Лекция 39 Микроконтроллеры 8051, PIC, AVR и ARM

 

Цели лекции:

1. Рассмотрение различных микроконтроллеров.

2. Рассмотрение отличие микроконтроллеров друг от друга.

3. Рассмотрение разницы между основными семействами микроконтроллеров: AVR, ARM, 8051 и PIC.

 

Различие между микроконтроллерами AVR, ARM, 8051 и PIC

В настоящее время микроконтроллеры настолько дешевы и доступны, что их обычно используют вместо простых логических схем на основе дискретных компонентов, что позволяет достигнуть гибкости проектирования и сократить площадь, занимаемую на печатной плате. Некоторые машины и роботы сегодня полагаются на огромное количество микроконтроллеров, каждый из которых решает определенную задачу.

Рисунок 39.1 – Внешний вид микроконтроллеров

 

Микроконтроллеры 8051

Микроконтроллер 8051, изображенный на рисунке 39.2, – это восьмибитное семейство микроконтроллеров, разработанное Intel в 1981 году. Это одно из популярных семейств микроконтроллеров, которые используются во всем мире. Кроме того, этот микроконтроллер изначально назывался «системой на кристалле», поскольку он имеет 128 байт оперативной памяти, 4 Кбайт ПЗУ, два таймера, один последовательный порт и четыре порта на одном кристалле. Процессор может обрабатывать до восьми бит данных одновременно. Если данные больше восьми бит, то они должны быть разбиты на части, чтобы процессор мог легко их обрабатывать. Большинство микроконтроллеров серии 8051 различных производителей содержат 4 Кбайт ПЗУ, хотя объем ПЗУ может быть расширен до 64 Кбайт.

Рисунок 39.2 – Микроконтроллер 8051

 

Микроконтроллеры 8051 используются в огромном количестве устройств, главным образом потому, что их легко интегрироватьв проект. Ниже перечислены основные направления их применения.

Во первых, это контроль электроэнергии: эффективные системы измерения облегчают контроль использования энергии в домах и производственных помещениях. Эти измерительные системы оптимальны для возможности интеграции микроконтроллеров.

Сенсорные экраны. Большое количество поставщиков микроконтроллеров включает сенсорные функции в свои устройства. Примерами сенсорных экранов на микроконтроллерах являются портативная электроника, такая как сотовые телефоны, медиаплееры и игровые устройства.

Автомобили: микроконтроллеры 8051 находят широкое применение в автомобильных решениях. Они широко используются в гибридных транспортных средствах для обработки данных с двигателей и управления ими. Кроме того, такие функции, как круиз-контроль и анти-тормозная система, более эффективны с использованием микроконтроллеров.

Медицинские устройства: переносные медицинские устройства, такие как измерители артериального давления и мониторы глюкозы, используют микроконтроллеры для отображения данных, что обеспечивает более высокую надежность при предоставлении медицинских результатов.

 

Микроконтроллеры PIC

Контроллер периферийного интерфейса (PIC), изображенный на рисунке 39.3, – это серия микроконтроллеров, разработанная компанией Microchip. Микроконтроллер PIC быстрее и проще реализует программы, если сравнивать с другими микроконтроллерами, такими как 8051. Простота программирования и простота взаимодействия с другими периферийными устройствами делает PIC более успешным микроконтроллером.

Рисунок 39.3 – Микроконтроллер PIC

 

PIC – это микроконтроллер, который также состоит из центрального процессора, ОЗУ, ПЗУ, таймеров, счетчиков, АЦП (аналого-цифровых преобразователей), ЦАП (цифроаналоговых преобразователей). Микроконтроллер PIC также поддерживает протоколы, такие как CAN, SPI, UART для взаимодействия с дополнительными периферийными устройствами. PIC в основном использует модифицированную гарвардскую архитектуру, а также поддерживает RISC (сокращенный набор команд). Благодаря этому PIC быстрее, чем контроллеры на основе ядра 8051, которые основаны на фон-неймановской архитектуре.

 

Микроконтроллеры AVR

Первые микроконтроллеры AVR были разработаны в 1996 году компанией Atmel (теперь часть Microchip). Проект AVR был разработан Альф-Эгилем Богеном и Вегаром Волланом, поэтому AVR аббревиатура получила две первые буквы от имен разработчиков: Alf-Egil Bogen Vegard Wollan RISC, после эта аббревиатура стала расшифровываться более официально как Advanced Virtual RISC. AT90S8515 был первым микроконтроллером в линейке AVR, хотя первым микроконтроллером, который попал на коммерческий рынок, был AT90S1200 (в 1997 году).

 

Рисунок 39.4 – Микроконтроллер AVR

 

 

Микроконтроллеры AVR доступны в трех основных подсемействах:

1) TinyAVR: меньше памяти, небольшой размер, подходит только для более простых приложений.

2) MegaAVR: это популярные микроконтроллеры, в основном имеющие относительно большое количество памяти (до 256 КБ), большее количество встроенных периферийных устройств и подходят для довольно сложных приложений.

3) XmegaAVR: используются в коммерческих приложениях для решения сложных задач, которым требуется большая память программ и высокая скорость.

 

Микроконтроллеры ARM

Микроконтроллеры с ядром ARM также являются одним из семейств процессоров на базе архитектуры RISC, разработанным компанией Advanced RISC Machines (ARM).

Рисунок 39.5 – Микроконтроллер ARM

 

Микроконтроллеры ARM основаны на тридцатидвух битных и 6четырехбитных многоядерных процессорах RISC. Процессоры RISC предназначены для выполнения меньшего количества инструкций, чтобы они могли работать с большей скоростью, выполняя дополнительные миллионы инструкций в секунду (MIPS). Устраняя ненужные инструкции и оптимизируя обработку информации, RISC-процессоры обеспечивают большую производительность по сравнению с большинством рассмотренных выше микроконтроллеров.

Процессоры ARM широко используются в потребительских электронных устройствах, таких как смартфоны, планшеты, мультимедийные проигрыватели и другие мобильные устройства. Из-за сокращенного набора команд им требуется меньше транзисторов, что позволяет уменьшить размер матрицы интегральной схемы. Процессоры ARM с меньшими размерами уменьшают сложность проектирования и сокращают энергопотребление, что делает их пригодными для более миниатюрных устройств.

Сравнительные характеристики и основные различия между микроконтроллерами AVR, ARM, 8051 и PIC приведены в таблице 39.1

 

Таблица 39.1- Основные различия между микроконтроллерами

	8051	PIC	AVR	ARM
Разрядность	8 бит	8/16/32 бит	8/32 бит	32 бит, иногда 64 бит
Интерфейсы	UART, USART,SPI,I2C	PIC, UART, USART, LIN, CAN, Ethernet, SPI, I2S	UART, USART, SPI, I2C, иногда CAN, USB, Ethernet	UART, USART, LIN, I2C, SPI, CAN, USB, Ethernet, I2S, DSP, SAI, IrDA
Скорость	12 тактов на инструкцию	4 такта на инструкцию	1 такт на инструкцию	1 такт на инструкцию
Память	ROM, SRAM, FLASH	SRAM, FLASH	Flash, SRAM, EEPROM	Flash, SDRAM, EEPROM
Шинная архитектура	CLSC	Частично RISC	RISC	RISC
Архитектура памяти	Фон-неймановская	Гарвардская	Модифицированная	Модифицированная гарвардская
Энерго-потребление	Среднее	Низкое	Низкое	Низкое
Семейства	Вариации 8051	PIC16,PIC17, PIC18, PIC24, PIC32	Tiny, Atmega, Xmega, спец. AVR	ARMv4,5,6,7...
Производители	NXP, Atmel, Silicon Labs, Dallas, Cyprus, Infineon...	Microchip	Atmel (Microchip)	Apple, Nvidia, Qualcomm, Samsung Electronics, TI...
Стоимость	Низкая	Средняя	Средняя	Низкая
Популярные МК	AT89C51, P89v51	PIC18fXX8, PIC16f88X, PIC32MXX	Atmega8, 16, 32; вариации для Arduino	LPC2148, ARM Cortex-M0, ARM Cortex-M3, ARM Cortex-M7