Программирование микроконтроллеров

Fixit Development

БЛОГ

Разработка электроники в
Fixit Development

Программирование микроконтроллеров

Программирование микроконтроллеров (MCU) тесно связано с технологиями IoT (Интернета Вещей). Процедура подразумевает написание программы для умного девайса, который мог бы управлять конкретными производственными процессами или десятками устройств умного дома. Чтобы начать заниматься программированием микроконтроллеров, нужно познакомиться с архитектурой физических носителей, выучить один из подходящих языков программирования и понять, как работают данные устройства. Получить все необходимые для этого знания вы сможете на специализированных курсах, например, от Fixit Development. Пока же предлагаем ознакомиться с базовой информацией, которая поможет определиться с дальнейшим направлением обучения.

Что такое микроконтроллер

В упрощенном смысле речь идет об ЭВМ, собранной на одном кристалле. Микроконтроллер представляет собой микросхему, в которой интегрирован процессор, оперативная память, ПЗУ и периферийные модули, что позволяет управлять подключенными элементами и даже совершать некоторые вычислительные операции. Этим отличается MCU от компьютера в его классическом понимании, где процессор, устройства ввода-вывода, таймеры и прочие вспомогательные модули разобщены.

Существует немало моделей микроконтроллеров:

8-битные AVR Atmel;
16-битные MSP430;
32-битные STM32, ARM NXP, Arduino на PIC и прочие.

При выборе типа MCU важно учитывать его объем памяти и тактовую частоту. Производители также соревнуются между собой количеством встроенных периферийных устройств, помогающих решать те или иные задачи.

Приведенные выше модели микроконтроллеров получили наибольшее распространение за последние 10 лет. Они были разработаны с целью уменьшить габариты устройств, не нуждающихся в больших вычислительных мощностях. Кроме того, подобные MCU более просты в монтаже, нежели установка нескольких отдельных устройств, и это снижает себестоимость производства радиоэлектронной аппаратуры, что особенно важно при серийном и массовом выпуске. Тем не менее у микроконтроллеров есть свои технические ограничения, не позволяющие им заменить функционал и вычислительные мощности, достигаемые при сборке интегральных схем на отдельных платах. В частности, речь идет об относительно небольших объемах памяти и ОЗУ (до 1 Мб), а также малой тактовой частоте (100-200 МГц).

Типы MCU

Микроконтроллеры делятся на разные категории на основании следующих признаков.

Архитектура памяти.
Разрядность.
Система команд.

В каждой группе есть свой набор MCU. Речь о них пойдет дальше.

Архитектура памяти

Она может быть Гарвардской или Фон-Неймана. В первом случае инструкции и данные хранятся на отдельных устройствах, а во втором в общих ячейках памяти. Архитектура Фон-Неймана уступает Гарвардской, так как имеет ограничение пропускной способности с вычислителем.

Разрядность

Таким термином обозначается величина информации, которая может быть передана за один цикл работы микроконтроллера или процессора. В связке с понятием разрядности идет и так называемая тактовая частота. Она обозначает объем операций, совершаемых за единицу времени.

Минимально возможное время для передачи информации ― 1 такт, а ее объем равен 1 биту (разряду). Поэтому чем больше таких битов можно передать за кт (8, 16, 32 или 64), тем более быстрым в работе будет микроконтроллер.

Система команд

В этой категории предусмотрено 2 типа микроконтроллеров:

с RISC-архитектурой;
с CISC- архитектурой.

Первый вариант подразумевает использование вычислителей с комплектом редуцированных команд. За счет упрощения декодирования используемых инструкций позволяет повысить скорость работы процессоров, интегрированных в архитектуру. По этому принципу часто работают UNIX-устройства.

CISK-ядра обладают небольшим количеством регистров с жестко заданным комплектом функций и нефиксированным значением длины команд. С такой архитектурой работают процессоры Motorola MC680x0.

Программы и языки программирования для микроконтроллеров

Работа MCU строится на алгоритмах ― заданных последовательностях действий, которые нужно совершить для достижения искомого результата. Инструкции для них описываются с помощью программ. Набор этих правил выражается языком, воспринимаемым микроконтроллером, то есть последовательностью единиц и нулей (опкодом). Она еще называется машинным кодом, который человеку непонятен. Поэтому вначале программист описывает правила работы микроконтроллера на доступном ему языке программирования. Это называется исходным кодом.

Язык программирования ― набор лексических и семантических правил, используемых для передачи микроконтроллеру команд, на основании которых будет реализован заданный алгоритм. Их существует большое количество, и все они подразделяются на две категории:

низкоуровневые языки (например, Ассемблер);
языки высокого кода (C).

Отличие между группами сводится к их близости по отношению к машинному коду. Низкоуровневые языки, созданные на начальных этапах развития программирования, похожи на опкод, они обладают низким уровнем наглядности. Программы, написанные на языках высокого уровня, более лаконичны и легче воспринимаются микроконтроллерами. При работе с ними не требуется столь досконального описания каждого действия. С такой задачей справится компилятор (та часть программы, которая переводит язык программирования на понятный микроконтроллеру машинный код), но в этом скрывается еще одно различие низко- и высокоуровневых языков. Один и тот же алгоритм, описанный на Ассемблере и на C, будет иметь разный размер. После компиляции низкоуровневая программа может оказаться почти вдвое короче. Чтобы исключить недостатки разных категорий языка, программисты иногда используются целые вставки на Ассемблере, задавая общие алгоритмы работы микроконтроллера на C.

Как начать программировать микроконтроллеры

Чтобы освоить этот навык и успешно справляться с рабочими обязанностями, должно быть выполнено 3 условия.

Готовность к реализации задач путем сохранения настойчивости в решении возникающих в процессе проблем.
Наличие базовых понятий о структуре микроконтроллера.
Уверенное владение всевозможными инструкциями по управлению MCU.

Получить все эти компетенции можно на курсах, построенных по принципу поэтапного движения от простого к сложному. Обучение рассчитано на быстрый старт в карьере программиста. Оно охватывает фундаментальные базовые знания, которые помогут начать работать, а все тонкости процедур и их подводные камни можно будет понять уже в ходе процесса создания MCU. Такие курсы, готовящие специалистов-практиков, есть в арсенале Fixit Development. В ходе обучения преподаватели дадут полный объем необходимых знаний, помогут с отработкой обязательных навыков. Наши программы подготовки постоянно обновляются, что дает вам гарантию получения только актуальных и действительно полезных материалов. Чтобы убедиться в этом, оставьте заявку на сайте, или свяжитесь с нашими менеджерами любым удобным для себя способом.

Микроконтроллеры играют важную роль в различных областях, от бытовой электроники до промышленности. Они являются основными компонентами, которые управляют различными системами и устройствами.

Одной из наиболее значимых тенденций в развитии микроконтроллеров является увеличение интеграции функций. Современные микроконтроллеры снабжены большим количеством периферийных устройств, таких как АЦП, ЦАП, интерфейсы для работы с различными типами памяти и коммуникационные модули. Это упрощает процесс разработки и уменьшает размеры устройств.

Еще одной важной тенденцией в развитии микроконтроллеров является увеличение энергоэффективности. Современные микроконтроллеры потребляют значительно меньше энергии, чем их предшественники. Это позволяет создавать более долговечные устройства и увеличивает время автономной работы.

Микроконтроллеры будут все чаще интегрироваться с другими технологиями, такими как искусственный интеллект, интернет вещей и облачные сервисы. Это позволит создавать умные и автономные системы, которые могут адаптироваться к различным условиям и показывать более высокую производительность.

Задать вопрос специалисту!

Оставьте заявку и наши специалисты свяжуться с вами в ближайшее время.
Мы используем собственное профессиональное оборудование

Пишите или звоните
нам в соцсети