8 Узагальнена функціональна схема мікроконтролера керування електронним пристроєм.

Мікроконтроллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) - мікросхема, призначена для керування електронними пристроями. Типовий мікроконтроллер поєднує в собі функції процесора і периферійних пристроїв, може містити ОЗУ і ПЗУ. По суті, це однокристальний комп'ютер, здатний виконувати прості завдання. Використання однієї мікросхеми замість цілого набору, як у випадку звичайних процесорів, що застосовуються в персональних комп'ютерах, значно знижує розміри, енергоспоживання і вартість пристроїв, побудованих на базі мікроконтролерів.

Мікроконтролери є основою для побудови вбудованих систем, їх можна зустріти в багатьохсучасних приладах, таких як телефони, пральні машини і т. п. Велика частина випускаються у світі процесорів - мікроконтролери.

При проектуванні мікроконтролерів доводиться дотримувати баланс між розмірами і вартістю з одного боку і гнучкістю і продуктивністю з іншою. Для різних додатків оптимальне співвідношення цих і інших параметрів може розрізнятися дуже сильно. Тому існує величезна кількість типів мікроконтролерів, що відрізняються архітектурою процесорного модуля, розміром і типом вбудованої пам'яті, набором периферійних пристроїв, типом корпусу і т. д.

Велике поширення одержали мікроконтролери з RISC-архітектурою (Reduced Instruction Set Computer - обчислення із спрощеним набором команд). Спрощений набір команд дозволяє виконувати більшість інструкцій за один такт, що забезпечує високу швидкодію навіть при відносно низькій тактовій частоті.

Крім ОЗУ, мікроконтроллер може мати вбудовану незалежну пам'ять для зберігання програми і даних. У багатьох контролерах взагалі немає шин для підключення зовнішньої пам'яті. Найбільш дешеві типи пам'яті допускають лише одноразовий запис. Такі пристрої підходять для масового виробництва в тих випадках, коли програма контролера не оновлюватиметься. Інші модифікації контролерів мають можливістю багатократного перезапису енергонезалежної пам'яті. На відміну від процесорів загального призначення, в мікроконтролерах часто використовується роздільне зберігання даних і команд в ОЗУ і ПЗУ відповідно.

Неповний список периферії, яка може бути присутнім в мікроконтролерах, включає в себе:

• універсальні цифрові порти, які можна настроювати як на введення, так і на висновок

• різні інтерфейси введення-виведення, такі як UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet

• аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі

• компаратори

• широтно-імпульсні модулятори

• таймери

• контролери безколекторних двигунів

• контролери дисплеїв і клавіатур

• радіочастотні приймачі та передавачі

• масиви вбудованої флеш-пам'яті

• вбудований тактовий генератор і сторожовий таймер

Програмування мікроконтролерів зазвичай здійснюється на мові асемблера або Сі, хоча існують компілятори для інших мов, наприклад, Форту. Використовуються також вбудовані інтерпретатори Бейсіка. Для налагодження програм використовуються програмні симулятори (спеціальні програми для персональних комп'ютерів, що імітують роботу мікроконтролера), внутрішньосхемного емулятори (електронні пристрої, що імітують мікроконтролер, які можна підключити замість нього до розробляється вбудованому пристрою) і інтерфейс JTAG.

Внутрішня структура типового мікроконтролера:

Мікроконтролер складається з двох основних частин: ядра і модуля вводу-виводу. Ядро МК складають мікропроцесор, системний контролер (СК) і пристрої пам'яті. У структурі МК мікропроцесор грає головну роль: здійснює арифметичну і логічну обробку даних, що надходять від зовнішніх пристроїв (ЗП) системи, і спільно з системним контролером керує потоками інформації між всіма пристроями МК. Зв'язок мікропроцесора з об'єктом управління здійснюється через ПЗО і шини системи: шину даних (ШД), шину адреси (ША) і шину управління (ШУ). Підключення УСО до шини даних системи здійснюється через порти введення-виведення системи, які зазвичай входять до складу інтерфейсу системи. Інтерфейс - сукупність програмних і апаратних засобів, які забезпечують обмін інформацією між МП і ВУ.

Інформація про стан об'єкта управління передається до МП через ПЗО і шину даних. За цим же напрямом передаються керуючі сигнали від МП до об'єкта управління. Тому шина Даних МК двонаправлена. Її розрядність звичайно відповідає розрядності арифметико-логічного пристрою (АЛУ) мікропроцесора і визначає діапазон представляються двійкових цифрових чисел.

Звернення до ВУ системи здійснюється через адресу, присвоєний кожному ВУ. Адреса ВУ представляє собою цифровий двійковий код, який передається в напрямку МП-> ВУ. Передача адреси системи здійснюється через однонапрямкова шину адреси. Розрядність ША адреси в системах з різними мікропроцесорами може становити 8, 16, 32 довічних розряду. Чим більше розрядність ША, тим більше кількість адрес можна закодувати: для n-розрядної ША обсяг адресного простору системи V = 2n. Для 16-розрядної ША обсяг адресного простору V = 216 = 65536 = 64К. Шина управління системи служить для передачі системних керуючих сигналів від МП до ВУ й у зворотному напрямку. Причому ШУ влаштовано так, що по кожному її проводу передається керуючий сигнал тільки в одному напрямку. Формування системних керуючих сигналів, що забезпечують необхідні операції між МП і ВУ, здійснюється в системному контролері за рахунок використання деяких сигналів управління МП. Тому СК можна вважати первинним керуючим пристроєм системи або первинним автоматом. Найважливішим завданням первинного автомата є забезпечення правильної взаємодії між усіма пристроями МК.

Для зберігання програм і даних ядро МК містить ОЗП (оперативний запам'ятовуючий пристрій), ПЗУ (постійне ЗУ) і РПЗУ (репрограмуємий ЗП). ПЗУ використовується тільки для зберігання програм управління. Ці програми, розроблені і налагоджені на спеціальних засобах налагодження, заносяться до ПЗУ в заводських умовах, і користувач змінювати їх не може. РПЗУ відрізняється тим, що користувач може змінювати його зміст, тобто запрограмувати. ОЗУ використовується для зберігання даних, необхідних для виконання основної програми керування. Звернення до осередків пам'яті адресний. Адреси (n - розрядні двійкові числа) виставляються на шину адреси лічильником команд (PC) мікропроцесора. Частина розрядів ША надходить безпосередньо до мікросхем пам'яті, а інші (старші) розряди використовуються у схемі дешифрування ДШ для вибірки мікросхем пам'яті. Таким чином, кожну адресу на ША визначає позицію мікросхеми та конкретну комірку всередині неї.