Mikrokontroler to typowy przykład urządzenia, z którego korzysta każdy, choć większość nie ma o tym pojęcia. Z uwagi na szerokie zastosowanie cieszy się dużym zainteresowaniem ze strony elektromechaników, informatyków i domowych majsterkowiczów. Co to jest i do czego służy? O mikrokontrolerach i ich ważnej roli w życiu codziennym - zapraszamy do lektury!
Kurs Programowanie mikrokontrolerów od podstaw
Opanuj podstawy programowania mikrokontrolerów na przykładzie układu ESP32 i naucz się tworzyć własne urządzenia korzystające z WiFi i Bluetooth. Dowiedz się więcej
Co to jest mikrokontroler?
Mikrokontrolerem nazywa się miniaturową jednostkę, wbudowaną w urządzenie elektroniczne. Jest to kompletny i autonomiczny układ scalony, odpowiadający za wykonywanie poleceń, zaprogramowanych w jego pamięci. Wyglądem przypomina prostą, niewielką płytkę drukowaną, ale pomimo niepozornego gabarytu śmiało można go nazwać mikrokomputerem. Z tego też powodu można się czasem spotkać z określeniem MCU, czyli mikrokomputer jednoukładowy.
Podstawowe bloki funkcjonalne, wbudowane w typowy mikrokontroler, to:
- ALU - jednostka obliczeniowa
- CPU - pamięć centralna
- Pamięć RAM
- Układy wejść i wyjść
- Pamięć programu - ROM, Flash, FRAM
Dodatkowo, mikrokontroler może być rozbudowany o komponenty takie, jak przetworniki, zegary, czujniki i inne.
Rodzaje mikrokontrolerów
Na rynku funkcjonuje wiele mikrokontrolerów o różnych parametrach technicznych, mocy obliczeniowej i celu zastosowania. Poniżej przedstawiamy ich najpopularniejsze rodziny, powszechnie stosowane w elektronice i informatyce.
‘51
Jest to jedna z najstarszych grup mikrokontrolerów, mająca swe początki w roku 1980, w pracowni Intela. Pierwsza architektura MCS-51 (stąd potoczna nazwa ‘51) zaprojektowana została dla układów 8-bitowych. w tej chwili produkcją tych systemów zajmuje się wiele firm, w tym Infineon Technologies, Atmel, czy też Nuvoton. Ogromną zaletą ‘51 jest prostota budowy, powszechnie dostępne materiały edukacyjne i możliwość korzystania z zewnętrznej pamięci. Z drugiej strony, zarzuca się im przestarzałą architekturą i niską wydajność w stosunku do częstotliwości taktowania.
Poniżej Arduino Nano z mikrokontrolerem:
AVR
Dostępne w wersji 8 i 32- bitowej, oparte na harwardzkiej architekturze RISC. Ich produkcją i dalszym rozwojem zajmuje się firma Atmel. Rodzina AVR dzieli na kolejne podtypy, jak ATiny, ATmega i ATXmega. Niektóre modele zostały wykonane ściśle z myślą o zastosowaniach specjalistycznych - w nich znajdziemy na przykład wbudowany kontroler CAN.
Mikrokontrolery AVR ceni się między innymi za ich przystosowanie do języków wysokiego poziomu, wydajność oraz prostą budowę. Z tego powodu z AVR korzysta na przykład Arduino w budowie swoich produktów. Dużą ich zaletą jest również łatwy dostęp do tutoriali, forów społeczności i gotowych paczek kodu.
PIC
Aktualnie produkowane są w fabrykach firmy Microchip Technology. Opierają się na zmodyfikowanej architekturze harwardzkiej, mającej swe początki w roku 1976. Początkowo PIC produkowano w wersji 8-bitowej, z możliwością samego odczytu. Dopiero po pewnym czasie projekt zmodyfikowano i udostępniono do użytku układy 16 i 32-bitowe z pamięcią Flash.
Użytkownicy PIC chwalą je za dużą wydajność i prostotę w zastosowaniu. Nie są jednak tak popularne, jak AVR lub Intel, przez co amatorom trudniej jest się z nimi zapoznać. Wymagają ponadto pewnej inwestycji finansowej, ponieważ środowisko programowania IDE, jak i inne narzędzia dodatkowe są płatne.
Podstawy programowania sterowników PLC
Zobacz kurs
Kurs Podstawy elektroniki dla wszystkich
Zobacz kurs
Kurs Arduino dla początkujących
Zobacz kurs
Gdzie stosuje się mikrokontrolery?
Jeśli powiemy, iż “jakiś” mikrokontroler znajduje się w każdym urządzeniu elektronicznym, to nie będziemy daleko od prawdy. Tak istotnym komponentem są w świecie techniki. Znajdziemy je w urządzeniach AGD (pralki, piekarniki, kuchenki mikrofalowe), samochodach, telefonach komórkowych, elektronarzędziach, a choćby zabawkach. Tutaj jednak ich zastosowanie się nie kończy, ponieważ wykorzystywane są również w budowie sprzętu medycznego, implantów i automatyki przemysłowej.
Słowem, każde urządzenie, które pozwala na sterowanie określonym zasobem funkcji, w swej budowie zawiera mikrokontroler.
Programowanie
Wszystkie te możliwości mikrokontroler zyskuje dzięki sekwencjom kodu, które trzeba mu dostarczyć. Do programowania najczęściej wykorzystuje się język Asembler, uznawany za najbardziej efektywny w wykonywaniu tego zadania. Jest to język niskiego poziomu, pozwalający na pisanie dosyć mocno skompilowanego kodu. Drugim językiem, po który często się sięga, jest C.
Warto wspomnieć również o języku BASCOM, który powstał z myślą o mikrokontrolerach. Okazał się jednak mniej efektywny niż C, ma też bardzo wąski zakres zastosowań. Z tego względu korzysta się z niego sporadycznie, choć nie należy do trudnych.
Mikrokontroler czy mikroprocesor?
Pomiędzy mikrokontrolerami a mikroprocesorami istnieje wiele różnic. Po pierwsze, mikrokontrolery są układami o minimalnym zapotrzebowaniu na elementy pomocnicze - najlepiej jest je porównać do komputerów o mikroskopijnej wielkości, które pracują autonomicznie. Są przy tym również tańsze i konsumują mniej energii. Mikroprocesor natomiast nie jest w stanie pracować samodzielnie, będąc jedynie cząstką składową większej całości.
