# Лекция 21. Микроконтроллеры

## Содержание

- [Лекция 21. Микроконтроллеры](#лекция-21-микроконтроллеры)
  - [Содержание](#содержание)
  - [Микроконтроллеры на примере PIC](#микроконтроллеры-на-примере-pic)
    - [PIC16F18313](#pic16f18313)
  - [Микроконтроллеры на примере ARM](#микроконтроллеры-на-примере-arm)
    - [Программа для микроконтроллера stm32f10x на языке C](#программа-для-микроконтроллера-stm32f10x-на-языке-c)
  - [Основные материалы лекции](#основные-материалы-лекции)
  - [Дополнительные материалы к лекции](#дополнительные-материалы-к-лекции)

> *Микроконтроллер* — это устройство, которое объединяет в себе процессор и ряд периферийных устройств и занимается управлением.

Электронные устройства можно условно разделить на несколько категорий:

1. Различные встраиваемые системы (которые куда-то встраиваются; например, встроенные в микроволновку, холодильник или телевизор)
2. Системы общего назначения (персональные компьютеры, ноутбуки, мобильные телефоны)

В 70-х годах компанией Texas Instruments произведен первый патент на тему микроконтроллеров: "Организация микро-ЭВМ на одной микросхеме". Фактически контроллер является микро-ЭВМ (системой, которая объединяет процессор, периферийные модули, память команд, память данных).

Контроллеров выпускается на порядок больше, чем процессоров общего назначения.
Микроконтроллеры используются везде (в игрушках, микроволновках, клавиатурах, мышках и т.д.).
Микроконтроллеры есть в устройствах, которые производятся серийно, поэтому стараются сделать так, чтобы контроллер умел выполнять свои задачи и каждый его элемент стоил минимальную цену.

Контроллеры бывают различной разрядности.

- 8-битные. Они используются для решения простых задач (например, для сравнения каких-то параметров);
- 16-битные. Они используются для более сложных задач, чем 8-битные, где нужна большая точность (например, для управления каким-то двигателем);
- 32-битные контроллеры выполняют какие-либо вычисления: решают алгоритмы, проводят анализ сигналов.

Чтобы проверить, подходит ли данный контроллер для устройства, можно купить его и самому проверить, а можно купить отладочный комплект (starter kit или учебный комплект).

## Микроконтроллеры на примере PIC

Существуют различные семейства микроконтроллеров PIC. Они отличаются специализацией под определенные устройства и задачи.

Например в контроллерах семейства PIC16F19197 предусмотренно управление LCD-дисплеем.

Рассмотрим семейство PIC16F18446 (используется для подключения сенсоров, имеет низкое потребление энергии, маленький форм-фактор). Контроллеры данного семейства устанавливаются в маленькие устройства (может быть с батарейным питанием), которые получают значения с датчиков.

Помимо процессорного ядра на микросхеме находятся различные периферийные устройства. Например:

1. 12-битные аналого-цифровые преобразователи (для преобразования непрерывного во времени аналогового сигнала, в котором информация кодируется в виде уровня напряжения, в цифровой сигнал, который кодируется ноликами и единичками);
2. Компараторы (сравнивают аналоговые сигналы друг с другом);
3. Конфигурируемые логические ячейки (CLC или Configurable Logic Cell);
4. Флеш память программ, основная память;
5. EEPROM (электрически перезаписываемая программируемая память);
6. PWM (Pulse-width modulation или широтно-импульсная модуляция);
7. Waveform generator (генерирует сигналы);
8. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП или DAC) и другие.

Микроконтроллеры внутри рассматриваемого семейства отличаются размером памяти, количеством ножек, аналогово-цифровых преобразователей и максимальной аналогово-цифровой разрешающей способностью.

### PIC16F18313

Рассмотрим микроконтроллер PIC16F18313. В [документации](https://ww1.microchip.com/downloads/aemDocuments/documents/MCU08/ProductDocuments/DataSheets/40001799F.pdf) можно узнать, что это за контроллер и что он умеет.

Например:

- это RISC контроллер, поддерживающий 48 инструкций;
- его входная тактовая частота — 32 MHz, минимальный тактовый цикл — 125 ns (величина критического пути);
- Он имеет C-компилятор, систему прерываний, 16-уровневый стек для вызова подпрограмм, четыре 8-битых таймера, Watchdog Timer (когда таймер досчитывает до конца, он сбрасывает микроконтроллер, то есть перезапускает его. Он нужен для того, чтобы избежать зависаний во время работы) и т.д.

Данный микроконтроллер имеет 3 конфигурации: с 8-ю, 14-ю и 16-ю ножкам.

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_01.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_01.png)

*Рис. 1. Микроконтроллер PIC16F18313 с 8-ю ножками.*

Для каждой конфигурации имеется табличка, в которой расписано, для чего может использоваться каждый конкретный вывод.

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_02.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_02.png)

*Рис. 2. Таблица подключения периферийных устройств для микроконтроллера PIC16F18313 с 8-ю ножками.*

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_03.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_03.png)

*Рис. 3. Схема микроконтроллера PIC16F18313.*

У данного контроллера мы видим CPU (центральный процессор), Timing Generator, который формирует сигналы тактирования.
Микроконтроллер выполнен по Гарвардской архитектуре, то есть у него разделена память команд и память данных.
Порты ввода-вывода, периферийные устройства и память данных подключены к CPU общей шиной данных.

Для подключения микроконтроллера PIC16F18313 нужно между пинами питания (VDD (высокий потенциал) и VSS (нулевой потенциал или земля)) поставить конденсатор C2, а на вход MCLR собрать схему (Note 1).

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_04.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_04.png)

*Рис. 4. Рекомендуемое минимальное подключение микроконтроллера PIC16F18313.*

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_05.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_05.png)

*Рис. 5. Тракт данных ядра (микроархитектура).*

Память программ, на которую указывает PC. Из нее выходит 14-битная инструкция, которая попадает в регистр инструкций. Данные из регистра используются для адресации в RAM и в устроистве управления (Instruction Decode and Control), которое формирует управляющие сигналы для всех блоков процессора.

Также мы видим аккумуляторную архитектуру, то есть один из входов АЛУ — это регистр аккумулятор (W Reg).

Управление системой происходит по обращению к конкретным адресам:

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_06.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_06.png)

*Рис. 6. Адреса регистров.*

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_07.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_07.png)

*Рис. 7. Форматы кодирования для микроконтроллера PIC16F18313.*

Пример программирование 32-битного контроллера PIC. Для этого, после подключения питания (Bypass capacitors), подаем тактирование (SG636PCE 40MHz oscillator), подключаем микроконтроллер к программатору (RJ11 ICD3 Jack).

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_08.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_08.png)

*Рис. 8. Схема подключения PIC32.*

Программатор одной стороной подключается к микроконтроллеру, а другой к компьютеру.

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_09.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_09.png)

*Рис. 9. Программатор.*

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_10.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_10.png)

*Рис. 10. Пример кода, для отладки микроконтроллера.*

## Микроконтроллеры на примере ARM

Посмотрим 32-битный ARM микроконтроллер [STM32H723VE](https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32h723ve.html).

Видим, что у данного контроллера ядро Cortex-M7, он работает на частоте 550 MHz, имеет 1 MB флэш-памяти, 564 KB оперативной памяти.

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_11.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_11.png)

*Рис. 11. Характеристики микроконтроллера STM32H723VE.*

Ядро умеет работать с числами с плавающей запятой.

Контроллер может работать с графикой, имеет режим low power (низкого энергопотребления), аналоговую периферию, 4 DMA (прямой доступ к памяти), 24 таймера, термометр, генератор случайных чисел.

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_12.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_12.png)

*Рис. 12. Схема микроконтроллера STM32H723VE.*

В верхнем левом углу видим ядро, у которого отдельные кэш данных и кэш инструкции. Из него выходят наружу интерфейсы JTAG и ETM.

К ядру подключены 2 блока памяти данных, память инструкций.

У микроконтроллера много различных шин, работающих на разных скоростях, что необходимо для увеличения эффективности питания и работы. Например, периферия работает на более низких скоростях, а значит для нее нет необходимости делать лишние тактирования, которые происходили бы на высокоскоростной шине.

### Программа для микроконтроллера stm32f10x на языке C

Данная программа управляет миганием светодиода, подключенного к 5 разряду порта B:

```C
#include "stm32f10x.h"  //библиотека, созданная производителем микроконтроллеров

int main() {
    int i = 0;
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN  // включили тактирование порта B
    GPIOB->CRL   &= ~GPIO_CRL_CNFS;     // сконфигурировали порт, как выходной
    GPIOB->CRL   |= GPIO_CRL_MODES_0;   // задали скорость переключения порта

    while(1){
        i = 5000;
        while(i--);                     // уменьшает i до нуля
        GPIOB->BSRR = GPIO_BSRR_BS5;    // установить 5 разряд порта B в единицу
        i = 5000;
        while(i--);
        GPIOB->BSRR = GPIO_BSRR_BR5;    // установить 5 разряд порта B в ноль
    }
}
```

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_13.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_13.png)

*Рис. 13. Структурная организация ARM7.*

ARM7 — это классический представитель ядер для микроконтроллеров.

Он включает в себя:

- Конвейер команд, подключенный к декодеру команд, который управляет всеми блоками тракта данных процессора;
- 32-битное АЛУ, которое может записывать в регистровый файл либо выдавать свое значение на регистр адреса, чтобы обращаться к основной памяти;
- Регистровый файл, один из регистров которого счетчик команд (PC), второй подключен к АЛУ.

У ARM7 старая архитектура. Она развивалась и появились новые ядра. Например, ARM9.

В него входят:

- Регистровый файл;
- Множество мультиплексоров, которые выбирают откуда и что пойдет на АЛУ;
- АЛУ;
- Shifter.

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_14.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_14.png)

*Рис. 14. Структурная организация ARM9.*

Cortex-A9 — более современное, чем ARM7 и ARM9, ядро. Он еще может встречаться в контроллерах.

У Cortex-A9 есть:

- Кэш команд;
- Блок предсказания переходов:
  - Глобальный буфер истории (Global history register);
  - Кэш конечных адресов перехода (Branch target buffer). В нем кэшируется адрес, куда будет произведен переход;
  - Стек адресов возврата;
- Блок переименования регистров(переименование нужно для суперскалярности, устранения конфликтов read-after-write, write-after-write);
- Окно диспетчеризации (очередь команд общая и она диспетчеризует куда пойдет следующая инструкция);
- Исполнительные устройства (АЛУ с умножением, АЛУ, FPU — Floating Point Unit и другие).

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_15.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_15.png)

*Рис. 15. Схема работы Cortex-A9.*

Современные реализации микроконтроллеров могут включать в себя несколько ядер.

![../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_16.png](../.pic/Lectures/21.%20Microcontrollers/fig_16.png)

*Рис. 16. Cortex-A7 и Cortex-A15.*

При использовании двух ядер, одно может быть менее производительным чем другое, но при этом потреблять меньше энергии и использоваться в сценариях, где не нужна высокая эффективность. Переключения между ядрами позволяет балансировать между затратами на энергию и производительностью.

## Основные материалы лекции

1. [Ссылка](https://www.youtube.com/watch?v=Z0ohQdYn2VU&list=PL0def37HEo5KHPjwK7A5bd4RJGg4djPVf&index=21) на видеозапись лекции.

## Дополнительные материалы к лекции

1. [Ссылка](https://www.microchip.com/en-us/products/microcontrollers-and-microprocessors/8-bit-mcus/pic-mcus) на сайт производителя микропроцессоров PIC.
2. [Ссылка](https://onedrive.live.com/?authkey=%21AIXUSz0MyutL6hs&cid=1FF28DEC684C2C56&id=1FF28DEC684C2C56%2181801&parId=1FF28DEC684C2C56%2181696&o=OneUp) на статью, в которой описана сборка однотактного процессора с архитектурой PIC.