Одноплатный микроконтроллер - Single-board microcontroller

В Сделать комплект контроллера с Atmel AT91SAM7X256 (РУКА ) микроконтроллер.

А одноплатный микроконтроллер это микроконтроллер построенный на едином печатная плата. На этой плате есть все схемы, необходимые для полезной задачи управления: микропроцессор, Цепи ввода / вывода, а генератор часов, баран, сохраненная программная память и вся необходимая поддержка ИС. Предполагается, что плата сразу же пригодится разработчику приложения, не требуя от него затрат времени и усилий на разработку аппаратного обеспечения контроллера.

Одноплатные микроконтроллеры, как правило, недорогие и имеют особенно низкие капитальные затраты на разработку, поэтому они давно популярны в образовании. Они также являются популярным средством для разработчиков, чтобы получить практический опыт работы с новым семейство процессоров.

Происхождение

Одноплатные микроконтроллеры появились в конце 1970-х годов, когда появились первые микропроцессоры, такие как 6502 и Z80,[1] сделало практичным создание всего контроллера на одной плате, а также сделало возможным выделить компьютер для относительно незначительной задачи.

В марте 1976 г. Intel объявила о выпуске одноплатного компьютера, в котором интегрированы все компоненты поддержки, необходимые для их 8080 микропроцессор, вместе с 1 килобайт оперативной памяти, 4 килобайта программируемого пользователем ПЗУ и 48 линий параллельного цифрового ввода-вывода с драйверами линий. Плата также предлагала расширение через разъем шины, но могла использоваться без каркаса для карт расширения, когда приложениям не требовалось дополнительное оборудование. Разработка программного обеспечения для этой системы проводилась на базе Intel Интеллек МДС система разработки микрокомпьютеров; это предоставило ассемблер и PL / M поддержка и разрешено внутрисхемная эмуляция для отладки.[2]

Процессоры этой эпохи требовали включения ряда поддерживающих микросхем вне процессора. баран и EPROM были отдельными, часто требовали управления памятью или схемы обновления для динамическая память. Обработка ввода-вывода могла выполняться одной микросхемой, такой как 8255, но часто требовалось еще несколько фишек.

Одноплатный микроконтроллер отличается от одноплатный компьютер в том, что ему не хватает универсального пользовательского интерфейса и интерфейсов запоминающего устройства, которые были бы в более универсальном компьютере. По сравнению с макетная плата микропроцессора, плата микроконтроллера будет подчеркивать взаимосвязь цифрового и аналогового управления с некоторой управляемой системой, тогда как плата разработки может иметь только несколько или не иметь дискретных или аналоговых устройств ввода / вывода. Плата для разработки существует для демонстрации или обучения некоторому конкретному семейству процессоров, и поэтому внутренняя реализация более важна, чем внешняя функция.

Внутренняя шина

В автобус ранних одноплатных устройств, таких как Z80 и 6502, был повсеместно Архитектура фон Неймана. Доступ к памяти программ и данных осуществлялся через одну и ту же общую шину, хотя они хранились в принципиально разных типах памяти: ПЗУ для программ и баран для данных. Эта шинная архитектура была необходима для экономии количества необходимых выводов из ограниченных 40, доступных для вездесущего двухканального ИС процессора.

Было обычным делом предлагать доступ к внутренней шине через соединитель расширения или, по крайней мере, предоставлять место для пайки соединителя. Это был недорогой вариант, который давал возможность расширения, даже если он редко использовался. Типичные расширения - это устройства ввода-вывода или дополнительная память. Было необычно добавлять периферийные устройства, такие как ленточное или дисковое хранилище, или ЭЛТ-дисплей.

Позже, когда однокристальные микроконтроллеры, такой как 8048, стало доступным, шину больше не нужно было открывать за пределами пакета, так как вся необходимая память могла быть предоставлена ​​внутри пакета микросхемы. Это поколение процессоров использовало Гарвардская архитектура с отдельными шинами для программ и данных, как внутри чипа. Многие из этих процессоров использовали модифицированная архитектура Гарварда, где был возможен некоторый доступ на запись к пространству данных программы, что позволяло программировать внутри схемы. Ни один из этих процессоров не требовал и не поддерживал гарвардскую шину через одноплатный микроконтроллер. Когда они поддерживали шину для расширения периферийных устройств, выделенная шина ввода-вывода, например I²C, 1-Wire или различные серийные автобусы, использовался.

Расширение внешней шины

Некоторые платы микроконтроллеров, использующие универсальный микропроцессор, могут подключать адресную шину и шину данных процессора к разъему расширения, что позволяет добавлять дополнительную память или периферийные устройства. Это обеспечивает ресурсы, которых еще нет в одноплатной системе. Поскольку не каждая система потребует расширения, соединитель может быть дополнительным, с возможностью установки пользователем при желании.

Ввод и вывод

Ардуино Diecimila с Atmel ATMEGA168

Системы микроконтроллеров предоставляют несколько форм входных и выходных сигналов, позволяя прикладному программному обеспечению управлять внешней «реальной» системой. Дискретный цифровой ввод / вывод предоставляет один бит данных (включен или выключен). Аналоговые сигналы, представляющие непрерывный переменный диапазон, например температуру или давление, также могут быть входами и выходами для микроконтроллеров.

Дискретные цифровые входы и выходы могут буферизоваться от шины данных микропроцессора только с помощью адресуемой защелки или могут управляться специализированной ИС ввода / вывода, такой как Intel 8255 или Motorola 6821 адаптер параллельного ввода / вывода. Более поздние однокристальные микроконтроллеры имеют входные и выходные контакты. Эти входные / выходные цепи обычно не обеспечивают достаточный ток для непосредственного управления такими устройствами, как лампы или двигатели, поэтому твердотельные реле управляются цифровыми выходами микроконтроллера, а входы изолированы преобразование сигнала схемы переключения уровня и защиты.

Один или несколько аналоговых входов, с аналоговым мультиплексором и общим аналого-цифровой преобразователь, встречаются на некоторых платах микроконтроллеров. Аналоговые выходы могут использовать цифро-аналоговый преобразователь или, на некоторых микроконтроллерах, могут управляться с помощью широтно-импульсная модуляция. Для дискретных входов могут потребоваться внешние цепи для масштабирования входов или для обеспечения таких функций, как мост возбуждение или компенсация холодного спая.

Чтобы контролировать стоимость компонентов, многие платы были разработаны с дополнительными схемами аппаратного интерфейса, но без установленных компонентов для этих схем, оставив плату пустой. Схема была добавлена ​​в качестве опции при доставке или может быть заполнена позже.

Обычно платы включают «области прототипирования», участки платы, расположенные в виде паяемой макетной платы с доступной шиной и шинами питания, но без определенной схемы. Несколько контроллеров, особенно предназначенных для обучения, также включают в себя подключаемый, многоразовый макет для легкого прототипирования дополнительных схем ввода / вывода, которые можно изменить или удалить для последующих проектов.

Коммуникации и пользовательские интерфейсы

Интерфейсы связи различаются в зависимости от возраста микроконтроллерной системы. Ранние системы могли реализовать Серийный порт предоставлять RS-232 или же токовая петля. Последовательный порт может использоваться прикладной программой или может использоваться вместе с ПЗУ монитора для передачи программ в память микроконтроллера. Текущие микроконтроллеры могут поддерживать USB, беспроводные сети (Вай фай, ZigBee, или другие) или обеспечить соединение Ethernet. Кроме того, они могут поддерживать TCP / IP стек протоколов. Некоторые устройства имеют встроенное программное обеспечение для реализации веб-сервера, что позволяет разработчику приложений быстро создать инструмент или систему с поддержкой Интернета.

Программирование

Многие ранние системы не имели внутренних средств программирования и полагались на отдельную «хост-систему» ​​для решения этой задачи. Это программирование обычно выполнялось в язык ассемблера, а иногда и в C или же PL / M, а затем кросс-сборку или скомпилированный на хосте. Некоторые одноплатные микроконтроллеры поддерживают языковую систему BASIC, что позволяет разрабатывать программы на целевом оборудовании. Размещенная разработка позволяет использовать все хранилища и периферийные устройства настольного компьютера, обеспечивая более мощную среду разработки.

EPROM запись

Ранние микроконтроллеры полагались на стираемая программируемая постоянная память (EPROM) устройства для хранения прикладной программы. В объектный код из хост-системы будет "записано" на EPROM с Программатор EPROM.[3] Затем этот СППЗУ был физически вставлен в плату. Поскольку во время разработки программы EPROM удалялся и заменялся много раз, было обычным ЗИФ гнездо, чтобы избежать износа или повреждения. Стирание EPROM с УФ ластик требует значительного времени, и поэтому разработчик также часто имел в обращении несколько СППЗУ одновременно.

Некоторые микроконтроллеры были доступны со встроенным EPROM. Они также могут быть запрограммированы в отдельном записывающем устройстве, а затем вставлены в гнездо целевой системы.

Использование сокетов EPROM позволяло обновлять прикладную программу на местах либо для исправления ошибок, либо для обеспечения обновленных функций.

Клавиатурные мониторы

Одноплатный компьютер с шестигранной клавиатурой и 7-сегментным дисплеем

Когда одноплатный контроллер формирует всю среду разработки (обычно в образовании), плата может также включать в себя простой шестнадцатеричный клавиатура, светодиодный дисплей в стиле калькулятора и программа «монитор», постоянно установленные в ПЗУ. Этот монитор позволил Машинный код программы должны вводиться непосредственно с клавиатуры и храниться в ОЗУ. Эти программы были в машинном коде, даже не на ассемблере, и часто перед вводом собирались вручную на бумаге. Спорный вопрос о том, какой процесс был более трудоемким и подверженным ошибкам: сборка вручную или побайтовый ввод с клавиатуры.

Одноплатные микроконтроллеры «клавиатура и дисплей калькулятора» этого типа были очень похожи на некоторые младшие микрокомпьютеры того времени, такие как КИМ-1 или Микропрофессор I.[4] Некоторые из этих микропроцессорных «обучающих» систем все еще находятся в производстве и используются в качестве очень недорогих вводных в микропроцессоры на уровне аппаратного программирования.[5]

Хостинговая разработка

Когда появились настольные персональные компьютеры, первоначально CP / M или же Яблоко II, затем позже IBM PC и совместимых, произошел переход к размещенной разработке. Аппаратное обеспечение стало дешевле, а объем оперативной памяти расширился, так что можно было загрузить программу через последовательный порт и сохранить ее в оперативной памяти. Такое резкое сокращение времени цикла тестирования новой версии программы дало столь же значительный прирост скорости разработки.

Эта программная память все еще была летучий и будет потеряно, если будет потеряна сила. Флэш-память еще не было доступно по приемлемой цене. Поскольку завершенный проект контроллера обычно должен был быть энергонезависимым, последним шагом в проекте часто было записать его в СППЗУ.

Однокристальные микроконтроллеры

А 8048 -семейный микроконтроллер со встроенным УФ EPROM, то 8749
Совет по развитию для ПОС семейное устройство

Одночиповые микроконтроллеры, такие как Intel 8748, объединили многие функции предыдущих плат в единую ИС. Однокристальные микроконтроллеры имеют встроенную память (как RAM, так и ROM) и, следовательно, не нуждаются в раскрытии данных и адреса. автобус через контакты корпуса ИС. Эти выводы затем доступны для линий ввода / вывода. Эти изменения также уменьшают площадь, необходимую на печатной плате, и упрощают конструкцию одноплатного микроконтроллера. Примеры однокристальных микроконтроллеров включают:

Программная память

Для производства использовать как встроенные системы, бортовой ПЗУ был либо маска запрограммирована на заводе микросхем или одноразово программируется (OTP) разработчиком как ВЫПУСКНОЙ ВЕЧЕР. PROM часто используют ту же технологию UV EPROM для чипа, но в более дешевом корпусе без прозрачного окна стирания. Во время разработки программы все еще необходимо было записывать EPROM. В этом случае вся ИС контроллера, а следовательно, и ЗИФ розетки, будут предоставлены.

С развитием доступного EEPROM и флэш-память стало практичным постоянно прикреплять контроллер к плате и загружать программный код с главного компьютера через последовательное соединение. Это было названо "внутрисхемное программирование ". Удаление старых программ производилось путем их перезаписи новой загрузкой или их массового электрического удаления (для EEPROM ). Последний метод был более медленным, но его можно было проводить на месте.

Основная функция платы контроллера заключалась в том, чтобы поддерживать схемы для этого последовательного порта или, на более поздних платах, USB интерфейс. Для дополнительного удобства во время разработки многие платы также имели недорогие функции, такие как светодиодные мониторы линий ввода / вывода или переключатели сброса, установленные на плате.

Одноплатные микроконтроллеры сегодня

Двенго доска

Теперь проектировать печатные платы для микроконтроллеров стало дешево и просто. Хост-системы разработки также дешевы, особенно при использовании Открытый исходный код программного обеспечения. Языки программирования высокого уровня Абстрактные детали аппаратного обеспечения, что делает различия между конкретными процессорами менее очевидными для прикладного программиста. Перезаписываемая флэш-память заменила медленные циклы программирования, по крайней мере, во время разработки программы. Соответственно, почти все разработки сейчас основаны на кросс-компиляции с персональных компьютеров, а программы загружаются на плату контроллера через последовательный интерфейс, который обычно отображается на хосте как USB-устройство.

Первоначальный рыночный спрос на упрощенную реализацию платы больше не актуален для микроконтроллеров. Одноплатные микроконтроллеры по-прежнему важны, но их внимание сместилось на:

  • Легкодоступные платформы, предназначенные для традиционно «непрограммистских» групп, таких как художники, дизайнеры, любители и другие, заинтересованные в создании интерактивных объектов или сред.[6] Некоторые типичные проекты 2011 года включали: резервное управление сценическим освещением и спецэффектами DMX, управление несколькими камерами, автономные боевые роботы, управление проектами bluetooth с компьютера или смартфона,[7] Светодиоды и мультиплексирование, дисплеи, аудио, двигатели, механика и управление мощностью.[8] Эти контроллеры могут быть встроены в состав физические вычисления проект. Популярные варианты для этой работы - Ардуино,[9] Двенго[7][10] или же Проводка.[11][12]
  • Платы для демонстрации технологий инновационных процессоров или периферийных устройств:


Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Питер Григсон; Дэвид Харрис (август – октябрь 1983 г.). "'Марвин - Управляющий компьютер Z80 ». Electronics Today International.
  2. ^ Брошюра об одноплатном компьютере Intel SBC 80/10, 1976
  3. ^ Майк Бедфорд (август – сентябрь 1983 г.). «Универсальный программатор СППЗУ». Electronics Today International: 45–51, 37–39.
  4. ^ «КИМ 1». Старый Computers.com. Внешняя ссылка в | publisher = (помощь)
  5. ^ «Система подготовки микропрофессоров». Flite Electronics International. Архивировано из оригинал 9 мая 2008 г.
  6. ^ Домашняя страница Arduino
  7. ^ а б "Домашняя страница проекта". Двенго. Внешняя ссылка в | publisher = (помощь)
  8. ^ Ардуино Форум пользователя
  9. ^ "Домашняя страница проекта". Проект Arduino. Внешняя ссылка в | publisher = (помощь)
  10. ^ Тимоти Л. Уорнер.«Взлом Raspberry Pi».2013.p. 12.
  11. ^ Платформа разработки Wiring.org домашняя страница
  12. ^ «Электропроводка: оборудование». Электромонтажный проект. Внешняя ссылка в | publisher = (помощь)