и микроконтроллеров на рынке предлагаются так называемые сигнальные процессоры, специально предназначенные для обработки сигналов в режиме реального времени. Они используются в измерительных приборах, средствах связи, передачи и воспроизведения аудио- и видеопотоков, системах локации, космической и военной технике.

Сигнальные процессоры (англ.: Digital Signal Processor, DSP) характеризуются высокой разрядностью и быстродействием, имеют в системе команд специальные инструкции для реализации типовых алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС).

Также на одном кристалле, кроме собственно процессорной части, реализуются аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Аналого-Цифровой Преобразователь (АЦП) заменяет непрерывный входной сигнал соответствующим потоком цифровых данных (отсчетов).

Далее эти данные обрабатываются процессорной частью, после чего с помощью Цифро-Аналогового Преобразователя (ЦАП) обработанные цифровые данные снова воспроизводятся в аналоговый сигнал.

Таким способом сигнальный процессор может углублять четкость изображения, или, наоборот, размывать его, шифровать и дешифровать аудио- и видеопотоки, воспроизводить на экране виртуальную или дополненную реальность, отслеживать движущиеся объекты даже в условиях значительных помех и неполной входной информации.

Микропроцессоры общего назначенияМикроконтроллерыСигнальные процессоры

Другие(нейрочипы, секционные и гибридные процессоры)
Применяются:для построения персональных компьютеров, серверов и многопроцессорных систем. Применяются:для реализации несложных функций управления и автоматизации. Применяются:для реализации сложных алгоритмов потоковой обработки данных в режиме реального времени. Применяются:для построения уникальных экспериментальных или специфических систем.
Особенности: • высокая вычислительная производительность, • высокая разрядность,• универсальная архитектура. Особенности: • встроенная память программ и память данных, • битовый процессор,• таймеры, счетчики, порты, интерфейсы. Особенности: • высокая вычислительная производительность, • команды для реализации типовых алгоритмов обработки сигналов,• встроенные АЦП, ЦАП или медиа-интерфейсы. Особенности: • построение одного процессора на нескольких микросхемах, • комбинация нескольких видов процессоров в одном изделии,• специфическая архитектура

Еще один тип микропроцессорных устройств, которые за последние 30 – 40 лет заняли свою рыночную нишу – так называемые программируемые логические контроллеры.

Программируемый Логический Контроллер (ПЛК; англ.

: Programmable Logic Controller или PLC) – это специализированная микропроцессорная система, которая используется для автоматизации технологических процессов и общепромышленных установок и комплексов (конвейеров, рольгангов, подъемных кранов, дробилок, мельниц, классификаторов, смесителей, прессов, упаковочных машин, робототехнических и гибких производственных комплексов, и т. п.)

Т. е. основная сфера применения ПЛК – это сфера промышленного производства.

Однако они также используются для автоматизации зданий (контроль доступа в помещение, управление освещением, обогревом, вентиляцией и кондиционированием воздуха, управление лифтами, эскалаторами и т. п.

) Также ПЛК могут применяться для создания микроклимата в тепличном хозяйстве, на птицефабриках, животноводческих фермах.

В общем случае ПЛК – это одноплатный мини-компьютер, построенный на основе однокристального микроконтроллера и расположенный в типовом корпусе размерами с кирпич. Также существуют модульные контроллеры (рис. 5). Ко входам ПЛК можно подсоединить кнопки, контакты джойстика, переключатели (т. е.

органы управления), датчики и исполнительные механизмы (двигатели, лампы, нагревательные элементы, клапаны, вентили, актуаторы и т. п.) ПЛК циклически опрашивает входные сигналы (органы управления и датчики), выполняет программу пользователя (пересчитывает значения переменных) и выдает полученные выходные значения на исполнительные механизмы. Т. е.

ПЛК циклически, раз за разом выполняет одну и ту же программу (программу пользователя).

Рис. 5. Программируемые логические контроллеры.

Кроме аппаратной унификации (использования стандартных размеров, уровней напряжений, видов сигналов), прорывному распространению ПЛК поспособстваволо то, что для них были разработаны интуитивные «общеинженерные» языки программирования.

Теперь для разработки программы пользователя не обязательно приглашать программиста высокого класса. С этим может справиться (иногда – и лучше) и технолог, и электрик, и химик, и, конечно, специалист по автоматизации.

А в случае сложных задач эти языки программирования стирают грань недопонимания между программистом и инженером. Они одинаково понятны и заказчику (инженеру) и исполнителю (программисту).

Таких языков программирования – 6 (5 стандартизированных), причем 4 из них – визуальные (т. е. программа вводится не в виде текста, а как набор соединенных друг с другом графических элементов (блоков), (рис. 6).

Рис. 6. Пример программы для ПЛК (анимация).

Обычно один и тот же контроллер можно программировать на нескольких языках на выбор пользователя.

Для этого используют инструментальные программные комплексы, позволяющие не только разработать программу, но и отладить ее с помощью программной модели контроллера (на «симуляторе») или в режиме мониторинга (когда программу пользователя исполняет реальный контроллер, а на дисплее компьютера можно следить за его работой).

Аппаратная и программная унификация ПЛК дает возможность легко переходить на контроллеры другого производителя, переносить программы с одной платформы на другую. Это повышает гибкость систем автоматизации, способствует конкурентному инновационному развитию рынка.

Подробно изучить работу микропроцессорных систем, научиться разрабатывать и программировать прикладные мини-компьютеры и программируемые логические контроллеры для задач автоматизации можно на кафедре электропривода Национального горного университета.

Читайте также:  Чем отличается процессуальное право от материального

Текст, иллюстрации: Яланский А.А.

Загрузить эту статью в формате pdf (1.2MБ)

Источник: http://elprivod.nmu.org.ua/ru/interesting/what_is_mp_mc_plc.php

Чем микроконтроллер отличается от микропроцессора | РОБОТОША

Давайте разберемся, чем же на самом деле отличаются и в чем сходство этих двух типов цифровых радиоэлектронных устройств.

И микропроцессор и микроконтроллер предназначены для выполнения некоторых операций — они извлекают команды из памяти и выполняют эти инструкции (представляющие собой арифметические или логические операции) и результат используется для обслуживания выходных устройств.

И микроконтроллер и микропроцессор способны непрерывно производить выборку команд из памяти и выполнять эти инструкции, пока на устройство подается питание. Инструкции представляют из себя наборы битов.

Эти инструкции всегда извлекаются из места их хранения, которое называется памятью.

Что такое микропроцессор

Микропроцессор (в ангоязычной литературе MPU — Micro Processor Unit) содержит функционал компьютерного центрального процессора, или ЦП (CPU — Central Processing Unit) на одном полупроводниковом кристалле (ИМС — интегральная микросхема или на западный манер — Integrated Circuit).

Графический процессор NVIDIA

По своей сути — это микрокомпьютер, который используется для выполнения арифметических и логических операций, управления системами, хранения данных и прочих.

Микропроцессор обрабатывает данные, поступающие с входных периферийных устройств и передает обработанные данные на выходные периферийные устройства.

Существует четыре основных типа процессоров, различающихся своей архитектурой.

Микропроцессоры с полным набором команд (Complex Instruction Set Computer, CISC-архитектура). Характеризуются нефиксированным значением длины команды, кодированием арифметических действий одной командой, небольшим числом регистров, выполняющих строго определённые функции. Примером такого типа процессоров служит семейство x86.

Микропроцессоры с сокращенным набором команд (Reduced Instruction Set Computer, RISC-архитектура). Обладают, как правило, повышенным быстродействием за счёт упрощения инструкций, что позволяет упростить процесс декодирования и, соответственно, сократить время их выполнения. Большинство графических процессоров разрабатываются, используя этот тип архитектуры.

Микропроцессоры с минимальным набором команд (Minimal Instruction Set Computer, MISC-архитектура). В отличие от RISC-архитектуры, в них используются длинные командные слова, что позволяет выполнять достаточно сложные действия за один цикл работы устройства. Формирование длинных «командных слов» стало возможным благодаря увеличению разрядности микропроцессорных устройств.

В суперскалярных процессорах (Superscalar Processors) используются несколько декодеров команд, которые загружают работой множество исполнительных блоков. Планирование исполнения потока команд происходит динамически и осуществляется самим вычислительным ядром. Примером процессора с таким типом архитектуры является, например Cortex A8.

Отдельно хочу выделить микропроцессоры специального назначения (ASIC — Application Specific Integrated Circuit). Как следует из названия, предназначены для решения конкретной задачи. В отличие от микропроцессоров общего назначения, применяются в конкретном устройстве и выполняют определенные функции, характерные только для данного устройства.

Специализация на выполнении узкого класса функций приводит к увеличению скорости работы устройства и, как правило, позволяет снизить стоимость такой интегральной схемы.

Примерами таких микропроцессоров может быть микросхема, разработанная исключительно для управления мобильным телефоном, микросхемы аппаратного кодирования и декодирования аудио- и видеосигналов — так называемые цифровые сигнальные процессоры (Digital Signal Processing, DSP multiprocessors).

Могут быть реализованы в виде ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема). При разработке таких процессоров для описания их функциональности используют языки описания аппаратных устройств (HDL — Hardware Description Language), такие как Verilog и VHDL.

 Системы на основе микропроцессоров строят примерно следующим образом.

Система, основанная на микропроцессоре

Как видно, микропроцессор в этой системе имеет множество вспомогательных устройств , таких как постоянное запоминающее устройство, оперативная память, последовательный интерфейс, таймер, порты ввода/вывода и т.д.

Все эти устройства обмениваются командами и данными с микропроцессором через системную шину. Все вспомогательные устройства в микропроцессорной системе являются внешними.

Системная шина, в свою очередь, состоит из адресной шины, шины данных и шины управления.

Теперь, давайте, рассмотрим микроконтроллер.

Что такое микроконтроллер

Ниже представлена блок-схема микроконтроллера.

Какого же его основное отличие от микропроцессора? Все опорные устройства, такие как постоянное запоминающее устройство, оперативная память, таймер, последовательный интерфейс, порты ввода/вывода являются встроенными. Поэтому не возникает необходимости создавать интерфейсы с этими вспомогательными устройствами, и это экономит много времени для разработчика системы.

Внутреннее устройство микроконтроллера

Микроконтроллер не что иное, как микропроцессорная система со всеми опорными устройствами, интегрированными в одном чипе.

 Если вы хотите  создать устройство, взаимодействующее с внешней памятью или блоком ЦАП/АЦП, вам нужно только подключить соответствующий источник питания постоянного напряжения, цепь сброса и кристалл кварца (источник тактовой частоты). Их просто проблематично интегрировать в полупроводниковый кристалл.

Ядро микроконтроллера (центральный процессор), как правило строится на основе RISC-архитектуры.

Программа, записанная в память микроконтроллера может быть защищена от возможности ее последующего чтения/записи, что обеспечивает защиту от ее несанкционированного использования.

Сравниваем микроконтроллер и микропроцессор

 Микропроцессор  Микроконтроллер
Использование Компьютерные системы Встраиваемые системы
Устройство Содержит центральный процессор, регистры общего назначения, указатели стека, счетчики программы, таймер и цепи прерываний Cодержит схему микропроцессора и имеет встроенные ПЗУ, ОЗУ, устройства ввода/вывода, таймеры и счетчики.
Память данных Имеет много инструкций для перемещения данных между памятью и процессором. Имеет одну-две инструкции для перемещения данных между памятью и процессором.
Электрические цепи Высокая сложность Достаточно простые
Затраты Стоимость всей системы увеличивается Низкая стоимость системы
Число регистров Имеет меньшее количество регистров, операции в основном производятся в памяти. Имеет большее число регистров, поэтому проще писать программы
Запоминающее устройство Основано на архитектуре фон Неймана. Программа и данные хранятся в том же модуле памяти. Основано на Гарвардской архитектуре. Программы и данные хранятся в разных модулях памяти.
Время доступа Время доступа к памяти и устройствам ввода/вывода больше. Меньшее время доступа для встроенной памяти и устройств ввода/вывода.
Железо Требует большее количество аппаратного обеспечения. Требует меньшее количество аппаратного обеспечения.

 

Источник: http://robotosha.ru/electronics/microcontroller-vs-microprocessor.html

Что такое микроконтроллеры и зачем они нужны

Что нужно для того, чтобы стать профессиональным разработчиком программ для микроконтроллеров и выйти на такой уровень мастерства, который позволит с лёгкостью найти и устроиться на работу с высокой зарплатой (средняя зарплата программиста микроконтроллеров по России на начало 2015 года составляет 80 000 рублей).

Подробнее…

Эта статья является частью рассылки Микроконтроллеры для чайников. Подписаться на рассылку можно здесь.

Что такое микроконтроллер? Что такое микропроцессор?

Эта статья для тех, кто пока не знает ответ на эти вопросы. Статья открывает серию статей из рассылки “Микроконтроллеры для чайников”. Если вы ещё не подписаны на эту рассылку, то рекомендую сделать это здесь.

Чтобы понимать то, о чём я буду говорить, желательно, чтобы вы хотя бы на начальном уровне знали электронику или хотя бы более-менее помнили школьный курс физики.

Если этим вы похвастаться не можете, то тоже не страшно, так как я буду стараться объяснять всё максимально доступно. Ну а если какие-то вещи останутся для вас непонятными, то задавайте вопросы.

Только прошу описывать вашу проблему как можно более подробно, чтобы не тратить своё и моё время на переписку с дополнительными уточнениями.

Для тех, у кого проблемы с просмотром видео, я коротко расскажу его содержание.

Итак, микропроцессор и микроконтроллер — это специальные микросхемы. Но чем они отличаются друг от друга?

Вопрос не такой простой, как хотелось бы. Скажу больше, я не уверен, что знаю правильный ответ))) Однако, опираясь на свои немалые знания и опыт, я могу попытаться на него ответить.

В далёкие времена вычислительные системы строились на множестве микросхем разных типов. Когда-то вообще не было микропроцессоров. Вычислительные системы сначала были механическими, потом ламповыми, потом транзисторными. Потом пришло время интегральных микросхем.

Мне довелось работать на первой советской автоматической телефонной станции (АТС) с программным управлением. Её процессор был собран на микросхемах 155-й серии (электронщики меня поймут). Эта АТС занимала целую комнату.

Но со временем элементная база становилась всё меньше и меньше по размеру. То, что раньше собирали из нескольких десятков микросхем, удалось впихнуть в одну микросхему. Так и получился микропроцессор.

Однако для создания полноценной вычислительной системы требовались и другие элементы: память, элементы ввода-вывода и т.п. В итоге микропроцессорная система состояла из нескольких микросхем, и управлял всей этой системой микропроцессор.

Однако техника не стояла на месте. Учёным и инженерам удалось сделать кристаллы микросхем ещё меньше. И кому-то пришла идея объединить все элементы микропроцессорной системы в одну микросхему. Так появился микроконтроллер.

Итак, современный микроконтроллер — это микросхема, которая включает в себя все элементы микропроцессорной системы, такие как процессор, порты ввода-вывода, оперативную память и т.п.

Таким образом, чтобы собрать какое-нибудь простейшее устройство, нужно всего лишь:

  • Разработать схему устройства
  • Выбрать микроконтроллер
  • Написать программу для микроконтроллера
  • Загрузить программу в микроконтроллер (“прошить” микроконтроллер)
  • Собрать устройство
  • Наслаждаться результатом

Сложно? Да, непросто. Но если вы из тех, кто опускает руки при первых же проблемах, то эта профессия не для вас. Профессиональный программист — это сильная личность, человек, для которого нет нерешаемых задач.

Применение микроконтроллеров

Сегодня микроконтроллеры применяются практически во всех электронных устройствах — от китайских гирлянд до систем управления атомными станциями. Разумеется, функциональность и надёжность микроконтроллеров в гирляндах и на АЭС отличаются.

Практически вся бытовая техника (за исключением, быть может, простых электрочайников и подобных устройств) управляется микроконтроллерами: стиральные машины, телевизоры, холодильники, мультиварки и т.п.

В современных автомобилях также используются микроконтроллеры в бортовых компьютерах.

В общем, трудно в современном мире найти сферу человеческой деятельности, где бы не применялись микроконтроллеры.

Какой из этого вывод?

Правильно. Если вы станете профессиональным программистом в области разработки устройств на микроконтроллерах и их программирования, то без работы вы не останетесь. А с учётом того, что профессия эта сложная, и не каждому охота с ней связываться, эта работа будет ещё и высокооплачиваемой, так как спрос на таких специалистов высок.

Но об этом мы ещё поговорим в следующих статьях. Ждите писем. А если вы ещё не подписаны, то сделайте это сейчас.

Источник: http://av-assembler.ru/mc/br/chto-takoe-mikrokontroller.htm

Ссылка на основную публикацию