Микроконтроллеры: что это, как их используют в радиоэлектронике

Кажется, сегодня сложнее найти электронное устройство без микроконтроллера, чем с ним. Посмотрите вокруг: смарт-часы, кофеварка, блендер, 3D-принтер, пылесос, роутер, стол с электроприводом регулировки высоты — везде вы найдете хотя бы один микроконтроллер. Но что же это такое, почему без него практически невозможно обойтись в современной радиоэлектронике?

Этот материал поможет разобраться с тем, как устроены микроконтроллеры, для чего предназначены, как работают, как их изготавливают.

Что такое микроконтроллер?

Микроконтроллер — это маленький компьютер на едином микрочипе. Выглядеть он может по-разному в зависимости от исполнения, но это почти всегда прямоугольный или квадратный корпус со множеством выводов.

В основе микроконтроллера лежит микропроцессор. По внутреннему устройству он похож на своих «старших собратьев», которые устанавливают в полноценный компьютер, но только намного проще. В отличие от них, микроконтроллер включает в себя все необходимое для работы. В том числе память для хранения программ и данных, а также интерфейсы для «общения» с другими устройствами или датчиками.

Простыми словами, микроконтроллер — это небольшой, но самодостаточный компьютер, который можно встроить в любое устройство, чтобы сделать его «умным». Это может быть что угодно: от микроволновой печи, которая автоматически регулирует мощность в зависимости от веса продукта, до сложных систем управления полетом космического аппарата.

Одна из ключевых особенностей элементов — их способность выполнять заранее запрограммированные задачи с высокой точностью и надежностью. Именно благодаря этому они нашли широкое применение в различных областях: от бытовой электроники до промышленного производства и автомобилестроения.

Современные настольные ПК или сетевые серверы ориентированы на очень широкий круг задач и постоянное их изменение с помощью программного обеспечения. Для универсальности им нужна большая вычислительная мощность, которую не всегда используют рационально. Микроконтроллеры же нацеливают на эффективное решение одной задачи. Узкое предназначение позволяет упростить внутреннюю структуру, а значит, уменьшить размер, энергопотребление и требования по вычислительной мощности.

Виды микроконтроллеров

Элементы обычно классифицируют по архитектуре процессора и его разрядности (количество одновременно обрабатываемых бит информации), возможностям ввода/вывода. Рассмотрим их основные виды.

По разрядности

Традиционно разрядность современной вычислительной техники кратна 8. Другие варианты встречаются крайне редко, поскольку нестандартная разрядность приводит к большим сложностям использования стандартного программного обеспечения. Разрядность процессора обычно связана с тем, какой длины программа может быть записана в микроконтроллер.

• 8-битные — самые простые и наименее мощные. Хорошо подходят для выполнения базовых задач, таких как простое управление устройствами или считывание данных с датчиков. Они дешевые, потребляют минимальное количество энергии. «Истинно» восьмиразрядные микроконтроллеры могут адресовать всего 256 ячеек памяти по 1 байту, что в целом дает 256 байт и на программу, и на данные. Пример такого контроллера — ATtiny85 от компании Atmel. Но 256 байт — это все же очень мало. В этот объем можно уместить только самые простые программы. Поэтому чаще всего восьмиразрядные микроконтроллеры имеют 16-разрядную шину данных (канал связи микропроцессора со встроенной памятью), которая позволяет адресовать уже 64 кБ информации. Благодаря своей простоте и миниатюрности такие контроллеры хорошо подходят для RFID-меток.
• 16-битные предлагают больше вычислительной мощности и больший объем памяти, чем восьмибитные, что делает их подходящими для более сложных задач, например, для управления моторами, для проектов, в которых требуется обработка большого объема данных.
• 32-битные контроллеры — мощные устройства с большим объемом памяти и высокой скоростью обработки данных. Они подходят для сложных приложений, таких как мультимедийные устройства, смартфоны, гиростабилизаторы и любых других систем управления, где требуется высокая производительность.

Разрядность выше 32 в микроконтроллерах используется уже редко. С ростом сложности исчезают и преимущества чипов в энергопотреблении, весе и габаритах, поэтому применение процессоров общего назначения становится более оправданным.

По архитектуре процессора

Микроконтроллеры могут выглядеть одинаково (квадратные или прямоугольные плоские кусочки пластика с торчащими из них выводами), но внутри они устроены по-разному. От внутренней архитектуры зависит то, как правильно их подключать, как быстро они работают, насколько устойчивы к внешним помехам, как их программировать. Поэтому перед установкой их в какое-то устройство надо обязательно знать его архитектуру: просто достать один микроконтроллер и поставить другой нельзя.

• AVR от компании Atmel. Это простые в использовании восьмибитные и 32-битные микроконтроллеры, популярные среди радиолюбителей и тех, кто только делает первые шаги в проектах «сделай сам». Atmel строит свои контроллеры на наборах инструкций RISC (reduced instruction set computer — компьютер с ограниченным набором инструкций), поэтому они отличаются простотой и высокой производительностью. Дополнительным преимуществом для энтузиастов становится и то, что программировать можно не только на ассемблере (на языке машинных инструкций), но и на C/C++ и даже использовать специальную версию компилятора gcc.
• PIC (от Microchip Technology). Эти микроконтроллеры бывают 8-, 16- и 32-битные. Встречаются варианты как RISC, так и CISC (complex instruction set computer — компьютер со сложным набором инструкций). За счет увеличенного набора инструкций микроконтроллеры получают дополнительную гибкость и более широкий спектр использования. У Microchip Technology накоплена большая экспертиза в разработке устройств для промышленности и сложных проектов. Для PIC’ов используется среда разработки от производителя, которая также предлагает программирование и отладку на ассемблере или C/C++.
• ARM Cortex. Семейство 32-битных микроконтроллеров широко используется в промышленности благодаря своей мощности, эффективности и масштабируемости. ARM Cortex включает несколько линеек: Cortex-M — для микроконтроллеров, Cortex-R — для систем реального времени и Cortex-A — для приложений.

Если AVR и PIC — это архитектуры самих производителей, то ARM — это относительно открытая спецификация, по которой производство микроконтроллеров доступно компаниям, купившим лицензию на использование этой архитектуры. За счет своей продуманности и открытости ARM в последнее время активно завоевывает рынки.

По возможностям ввода/вывода и периферии

С базовой периферией выпускают микроконтроллеры, у которых ограниченное количество портов ввода/вывода, а также таймеры или простые интерфейсы связи: UART, SPI или I2C. Элементы с расширенной периферией уже обладают дополнительными функциями, такими как аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), сложные интерфейсы связи (USB, Ethernet) и даже графические контроллеры.

Выбор микроконтроллера для проекта

Оптимальный микроконтроллер для конкретного проекта в первую очередь зависит от его цели. Для учебы можно использовать те, что есть в наличии. Для коммерческой разработки потребуется более серьезный отбор с учетом требований по вычислительной мощности, объему памяти, необходимым периферийным устройствам и целевой стоимости проекта. Небольшие устройства, такие как датчики температуры или простые контроллеры, могут обходиться восьмибитными микроконтроллерами, в то время как для более сложных устройств, например, смартфонов или навигационных систем, лучше подойдут 32-битные чипы с расширенными функциями.

Устройство микроконтроллеров

Чипы структурно напоминают своих «старших братьев» — персональные компьютеры, но с той лишь разницей, что микроконтроллер размещается в одном миниатюрном корпусе. Чаще всего в нем присутствует:

• центральное вычислительное устройство – это «мозг», в котором происходит вся полезная работа;
• блок постоянной памяти для хранения программы и начальных настроек микроконтроллера, его задача состоит в том, чтобы сделать устройство независимым от внешнего питания – при этом у самых простых устройств может быть память без возможности ее перепрограммирования («обновления прошивки микроконтроллера»), а более сложные перезапись позволяют;
• таймеры и счетчики событий – нужны для внутренней организации работы (например, выдачи на центральное вычислительное устройство тактов работы и подсчета времени);
• периферийные устройства, которые подбирают с учетом назначения микроконтроллера – для снятия информации с аналоговых устройств потребуется ЦАП, а для взаимодействия с другими цифровыми системами может понадобиться интерфейс I2C или более сложный.

При включении питания тактовый генератор начинает подавать импульсы в центральное вычислительное устройство, которое считывает и исполняет программу, в соответствии с которой и строится работа контроллера и определяются его реакции на изменения внешних условий.

Технология изготовления

Процесс изготовления микроконтроллеров, как и других микросхем, происходит на специализированных заводах — полупроводниковых фабриках. Сама технология очень сложная и требует дорогого высококачественного оборудования и квалифицированных специалистов.

Рассмотрим процесс изготовления.

• Дизайн. Прежде всего разработчики проектируют схему микроконтроллера, используя специализированное программное обеспечение. Этот этап включает в себя проектирование логических схем, выбор архитектуры процессора, памяти, входов/выходов и периферийных устройств. Создают виртуальную модель будущей микросхемы, которую рассчитывают и оптимизируют под требуемые задачи по производительности, тепловыделению и энергопотреблению.
• Производство кремниевых пластин. Основой для микроконтроллеров служит кремний, из которого изготавливают тонкие круглые пластины — кремниевые подложки диаметром до 300 мм. На них размещают сразу сотни (иногда даже тысячи) будущих микроконтроллеров.
• Фотолитография. На этом этапе на кремниевую подложку наносят слои фоточувствительного материала, который затем экспонируется в ультрафиолетовом свете через специальный трафарет с образцом будущей схемы. Это позволяет перенести электросхему на кремний.
• Травление. Используется для удаления лишнего материала с кремниевой подложки. После травления на ней остаются только проводники.
• Допирование. Это процесс внесения примесей в определенные участки кремния для изменения его проводимости. Допирование позволяет создавать p-n переходы. Это основа для транзисторов, диодов и других компонентов микроконтроллера. Если обычно радиолюбители берут готовые детали и паяют их к плате, то при производстве микроконтроллеров те же самые элементы создают прямо на пластине: паять их уже не приходится.
• Нанесение металлических слоев. Для создания электрических соединений между компонентами схемы на кремниевую подложку наносят слои металла (чаще всего алюминия или меди). Это делают с помощью процессов осаждения.
• Сборка. После изготовления микросхем подложка разрезается на отдельные чипы, которые затем упаковывают в корпуса.
• Тестирование. Каждый микроконтроллер тестируют на соответствие требованиям: проверяют его функциональность, частоту работы, потребление энергии и т. д. Неисправные экземпляры отбраковывают.

Миниатюрность деталей, из которых состоит микропроцессор, накладывает особые ограничения на чистоту производственных помещений, поскольку даже небольшое загрязнение воздуха на фабрике приводит к повышению брака в выпускаемых партиях. Сложность изготовления делает его выгодным только в том случае, если производят большие партии микроконтроллеров. Для особых проектов, таких как космические и военные программы, возможен выпуск небольших серий, но стоит это очень дорого.

Области применения

Многообразие и дешевизна выпускаемых элементов привели к тому, что сегодня гораздо проще и дешевле любой аналоговый сигнал с их помощью преобразовать в цифровую форму (АЦП), обработать другим специализированным чипом и дальше выдать на исполнительное устройство, преобразовав сигнал обратно из цифрового в аналоговый вид. Поэтому микроконтроллеры встроены почти в каждое устройство: экран, с которого вы читаете этот текст, электрочайник, умную лампочку, радиоприемник, современный телевизор и многое другое.

Известные производители микроконтроллеров

Производители качественных микроконтроллеров предлагают свои уникальные устройства. Назовем несколько крупных компаний.

• Microchip Technology. Один из старейших и самых опытных производителей микроконтроллеров собственной архитектуры PIC. Они получили широкое применение в промышленности и потребительской электронике.
• Texas Instruments (TI). В компании создали линейки микроконтроллеров MSP430 и Tiva C, которые отличаются пониженным энергопотреблением. Устройства нашли применение в военных проектах, медицине, автомобилях и домашней электронике.
• STMicroelectronics. Производит микроконтроллеры семейства STM32 на основе архитектуры ARM Cortex. STM32 известны своей высокой производительностью, гибкостью и масштабируемостью. Они находят применение в интернете вещей (IoT), умных домах, индустриальных системах и медицинских устройствах. Особую любовь эти элементы заслужили у производителей систем управления беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Высокая вычислительная мощность и интеграция датчиков позволяют эффективно управлять полетом дрона или авиамодели, стабилизировать ее, направлять по маршруту и даже автоматически взлетать или садиться.
• NXP Semiconductors. В компании производят микроконтроллеры семейства LPC на основе ARM Cortex, которые характеризует высокая производительность и разнообразие периферийных интерфейсов. Это оборудование нашло применение в автомобильной и потребительской электронике, промышленном управлении.
• Atmel. Эту компанию купили Microchip Technology, но микроконтроллеры AVR по-прежнему популярны, особенно в сообществе Arduino, благодаря их легкости в использовании и гибкости.
• Silicon Labs. В компании специализируются на микроконтроллерах с низким энергопотреблением и встроенными беспроводными интерфейсами, такими как Bluetooth и Zigbee. Их устройства хорошо зарекомендовали себя в смарт-часах, датчиках умного дома и решениях IoT.

И это далеко не полный список производителей. Каждый из них предлагает устройства на любой вкус и кошелек. Конкуренция между поставщиками очень острая, поэтому на любую задачу точно удастся найти подходящее устройство.

Что в итоге

Без микроконтроллеров трудно представить современную комфортную жизнь. Благодаря своему многообразию они проникли буквально везде: помогают вскипятить воду, разогревают обед, следят за пульсом, охлаждают офис, делают авто безопасным и даже открывают для человечества тайны космоса. А еще микроконтроллеры — это интересно. Подобрать нужный, запрограммировать, соединить с периферией — и вот уже готова автоматическая поилка для собаки. Все зависит только от фантазии и навыков.