Электроника для начинающих

Компьютеры теперь стали обычным явлением в обиходе, и принцип их работы, в широком смысле, известен почти всем. Внутри компьютера находятся центральный процессор (ЦП), память и диски. Для взаимодействия с этими устройствами мы используем мышь, клавиатуру и дисплей. Современные компьютеры загружают главную программу, называемую операционной системой, которая предоставляет основные функции и позволяет работать другим программам. Компьютеры могут быть изменены путем добавления оперативной памяти, новых дисков, а также путем изменения отдельных карт, которые находятся внутри них. Микроконтроллер (MCU) представляет собой небольшой компьютер, заключенный в микросхему. Он имеет центральный процессор, оперативную память и другие типы памяти, используемые в качестве диска. Для взаимодействия с внешним миром используется разъем для передачи электрических сигналов. Процессор микроконтроллера, очевидно, гораздо проще и медленнее, чем у настольного компьютера. Для большинства микроконтроллеров скорость передачи информации варьируетсяв мегагерцах, в то время как для компьютеров она достигает гигагерц. Микросхема платы «Ардуино», ATmega328, является микроконтроллером, который работает на 16 МГц.

Память в настольных и портативных компьютерах в последние годы имеет размеры в несколько гигабайт. Размер памяти микроконтроллера измеряется в килобайтах, много лет назад немногие из нас могли похвастаться компьютером с целыми 64 килобайтами. В микроконтроллерах находятся 3 вида памяти.

• Оперативная память – имеет размер в несколько килобайт и используется для хранения временной информации, которая теряется, когда микросхема отключена от питания.

• Флеш-память – имеет размеры от нескольких байт до нескольких мегабайт; она используется в качестве диска, на котором хранятся программы, которые процессор будет считывать. Она, как правило, может быть использована только для чтения, так как может быть записана только на этапе программирования.

• EEPROM – ее размеры оставляют от нескольких байт до нескольких килобайт, она может хранить данные в течение длительного времени, даже если микросхема выключена.

Микроконтроллеры являются «медленными» устройствами, но тем не менее широко используются, потому что потребляют мало энергии и стоят очень недорого. Сегодня вычислительные устройства повсеместно распространены, они запускают программы в наших часах, в телефонах, автомобилях, домах, технике и т. д. Большинство электронных устройств содержат не только простые карты с несколькими транзисторами, но и микроконтроллеры, которые обрабатывают данные и программное обеспечение.

Архитектура

Архитектура микропроцессоров описывает внутреннюю организацию чипа, то есть находящиеся в нем элементы, такие как память, регистры и другие доступные ресурсы, а также их связь друг с другом. Много лет назад микропроцессоры и микроконтроллеры программировались только в машинных кодах, описывая действия байт за байтом, которые соответствовали элементарным операциям, таким как чтение данных из памяти и копирование их в регистр. Чтобы произвести деление двух чисел, например, приходилось писать программу из десяти строк. По этой причине инженеры началисоздавать все более и более сложные инструкции, чтобы сделать жизнь программистов проще.

Чип с набором инструкций такого рода имеет множество специализированных операций, называется CISC и расшифровывается как Complex Instruction Set Computer.

Эти чипы имеют высокую стоимость проектирования и реализации, а также обладают большими размерами. Со временем стало ясно, что эти сложные инструкции используются редко и что порой быстрее выполнять ту же задачу в несколько этапов с помощью основных команд. По этой причине были разработаны новые чипы, в которых набор команд был сведен к минимуму, они называются RISC (Reduced Instruction Set Computer). Наиболее известными RISC-процессорами являются PIC, AVR, ARM или SPARC. ARM или Advanced RISC Machine, которые широко используются в производстве телефонов, планшетных ПК и мобильных устройств, так как обладают низким энергопотреблением и отличной производительностью.