Basisprincipes van microcontrollers:de structuur, het werkingsprincipe en de toepassingen

Microcontroller aan boord

Bron:Wikimedia Commons

Voordat je in de wereld van embedded elektronica duikt, moet je begrijpen wat ervoor nodig is. Dit veld omvat bijvoorbeeld het schrijven van uw codes. En het is bijna onmogelijk om dit te doen als je de basisprincipes van microcontrollers, de programmeertaal die het gebruikt of de fundamentele programmeerconcepten niet begrijpt. Anders raak je in de war over waar je moet beginnen en word je ook overweldigd.

Maar er is goed nieuws:

In dit artikel leer je de basisdingen die je nodig hebt om aan de slag te gaan met embedded elektronica. We bespreken wat het is, hoe de microcontroller werkt, de basisstructuur en meer.

Laten we beginnen!

Wat is een microcontroller?

Microcontrollers

Bron:Wikimedia Commons

Voordat u de microcontroller definieert, is het van vitaal belang om op te merken dat deze verschilt van de microprocessor (die we later in het artikel zullen bespreken).

Dat gezegd hebbende, de microcontroller is een zeer grootschalige integratie-IC. En het omvat de I/O-poorten, de logische eenheid, het geheugen, de elektronische rekeneenheid en andere modules die op een enkele chip zijn gefuseerd. U kunt het apparaat ook een Single-Chip-Computer noemen.

Daarnaast is de microcontroller ook een Embedded Controller. En dat komt omdat het apparaat naast de ondersteunende circuits in het apparaat gaat dat het bestuurt.

U vindt microcontrollers in veel apparaten of toepassingen die gegevens weergeven, meten, besturen, opslaan of berekenen. Interessant is dat de auto-industrie bovenaan de lijst staat voor de grootste gebruikers van microcontrollers. Voertuigen hebben het apparaat immers nodig voor de motorregeling en het regelen van andere systemen.

Een ander gebied waar microcontrollers veel voorkomen, is de consumentenelektronica. Zo vind je microcontrollers in ovens, digitale camera's, dvd-spelers, enz. Test- en meetapparatuur maken ook gebruik van microcontrollers, bijvoorbeeld functiegeneratoren, multimeters, enz.

Basisbeginselen van microcontrollers– Hoe werkt de microcontroller?

Meestal voeren microcontrollers een bepaald programma uit en houden ze zich aan één taak. Ze werken dus door input te krijgen van het apparaat dat ze bedienen. Dit helpt de microcontrollers dus om de controle te behouden. En dit doet het door signalen naar verschillende delen van het apparaat te sturen.

De microcontroller van een tv werkt bijvoorbeeld door invoer van de afstandsbediening te krijgen. Vervolgens levert het de uitvoer op het tv-scherm.

De soorten microcontrollers

We hebben verschillende microcontrollers op basis van de volgende categorieën:instructiesets, geheugen en bits.

Instructiesets

Er zijn twee categorieën microcontrollers op basis van de configuratie van de instructieset:

RISC

Dit acroniem staat voor Reduced Instruction Set Computers. Het doet dit door de klokcyclus voor elke instructie te verminderen. En het helpt om de werktijd te verminderen.

CISC

Dit acroniem staat voor Complex Instruction Set Computer. En het stelt gebruikers in staat om één instructie als optie aan verschillende eenvoudige commando's te koppelen.

Geheugen

Geheugenkaart (RAM)

Bron:Wikimedia Commons

In de categorie geheugenconfiguratie zijn er twee soorten microcontrollers:

Geïntegreerde geheugenmicrocontroller

Dit type microcontroller heeft meestal zoveel componenten op de chip, zoals timers en tellers, I/O-poorten, datageheugen, interrupts, enz. Een voorbeeld van een microcontroller met ingebouwd geheugen is de Intel 8051.

Externe geheugenmicrocontroller

Het ontwerp van dit type microcontroller heeft geen programmageheugen op zijn chip. Een uitstekend voorbeeld van een externe geheugenmicrocontroller is de Intel 8031.

Bits

Er zijn drie soorten microcontrollers in de categorie bitconfiguratie:

32-bits microcontroller

U vindt de 32-bits microcontroller in apparaten die automatische besturing gebruiken, zoals medische apparaten, enz.

16-bits microcontroller

De 16-bits microcontroller is handig voor toepassingen met hoge prestaties en nauwkeurigheid. U kunt deze microcontroller dus gebruiken om logische en rekenkundige bewerkingen uit te voeren. Een uitstekend voorbeeld van deze microcontroller is de Intel 8096.

8-bits microcontroller

De 8-bit microcontroller is de minste in deze categorie. En je kunt het gebruiken om eenvoudige taken uit te voeren, zoals het uitvoeren van logische en rekenkundige bewerkingen zoals delen, aftrekken, enz. Ook voorbeelden van deze microcontroller zijn Intel 8051 en 8031.

Basisstructuur van een microcontroller

De microcontroller heeft drie fundamentele componenten:I/O-poorten, geheugen en de centrale verwerkingseenheid.

Andere componenten van dit apparaat zijn ook van vitaal belang. Maar de hierboven genoemde zijn ondersteunende apparaten. We zullen dus de primaire componenten van een microcontroller onder de loep nemen op basis van zijn structuur.

Basisbeginselen van microcontrollers– Geheugen

Meestal hebben de meeste rekensystemen twee soorten geheugen nodig:gegevens- en programmageheugen. Het datageheugen helpt om tijdelijke informatie te bewaren terwijl het instructies uitvoert. Maar het programmageheugen bestaat uit het programma. Dat wil zeggen, het bevat de instructies die de CPU zal uitvoeren.

Bus

De systeembus is een van de minst besproken componenten. Maar het is een essentieel onderdeel van de microcontroller.

Het verwijst naar een verzameling verbindingsdraden die de CPU verbinden met andere randapparatuur zoals de I/O-poorten en andere ondersteunende componenten.

Basisbeginselen van microcontrollers– CPU

De CPU is als de regen van de microcontroller. En het bestaat uit twee delen:de CU (Control Unit) en ALU (Arithmetic Logic Unit).

De CPU is dus verantwoordelijk voor het decoderen, lezen en uitvoeren van instructies om gegevens-, logische en rekenkundige overdrachtsbewerkingen uit te voeren.

Onderbrekingen

De interrupts zijn een ander essentieel onderdeel van de microcontroller. En het heeft een Interrupt Handling Mechanism. Dit onderdeel kan ook softwaregerelateerd, eeuwig, hardwaregerelateerd of intern zijn.

Basisbeginselen van microcontrollers– I/O-poorten

De I/O verwijst naar de Input/Output-poorten. Dit onderdeel biedt de microcontroller een interface naar externe verbindingen. Invoerapparaten zoals de toetsenborden, schakelaars, enz. geven bijvoorbeeld informatie van een gebruiker aan de CPU. En het doet dit in een binaire gegevensvorm.

Dus wanneer de CPU de informatie van de invoerapparaten krijgt, voert het geschikte instructies uit. Vervolgens reageert het via de uitvoerapparaten zoals printers, displays, LED's, enz.

Seriële poort

Dit onderdeel helpt de microcontroller te communiceren via seriële communicatie. Een microcontroller kan alleen via de seriële poort communiceren met andere externe randapparatuur en apparaten. En de UART is de meest voorkomende seriële communicatie van de microcontroller.

DAC

Dit acroniem staat voor Digital to Analog Converter. En het is een circuit dat digitale signalen verandert in analoge signalen. Dit onderdeel verbindt ook de CPU van de microcontroller en analoge apparaten (extern).

ADC

Het ADC-acroniem staat voor analoog naar digitaal converter. En het is het tegenovergestelde van de DAC. Dat wil zeggen, het circuit helpt om analoge signalen om te zetten in digitale signalen. Dit circuit creëert ook een verbinding tussen de externe analoge invoerapparaten en de CPU van de microcontroller.

Verder is het van cruciaal belang op te merken dat analoge apparaten meestal sensoren zijn. Om de CPU de communicatie te laten begrijpen, moeten de analoge gegevens dus veranderen in digitaal.

Basisbeginselen van microcontrollers:tellers/timers

De tellers en timers zijn essentiële onderdelen van de microcontroller. En ze zijn verantwoordelijk voor het aanbieden van bewerkingen voor het tellen van externe gebeurtenissen en tijdvertragingen. Ook bieden de componenten Clock Control, Function Generation, etc.

Configuratiebits

Microcontrollers hebben meestal een uniek bit. En het zijn de configuratiebits. Dit onderdeel helpt bij het structureren van de speciale opties van de microcontroller, waaronder (maar niet beperkt tot):

• Laagspanningsprogrammering aan/uit
• Opstarttimer aan/uit
• Intern/Extern omschakeling Aan/Uit
• Oscillatortype
• Fail-Safe klokmonitor aan/uit
• Brown-out reset aan/uit
• Watchdog-timer aan/uit

Op een PIC-microcontroller zul je ook configuratiebits opmerken. En het is verantwoordelijk voor de bescherming van gegevenscodes en programmacodes.

Dat wil zeggen, de configuratiebits voorkomen dat externe programmeerhardware uw programma- en gegevensruimten leest. Daarom zal het voor anderen moeilijk zijn om uw code te stelen.

Vergelijking tussen de microprocessor en microcontroller

Microprocessor

Bron:Wikimedia Commons

Microcontroller

Bron:Wikimedia Commons

De microcontroller is een computer die bestaat uit timers, ROM en andere randapparatuur. Daarom kun je ze minicomputers noemen. Bovendien zijn ze er in een andere versie. Maar de microprocessors zijn geïntegreerde schakelingen. En ze hebben verwerkingskracht met alleen een CPU erin.

Hier is een tabel met hun verschillen:

Pluspunten

• Omdat hij instructies schrijft en opslaat in het geheugen, heeft de microcontroller geen complexe besturingssystemen nodig.
• De chip vereist geen externe interface van primaire componenten zoals de I/O-poorten.
• U kunt de I/O-poorten programmeren.
• Het plaatsen van alle vitale componenten verkleint de oppervlakte van het product, de kosten en de ontwerptijd.

Nadelen

• Het heeft geen besturingssysteem. Daarom moet je alle commando's schrijven.
• Het geheugen van de microcontroller (afhankelijk van de hoeveelheid) kan de instructie beperken die het apparaat kan uitvoeren.

Afronding

Samenvattend verklaren de basisprincipes van de microcontroller de kracht van de microcomputer met één chip. Verder omvat het verschillende randapparatuur die de structuur van het apparaat vormen, zoals het geheugen, de CPU, I/O-poorten, oscillerende circuits, enz. Fabrikanten bouwen de microcontroller ook in de apparaten die ze besturen.

En elk van de randapparatuur speelt een cruciale rol die bijdraagt ​​aan de functie van de microcontroller. Wat vind je van microcontrollers? Heeft u hulp nodig bij het vinden van de beste voor uw project? Neem gerust contact met ons op.