MCU là gì ? Vi điều khiển tích hợp trên các hệ thống nhúng

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 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 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 được sử dụng trong máy tính cá nhân hoặc các ứng dụng mục đích khác.

Vi điều khiển được sử dụng trong các sản phẩm và thiết bị điều khiển tự động, như hệ thống điều khiển động cơ ô tô, thiết bị y tế cấy ghép, điều khiển 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 là một giải pháp kinh tế và phổ biến, tiếp nhận dữ liệu cảm biến và kích hoạt các thiết bị theo lập trình.

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 tương thích cho những ứng dụng sử dụng pin cần thời hạn hoạt động giải trí dài .Các bộ vi điều khiển và 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 và điều khiển tiên phong vào năm 1971. Kết quả việc làm của họ là TMS 1000, được bán trên thị trường vào năm 1974. Nó tích hợp bộ nhớ chỉ đọc, bộ nhớ đọc / ghi, bộ giải quyết và xử lý và đồng hồ đeo tay trên một chip và 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 và 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 và 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, được thương mại lần tiên phong vào năm 1977. Nó phối hợp RAM và ROM trên cùng một con chip với bộ vi giải quyết và xử lý. Nó 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 và tinh chỉnh ( MCU ) là một trong những loại sản phẩm thành công xuất sắc nhất 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 loại có bộ nhớ chương trình EPROM, với một hành lang cửa số thạch anh trong suốt 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 được sử dụng trong nguyên mẫu .Biến thể khác là ROM hoặc PROM biến thể chỉ được lập trình một lần. Về sau, đôi lúc thuật ngữ OTP 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. Các 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 không cần hành lang cửa số ( xem thêm bài viết về ROM là gì ), 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 không 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 loại EEPROM đặc biệt quan trọng. Các công ty khác nhanh gọn làm theo với cả hai loại bộ nhớ .Ngày nay, vi điều khiển và tinh chỉnh có giá rẻ và 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 được bán trên quốc tế 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 và 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 và 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 và điều khiển. Chúng cũng hoàn toàn có thể được tìm thấy trong nhiều thiết bị điện như máy giặt, lò vi sóng và điện thoại cảm ứng .Trong lịch sử vẻ vang, phân khúc 8 bit đã thống trị thị trường MCU. Năm 2011 vi tinh chỉnh và điều khiển 16 bit trở thành 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 và tinh chỉnh trong năm 2017, trong khi những thiết bị 16 bit sẽ đại diện thay mặt 34 % tổng số phong cách thiết kế và 4/8 bit được Dự kiến 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 và sự tăng trưởng trong liên kết sử dụng Internet IoT. Trong vài năm tới, MCU 32 bit phức tạp dự kiến ​ ​ 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 nhất 8 – bit vi điều khiển và tinh chỉnh là có sẵn với giá dưới 0,03 USD vào năm 2018, và 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 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 và điều khiển 8 bit hoàn toàn có thể 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 ) và 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 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 và 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 nhất quốc tế

Vào ngày 21 tháng 6 năm 2018, “ máy tính nhỏ nhất quốc tế ” đã được Đại học Michigan công bố. Thiết bị này là “ mạng lưới hệ thống cảm ứng không dây và pin có kích cỡ 0,04 mm3 hiệu suất 16 nW với bộ giải quyết và xử lý Cortex-M0 + tích hợp và tiếp xúc quang học ” Nó có kích cỡ nhỏ hơn một hạt gạo .Thiết bị được tích hợp RAM, tế bào quang điện, bộ giải quyết và xử lý và bộ truyền phát không 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 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 là gì

Một vi điều khiển và tinh chỉnh hoàn toàn có thể được coi là một mạng lưới hệ thống khép kín với bộ giải quyết và xử lý, bộ nhớ và những thiết bị ngoại vi và hoàn toàn có thể được sử dụng như một mạng lưới hệ thống nhúng. Phần lớn những bộ vi tinh chỉnh và 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 phức tạp, nhiều mạng lưới hệ thống có nhu yếu tối thiểu về bộ nhớ, không có hệ quản lý và điều hành và 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 phân biệt khác của máy tính cá thể .

Ngắt vi tinh chỉnh và điều khiển MCU 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 không 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 và 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 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 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 và 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 được lập trình cho vi tinh chỉnh và điều khiển phải tương thích với bộ nhớ trên chip có sẵn, vì 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 được sử dụng để quy đổi cả mã ngôn 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 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 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 và 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 ” ) và kiểm tra. Từ năm 1998, những phiên bản EPROM rất hiếm và đã được sửa chữa thay thế bằng EEPROM và 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 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 và 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 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 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 và 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 là AT91CAP từ Atmel .

Các tính năng khác của vi điều khiển và 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 tạo ra tín hiệu tựa như. Đây là mục tiêu của bộ chuyển đổi tựa như sang số ( ADC ). Vì bộ giải quyết và 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 được gửi đến thiết bị .Vì vậy, bộ chuyển đổi tương tự như sang số 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 và điều khiển là bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự như ( DAC ) được cho phép bộ giải quyết và 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 nhất 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 chỉ 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 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 không 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 ít tải 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 và điều khiển MCU hoàn toàn có thể không tiến hành địa chỉ bên ngoài hoặc bus tài liệu vì chúng tích hợp RAM và bộ nhớ không 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 trên một chip duy nhất làm 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 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-bit
• Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (RAM)
• ROM, EPROM, EEPROM hoặc bộ nhớ Flash để lưu trữ chương trình vận hành
• Các đầu vào và đầu ra riêng biệt, cho phép kiểm soát hoặc phát hiện trạng thái logic của một chân riêng lẻ
• Cổng 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 thống
• Các khối ngoại vi như bộ hẹn giờ, bộ đếm sự kiện, bộ tạo PWM và bộ giám sát
• Bộ tạo xung nhịp  – thường là bộ tạo dao động tinh thể thạch anh, bộ cộng hưởng hoặc mạch RC
• Đôi khi thường bao gồm bộ chuyển đổi tương tự sang số, một số bao gồm bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự
• Mạch lập trình và mạch hỗ trợ gỡ lỗi

Việc tích hợp này làm 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 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 bằng ứng dụng. Điều này 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 chứng tỏ là rất phổ cập trong những mạng lưới hệ thống nhúng kể từ khi 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 và 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 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 làm 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 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 không có bộ giải quyết và xử lý toán học, vì thế những phép toán dấu phẩy động được triển khai 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 ví dụ là dòng dựa trên PIC32 MIPS của Microchip .

Môi trường lập trình MCU là gì ?

Các bộ vi tinh chỉnh và điều khiển khởi đầu chỉ được lập trình bằng ngôn từ assembly, nhưng những ngôn từ lập trình cấp cao khác, như C, Python và JavaScript, hiện cũng 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 từ cấp cao thường sẽ có 1 số ít hạn chế nhưng cũng có 1 số ít nâng cấp cải tiến để tương hỗ tốt hơn những đặc tính của vi tinh chỉnh và 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 công cụ không lấy phí để thuận tiện lập trình và ứng dụng 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 không chuẩn của riêng họ, ví dụ điển hình như SDCC cho 8051. Các trình biên dịch cũng hoàn toàn có thể chứa những tính năng không tiêu chuẩn, ví dụ điển hình như MicroPython .Phần mềm biên dịch cũng có sẵn cho 1 số ít vi điều khiển và tinh chỉnh. Ví dụ, BASIC trên những bộ vi điều khiển và 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 nghiên cứu và 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 được cho phép những tín hiệu nguồn vào được tạo ra .Mặc dù hầu hết những trình giả lập sẽ bị hạn chế do không 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 và hoàn toàn có thể là cách nhanh nhất để gỡ lỗi và nghiên cứu và phân tích những yếu tố .Các bộ vi tinh chỉnh và điều khiển gần đây thường được tích hợp với mạch gỡ lỗi trên chip khi được trình giả lập trong mạch ( ICE ) truy vấn trải qua JTAG, 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 và tinh chỉnh gồm có :

• ARM core processors (nhiều nhà sản xuất)
• ARM Cortex-M cores sử dụng cho các ứng dụng cụ thể khác nhau
• Microchip Technology Atmel AVR (8-bit), AVR32 (32-bit) và AT91SAM (32-bit)
• Cypress Semiconductor’s M8C core sử dụng trên các PSoC (Programmable System-on-Chip)
• Freescale ColdFire (32-bit) và S08 (8-bit)
• Freescale 68HC11 (8-bit) và các loại khác thuộc họ Motorola 6800
• Intel 8051 được sản xuất bởi NXP Semiconductors và nhiều nhà sản xuất khác
• Infineon: 8-bit XC800, 16-bit XE166, 32-bit XMC4000 (ARM dựa trên Cortex M4F), 32-bit TriCore và 32-bit Aurix Tricore Bit
• Maxim tích hợp MAX32600, MAX32620, MAX32625, MAX32630, MAX32650, MAX32640
• MIPS
• Microchip 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 Propeller
• PowerPC ISE
• Rabbit 2000 (8-bit)
• Renesas Electronics: RL78 16-bit MCU; RX 32-bit MCU; SuperH; V850 32-bit MCU; H8; R8C 16-bit MCU
• Silicon Laboratories Pipelined 8-bit 8051 và ARM-dựa trên 32-bit MCU
• STMicroelectronics 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 và 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 và 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 và tinh chỉnh 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 hiệu quả trung gian ( thanh ghi ) phải được lưu trước khi ứng dụng chịu nghĩa vụ và trách nhiệm giải quyết và xử lý ngắt hoàn toàn có thể chạy. Chúng cũng phải được Phục hồi sau khi giải quyết và xử lý ngắt đó kết thúc .Nếu có nhiều thanh ghi bộ giải quyết và xử lý, quy trình tàng trữ và 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 được giữ nguyên thay vì lưu và Phục hồi chúng, thế cho nên trong trường hợp đó, những thanh ghi đó không 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 và xử lý vì nó làm chậm hầu hết quy trình giải quyết và xử lý ) hoặc tối thiểu là phần cứng không lưu toàn bộ chúng ( điều này không 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 được sử dụng bởi ứng dụng ngắt, tương hỗ ngăn xếp chuyên 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 và tinh chỉnh có khuynh hướng có những đường ống ngắn ( pipelines ), bộ đệm ghi nhỏ và 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 tránh 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 gây 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 không 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 không 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 hạn chế .Bộ giải quyết và xử lý hoàn toàn có thể có tương hỗ phần cứng cho 1 số ít phần quan trọng. Các ví 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 được cho phép ngắt ưu tiên cao hơn để ngắt những ưu tiên thấp hơn. Điều này được cho phép ứng dụng quản trị độ trễ bằng cách cung ứng những ngắt thời hạn quan trọng ưu tiên cao hơn ( và do đó độ trễ thấp hơn và dễ Dự kiến hơn ) .Tỷ lệ kích hoạt. Khi ngắt xảy ra back-to-back, vi tinh chỉnh và điều khiển hoàn toàn có thể tránh 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 và điều khiển, bộ nhớ không 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 nhất cho đến ngày này, SRAM hầu hết luôn được sử dụng làm bộ nhớ thao tác đọc / ghi. FRAM hoặc MRAM có năng lực hoàn toàn có thể thay thế sửa chữa vì nó sẽ giúp 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 không 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 nhất 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 không có cửa sổ như vậy 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 là bộ vi tinh chỉnh và điều khiển tiên phong sử dụng EEPROM để tàng trữ phần sụn. Bộ vi tinh chỉnh và 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 và 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.comXem thêm :