МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ:
ТИПОВЫЕ СТРУКТУРНО-АРХИТЕКТУРНЫЕ РЕШЕНИЯ И ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
Уважаемые пользователи Интернет! Вашему вниманию представляется электронная книга, посвященная основам архитектуры и применения микроконтроллеров (МК) общего назначения.
О чем эта книга
МК (англ. Micro Controller Unit, MCU, от английского "to control" - "управлять") представляет собой БИС, предназначенную для "интеллектуального" контроля и управления техническими объектами различных классов, в зависимости от категории, к которой принадлежит МК. Современные МК реализуются в виде однокристального компьютера, содержащего центральный процессор, модули памяти и набор периферийных устройств (порты ввода-вывода, таймеры, АЦП, ЦАП, блоки стандартного цифрового интерфейса и т. п.), необходимый при контроле и управлении техническими объектами, для применения в которых предназначен соответствующий МК. Например, для управления простыми бытовыми приборами достаточно одного – двух 8-битовых портов ввода / вывода, одного – двух таймеров, одного – двух аналоговых компараторов. С другой стороны, в структуру МК, ориентированных, например, на использование в составе измерительных приборов или установок, должны входить блоки АЦП, блоки стандартного цифрового интерфейса (например, USB, I2C, CAN), расширенный набор таймеров и т. п.
По назначению МК можно выделить две основные их категории:
- МК общего назначения;
- специализированные МК.
МК общего назначения ориентированы на решение задач контроля и управления достаточно широкой номенклатурой технических объектов (технологическими установками, средствами измерений, транспортными средствами, бытовой техникой и т. п.). Кроме средств контроля и управления техническими объектами, МК общего назначения достаточно широко применяются в цифровых средствах радиосвязи КВ-диапазона и в ряде других категорий электронных средств.
В свою очередь, специализированные МК предназначены для решения относительно узкого круга задач, например, для применения в средствах инфокоммуникаций [1] или в прецизионных цифровых средствах измерений [2].
Данная книга посвящена структурно-архитектурным решениям и основам применения МК общего назначения, которые в настоящее время являются основной элементной базой для создания средств контроля и управления техническими объектами и, в целом, наиболее массовым типом цифровых программируемых БИС. Поэтому профессиональными навыками проектирования и реализации электронных устройств на основе МК общего назначения должен владеть практически каждый специалист, занимающийся разработкой средств измерений, контроля и автоматизации (а в идеале - электронных средств любого назначения).
Причина и цель написания книги
В настоящее время существует большое количество публикаций, как бумажных, так и (преимущественно) электронных, посвященных описанию структуры и архитектуры, а также частным вопросам программирования и применения МК различных семейств / подсемейств / моделей. Основную массу электронных ресурсов составляют или фирменные технические описания, руководства по применению и программированию конкретных моделей МК (в том числе не совсем корректно переведенные на русский язык), или многочисленные «посты» на радиолюбительских и программистских форумах, посвященные частным задачам программирования и применения МК различных семейств / моделей. Что же касается книг по архитектуре и применению МК, то они, в основном, представлены или изданными 30 – 40 лет тому назад учебниками и учебными пособиями по основам микропроцессорной техники, или описаниями структуры, архитектуры и (не во всех публикациях) основ программирования и применения конкретных семейств МК.
Однако, по мнению автора, имеется серьезный дефицит пособий, в которых систематизировано изложены принципы построения различных классов современных МК общего назначения, типовые структурно-архитектурные решения их функциональных блоков и основы применения МК для решения распространенных задач контроля и управления техническими объектами. Такие пособия оказали бы серьезную помощь читателям в профессиональном, осознанном и грамотном проектировании электронных устройств на базе МК, без нерациональных затрат времени и усилий, а также в оперативном освоении, при необходимости, любой модели МК, в том числе из тех, которые, со временем, заменят модели, выпускаемые в настоящем.
Несмотря на то, что число выпускаемых различными компаниями семейств, подсемейств и моделей МК общего назначения весьма велико, существует три основных класса МК по сложности и функциональным возможностям:
- «cost-sensitive» (бюджетных, невысокого уровня сложности);
- «mainstream» (базового, среднего уровня сложности);
- «high performance» (высокого уровня сложности).
При этом основные структурно-архитектурные решения МК всех классов, в целом, сходны, а МК одного и того же класса – характеризуются значительным сходством. Поэтому для приобретения знаний и навыков проектирования устройств на МК на профессиональном уровне достаточно изучить, в качестве типовых, структурно-архитектурные решения одного – двух распространенных семейств МК основных классов и приобрести практические навыки программирования и применения данных МК для решения базовых задач контроля и управления техническими объектами. После приобретения этих знаний и навыков, на их базе, специалист сможет достаточно просто, без существенных затрат времени и на профессиональном уровне:
- разработать и реализовать проект практически любого электронного устройства на базе МК освоенных семейств;
- самостоятельно освоить основы проектирования и реализации электронных устройств на базе других, ранее неизвестных ему семейств МК аналогичных классов;
подобно тому как для автомеханика-профессионала не представит серьезной проблемы ремонт автомобиля ранее не встречавшейся ему модели, поскольку конструктивные решения всех автомобилей одного и того же класса примерно одинаковы.
Целью настоящего пособия является предоставить читателю необходимые материалы для изучения типовых структурно-архитектурных решений МК основных классов, а также типовых примеров их применения. Практические навыки проектирования и реализации устройств на базе МК должны быть приобретены самостоятельно, в том числе – с помощью имеющихся многочисленных электронных ресурсов по различным частным вопросам программирования и применения МК.
Для кого предназначена книга
По мнению автора, в первую очередь, книга может быть полезна начинающим специалистам, занимающимся разработкой устройств на базе МК общего назначения, а также студентам старших курсов соответствующих направлений подготовки. Она поможет им:
- получить систематизированные знания в области типовой структуры и архитектуры МК общего назначения, для осознанного и профессионального проектирования устройств на базе МК, без излишних затрат времени на "механические" поиски готовых решений в бумажных и электронных источниках информации;
- создать основу для освоения семейств МК, не рассмотренных в книге, в т. ч. тех, которые в перспективе сменят семейства МК, популярные в настоящее время.
Книга может также быть полезна преподавателям вузов и средних специальных учебных заведений при подготовке учебно-методических материалов по дисциплинам соответствующего профиля.
Возможно, какие-либо из представленных материалов вызовут интерес и у некоторых опытных разработчиков (как говорится, "век живи - век учись").
Об авторе
Автор: Васильев Артем Васильевич, инженер-схемотехник с 40-летним стажем разработки электронных средств измерений, контроля и управления промышленного и медицинского назначения на базе микропроцессоров и МК, а также более чем 20-летним опытом преподавания (по совместительству) в высших технических учебных заведениях.
Из личного опыта. Основы микропроцессорной техники (понятие "микроконтроллер" тогда еще не вошло в широкое употребление) в студенческие годы осваивал по учебному пособию авторов Балашова Е.П. и Пузанкова Д.В. "Микропроцессоры и микропроцессорные системы" 1981-го года издания. В нем они излагались на базе наиболее распространенного в те времена микропроцессорного комплекта, основой которого являлся микропроцессор (МП) Intel 8080 (в СССР - микропроцессорный комплект серии КР580, уже по ОСТ 1990-го года не рекомендованный для новых разработок). Тем не менее, полученные при обучении знания базовых структурных и архитектурных решений МП стали одной из основных составляющих, которые помогли без особых проблем освоить и практически использовать в разработках, в следующем хронологическом порядке:
- исторически первые однокристальнные МК семейства Intel 8048;
- однокристальные МК следующего поколения - семейства Intel 8051;
- МК семейства AVR;
- МК семейства ARM Cortex-Mx.
Естественно, в процессе работы полученные знания расширялись, обновлялись и углублялись.
Обратная связь
Сообщения о замеченных опечатках, а также возникшие вопросы просьба направлять по адресу: artjomvas@mail.ru
СОДЕРЖАНИЕ
Список сокращений МК_список_сокращений.pdf
1 Структура и архитектура МК: общие вопросы МК_1.pdf
2 Типовые структурно-архитектурные решения ЦП и памяти МК общего назначенИЯ МК_2.pdf
3 Типовые структурно-архитектурные решения подсистемы питания мк общего назначения МК_3.pdf
4 Типовые структурно-архитектурные решения подсистемы синхронизации мк общего назначения МК_4.pdf
5 Типовые структурно-архитектурные решения подсистемы сброса мк общего назначения МК_5.pdf
6 Типовые структурно-архитектурные решения портов ввода / вывода мк общего назначения МК_6.pdf
7 Типовые архитектурные решения подсистемы обслуживания прерываний мк общего назначенИя МК_7.pdf
8 Типовые структурно-архитектурные решения подсистемы прямого доступа к памяти мк общего назначения МК_8.pdf
9 Типовые структурно-архитектурные решения И ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ таймеров общего назначения МК_9.pdf
10 Типовые структурно-архитектурные решения И ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ блоков аналого-цифрового интерфейса МК общего назначения МК_10.pdf
11 типовые структурно-архитектурные решения И ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ блоков стандартного цифрового интерфейса МК общего назначения (в разработке)
12 типовые структурно-архитектурные решения подсистемы программирования энергонезависимой памяти МК общего назначения (в разработке)
Источники информации МК_Лит.pdf
ПРИЛОЖЕНИЯ МК_Приложения.pdf