Kaip pasirinkti tinkamą įterptosios programos mikrovaldiklį

Mikrovaldiklis iš esmės yra mažas mikroschemos kompiuteris, kaip ir bet kuris kompiuteris, jis turi atmintį ir paprastai užprogramuotas įterptosiose sistemose, kad gautų įvestis, atliktų skaičiavimus ir generuotų išvestį. Skirtingai nei procesorius, jis integruoja atmintį, procesorių, įvesties / išvestį ir kitus išorinius įrenginius vienoje mikroschemoje, kaip parodyta toliau pateiktame makete.

Tinkamo mikrovaldiklio pasirinkimas projektui visada yra sudėtingas sprendimas, nes tai yra projekto esmė ir nuo to priklauso sistemos sėkmė ar nesėkmė.

Yra tūkstantis skirtingų mikrovaldiklių, kurių kiekvienas turi unikalų bruožą ar konkurencinį pranašumą nuo formos faktoriaus, iki paketo dydžio, iki RAM ir ROM talpos, todėl jie tinka tam tikroms programoms ir netinka tam tikroms programoms. Dažnai, norėdami išvengti galvos skausmo, atsirandančio pasirenkant tinkamą, dizaineriai pasirenka jiems pažįstamus mikrovaldiklius, kurie kartais net neatitinka projekto reikalavimų. Šiandienos straipsnyje bus apžvelgti keli svarbūs veiksniai, į kuriuos reikia atkreipti dėmesį renkantis mikrovaldiklį, įskaitant architektūrą, atmintį, sąsajas ir įvesties / išvesties nekilnojamąjį turtą.

Svarbūs veiksniai, į kuriuos reikia atsižvelgti renkantis MCU

Toliau pateikiami keli svarbūs veiksniai, į kuriuos reikia atsižvelgti renkantis mikrovaldiklį, įskaitant architektūrą, atmintį, sąsajas ir įvesties / išvesties nekilnojamąjį turtą.

1. Paraiška

Pirmas dalykas, kurį reikia padaryti prieš pasirenkant mikrovaldiklį bet kuriam projektui, yra išsamus supratimas apie užduotį, kuriai turi būti pritaikytas mikrovaldikliu pagrįstas sprendimas. Šio proceso metu visada kuriamas techninės specifikacijos lapas, kuris padės nustatyti specifines ypatybes, kurias mikrovaldiklis naudos projektui. Geras pavyzdys, kaip prietaiso taikymas / naudojimas nustato naudojamą mikrovaldiklį, parodomas, kai mikrovaldiklis su slankiojo kablelio įtaisu yra suprojektuotas įrenginiui, kuris bus naudojamas operacijoms, susijusioms su daugybe dešimtainių skaičių, kurti.

2. Pasirinkite „Microcontroller Architecture“

Mikrovaldiklio architektūra nurodo, kaip mikrovaldiklis yra struktūrizuotas viduje. Yra dvi pagrindinės mikrovaldiklių projektavimo architektūros;

1. Von Neumanno architektūra
2. Harvardo architektūra

„Von Neumann“ architektūroje naudojama ta pati magistralė duomenims perduoti ir komandų rinkiniams gauti iš atminties. Todėl duomenų perdavimas ir nurodymų paėmimas negali būti atliekamas tuo pačiu metu ir paprastai yra suplanuotas. Kita vertus, Harvardo architektūroje yra atskirų magistralių naudojimas duomenims perduoti ir instrukcijoms gauti.

Kiekviena iš šių architektūrų turi savo privalumų ir trūkumų. Pavyzdžiui, Harvardo architektūra yra RISC („Reduced utasításių rinkinys“) kompiuteriai, todėl jie gali atlikti daugiau nurodymų su mažesniais ciklais nei „CISC“ („Complex utasításių rinkinys“) kompiuteriai, kurie yra pagrįsti von Neumanno architektūra. Vienas svarbus Harvardo (RISC) pagrindu veikiančių mikrovaldiklių privalumas yra tai, kad egzistuoja skirtingos duomenų ir instrukcijų rinkinio magistralės, leidžiančios atskirti atminties prieigą ir aritmetikos bei logikos vieneto (ALU) operacijas. Tai sumažina mikrovaldiklio reikalingos skaičiavimo galios kiekį, todėl sumažėja sąnaudos, mažos energijos sąnaudos ir šilumos išsiskyrimas, todėl jie idealiai tinka projektuojant baterijas valdomus įtaisus. Daugelis ARM,AVR ir PIC mikrovaldikliai yra pagrįsti Harvardo architektūra. Mikrovaldiklių, naudojančių „Von Neumann“ architektūrą, pavyzdys yra 8051, „zilog Z80“, be kitų.

3. Bitų dydis

Mikrovaldiklis gali būti 8 bitų, 16 bitų, 32 bitų ir 64 bitų, o tai yra dabartinis didžiausias mikrovaldiklio turimas bitų dydis. Mikrovaldiklio bitų dydis reiškia „žodžio“ dydį, naudojamą mikrovaldiklio instrukcijų rinkinyje. Tai reiškia, kad 8 bitų mikrovaldiklyje kiekvienas nurodymas, adresas, kintamasis ar registras atvaizduojamas 8 bitais. Viena iš pagrindinių bitų dydžio reikšmių yra mikrovaldiklio atminties talpa. Pavyzdžiui, 8 bitų mikrovaldiklyje yra 255 unikalios atminties vietos, kurias diktuoja bitų dydis, o 32 bitų mikrovaldiklyje - 4 294 967 295 unikalios atminties vietos, o tai reiškia, kad kuo didesnis bitų dydis, tuo didesnis unikalių atminties vietų skaičius atminties vietos, kurias galima naudoti mikrovaldiklyje. Tačiau šiais laikais gamintojaikuria būdus, kaip mažesnio bitų mikrovaldikliams suteikti prieigą prie daugiau atminties vietos ieškant ir adresuojant, kad 8 bitų mikrovaldiklis taptų 16 bitų adresuojamas, tačiau tai paprastai apsunkina įterptosios programinės įrangos kūrėjo programavimą.

Kuriant mikrovaldiklio programinę-aparatinę programinę įrangą, ypač aritmetinėms operacijoms, greičiausiai labiau jaučiamas bitų dydžio poveikis. Įvairių duomenų tipai turi skirtingą atminties dydį skirtingiems mikrovaldiklių bitų dydžiams. Pvz., Naudojant kintamąjį, deklaruojamą kaip nepasirašytą sveikąjį skaičių, kuriam dėl duomenų tipo reikės 16 bitų atminties, kodai, kuriuos reikia atlikti 8 bitų mikrovaldikliu, praras svarbiausius baitus duomenyse, kurie kartais gali būti: labai svarbus norint pasiekti užduotį, kuriai buvo skirtas prietaisas, kuriame turi būti naudojamas mikrovaldiklis.

Todėl svarbu pasirinkti mikrovaldiklį, kurio bitų dydis atitiktų tvarkomų duomenų dydį.

Tikriausiai svarbu atkreipti dėmesį į tai, kad šiais laikais dažniausiai naudojamos 32–16 bitų mikrovaldikliai dėl technologinių pažangų, įdiegtų šiuose lustuose.

4. Sąsajos komunikacijai

Ryšiui tarp mikrovaldiklio ir kai kurių jutiklių ir pavarų, kurie bus naudojami projekte, gali prireikti naudoti sąsają tarp mikrovaldiklio ir jutiklio ar pavaros, kad būtų lengviau bendrauti. Pavyzdžiui, jei norite prijungti analoginį jutiklį prie mikrovaldiklio, reikės, kad mikrovaldiklyje būtų pakankamai ADC (analoginių ir skaitmeninių keitiklių), arba, kaip jau minėjau anksčiau, keičiant nuolatinės srovės variklio greitį gali tekti naudoti PWM sąsają mikrovaldiklyje. Taigi bus svarbu patvirtinti, kad pasirinktame mikrovaldiklyje yra pakankamai reikalingų sąsajų, be kita ko, UART, SPI, I2C.

5. Darbinė įtampa

Darbinė įtampa yra įtampos lygis, kuriam esant sistema suprojektuota veikti. Tai taip pat įtampos lygis, su kuriuo susijusios tam tikros sistemos charakteristikos. Kuriant aparatinę įrangą, veikimo įtampa kartais nustato loginį lygį, kuriame mikrovaldiklis bendrauja su kitais sistemos komponentais.

5V ir 3,3 V įtampos lygis yra populiariausia mikrovaldiklių darbinė įtampa, todėl reikėtų nuspręsti, kuri iš šių įtampos lygių bus naudojama kuriant prietaiso techninę specifikaciją. Mikrovaldiklio su 3,3 V darbine įtampa naudojimas projektuojant įrenginį, kuriame dauguma išorinių komponentų, jutiklių ir pavarų veiks 5 V įtampos lygiu, nebus labai protingas sprendimas, nes reikės įgyvendinti loginį lygį keitiklių ar keitiklių, kad būtų galima keistis duomenimis tarp mikrovaldiklio ir kitų komponentų, ir tai be reikalo padidins gamybos ir bendras įrenginio išlaidas.

6. Įvesties / išvesties kaiščių skaičius

Mikrokontrolerio turimų bendrosios ar specialiosios paskirties įvesties / išvesties prievadų ir (arba) kaiščių skaičius yra vienas iš svarbiausių veiksnių, darančių įtaką mikrovaldiklio pasirinkimui.

Jei mikrovaldiklis turėtų visas kitas šiame straipsnyje paminėtas funkcijas, tačiau neturi pakankamai IO kaiščių, kaip reikalaujama pagal projektą, jo naudoti negalima. Svarbu, kad mikrovaldiklis turėtų pakankamai PWM kaiščių, pavyzdžiui, kad būtų galima valdyti nuolatinės srovės variklių, kurių greitį keis prietaisas, skaičių. Nors mikrovaldiklio įvesties / išvesties prievadų skaičių galima išplėsti naudojant poslinkių registrus, jis negali būti naudojamas visų rūšių programoms ir padidina įrenginių, kuriuose jis naudojamas, kainą. Todėl geriau užtikrinti, kad mikroprocesorius, kuris bus pasirinktas projektuojant, turėtų reikiamą skaičių projekto bendrosios ir specialiosios paskirties įvesties / išvesties prievadų.

Kitas svarbus dalykas, į kurį reikia atsižvelgti nustatant projektui reikalingų bendrosios ar specialiosios paskirties įvesties / išvesties kaiščių kiekį, yra būsimas įrenginio patobulinimas ir kaip šie patobulinimai gali paveikti įvesties / išvesties kaiščių skaičių reikalinga.

7. Atminties reikalavimai

Su mikrovaldikliu yra keletas atminties tipų, į kuriuos dizaineris turėtų atkreipti dėmesį atlikdamas pasirinkimą. Svarbiausi yra RAM, ROM ir EEPROM. Kiekvieno iš šių reikalingų prisiminimų kiekį gali būti sunku įvertinti, kol jie nebus naudojami, tačiau, sprendžiant iš mikrovaldikliui reikalingo darbo kiekio, galima numatyti. Šie aukščiau paminėti atminties įrenginiai sudaro mikrovaldiklio duomenis ir programų atmintį.

Mikrovaldiklio programinė atmintis saugo mikrovaldiklio programinę-aparatinę įrangą, todėl atjungus maitinimą nuo mikrovaldiklio, firmware neprarandama. Reikalingas programos atminties kiekis priklauso nuo duomenų kiekio, pvz., Bibliotekų, lentelių, dvejetainių vaizdų failų ir kt., Kurie reikalingi, kad firmware veiktų tinkamai.

Kita vertus, duomenų atmintis naudojama vykdymo metu. Visi kintamieji ir duomenys, sugeneruoti apdorojant kitą veiklą vykdymo metu, saugomi šioje atmintyje. Taigi skaičiavimų, kurie įvyks vykdymo metu, sudėtingumas gali būti naudojamas norint įvertinti mikrovaldikliui reikalingos duomenų atminties kiekį.

8. Pakuotės dydis

Pakuotės dydis nurodo mikrovaldiklio formos faktorių. Mikrovaldikliai paprastai būna nuo QFP, TSSOP, SOIC iki SSOP ir įprasto DIP paketo, kuris leidžia lengvai montuoti ant duonos lentos, kad būtų galima kurti prototipus. Svarbu planuoti prieš gaminant ir numatyti, kuris paketas bus geriausias.

9. Energijos suvartojimas

Tai yra vienas iš svarbiausių veiksnių, į kurį reikia atsižvelgti renkantis mikrovaldiklį, ypač kai jis turi būti įdiegtas baterijomis veikiančioje programoje, pvz., IoT įrenginiuose, kur pageidaujama, kad mikrovaldiklis būtų kuo mažesnio galingumo. Daugelio mikrovaldiklių duomenų lape yra informacija apie keletą techninės ir (arba) programinės įrangos pagrįstų metodų, kurie gali būti naudojami siekiant sumažinti mikrovaldiklio suvartojamos energijos kiekį skirtingais režimais. Įsitikinkite, kad jūsų pasirinktas mikrovaldiklis atitinka jūsų projekto energijos poreikį.

10. Mikrovaldiklio palaikymas

Svarbu, kad mikrovaldiklis, su kuriuo pasirinksite dirbti, turėtų pakankamai palaikymo, įskaitant: kodo pavyzdžius, pavyzdinius dizainus ir, jei įmanoma, didelę bendruomenę internete. Pirmą kartą dirbant su mikrovaldikliu gali kilti įvairių iššūkių, o prieiga prie šių išteklių padės greitai juos įveikti. Naudojant naujausius mikrovaldiklius dėl tų šaunių naujų funkcijų, su kuriomis jis buvo naudingas, patartina užtikrinti, kad mikrovaldiklis veiktų mažiausiai 3–4 mėnesius, kad būtų užtikrinta dauguma ankstyvųjų problemų, kurios gali būti susijusios su mikrovaldikliu. būtų išspręsta, nes įvairūs klientai būtų daug išbandę mikrovaldiklį naudodami skirtingas programas.

Taip pat svarbu pasirinkti mikrovaldiklį su geru įvertinimo rinkiniu, kad galėtumėte greitai pradėti kurti prototipą ir lengvai išbandyti funkcijas. Vertinimo rinkiniai yra geras būdas įgyti patirties, susipažinti su kūrimui naudojama įrankių grandine ir sutaupyti laiko kuriant įrenginį.

Tinkamo mikrovaldiklio parinkimas projektui ir toliau bus problema, kurį turės išspręsti kiekvienas aparatūros projektuotojas, ir nors yra dar keletas veiksnių, kurie gali turėti įtakos mikrovaldiklio pasirinkimui, šie aukščiau paminėti veiksniai yra svarbiausi.