Микроконтроллеры. 
Электроника

Микроконтроллеры — устройства, имеющие структуру микропроцессорной системы, выполненные в виде БИС и предназначенные для решения задач управления техническими устройствами и системами. Поскольку в составе таких БИС имеются все узлы, присущие ЭВМ, они называются также однокристальными микроЭВМ.

Первые микроконтроллеры появились в 1976 г., когда в одной БИС стало возможным совместить процессор, ОЗУ, ПЗУ и порты ввода/вывода. В отличие от универсальных микроЭВМ в микроконтроллерах небольшие по размерам память и простой интерфейс для связи с внешними устройствами. Это объясняется прежде всего спецификой решаемых задач. Микроконтроллеры не используются в универсальных вычислительных системах, а предназначены для создания высокоэффективных и дешевых управляющих и регулирующих систем. Микроконтроллеры реализуют несложные алгоритмы, и для размещения программ им требуется емкость памяти на несколько порядков меньшая, чем у микроЭВМ универсального назначения. Внешние устройства также значительно проще, а их набор существенно уже. Микроконтроллеры применяются в устройствах управления приборов, бытовой аппаратуры, автомобилей, станков, в частности, в устройствах числового программного управления.

Первый микроконтроллер, выпущенный фирмой Intel, был 8-разрядным. В настоящее время выпускаются также 16- и 32-разрядные микроконтроллеры, но наибольшим спросом все равно пользуются 8-разрядные (рис. 4.18).

Емкость ОЗУ микроконтроллера может меняться от десятков до сотен байт. Она используется не для хранения программ, а только для временного хранения данных и промежуточных результатов, поэтому этой емкости для простых задач управления вполне достаточно. Для хранения программ служит флэш-память, емкость которой обычно не превышает 20 Кбайт. В микроконтроллере предусмотрена возможность расширения объема памяти за счет подключения внешних БИС ПЗУ и ОЗУ.

Управление работой всех узлов осуществляет центральный процессорный элемент (ЦПЭ). Генератор тактовых импульсов вырабатывает тактовые импульсы, синхронизирующие работу ЦПЭ. Их частота задается кварцем, подключаемым к внешним выводам микросхемы. ЦПЭ может работать с невысокой тактовой частотой (12-^24 МГц).

Для передачи адресов и данных между ЦПЭ и всеми остальными узлами микроконтроллера служит мультиплексная шина адреса/данных. Ее разрядность определяется разрядностью обрабатываемых слов в микроконтроллере.

Средства ввода/вывода микроконтроллера представлены четырьмя параллельными портами РО:РЗ и последовательным портом ввода/вывода. Через порты РО:РЗ осуществляется обмен информацией с внешними устройствами по 8-разрядным шинам, при этом каждый порт обеспечивает взаимосвязь с одним устройством. Для сокращения физической ширины интерфейса (числа внешних выводов микросхемы) функции линий параллельных портов совмещены, и в разных режимах имеют разное значение. Через вход RxD осуществляется прием данных в последовательном коде, а через выход ТхD) — передача данных.

Микроконтроллер может обслуживать до пяти запросов прерывания. При этом два запроса — собственно сигналы запроса прерывания от внешних устройств и и два прерывания формируются таймерами, а еще один — по сигналу на входе последовательного порта RxD. Таймеры-счетчики, число которых для разных микроконтроллеров колеблется от одного до трех, предназначены для отработки интервалов времени или подсчета внешних синхронизирующих сигналов. Они обеспечивают синхронизацию работы микроконтроллера в системе.

Система команд микроконтроллера специально ориентирована на решение задач управления, поэтому наряду с обычными командами, характерными для всех микропроцессоров, в ней есть и некоторые специфические. Поскольку все ресурсы микропроцессорной системы — ОЗУ, ПЗУ?, порты ввода/вывода — находятся внутри микросхемы, то ЦПЭ при выполнении команд не требуются циклы обращения к внешним по отношению к нему микросхемам. Поэтому большинство команд — короткие, аналогичные командам микропроцессора, в которых данные находятся в регистровой памяти. Время выполнения команд зависит от тактовой частоты и при частоте 12 МГц составляет 1 мкс, некоторые команды выполняются за 2 мкс.