Компьютерра - Журнал Компьютерра №728

Примерно 50% рынка МК составляют 8-разрядные чипы, хотя самый быстрорастущий сектор - 32-разрядные, в основном на архитектуре ARM, ставшие основой для различных мобильных устройств. Как ни удивительно, около 10% рынка до сих пор имеют 4-разрядные - ближайшие родственники знаменитого i4004, первого микропроцессора в истории, выпущенного Intel еще в 1971 году.

В 1976 году Intel выпустила i8048, 8-разрядный процессор, считающийся первым микроконтроллером в истории (он был, в частности, использован в клавиатуре первых IBM PC). Он имел все базовые узлы, характерные для современных МК: кроме АЛУ, это три параллельных порта ввода-вывода, таймер-счетчик, систему внутренних и внешних прерываний, 64-байтное ОЗУ данных и встроенную память программ в 1 кбайт (расширяемую внешними ПЗУ до 4 кбайт). Texas Instruments оспаривает у Intel первенство, утверждая, что первым МК был выпущенный в 1972 году 4-pазpядный TMS1000. Однако возможности этого чипа были значительно беднее.

Классикой жанра стал чип 8051, выпущенный Intel в 1980 году. События, связанные с появлением в 1981 году IBM PC на основе интеловского же процессора 8086/88, обычно заслоняют в сознании историков этот факт. Но для электронной индустрии в целом архитектура x51 сыграла примерно такую же роль, как х86 в секторе ПК, если не большую. Достаточно сказать, что x51-совместимые МК безусловно доминировали в индустрии пятнадцать лет, до середины 1990-х, и в настоящее время (когда сама Intel уже давно отказалась от их поддержки) все еще занимают не менее трети рынка универсальных МК. Контроллеры на основе этой архитектуры сейчас выпускают более полутора десятков фирм, среди которых Texas Instruments, Atmel, NXP (Philips Semiconductor), Infineon (Siemens), OKI, NEC и др.

Лидирует в мире по выпуску МК фирма Motorola, но ее продукция всегда была в большей степени рассчитана на корпоративных заказчиков, и в отечественных магазинах "Чип и Дип" ее контроллеров вы, скорее всего, не встретите. Хотя, кроме широкого спектра специализированных и "заказных" МК, Motorola выпускает и универсальные (68HC05, 68HC08, 68HC11), фирма долго не предоставляла средств, облегчающих освоение ее продукции, и потому в нашей стране она непопулярна.

Огромное количество МК производится под конкретную задачу: это, например, контроллеры дисплеев, электродвигателей, зарядных устройств для аккумуляторов, и пр. Сюда же можно отнести и так называемые DSP - Digital Signal Processor, специальные контроллеры для скоростного аналого-цифрового преобразования и различной обработки аналоговых сигналов. В принципе, DSP составляют особый и очень важный класс полупроводниковых приборов, и мы о них поговорим как-нибудь отдельно.

Для решения общих задач выпускают универсальные МК, которые отличаются наличием развитой встроенной периферии - это то самое, что называется computer-on-chip, однокристальный компьютер. Если любой процессор для ПК, начиная с i8086 и заканчивая последними двух-четырехъядерными моделями, без внешнего чипсета абсолютно беспомощен, то универсальный МК содержит в себе все функциональные узлы, необходимые для полноценной работы. На таком МК в принципе можно построить работающий компьютер с добавлением лишь клавиатуры и дисплея, без каких-либо других существенных компонентов.

Принадлежность к тому или иному семейству характеризуется ядром, главная из характеристик которого, естественно, разрядность. Тем не менее существуют, например, совместимые 16-разрядные версии 8-разрядных процессоров (чему начало положила, несомненно, Intel со своими 8086/88). Кроме разрядности, ядро характеризуется архитектурой. Абсолютно универсальных архитектур, естественно, не бывает, и хотя в принципе все универсальные МК могут делать одно и то же, архитектурные войны среди микроконтроллерщиков кипят ничуть не с меньшим накалом, чем среди приверженцев Windows/Linux или ATI/nVidia. Как и в этих случаях, войны являются уделом в основном любителей: но и профессионалы нередко питают слабость к той или иной конкретной архитектуре. В отношении МК положение облегчается тем, что для пользователя конечной продукции (а в принципе даже и для самого разработчика) выбор той или иной архитектуры по большей части не имеет ровным счетом никакого значения, и влияния на конечный результат не оказывает. А такие системы, как универсальная среда Embedded Workbench фирмы IAR Systems для программирования на языке С более чем двадцати семейств МК, вообще сводят различия к минимуму (см. врезку).

Все универсальные 8-разрядные МК содержат в разных вариантах примерно один и тот же набор встроенных периферийных модулей: это 8-ми и 16-разрядные счетчики-таймеры; параллельные порты ввода-вывода (с индивидуальным управлением каждым выводом); последовательные порты UART, SPI, иногда двухпроводный I2C; аналогово-цифровые преобразователи (рис. 1). Все современные МК могут функционировать в режиме ожидания с пониженным (до нескольких мкА) энергопотреблением.

Большинство МК имеет гарвардскую (а не фоннеймановскую, как у "обычных" компьютеров) архитектуру памяти, когда области хранения программ и данных разделены (исключения все же есть - например, некоторые МК фирмы Fujitsu). Такое построение вытекает из самого принципа устройства МК, где программы обычно хранятся в энергонезависимой памяти (ранее - в "прожигаемой", либо УФ-стираемой, сейчас около трех четвертей рынка занимают контроллеры с флэш-памятью), тогда, как данные - в быстродействующей SRAM, которая иногда может наращиваться с помощью внешних модулей. Для долговременного хранения данных в МК обычно встраивают отдельный небольшой массив EEPROM-ячеек или применяют внешние ППЗУ.

Однако различия между семействами все же имеются, и при построении систем их приходится учитывать. Давайте рассмотрим подробнее универсальные МК на примере трех наиболее популярных семейств - это упоминавшийся x51, и кроме того, PIC фирмы Microchip и AVR фирмы Atmel.

Патриарх i8051 совершил в свое время переворот прежде всего тем, что это был первый computer-on-chip, содержащий на кристалле практически все, что требуется для автономного функционирования: встроенную память программ, четыре восьмиразрядных параллельных порта ввода-вывода, два 16-разрядных таймера-счетчика, универсальный последовательный интерфейс, и систему внутренних и внешних прерываний. В дальнейшем он породил большое число подражаний самого разнообразной структуры и назначения; в том числе выпускались (а может, даже и продолжают выпускаться - в продаже, во всяком случае, имеются) его клоны и в нашей стране в виде серий 1816 и 1830.

Система команд x51 основана на работе АЛУ с единственным регистром-аккумулятором, плюс еще один вспомогательный регистр, который штатно используется для команд аппаратного умножения и деления, но годится и для хранения какой-нибудь переменной. Такая конструкция подразумевает широкое использование стека. Для программных переменных предполагается расположение в памяти данных, которая может иметь самую разнообразную конфигурацию (если учесть возможность подключения внешней памяти до 64 кбайт), поэтому в архитектуре х51 имеется огромное количество однотипных инструкций, различающихся только способом адресации.