Если переводить слово «микроконтроллер» (англ. ^microcontroller*) дословно, то получится «миниатюрное устройство, предназначенное для управления». Здесь принято во внимание, что термин «control» в англоязычных текстах гораздо чаще имеет значение «управлять», чем «контролировать». На практике в функции МК входит контроль и управление производственными процессами, бытовыми приборами, спецтехникой, системами сбора информации, принтерами, факсами, сотовыми телефонами и т.д.

Следует отличать МК от микропроцессоров, микроконверторов, цифровых сигнальных процессоров и микрокомпьютеров. Слова по звучанию похожие, но по смыслу разные. Что их объединяет — это наличие в одном корпусе набора узлов, пригодных для построения функционально законченной системы управления.

Исторически первыми появились микропроцессоры. Их родоначальником стала микросхема i4004, которую фирма Intel представила миру 15 ноября 1971 г.

Обобщённая структурная схема типового микропроцессора показана на Рис. 1.1. В его основе — центральное процессорное устройство (ЦПУ), которое содержит арифметический вычислитель, логическое ядро и регистры общего назначения. С внешним миром ЦПУ общается при помощи трёх шин: адреса, данных и управления. По этим же шинам в него поступают коды управляющей программы, которая хранится на внешнем носителе. Начальная установка регистров ЦПУ производится по сигналу сброса RESET, а синхронизация работы осуществляется от тактовых импульсов SYN.

Рис. 1.1. Структурная схема микропроцессора.

Разделение процессоров на обычные процессоры и микропроцессоры возникло в 1970-х годах с началом производства больших интегральных схем (БИС). Радиолюбители со стажем хорошо помнят микропроцессоры КР580ВМ80А и Zilog Z80A, применявшиеся в первых домашних компьютерах «Радио-86РК», «Специалист», «ZX-Spectnim», а также в телефонах с АОН — автоматическим определителем номера абонента.

Если к ЦПУ на кристалл добавить оперативное и постоянное запоминающие устройства (ОЗУ, ПЗУ), таймеры, счётчики, аналого-цифровые и цифроаналого-вые преобразователи (АЦП, ЦАП), интерфейсные узлы и порты ввода/вывода, то микропроцессор превратится в МК (Рис. 1.2). Первые МК были разработаны фирмой Intel в 1976 г. У истоков стояло семейство MCS-48 во главе с первенцем — микросхемой i8048. Существует и другое мнение, согласно которому первым МК был четырёхбитный TMS1000 фирмы Texas Instruments (1972 г.), котсфый содеpжал 32 байта ОЗУ, 1 Кбайт ПЗУ, часы реального времени и систему ввода/вывода. В середине 1980-х годов в СССР появились первые аналоги семейств MCS-48/51 на популярных БИС из серий К1816, КР1830. Их называли однокристальными микро-ЭВМ или программируемыми контроллерами, но в лексике эти термины не закрепились.

Согласно одному из многих определений, МК — это специализированный микропроцессор, оснащённый приборными интерфейсами. Главным отличием между микропроцессором и МК является самодостаточность и способность к «самовыживанию» последнего. Например, тактовые импульсы вырабатывает встроенный синхрогенератор, который может работать как автономно, так и от внешнего кварцевого резонатора. Порты ввода/вывода гибко перестраивают свои функции и могут напрямую соединяться с датчиками и исполнительными устройствами. Управляющая программа хранится во внутреннем, а не во внешнем, ПЗУ. Её легко стирать и модифицировать, поскольку современные МК содержат многократно перезаписываемую флэш-память (FLASH). Для программирования обычно используется интерфейс ISP (In-System Programming), который не требует извлечения МК из панельки в печатной плате.

Иногда МК уменьшительно называют «контроллерами». Здесь надо правильно понимать смысл, к чему относится фраза, ведь существуют и настоящие «промышленные контроллеры», представляющие собой готовое изделие или печатную плату с радиоэлементами, среди которых может находиться процессор и МК.

Рис. 1.2. Структурная схема МК.

Микроконвертор — это удачное рекламное изобретение фирмы Analog Devices. Первым микроконвертором был ADuС812, выпущенный в 1998 г. Ключевое слово «MicroConverter» является официальной торговой маркой и защищено юридическими правами. Относится оно к линейкам микросхем ADuC7xxx, ADuC8xx, выполняющих функцию центрального ядра интеллектуальных систем сбора информации.

«Изюминкой» микроконверторов является быстродействующий прецизионный АЦП, дополненный универсальным блоком логической обработки данных и многоразрядным ЦАП. Если учесть сверхнизкое потребление тока и малые габариты микроконверторов, то становится ясно, что специализированные «АДуКи» по праву занимают свою нишу на рынке.

Тем не менее, структурные схемы у микроконверторов и МК полностью совпадают. Однако принципиальная разница всё же имеется. Заключается она в идеологии разработки — «Что первично, курица или яйцо?». Для обычного МК сначала выбирается цифровое вычислительное ядро, а затем к нему добавляется АЦП и ЦАП. В противоположность этому, ядром микроконвертора изначально служит связка прецизионных АЦП и ЦАП, к которым добавляется управляющий процессор. Такие рассуждения вполне логичны, учитывая богатый опыт фирмы Analog Devices в разработке уникальных по параметрам аналоговых микросхем.

Цифровые сигнальные процессоры (англ. DSP — Digital Signal Processor) тоже относятся к подвиду «микроконтроллерных» (Рис. 1.3). Их «коньком» является обработка широкополосных сигналов в режиме реального времени. Это характерно как для аудио/видео техники, так и для систем гибкого управления роботизированными комплексами. Достижению цели способствует высокое быстродействие ядра сигнального процессора (СП), многопотоковая система обслуживания памяти и наличие аппаратных математических команд, например, для быстрого преобразования Фурье. Обычные МК такими возможностями не обладают.

Первые DSP появились в конце 1970-х годов через несколько лет после первых МК, однако высокая цена и технологические ограничения того времени не позволили им соревноваться на равных. Лишь в 1982 г. фирма Texas Instruments сделала революционный прорыв, выпустив в продажу первый универсальный программируемый DSP TMS32010. Его концепция стала стандартом «де-факто» для всех последующих сигнальных процессоров и их собратьев — цифровых сигнальных контроллеров (англ. DSC — Digital Signal Controller). К числу последних,

Рис. 1.3. Структурная схема DSP.

в частности, относится известное среди радиолюбителей семейство dsPIC фирмы Microchip Technology Inc. (сокращённо Microchip).

Различия в архитектуре и узкая специализация привели к тому, что направление DSP/DSC выделилось в отдельную от МК сферу разработок с количеством разновидностей моделей более 300. Считается, что основным отличительным признаком DSP является отсутствие развитой системы команд управления, т.е. условных переходов, косвенных вызовов подпрограмм и т.д., которые необходимы для выполнения задач сопряжения с внешними объектами. Процессор в DSP и его система команд ориентированы на наивысшую скорость преобразования поступающих входных данных. На управленческие «мелочи» вычислительных ресурсов уже не хватает.

Как показало время, уход DSP из микроконтроллерной «альма-матер» получился не долгим. Сейчас наступает этап мирной конвергенции. Современные МК заимствуют от DSP аппаратное умножение и специализацию команд, а DSP заимствуют от МК универсальные интерфейсы ввода/вывода и гибкость в платформе программирования. Грани различий постепенно стираются.

В начале 1980-х годов с лёгкой руки японской фирмы Hitachi в обиход вошло «новое старое» название «микрокомпьютер». Этим звучным термином в даташи-тах стали называть быстродействующие процессоры линейки «Hitachi SuperH». В рекламе возможностей чипов «SuperH microcomputer SH7000 series» подчёркивалось, что на одной микросхеме теперь можно построить управляющую систему реального времени, превышающую по производительности обычный настольный микрокомпьютер.

Надо знать, что в те годы к микрокомпьютерам относили и «продвинутые» калькуляторы фирмы Hewlett Packard, и домашние компьютеры «Apple-II», и облегчённые модели специализированных вычислителей для научных экспериментов. Интересно, что впервые слово «микрокомпьютер» в 1956 г. употребил американский писатель-фантаст Айзек Азимов [1-1].

Современный микрокомпьютер (Рис. 1.4) содержит все составляющие МК или DSP, но вдобавок имеет на борту контроллер шин для подключения внешней высокоскоростной памяти, а также аудио- и видеопроцессоры. Последние, как правило, не уступают ЦПУ по сложности и функциональности. Примеры упрощённых микрокомпьютеров из повседневной жизни — это однокристальные СБИС китайских клонов игровых приставок «Dendy», «SEGA Mega Drive-II».

Рис. 1.4. Структурная схема микрокомпьютера.

Современные технологии добавляют новые штрихи к устоявшейся классификации микросхем. Перспективным считается объединение разных вычислительных архитектур на одном кристалле, что стало возможным благодаря повышению степени интеграции транзисторов. Сейчас производят двухядерные чипы, содержащие одновременно ЦПУ, что характерно для МК, и сигнальный процессор, что характерно для DSP. Первый из них управляет исполнительными механизмами, а второй осуществляет обработку данных. Именно такую структуру имеет встраиваемый 32-битный сигнальный контроллер 1892ВМ3Т на базе российской платформы «Мультикор» [1-2].

Слово «микро» в названии современных МК порой звучит весьма архаично. Например, «девайс» AT91CAP9S500A фирмы Atmel согласно даташиту называется «Customizable Microcontroller Processors Но можно ли всерьёз говорить о микросвойствах изделия, которое размещается в корпусе с 400 (!) выводами, имеет тактовую частоту 200 МГц, поддержку DSP-команд, звуковой процессор, десяток встроенных периферийных интерфейсов и 500 тысяч вентилей ПЛИС?

Сейчас уже не спорят о том, к какому подвиду относится очередной сверхбольшой чип, а рассуждают о конкретном режиме его работы. К примеру, в одних изделиях он может использоваться как быстродействующий DSP, в других — как многопортовый МК, в третьих — как управляющий центральный процессор с собственной операционной системой и т.д.