Удивительно, как небольшая часть технологии изменила лицо персональных компьютеров. С первого коммерческого микропроцессора (4-бит 4004), который был разработан Intel в 1971 году для более продвинутого и универсального 64-битного Itanium 2, микропроцессорная технология перешла в совершенно новую сферу архитектуры следующего поколения. Достижения в области микропроцессорной техники сделали персональные вычисления более быстрыми и надежными, чем когда-либо прежде. Если микропроцессор является сердцем компьютерной системы, микроконтроллер - это мозг. Как микропроцессор, так и микроконтроллер часто используются в синонимах друг друга из-за того, что они имеют общие функции и специально разработаны для приложений реального времени. Однако у них есть и их доля различий.

Что такое микропроцессор?

Микропроцессор - это интегрированный чип на основе кремния, имеющий только центральный процессор. Это сердце компьютерной системы, которая предназначена для выполнения множества задач, связанных с данными. Микропроцессоры не имеют RAM, ROM, IO контактов, таймеров и других периферийных устройств на чипе. Они должны быть добавлены извне, чтобы сделать их функциональными. Он состоит из ALU, который обрабатывает все арифметические и логические операции; блок управления, который управляет и управляет потоком инструкций по всей системе; и Register Array, который хранит данные из памяти для быстрого доступа. Они предназначены для приложений общего назначения, таких как логические операции в компьютерной системе. Проще говоря, это полностью функциональный процессор на единой интегральной схеме, который используется компьютерной системой для выполнения своей работы.

Что такое микроконтроллер?

Микроконтроллер похож на мини-компьютер с процессором, а также RAM, ROM, последовательные порты, таймеры и периферийные устройства ввода-вывода, встроенные в один чип. Он предназначен для выполнения конкретных задач, требующих определенной степени контроля, таких как пульт телевизора, светодиодная панель дисплея, интеллектуальные часы, транспортные средства, управление светофором, контроль температуры и т. Д. Это высококачественное устройство с микропроцессор, память и порты ввода / вывода на одном чипе. Это мозги компьютерной системы, которые содержат достаточно схем для выполнения определенных функций без внешней памяти. Поскольку в нем отсутствуют внешние компоненты, потребляемая мощность меньше, что делает его идеальным для устройств, работающих на батареях. Простой разговор, микроконтроллер - это полная компьютерная система с меньшим внешним оборудованием.

Разница между микропроцессором и микроконтроллером

1) Технология, используемая в микропроцессоре и микроконтроллере

Микропроцессор - это программируемый многоцелевой кремниевый чип, который является наиболее важным компонентом в компьютерной системе. Это, как сердце компьютерной системы, состоящее из ALU (Арифметической логической единицы), блока управления, декодеров команд и массива регистров. Микроконтроллер, с другой стороны, является сердцем встроенной системы, которая является побочным продуктом микропроцессорной технологии.

2) Архитектура микропроцессора и микроконтроллера

Микропроцессор - это просто интегральная схема без ОЗУ, ПЗУ или контактов ввода / вывода. В основном это относится к центральному процессору компьютерной системы, который извлекает, интерпретирует и выполняет команды, переданные ему. Он включает функции ЦП в единую интегральную схему. Микроконтроллеры, с другой стороны, являются более мощными устройствами, которые содержат схему микропроцессора и имеют ОЗУ, IO и процессор в одном чипе.

3) Работа микропроцессора и микроконтроллера

Для микропроцессора требуется внешняя шина для подключения к периферийным устройствам, таким как RAM, ROM, Analog и Digital IO, а также последовательные порты. ALU выполняет все арифметические и логические операции, поступающие с устройств памяти или ввода, и выполняет результаты на выходных устройствах. Микроконтроллер представляет собой небольшое устройство со всеми периферийными устройствами, встроенными в один чип, и предназначен для выполнения определенных задач, таких как выполнение программ для управления другими устройствами.

4) Память данных в микропроцессоре и микроконтроллере

Память данных является частью ПОС, которая содержит регистры специальных функций и регистры общего назначения. Он временно хранит данные и сохраняет промежуточные результаты. Микропроцессоры выполняют несколько инструкций, которые хранятся в памяти и отправляют результаты на выход. Микроконтроллеры содержат один или несколько процессоров вместе с ОЗУ и другими периферийными устройствами. CPU извлекает инструкции из памяти и выполняет результаты.

5) Хранение в микропроцессоре и микроконтроллере

Микропроцессоры основаны на архитектуре фон Неймана (также известной как модель фон Неймана и архитектура Принстона), в которой блок управления получает команды, назначая управляющие сигналы аппаратным средствам и декодирует их. Идея состоит в том, чтобы хранить инструкции в памяти вместе с данными, на которых действуют инструкции. Микроконтроллеры, с другой стороны, основаны на архитектуре Гарварда, где инструкции и данные программы хранятся отдельно.

6) Приложения микропроцессора и микроконтроллера

Микропроцессоры представляют собой устройство массовой памяти с одним чипом и встроены в несколько приложений, таких как контроль спецификации, управление светофором, контроль температуры, тестовые инструменты, система мониторинга в реальном времени и многое другое.Микроконтроллеры в основном используются в электрических и электронных схемах и устройствах с автоматическим управлением, таких как высококачественные медицинские инструменты, системы управления автомобильным двигателем, солнечные зарядные устройства, игровой автомат, управление светофором, промышленные устройства управления и т. Д.

Микропроцессор против микроконтроллера: сравнительная таблица

Резюме микропроцессора и микроконтроллера

Ключевое различие между этими терминами заключается в наличии периферийных устройств. В отличие от микроконтроллеров, микропроцессоры не имеют встроенной памяти, ПЗУ, последовательных портов, таймеров и других периферийных устройств, которые составляют систему. Для взаимодействия с периферийными устройствами требуется внешняя шина. С другой стороны, микроконтроллер имеет все периферийные устройства, такие как процессор, оперативная память, ПЗУ и IO, встроенные в один чип. Он имеет внутреннюю управляющую шину, которая недоступна дизайнеру. Поскольку все компоненты упакованы в один чип, он компактный, что делает его идеальным для крупномасштабных промышленных применений. Микропроцессор - это сердце компьютерной системы, а микроконтроллер - это мозг.

ЧТО ТАКОЕ МИКРОПРОЦЕССОР, МИКРОКОНТРОЛЛЕР И
ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЛЕР

Стремительное развитие электроники быстро меняет нашу жизнь, и мы замечаем это, прежде всего, в социальной сфере, сферах коммуникации (общения) и связи. Первое, что приходит на ум в этой связи, – это компьютеры, Интернет и сотовые телефоны. Мы свободны в поисках необходимой информации, имеем возможность выйти на связь с желаемым абонентом, невзирая на наше местоположение. Мы можем получать дистанционное образование и объединяться в группы по профессиональным, социальным или культурным интересам. Все это стало возможным в значительной мере благодаря появлению микропроцессора и созданию микропроцессорных систем.

А существуют ли другие проявления прогресса микроэлектроники, не такие заметные на первый взгляд, но играющие значительную роль в нашей жизни?

Да! микропроцессоры и микроконтроллеры широко применяются в бытовой технике, автомобильной электронике, аэрокосмической и военной отраслях и, конечно же, в промышленном производстве.

Эта статья раскрывает некоторые аспекты применения микропроцессорных систем в технике и промышленности. Если дальнейший текст покажется вам слишком тяжелым и непонятным, рекомендуем предварительно ознакомиться со статьей «Основы информатики. Компоненты микропроцессорных систем ».

• Что такое микропроцессор?
• Что такое микроконтроллер? Каковы его особенности?
• Где используются микроконтроллеры?
• Чем микроконтроллер отличается от микропроцессора?
• Что такое сигнальный процессор?
• Что такое программируемый логический контроллер (ПЛК)? Как он построен?
• Как программируют ПЛК?

Вы уже наверняка знаете, что любой компьютер – это машина для обработки информации, не взирая на то, какую конкретно задачу он выполняет. Центральным элементом компьютера является микропроцессор. Если спросить у ученика средней школы: – Что такое микропроцессор?, – то, скорее всего, получите ответ «Микропроцессор – это сердце компьютера».

Микропроцессор – это микроэлектронное программируемое устройство, предназначенное для обработки информации и управления процессами обмена этой информацией в составе микропроцессорной системы (компьютера).

Почему «микроэлектронное»? Потому что микропроцессоры производятся с помощью технологий современной микроэлектроники на основе полупроводникового кристалла. Информация в микропроцессорной системе передается электрическими импульсами. Конструктивно микропроцессор исполняется в виде одной микросхемы (иногда – нескольких). Микросхема состоит из пластикового или керамического корпуса, внутри которого размещается миниатюрная полупроводниковая подкладка (рис. 1). На этой подкладке лазером «начерчены» все электронные схемы микропроцессора. Входы и выходы схемы на подкладке соединены с металлическими выводами, расположенными по бокам или снизу корпуса микросхемы.

а)	б)

Рис. 1. Интегральная микросхема (а) и ее внутреннее строение (б)

Почему микропроцессор – это «программируемое устройство»? Потому что микропроцессорные системы в общем случае универсальны, т. е. способны выполнять широкий круг задач по обработке информации. А на выполнение конкретной задачи микропроцессор «настраивают» с помощью программы – последовательного перечня машинных команд.

Обязательными компонентами микропроцессора являются регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и блок управления. Регистры предназначены для временного хранения данных, арифметико-логическое устройство – для выполнения арифметических и логических операций (т. е. для обработки данных). Блок управления отвечает за последовательное выполнение команд программы и правильное перенаправление потоков данных.

Микропроцессор не может работать сам по себе. Он является центральным звеном микропроцессорной системы, в которую также входят устройства постоянной и оперативной памяти, устройства ввода и вывода информации, накопители на жестких магнитных дисках (так называемые «винчестеры»), и т. д. Такие микропроцессорные системы собственно и называют компьютерами.

Персональный компьютер может иметь множество применений, однако это достаточно дорогое и громоздкое устройство. А как же наделить элементами интеллекта бытовую технику, автомобили, медицинские приборы? Как сделать их «умными»? Понятно, что в бытовой кондиционер нельзя вмонтировать системный блок обычного компьютера. Это повысит его стоимость в два-три раза. И в составе так называемого смарт-телевизора мы не найдем отдельного персонального компьютера в его обычном виде. Для автоматизации такого рода техники разработаны и изготавливаются специальные процессорные устройства – однокристальные микроконтроллеры (англ.: «Microcontroller»). Английское слово «control» обозначает «контролировать», «управлять». Таким образом, микроконтроллер – это специальный микропроцессор, предназначенный для автоматизации разнообразных устройств и управления их работой.

Итак, микроконтроллер – это специализированное микроэлектронное программируемое устройство, предназначенное для использования в управляющих узлах всевозможных технических изделий, системах передачи данных и системах управления технологическими процессами.

Микроконтроллеры применяют в бытовой технике, медицинских приборах, системах управления лифтами, телефонах, рациях и прочих средствах связи, электронных музыкальных инструментах и автомагнитолах, компьютерной периферии (клавиатурах, джойстиках, принтерах и т. п.), светофорах, автоматических воротах и шлагбаумах, интерактивных детских игрушках, автомобилях, локомотивах и самолетах, роботах и промышленных станках.

Рис. 2. Сферы применения микроконтроллеров.

Микроконтроллеры также широко используются в автомобильной электронике. Например, автомобиль «Peugeot 206» имеет на борту 27 микроконтроллеров, а в автомобилях высокого класса, таких как, например, «BMW» седьмой серии, используется более 60 микроконтроллеров. Они регулируют жесткость адаптивной подвески, управляют впрыском топлива, светотехникой, двигателями дворников, стеклоподъемников и зеркал заднего вида и т. п. (рис. 3).

Рис. 3. Использование микроконтроллеров в автомобильной электронике
(по материалам Microchip Technology).

Микроконтроллер, в отличие от микропроцессора, обычно имеет небольшую разрядность (8 – 16 бит) и богатый набор команд манипулирования отдельными битами. Битовые команды дают возможность управлять дискретным оборудованием (поднять/опустить шлагбаум, включить/выключить лампу, нагреватель, запустить/остановить двигатель, открыть/закрыть клапан, и проч.) Средства, обеспечивающие возможность оперировать отдельными битами, вводить и выводить дискретные сигналы называют «битовым процессором».

Еще одно из основных отличий микроконтроллера от микропроцессора заключается в том, что в составе микросхемы контроллера наличествуют все необходимые элементы для построения простой (а иногда – и достаточно сложной) системы управления. Так, внутри микроконтроллера есть память данных (оперативная память), память программ (постоянная память), генератор тактовых импульсов, таймеры, счетчики, параллельные и последовательные порты. Поэтому система минимальной конфигурации на основе микроконтроллера может состоять из блока питания, непосредственно микросхемы контроллера и нескольких пассивных элементов (резисторов, конденсаторов и кварцевого резонатора). И это фактически есть ничто иное, как одноплатный мини-компьютер на основе одной микросхемы, подходящий для встраивания в объект управления. Средняя стоимость системы минимальной конфигурации составляет несколько десятков долларов (сравните со средней стоимостью персонального компьютера).

Типовая архитектура микроконтроллера (рис. 4) содержит систем систему синхронизации и управления (1), арифметико-логическое устройство (2), регистры общего назначения (3), память данных (4) и память программ (5), порты (6), функциональные устройства (таймеры, счетчики, широтно-импульсные модуляторы, интерфейсы) и регистры для их настройки (7), рис. 4.

Рис. 4. Архитектура типичного микроконтроллера.

Программы для микроконтролеров создают в специальных интегрованных инструментальных средах (англ .: I ntegrated D evelopment E nvironment, IDE) языками Асемблера (машинных команд) или C++.

Остается добавить, что ежегодно в мире продаются миллиарды микроконтроллеров, а обычный житель развитой страны в течение дня десятки раз соприкасается с микроконтроллерами, являющимися неотъемлемой частью современной технологичной окружающей среды.

Кроме микропроцессоров общего назначения и микроконтроллеров на рынке предлагаются так называемые сигнальные процессоры, специально предназначенные для обработки сигналов в режиме реального времени. Они используются в измерительных приборах, средствах связи, передачи и воспроизведения аудио- и видеопотоков, системах локации, космической и военной технике.

Сигнальные процессоры (англ .: D igital S ignal P rocessor, DSP) характеризуются высокой разрядностью и быстродействием, имеют в системе команд специальные инструкции для реализации типовых алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС). Также на одном кристалле, кроме собственно процессорной части, реализуются аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. А налого-Ц ифровой П реобразователь (АЦП) заменяет непрерывный входной сигнал соответствующим потоком цифровых данных (отсчетов). Далее эти данные обрабатываются процессорной частью, после чего с помощью Ц ифро-А налогового П реобразователя (ЦАП) обработанные цифровые данные снова воспроизводятся в аналоговый сигнал. Таким способом сигнальный процессор может углублять четкость изображения, или, наоборот, размывать его, шифровать и дешифровать аудио- и видеопотоки, воспроизводить на экране виртуальную или дополненную реальность, отслеживать движущиеся объекты даже в условиях значительных помех и неполной входной информации.

ТИПЫ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

Микропроцессоры общего назначения	Микроконтроллеры	Сигнальные процессоры	Другие (нейрочипы, секционные и гибридные процессоры)
Применяются: для построения персональных компьютеров, серверов и многопроцессорных систем.	Применяются: для реализации несложных функций управления и автоматизации.	Применяются: для реализации сложных алгоритмов потоковой обработки данных в режиме реального времени.	Применяются: для построения уникальных экспериментальных или специфических систем.
Особенности: высокая разрядность, универсальная архитектура.	Особенности: встроенная память программ и память данных, битовый процессор, таймеры, счетчики, порты, интерфейсы.	Особенности: высокая вычислительная производительность, команды для реализации типовых алгоритмов обработки сигналов, встроенные АЦП, ЦАП или медиа-интерфейсы.	Особенности: построение одного процессора на нескольких микросхемах, комбинация нескольких видов процессоров в одном изделии, специфическая архитектура

Еще один тип микропроцессорных устройств, которые за последние 30 – 40 лет заняли свою рыночную нишу – так называемые программируемые логические контроллеры.

П рограммируемый Л огический К онтроллер (ПЛК; англ .: P rogrammable L ogic C ontroller или PLC) – это специализированная микропроцессорная система, которая используется для автоматизации технологических процессов и общепромышленных установок и комплексов (конвейеров, рольгангов, подъемных кранов, дробилок, мельниц, классификаторов, смесителей, прессов, упаковочных машин, робототехнических и гибких производственных комплексов, и т. п.)

Т. е. основная сфера применения ПЛК – это сфера промышленного производства. Однако они также используются для автоматизации зданий (контроль доступа в помещение, управление освещением, обогревом, вентиляцией и кондиционированием воздуха, управление лифтами, эскалаторами и т. п.) Также ПЛК могут применяться для создания микроклимата в тепличном хозяйстве, на птицефабриках, животноводческих фермах.

В общем случае ПЛК – это одноплатный мини-компьютер, построенный на основе однокристального микроконтроллера и расположенный в типовом корпусе размерами с кирпич. Также существуют модульные контроллеры (рис. 5). Ко входам ПЛК можно подсоединить кнопки, контакты джойстика, переключатели (т. е. органы управления), датчики и исполнительные механизмы (двигатели, лампы, нагревательные элементы, клапаны, вентили, актуаторы и т. п.) ПЛК циклически опрашивает входные сигналы (органы управления и датчики), выполняет программу пользователя (пересчитывает значения переменных) и выдает полученные выходные значения на исполнительные механизмы. Т. е. ПЛК циклически, раз за разом выполняет одну и ту же программу (программу пользователя).

Рис. 5. Программируемые логические контроллеры.

Кроме аппаратной унификации (использования стандартных размеров, уровней напряжений, видов сигналов), прорывному распространению ПЛК поспособстваволо то, что для них были разработаны интуитивные «общеинженерные» языки программирования. Теперь для разработки программы пользователя не обязательно приглашать программиста высокого класса. С этим может справиться (иногда – и лучше) и технолог, и электрик, и химик, и, конечно, специалист по автоматизации. А в случае сложных задач эти языки программирования стирают грань недопонимания между программистом и инженером. Они одинаково понятны и заказчику (инженеру) и исполнителю (программисту).

Таких языков программирования – 6 (5 стандартизированных), причем 4 из них – визуальные (т. е. программа вводится не в виде текста, а как набор соединенных друг с другом графических элементов (блоков), (рис. 6).

Обычно один и тот же контроллер можно программировать на нескольких языках на выбор пользователя. Для этого используют инструментальные программные комплексы, позволяющие не только разработать программу, но и отладить ее с помощью программной модели контроллера (на «симуляторе») или в режиме мониторинга (когда программу пользователя исполняет реальный контроллер, а на дисплее компьютера можно следить за его работой).

Аппаратная и программная унификация ПЛК дает возможность легко переходить на контроллеры другого производителя, переносить программы с одной платформы на другую. Это повышает гибкость систем автоматизации, способствует конкурентному инновационному развитию рынка.

Подробно изучить работу микропроцессорных систем, научиться разрабатывать и программировать прикладные мини-компьютеры и программируемые логические контроллеры для задач автоматизации можно на Национального горного университета.

В составе разных электронных устройств часто встречаются как микроконтроллеры, так и микропроцессоры. Оба этих компонента берут из памяти команды и по ним выполняют логические и арифметические операции, работая при этом с устройствами ввода/вывода и прочей периферией. Так в чём тогда разница?

Микроконтроллер

Микроконтроллер - (далее МК) это микросхема, предназначенная для программного управления электронными схемами. МК выполняется на одном кристалле. На нём расположено как вычислительное устройство, так и ПЗУ и ОЗУ. Кроме этого, в составе МК чаще всего находятся порты ввода/вывода, таймеры, АЦП , последовательные и параллельные интерфейсы. В некоторых даже можно заметить Wi-Fi-/Bluetooth-модуль и даже поддержку NFC.

Первый патент на микроконтроллер был выдан в 1971 году компании Texas Instruments . Инженеры этой компании предложили размещать на кристалле не только процессор, но и память с устройствами ввода/вывода.

Несмотря на то, что всё необходимое для работы микроконтроллера в нём уже есть, иногда они используются в паре с внешними периферийными устройствами. К примеру, когда внутренней ПЗУ не хватает (или она попросту отсутствует), подключают внешнюю. Именно так сделали с микроконтроллерами серии ESP. У ESP8266 встроенной памяти нет вообще, а у ESP32 есть незначительные 448 КБ. Поэтому к ним в корпус (точнее под радиатор) помещается flash-память ёмкостью 1–16 МБ.

Тогда почему бы не сделать какой-нибудь портативный компьютер на основе микроконтроллера? Дело в том, что вычислительной мощности у МК чаще всего достаточно мало. Её хватает на управление например, системой полива, микроволновкой или же каким-нибудь станком.

Например, одна из мощных плат платформы Arduino - Due. Она находится под управлением 32-битного AVR-микроконтроллера AT91SAM3X8E. Его тактовая частота 84 МГц. Постоянной памяти тут 512 КБ, а оперативной - 96 КБ. МК имеет 54 цифровых GPIO (12 из которых с поддержкой ШИМ), 12 аналоговых входов и 2 аналоговых выхода (ЦАП). Тут так же присутствуют различные интерфейсы, такие как UART, SPI, I2C.

Не смотря на такие незначительные характеристики, микроконтроллеры очень популярны. Они используются там, где не требуется большой вычислительной мощности - робототехника, контроллеры теплиц, бытовая техника.

Микропроцессор

С микропроцессором (далее МП) дела обстоят немного иначе. Он содержит в себе арифметико-логическое устройство, блок синхронизации и управления, запоминающие устройство, регистры и шину. То есть МП содержит в себе только то, что непосредственно понадобится для выполнения арифметический и логических операций. Все остальные комплектующие (ОЗУ, ПЗУ, устройства ввода/вывода, интерфейсы) нужно подключать извне.

Первые микропроцессоры появились тоже в начале 70-х. Самым популярным на тот момент считался . Это микропроцессор, разработанный компанией Intel и представленный 15 ноября 1971 года. Он имел внушающие на тот период характеристики:

• 2300 транзисторов;
• тактовая частота - 740 кГц;
• разрядность регистров и шины - 4 бита;
• техпроцесс - 10 мкм;
• площадь кристалла: - 12 мм².

К слову, 4004 был выполнен в обычном DIP-16 корпусе. Этот МП является самой популярной микросхемой для коллекционирования. Некоторые экземпляры продаются по 400 $ за штуку. Менее раритетные стоят около 250 $.

Уже через пару лет 8-битные МП позволили создавать первые бытовые микрокомпьютеры.

Естественно, тут преимуществом является то, что к МП можно на выбор подключать разную периферию с разными характеристиками (что не во всех случаях можно на МК). Второе основное отличие микропроцессора от микроконтроллера в том, что МП имеют больше вычислительной мощности. Их не имеет смысла ставить в микроволновки и «умные» лампочки. Микропроцессоры применяют там, где вычислительная мощность МК уже не справляется - игровые приставки, сложные вычислительные устройства и приборы, гаджеты.

Получается, чтобы обеспечить работоспособность микропроцессора, нужно подключить ему хотя бы минимальный набор периферии. Минусы:

1. Размер - если в случае МК всё уже находится в одном корпусе, то минимальный набор элементов для работы МП занимает больше места.
2. Цена - обычно, вся «сборка» комплектующих для МП выходит гораздо дороже «голых» микроконтроллеров.

1. Производительность - микропроцессоры обладают большей производительностью, чем микроконтроллеры.
2. Выбор - в случае МП у вас есть возможность подобрать комплектующие. Это позволит поставить более подходящую под ваши цели периферию.

Применение

Микроконтроллер обладает явной простотой: требуется меньше аппаратного обеспечения, с ним легче работать на программном уровне, да и стоимость начинается с копеек. Но эта простота касается и производительности. Как говорилось выше, микроконтроллер не способен обеспечить высокую производительность наравне с микропроцессорами. Микропроцессоры хоть и требуют внешней коммутации «железа» и относительно МК сложны в работе, но они уже спокойно могут применяться в более сложных устройствах.

Однако иногда в сети появляются умельцы, которые впихивают в микроконтроллер ESP32

Микропроцессор - устройство, осуществляющее обработку цифровой информации или управляющее этим процессом, выполненное в виде одной или нескольких интегральных микросхем. Процессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ), управляющего действиями над числами, которые реализует АЛУ. Все современные микропроцессоры используют двоичную арифметику, в которой число представляется как сумма степеней цифры 2, умноженных на соответствующую цифру:

где каждый разряд двоичного числа a v ..., а п+[ может принимать только два значения: 0 или 1. Цифра 0 воспроизводится низким уровнем напряжения, а 1 - высоким.

Упрощенная структурная схема микропроцессорного устройства (М11У) приведена на рис. 2.16. Оно содержит микропроцессор, запоминающее устройство (ЗУ) или намять и устройство ввода-вывода (УВВ). Па процессор возлагается задача выполнения всех программных действий в соответствии с алгоритмом работы. В ЗУ хранятся команды программы функционирования процессора, а также значения констант и переменных величин, участвующих в вычислениях. Команды программы, воспринимаемые УУ, дают информацию о том, какие операции нужно выполнить, где в памяти хранить данные, куда следует записать результат и где расположена следующая команда. УВВ содержит в себе интерфейс - связующее звено, служащее для преобразования сигналов от микропроцессора в сигналы, доступные периферийным (внешним) устройствам, и наоборот. Интерфейс обеспечивает необходимое согласование (сопряжение) устройств но входным и выходным сигналам по форме представления сигналов (аналоговое, цифровое) и последовательности их прохождения.

Рис. 2.16.

Компоненты МПУ связаны между собой внутренними магистралями (шинами) - «-проводными линиями, по которым передаются «-разрядные двоичные числа. УУ координирует работу всех устройств системы с помощью шины управления. Передача данных из выбранной ячейки памяти или портов УВВ осуществляется посредством шины данных. Вся память МПУ пронумерована побайтно, единицей памяти является один байт. Для обращения процессора к памяти или к УВВ необходимо запросить адрес нужных данных по адресной шине. Запоминающие устройства подразделяются на постоянные (ПЗУ) и оперативные (ОЗУ). ПЗУ применяют в основном для хранения фиксированных программ, постоянных коэффициентов, таблиц и т.п. ОЗУ предназначены для записи и хранения переменной информации, используемой непосредственно при выполнении арифметических и логических операций в ходе исполнения программы. Оперативная память является энергозависимой, т.е. при отсутствии напряжения питания информация не сохраняется. В качестве единиц измерения памяти используют байты, килобайты (1 Кбайт = 2 10 Б = 1024 Б). Важнейшая характеристика МПУ - разрядность, т.с. максимальная длина двоичного кода, который может передаваться и обрабатываться целиком. Скорость работы определяется тактовой частотой процессора, т.е. минимальное время выполнения любой операции (время переключения элементов в МПУ) соответствует одному периоду следования импульсов, вырабатываемых тактовым генератором.

Микропроцессорный контроллер {микроконтроллер) - вычислительное устройство, предназначенное для выполнения функций логического контроля и управления различными техническими объектами и сочетающее в себе микропроцессорное ядро и набор встроенных устройств ввода-вывода. В зависимости от конкретных условий применения микроконтроллер может иметь различное конструктивное исполнение. С развитием схемотехники получили распространение микроконтроллеры, в которых микросхемы процессора, памяти, преобразователей сигналов и их интерфейсы размещены на одной плате. Преимущественно используются однокристальные микроконтроллеры, выполненные в виде одной интегральной микросхемы. Они имеют малые габаритные размеры и высокую надежность.

Структура и характеристики микроконтроллеров определяют их функциональные возможности. Используются 4-, 8-, 16-, 32- и 64-разрядпые процессоры, способные выполнять операции с данными в формате с фиксированной точкой (в большинстве случаев) или плавающей точкой, что обеспечивает более высокую точность. Микроконтроллеры различаются наличием специализированных устройств ввода-вывода, таких как таймеры (счетчики импульсов), блоки захвата и сравнения, ШИМ-модули с разным количеством каналов, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), интерфейсы различного типа. Производителями выпускаются семейства микроконтроллеров, насчитывающие десятки представителей (серий) с разнообразными конфигурациями интерфейсов и составом встроенных периферийных устройств. Для решения задач, требующих большого объема и скорости вычислений, применяются специализированные микроконтроллеры, адаптированные к решению задач цифрового управления в реальном времени, - процессоры для цифровой обработки сигналов (англ. DSP - Digital Signal Processor). Существуют микроконтроллеры, специально предназначенные для управления полупроводниковыми преобразовательными устройствами, имеющие вычислительное ядро на базе DSP с объектно-ориентированной системой команд. Одним из лидеров в области производства микроконтроллеров является фирма Texas Instruments, выпускающая широкую номенклатуру устройств для управления силовыми электронными преобразователями. Одно из популярных семейств - микроконтроллеры С2000 |3].

Давайте разберемся, чем же на самом деле отличаются и в чем сходство этих двух типов цифровых радиоэлектронных устройств.

И микропроцессор и микроконтроллер предназначены для выполнения некоторых операций — они извлекают команды из памяти и выполняют эти инструкции (представляющие собой арифметические или логические операции) и результат используется для обслуживания выходных устройств. И микроконтроллер и микропроцессор способны непрерывно производить выборку команд из памяти и выполнять эти инструкции, пока на устройство подается питание. Инструкции представляют из себя наборы битов. Эти инструкции всегда извлекаются из места их хранения, которое называется памятью.

Что такое микропроцессор

Микропроцессор (в ангоязычной литературе MPU — Micro Processor Unit) содержит функционал компьютерного центрального процессора, или ЦП (CPU — Central Processing Unit) на одном полупроводниковом кристалле (ИМС — интегральная микросхема или на западный манер — Integrated Circuit).

По своей сути — это микрокомпьютер, который используется для выполнения арифметических и логических операций, управления системами, хранения данных и прочих.

Микропроцессор обрабатывает данные, поступающие с входных периферийных устройств и передает обработанные данные на выходные периферийные устройства.

Существует четыре основных типа процессоров, различающихся своей архитектурой.

Микропроцессоры с полным набором команд (Complex Instruction Set Computer, CISC -архитектура). Характеризуются нефиксированным значением длины команды, кодированием арифметических действий одной командой, небольшим числом регистров, выполняющих строго определённые функции. Примером такого типа процессоров служит семейство x86.

Микропроцессоры с сокращенным набором команд (Reduced Instruction Set Computer, RISC -архитектура). Обладают, как правило, повышенным быстродействием за счёт упрощения инструкций, что позволяет упростить процесс декодирования и, соответственно, сократить время их выполнения. Большинство графических процессоров разрабатываются, используя этот тип архитектуры.

Микропроцессоры с минимальным набором команд (Minimal Instruction Set Computer, MISC -архитектура). В отличие от RISC-архитектуры, в них используются длинные командные слова, что позволяет выполнять достаточно сложные действия за один цикл работы устройства. Формирование длинных «командных слов» стало возможным благодаря увеличению разрядности микропроцессорных устройств.

В суперскалярных процессорах (Superscalar Processors ) используются несколько декодеров команд , которые загружают работой множество исполнительных блоков . Планирование исполнения потока команд происходит динамически и осуществляется самим вычислительным ядром. Примером процессора с таким типом архитектуры является, например Cortex A8.

Отдельно хочу выделить микропроцессоры специального назначения (ASIC — Application S pecific I ntegrated C ircuit). Как следует из названия, предназначены для решения конкретной задачи. В отличие от микропроцессоров общего назначения, применяются в конкретном устройстве и выполняют определенные функции, характерные только для данного устройства. Специализация на выполнении узкого класса функций приводит к увеличению скорости работы устройства и, как правило, позволяет снизить стоимость такой интегральной схемы. Примерами таких микропроцессоров может быть микросхема, разработанная исключительно для управления мобильным телефоном , микросхемы аппаратного кодирования и декодирования аудио- и видеосигналов - так называемые цифровые сигнальные процессоры (Digital Signal Processing, DSP multiprocessors). Могут быть реализованы в виде ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема). При разработке таких процессоров для описания их функциональности используют языки описания аппаратных устройств (HDL — Hardware D escription L anguage) , такие как Verilog и VHDL .

Системы на основе микропроцессоров строят примерно следующим образом.

Как видно, микропроцессор в этой системе имеет множество вспомогательных устройств, таких как постоянное запоминающее устройство, оперативная память, последовательный интерфейс, таймер, порты ввода/вывода и т.д. Все эти устройства обмениваются командами и данными с микропроцессором через системную шину. Все вспомогательные устройства в микропроцессорной системе являются внешними . Системная шина, в свою очередь, состоит из адресной шины, шины данных и шины управления.

Теперь, давайте, рассмотрим микроконтроллер.

Что такое микроконтроллер

Ниже представлена блок-схема микроконтроллера. Какого же его основное отличие от микропроцессора? Все опорные устройства, такие как постоянное запоминающее устройство, оперативная память, таймер, последовательный интерфейс, порты ввода/вывода являются встроенными. Поэтому не возникает необходимости создавать интерфейсы с этими вспомогательными устройствами, и это экономит много времени для разработчика системы.

Микроконтроллер не что иное, как микропроцессорная система со всеми опорными устройствами, интегрированными в одном чипе. Если вы хотите создать устройство, взаимодействующее с внешней памятью или блоком ЦАП/АЦП, вам нужно только подключить соответствующий источник питания постоянного напряжения, цепь сброса и кристалл кварца (источник тактовой частоты). Их просто проблематично интегрировать в полупроводниковый кристалл.

Ядро микроконтроллера (центральный процессор), как правило строится на основе RISC-архитектуры.

Программа, записанная в память микроконтроллера может быть защищена от возможности ее последующего чтения/записи, что обеспечивает защиту от ее несанкционированного использования.

Сравниваем микроконтроллер и микропроцессор

	Микропроцессор	Микроконтроллер
Использование	Компьютерные системы	Встраиваемые системы
Устройство	Содержит центральный процессор, регистры общего назначения, указатели стека, счетчики программы, таймер и цепи прерываний	Cодержит схему микропроцессора и имеет встроенные ПЗУ, ОЗУ, устройства ввода/вывода, таймеры и счетчики.
Память данных	Имеет много инструкций для перемещения данных между памятью и процессором.	Имеет одну-две инструкции для перемещения данных между памятью и процессором.
Электрические цепи	Высокая сложность	Достаточно простые
Затраты	Стоимость всей системы увеличивается	Низкая стоимость системы
Число регистров	Имеет меньшее количество регистров, операции в основном производятся в памяти.	Имеет большее число регистров, поэтому проще писать программы
Запоминающее устройство	Основано на архитектуре фон Неймана. Программа и данные хранятся в том же модуле памяти.	Основано на Гарвардской архитектуре. Программы и данные хранятся в разных модулях памяти.
Время доступа	Время доступа к памяти и устройствам ввода/вывода больше.	Меньшее время доступа для встроенной памяти и устройств ввода/вывода.
Железо	Требует большее количество аппаратного обеспечения.	Требует меньшее количество аппаратного обеспечения.