Что такое микроконтроллер. Применение микроконтроллеров.

Цель курса – познакомиться с микропроцессорной техникой, научиться писать программы для микроконтроллеров и отлаживать их на реальном оборудовании. В курсе описано устройство микроконтроллера, показано, как он взаимодействует с окружающим миром. Курс предназначен для учащихся школ, нетехнических колледжей, техникумов и ВУЗов.

Для освоения курса не требуется каких-либо специализированных знаний в электротехнике и программировании, не нужно ничего паять (хотя в будущем было бы неплохо научиться ;), не нужно покупать дорогостоящих отладочных плат. Для начала работы нам понадобится персональный компьютер (ПК) с выходом в интернет. Вся практическая часть курса выполняется в лаборатории с удаленным доступом, которая представлена макетной платой с микроконтроллером и направленной на нее вебкамерой. Любой желающий может, сидя у себя дома, запрограммировать микроконтроллер и через вебкамеру понаблюдать за его работой.

Программы мы будем писать на языке С в среде программирования Keil-C компании ARM. Сразу оговоримся, среда разработки Keil-C платная, но для выполнения всех наших работ достаточно демонстрационной версии этого продукта, demo версию можно скачать либо с официального сайта компании ARM www.keil.com, либо у нас в разделе файлы. В своих примерах я буду использовать версию v812.

Что же такое микроконтроллер? Микроконтроллер можно сравнить с персональным компьютером, он также имеет свой процессор, оперативную память, память для долгосрочного хранения информации, порты ввода-вывода и многие другие периферийные устройства, например, аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Только, в отличие от персонального компьютера, все эти компоненты объединены в одной микросхеме, поэтому микроконтроллер можно назвать "компьютером в одной микросхеме". Конечно, быстродействие такого компьютера не сравниться с быстродействием ПК, но для большинства задач мониторинга и управления его достаточно.

Микроконтроллер может задавать режим работы стиральной машины, контролировать температуру в бассейне, выводить на жидкокристаллический дисплей текст или изображение, управлять мощностью освещения, измерять напряжение, ток или любую другую физическую величину. Микроконтроллер можно встретить в сотовом телефоне, телевизоре, микроволновой печи, фотоаппарате, автомобиле, клавиатуре, наручных часах, то есть в любых устройствах, где так или иначе приходится чем-либо управлять, что-то измерять или обрабатывать информацию.

Также как и для персонального компьютера, для работы микроконтроллера требуется программа, но если в ПК, как правило, программа рассчитана на взаимодействие с операционной системой, то в микропроцессоре (тоже, как правило, но совсем не обязательно) такой операционной системы нет. В персональном компьютере операционная система организует доступ пользовательской программы ко всем внутренним и внешним устройствам компьютера через драйвер. Когда мы пишем программу для микроконтроллера, то никаких драйверов устройств нет, и нам необходимо самостоятельно организовывать программный доступ к каждому устройству.

Для обмена информацией с внешним миром в контроллере предусмотрены порты ввода и вывода информации. Часто порт ввода объединяется с портом вывода, и образуют порт ввода-вывода информации.

С внешним миром микроконтроллер обменивается информацией в цифровом виде. Основой логики работы микропроцессора служит двоичная система счисления, состоящая всего из двух цифр – единицы "1" и нуля "0". Эти две цифры двоичной системы позволяют записывать практически любые числа. Для электрических сигналов, несущих эту цифровую информацию, двоичная система счисления соответствует двум состояниям, или двум "логическим" уровням: высокому и низкому. Как правило, напряжение высокого логического уровня близко к напряжению питания микросхемы, например, 5 В или 3 В. Напряжение низкого логического уровня – логического ноля "0" - может составлять несколько десятых вольта, например, 0,3 В, и в идеальном случае равняется 0 В. С помощью загруженной в него программы микроконтроллер может установить на любой ножке порта вывода требуемый уровень напряжения. Также микроконтроллер может программно определять состояние сигнала на своих ножках, высокое ли напряжение на ней или низкое (ноль или единица).

Получать информацию микроконтроллер может из подключаемых к его портам устройств, таких как: кнопки, клавиатуры, различные датчики, цифровые микросхемы и других микроконтроллеры, и даже ПК. Для вывода информации к портам контроллера можно подключать светодиоды, жидкокристаллические индикаторы, семисегментные индикаторы и многое другое.

Все порты ввода-вывода можно разделить на две группы: это параллельные порты и последовательные. При параллельном способе передачи информации каждый бит передаваемого слова имеет отдельный провод, таким образом, при передаче данных байтами нам понадобиться шлейф из восьми проводов. При таком способе передачи у микропроцессора для функции ввода-вывода должно быть зарезервировано восемь ножек. При последовательном способе передачи данных используется всего лишь один информационный проводник, на нем последовательно, друг за другом, устанавливаются биты передаваемого слова. На другой стороне приемник также последовательно считывает эти биты. То есть для реализации последовательной передачи данных может быть использована всего одна ножка контроллера.

Любой микроконтроллер в своем составе должен иметь микропроцессор. Микропроцессор - это "мозг" микроконтроллера, помимо вычислений он обеспечивает взаимодействие всех периферийных устройств микроконтроллера. Когда мы пишем программу, мы как бы указываем микропроцессору, какие инструкции и в какой последовательности ему следует выполнять.

Также как и в персональном компьютере, в микропроцессоре есть память. Структурно память состоит из пронумерованных ячеек, номер ячейки принято называть адресом, а совокупность всех возможных адресов памяти называют адресным пространством. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Всю память можно разделить две большие группы: это ПЗУ - постоянно запоминающее устройство, и ОЗУ - оперативно запоминающее устройство, или просто - оперативная память. В персональном компьютере роль ПЗУ выполняют жесткие диски, оптические диски, карты памяти и флешки. Особенность этого типа памяти заключается в том, что после отключения питания устройства записанная информация сохраняется на носителе, и после возобновления подачи питания снова может быть считана. В оперативной же памяти информация сохраняется только пока подано питание. Но быстродействие ОЗУ может превосходить быстродействие ПЗУ в десятки и даже сотни раз. Поэтому удобно исполняемую программу держать в ПЗУ, а все переменные, к которым требуется быстрый доступ - в ОЗУ. Если в ПК объем памяти измеряется в ГБ (приставка Гига – 10⁹), то в микроконтроллерах все гораздо скромнее. Так, в микроконтроллере ADuC842, который мы будем использовать в практической части урока, имеется всего 62 кБ (килобайта) ПЗУ и 256 байт ОЗУ.

Еще одна особенность микроконтроллеров заключается в том, что большая часть из них выполнена по так называемой Гарвардской архитектуре, а это значит, что для хранения программ и данных используется две различные памяти: память программ и память данных. В памяти программ хранится непосредственно исполняемый код, который определяет алгоритм действия системы. Этот код никоим образом не может быть изменен исполняемой программой. Загружая исполнительный код в память микроконтроллера, программист определяет алгоритм функционирования микроконтроллерной системы. Часто процесс загрузки программы в память называют "прошивкой" контроллера.

После загрузки программы в память мы перезапускаем микроконтроллер. После перезагрузки микропроцессор обращается в самую первую ячейку памяти программ за командой. Адрес самой первой ячейки - 0. Затем считанная команда выполняется, и процессор начинает считывать следующую по порядку команду. Таким образом, команды выполняются последовательно, одна после завершения другой. Но существуют команды, способные изменить последовательность выполнения команд в зависимости от каких-либо условий, такие команды называются командами условного перехода. С помощью таких команд реализуются разветвленные алгоритмы работы.

В данном курсе мы научимся создавать собственные "прошивки" для микроконтроллеров. Каждый урок будет состоять из двух частей. Первая часть - это теория, где я расскажу о способах подключения различных устройств к микроконтроллеру и особенностях функционирования встроенной периферии. Во второй части покажу, как программно организовать работу описанной в первой части системы. Кроме того, в конце каждого урока полагается домашнее задание, где будет предложено решить прикладную задачу: написать, отладить и испытать на реальном оборудовании программу.