Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое отличия микроконтроллера от микропроцессора, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое отличия микроконтроллера от микропроцессора, микроконтроллер, микропроцессор, микрокомпьютер, микропроцессор, микроконтроллер, микроконвертор, система на кристалле, сигнальный процессор , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Цифровые устройства. Микропроцессоры и микроконтроллеры. принципы работы ЭВМ.
"Мозгом" интеллектуального устройства является микрокомпьютер ( микропроцессор , микроконтроллер , микроконвертор ). Каждый из них – это настоящее чудо современной электронной техники, универсальный преобразователь информации. Именно он и позволяет сделать сенсор "умным", интеллектуальным.
В составе разных электронных устройств часто встречаются как микроконтроллеры, так и микропроцессоры. Оба этих компонента берут из памяти команды и по ним выполняют логические и арифметические операции, работая при этом с устройствами ввода/вывода и прочей периферией. Так в чем тогда разница?
Термин "микрокомпьютер" ныне не является однозначно определенным. Микрокомпьютерами называют сейчас и маленькие карманные персональные компьютеры, микрокалькуляторы и любые другие информационные устройства малых размеров, выполненные на базе микропроцессоров. В данной работе термином "микрокомпьютер" мы обозначаем универсальный преобразователь информации, выполненный на одном кристалле или в виде одной микросхемы, который является "алгоритмически полным", т.е. теоретически по соответствующей программе может выполнять любые преобразования информации.
Давайте разберемся, чем же на самом деле отличаются и в чем сходство этих двух типов цифровых радиоэлектронных устройств.
И микропроцессор и микроконтроллер предназначены для выполнения некоторых операций — они извлекают команды из памяти и выполняют эти инструкции (представляющие собой арифметические или логические операции) и результат используется для обслуживания выходных устройств. И микроконтроллер и микропроцессор способны непрерывно производить выборку команд из памяти и выполнять эти инструкции, пока на устройство подается питание. Инструкции представляют из себя наборы битов. Эти инструкции всегда извлекаются из места их хранения, которое называется памятью.
"Микропроцессор" – это сформированное на одном кристалле или в виде одной микросхемы устройство для обработки информации, не обязательно универсальное. Он может быть специализирован на эффективное быстрое выполнение лишь какого-то одного класса функций, например, лишь на распознавание слов-паролей или правильности формата сообщения, на перекодировку сигналов, на их специализированное форматирование. Микропроцессор не обязательно должен иметь внутреннюю память программ или узлы приема и выдачи данных, – он должен лишь обрабатывать, преобразовывать данные, выполнять над ними определенные операции.
Микропроцессор - программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.
Универсальный процессор – процессор, имеющий архитектуру, набор структурных блоков, систему команд и конструктивно-технологическое исполнение, позволяющее одинаково эффективно применять его для решения достаточно широкого круга разнотипных задач и использовать в различных условиях.
Специализированный процессор – процессор, у которого особенности архитектуры, набора структурных блоков, системы команд или конструктивно-технологического исполнения, позволяют значительно повысить эффективность решения достаточно узкого круга специальных задач по сравнению с иными применениями.
Микропроцессор содержит в себе арифметико-логическое устройство, блок синхронизации и управления, запоминающие устройство, регистры и шину. То есть МП содержит в себе только то, что непосредственно понадобится для выполнения арифметический и логических операций. Все остальные комплектующие (ОЗУ, ПЗУ, устройства ввода/вывода, интерфейсы) нужно подключать извне.
Структурная схема микропроцессорного устройства
Микропроцессор (в ангоязычной литературе MPU — Micro Processor Unit) содержит функционал компьютерного центрального процессора, или ЦП (CPU — Central Processing Unit) на одном полупроводниковом кристалле (ИМС — интегральная микросхема или на западный манер — Integrated Circuit).
Графический процессор NVIDIA
По своей сути — это микрокомпьютер, который используется для выполнения арифметических и логических операций, управления системами, хранения данных и прочих.
Микропроцессор обрабатывает данные, поступающие с входных периферийных устройств и передает обработанные данные на выходные периферийные устройства.
Существует четыре основных типа процессоров, различающихся своей архитектурой.
Микропроцессоры с полным набором команд (Complex Instruction Set Computer, CISC-архитектура). Характеризуются нефиксированным значением длины команды, кодированием арифметических действий одной командой, небольшим числом регистров, выполняющих строго определенные функции. Примером такого типа процессоров служит семейство x86.
Микропроцессоры с сокращенным набором команд (Reduced Instruction Set Computer,RISC-архитектура). Обладают, как правило, повышенным быстродействием за счет упрощения инструкций, что позволяет упростить процесс декодирования и, соответственно, сократить время их выполнения. Большинство графических процессоров разрабатываются, используя этот тип архитектуры.
Микропроцессоры с минимальным набором команд (Minimal Instruction Set Computer,MISC-архитектура). В отличие от RISC-архитектуры, в них используются длинные командные слова, что позволяет выполнять достаточно сложные действия за один цикл работы устройства. Формирование длинных «командных слов» стало возможным благодаря увеличению разрядности микропроцессорных устройств.
В суперскалярных процессорах (Superscalar Processors) используются несколько декодеров команд, которые загружают работой множество исполнительных блоков. Планирование исполнения потока команд происходит динамически и осуществляется самим вычислительным ядром. Примером процессора с таким типом архитектуры является, например Cortex A8.
Отдельно хочу выделить микропроцессоры специального назначения (ASIC — Application Specific Integrated Circuit). Как следует из названия, предназначены для решения конкретной задачи. В отличие от микропроцессоров общего назначения, применяются в конкретном устройстве и выполняют определенные функции, характерные только для данного устройства. Специализация на выполнении узкого класса функций приводит к увеличению скорости работы устройства и, как правило, позволяет снизить стоимость такой интегральной схемы. Примерами таких микропроцессоров может быть микросхема, разработанная исключительно для управления мобильным телефоном, микросхемы аппаратного кодирования и декодирования аудио- и видеосигналов - так называемые цифровые сигнальные процессоры (Digital Signal Processing, DSP multiprocessors). Могут быть реализованы в виде ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема). При разработке таких процессоров для описания их функциональности используют языки описания аппаратных устройств (HDL — Hardware Description Language), такие как Verilog и VHDL.
Системы на основе микропроцессоров строят примерно следующим образом.
Система, основанная на микропроцессоре
Как видно, микропроцессор в этой системе имеет множество вспомогательных устройств , таких как постоянное запоминающее устройство, оперативная память, последовательный интерфейс, таймер, порты ввода/вывода и т.д. Все эти устройства обмениваются командами и данными с микропроцессором через системную шину. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Все вспомогательные устройства в микропроцессорной системе являются внешними. Системная шина, в свою очередь, состоит из адресной шины, шины данных и шины управления.
Первые микропроцессоры появились тоже в начале 70-х. Самым популярным на тот момент считался 4004. Это микропроцессор, разработанный компанией Intel и представленный 15 ноября 1971 года. Он имел внушающие на тот период характеристики:
К слову, 4004 был выполнен в обычном DIP-16 корпусе. Этот МП является самой популярной микросхемой для коллекционирования. Некоторые экземпляры продаются по 400 $ за штуку. Менее раритетные стоят около 250 $.
Уже через пару лет 8-битные МП позволили создавать первые бытовые микрокомпьютеры.
Естественно, тут преимуществом является то, что к МП можно на выбор подключать разную периферию с разными характеристиками (что не во всех случаях можно на МК). Второе основное отличие микропроцессора от микроконтроллера в том, что МП имеют больше вычислительной мощности. Их не имеет смысла ставить в микроволновки и «умные» лампочки. Микропроцессоры применяют там, где вычислительная мощность МК уже не справляется — игровые приставки, сложные вычислительные устройства и приборы, гаджеты.
Получается, чтобы обеспечить работоспособность микропроцессора, нужно подключить ему хотя бы минимальный набор периферии. Минусы:
Плюсы:
1) По выполняемым функциям и области применения
2) По полноте вычислительного ядра
3) По архитектуре вычислительного ядра
"Микроконтроллер" – это выполненное на одном кристалле или в виде одной микросхемы устройство для переработки информации и автоматического управления на основе этой информации разными устройствами. В его состав обязательно входят память программ и данных, узлы приема и выдачи данных, таймеры, часто АЦП, ЦАП и т.п.
Однокристальная ЭВМ (ОКМ ЭВМ) или микроконтроллер – БИС, структурная схема которой содержит все функциональные узлы, необходимые для обеспечения автономной работы в качестве вычислительного или управляющего устройства. На кристалле ОКМ ЭВМ располагаются: процессор, блоки постоянной и оперативной памяти (ПЗУ и ОЗУ), периферийные устройства различного типа, блоки управления и синхронизации и, возможно, некоторые другие блоки.
Микроконтроллер — (далее МК) это микросхема, предназначенная для программного управления электронными схемами. МК выполняется на одном кристалле. На нем расположено как вычислительное устройство, так и ПЗУ и ОЗУ. Кроме этого, в составе МК чаще всего находятся порты ввода/вывода, таймеры, АЦП, последовательные и параллельные интерфейсы. В некоторых даже можно заметить Wi-Fi-/Bluetooth-модуль и даже поддержку NFC.
Первый патент на микроконтроллер был выдан в 1971 году компании Texas Instruments. Инженеры этой компании предложили размещать на кристалле не только процессор, но и память с устройствами ввода/вывода.
Ниже представлена блок-схема микроконтроллера. Какого же его основное отличие от микропроцессора? Все опорные устройства, такие как постоянное запоминающее устройство, оперативная память, таймер, последовательный интерфейс, порты ввода/вывода являются встроенными. Поэтому не возникает необходимости создавать интерфейсы с этими вспомогательными устройствами, и это экономит много времени для разработчика системы.
Внутреннее устройство микроконтроллера
Микроконтроллер не что иное, как микропроцессорная система со всеми опорными устройствами, интегрированными в одном чипе. Если вы хотите создать устройство, взаимодействующее с внешней памятью или блоком ЦАП/АЦП, вам нужно только подключить соответствующий источник питания постоянного напряжения, цепь сброса и кристалл кварца (источник тактовой частоты). Их просто проблематично интегрировать в полупроводниковый кристалл.
Ядро микроконтроллера (центральный процессор), как правило строится на основе RISC-архитектуры.
Программа, записанная в память микроконтроллера может быть защищена от возможности ее последующего чтения/записи, что обеспечивает защиту от ее несанкционированного использования.
Структурная схема микроконтроллера
Несмотря на то, что все необходимое для работы микроконтроллера в нем уже есть, иногда они используются в паре с внешними периферийными устройствами. К примеру, когда внутренней ПЗУ не хватает (или она попросту отсутствует), подключают внешнюю. Именно так сделали с микроконтроллерами серии ESP. У ESP8266 встроенной памяти нет вообще, а у ESP32 есть незначительные 448 КБ. Поэтому к ним в корпус (точнее под радиатор) помещается flash-память емкостью 1–16 МБ.
Тогда почему бы не сделать какой-нибудь портативный компьютер на основе микроконтроллера? Дело в том, что вычислительной мощности у МК чаще всего достаточно мало. Ее хватает на управление например, системой полива, микроволновкой или же каким-нибудь станком.
Например, одна из мощных плат платформы Arduino — Due. Она находится под управлением 32-битного AVR-микроконтроллера AT91SAM3X8E. Его тактовая частота 84 МГц. Постоянной памяти тут 512 КБ, а оперативной — 96 КБ. МК имеет 54 цифровых GPIO (12 из которых с поддержкой ШИМ), 12 аналоговых входов и 2 аналоговых выхода (ЦАП). Тут так же присутствуют различные интерфейсы, такие как UART, SPI, I2C.
Не смотря на такие незначительные характеристики, микроконтроллеры очень популярны. Они используются там, где не требуется большой вычислительной мощности — робототехника, контроллеры теплиц, бытовая техника.
"Микроконвертор" – это выполненная в виде микросхемы комплектная система сбора и обработки данных, состоящая из аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, эталонных источников напряжения, датчика температуры, таймеров, монитора источника питания, встроенного микроконтроллера и имеющая значительный объем памяти данных, памяти программ и т.п.
Обозначение «микроконвертор» впервые применила Analog devices, изготавливавшая отличные высокоскоростные АЦП, требовавшие некоторой обвязки. Предполагалось, что код такой обвязки будет исполнять маломощное процессорное ядро.
Если посмотреть вглубь, в общем-то, такое ядро ничем не отличается от микропроцессора, но есть одно но: в msp, как и в упомянутых процессорах от AD, в отличие от обычного микропроцессора (где его ядро — для вас главное), в случае микроконвертора процессорное ядро суть дополнение, осуществляющее накопление и коммутацию потоков данных.
Подчеркивается это его свойствами:
— ядро может тактироваться отдельно от периферии (в msp каждый блок вообще тактируется отдельно),
— обладает большим количеством режимов сна (т.е. сон — его основное времяпрепровождение),
— обладает малым количеством памяти программ, зато имеет на борту EEPROM (для хранения и перезаписи уставок и алгоритмов предобработки),
— набор инструкций и разрядность предназначены для максимально удобного написания коротких программ по обработке данных со встроенного 10- и 12-битного АЦП,
— инструкции длинные, выполняются медленно и тратят много тактов, на большинстве конфигураций даже аппаратный умножитель вынесен в отдельный блок
1. Ключевым отличием в них является наличие внешнего периферийного устройства, в микроконтроллерах ОЗУ, ПЗУ, ЭСППЗУ встроенные в него, в случае микропроцессоров мы должны использовать внешние цепи.
2. Вся периферийного микроконтроллера собрана на одном кристалле она компактна, в то время как микропроцессор является громоздким.
3. Микроконтроллеры изготавливаются с использованием комплементарных металл-оксид-полупроводниковой технологии, поэтому они гораздо дешевле, чем микропроцессоры. Кроме того, заявления, что микроконтроллеры дешевле, потому что они нуждаются в меньших внешних компонентов, в то время как общая стоимость системы с микропроцессорами высокая из-за большого числа внешних компонентов, необходимых для таких устройств.
4. Скорость обработки данных микроконтроллеров составляет около 8 МГц до 50 МГц, но в отличие от скорости обработки из микропроцессоров выше 1 ГГц, поэтому они работают намного быстрее, чем микроконтроллеры.
5. Как правило, микроконтроллеры имеют энергосберегающие системы, как режим ожидания или режим экономии энергии, поэтому в целом он использует меньше энергии, а также с внешними компонентами используют низкое общее потребление мощности. В то время как в микропроцессорах, как правило, отсутствует система энергосбережения, а также многие внешние компоненты используются с ним, так что его энергопотребление высокое по сравнению с микроконтроллерами.
6. Микроконтроллеры являются компактными, поэтому этот параметр делает их выгодным и эффективным в системах для малых продуктов и приложений в то время как микропроцессоры являются громоздкими, поэтому они предпочтительны для больших изделий.
7. Задачи, выполняемые микроконтроллером ограничены и, как правило, менее сложные. Хотя задачи, выполняемые микропроцессорами являются: Разработка программного обеспечения, разработка игр, сайтов, оформление документов и т. д. которые, как правило, более сложные, поэтому требуют больше памяти и скорости, поэтому внешнее ПЗУ, ОЗУ используются с ним.
8. Микроконтроллеры основаны на Гарвардской архитектуре памяти программ и памяти данных, где находятся отдельные микропроцессоры, а основаны на фон Неймановской модели, где программы и данные хранятся в одной памяти модуля.
9. микроконтроллеры часто не требуют наличия операционно системы и связанные с не накладными расходами на память и расход вычисительной мощности
10 . если сравнить микропроцессор с микроконтроллером в аналогии биологических систем , то микроконтроллер это спинной мозг подключенный к органам чувств и управляемым системам, например, мышцам способный работать только с рефлексами(небольшими заранее заданными инструкциями), для большинсва узкоспециализированных задач и устройств этого достаточно, например,для систем умного дома, умных бытовых приборов типаа стиральная машина или печ с разными программами готовки, микропроцессор более гибкий и универсальный - как головной мозг, но более сложный в управлении и обслуживании и более дорогой.
| Микропроцессор | Микроконтроллер | Микроконвертор | Цифровой сигнальный процессор | |
| Использование | Компьютерные системы | Встраиваемые системы | Военная техника, Медицина | Медиаустройства, Военная техника, Медицина,
|
| Устройство | Содержит центральный процессор, регистры общего назначения, указатели стека, счетчики программы, таймер и цепи прерываний | Cодержит схему микропроцессора и имеет встроенные ПЗУ, ОЗУ, устройства ввода/вывода, таймеры и счетчики. | Cодержит АЦП или ЦАП, цифровая фильтрация , схему микропроцессора и имеет встроенные ПЗУ, ОЗУ, устройства ввода/вывода, таймеры и счетчики. | таймеры, контроллеры ПДП и т. д., а также проблемно-ориентированные — АЦП, кодеки, компрессоры данных и другие. Существуют гибридные ЦСП , которые сочетают в себе функцию микроконтроллера и цифрового сигнального процессора. |
| Память данных | Имеет много инструкций для перемещения данных между памятью и процессором. | Имеет одну-две инструкции для перемещения данных между памятью и процессором. | Объем адресуемой внешней памяти характеризуется шириной внешней шины адреса. | |
| Архитектура | Он использует архитектуру фон Неймана, в которой данные и программы присутствуют в одном и том же модуле памяти. | Микроконтроллер использует архитектуру Гарварда, где данные и программы хранятся в отдельном модуле памяти. | ||
| Электрические цепи | Высокая сложность | Достаточно простые | ||
| Затраты | Стоимость всей системы увеличивается | Низкая стоимость системы | Низкая стоимость системы при больших тиражаж кристалла | |
| Число регистров | Имеет меньшее количество регистров, операции в основном производятся в памяти. | Имеет большее число регистров, поэтому проще писать программы | Экзотический набор регистров и инструкций, часто сложных для компиляторов. | |
| Программирование и комманды | Микропроцессор содержит много инструкций, состоящих из нескольких шагов, таких как декодирование, выборка, выполнение, сохранение и т. Д. | |||
| Запоминающее устройство | Основано на архитектуре фон Неймана. Программа и данные хранятся в том же модуле памяти. | Основано на Гарвардской архитектуре. Программы и данные хранятся в разных модулях памяти. | Цифровые сигнальные процессоры строятся на основе «Гарвардской архитектуры», программы и данные хранятся в различных устройствах памяти — памяти программ и памяти данных.
Конвейерное исполнение команд, ЦСП с архитектурой VLIW |
|
| Время доступа | Время доступа к памяти и устройствам ввода/вывода больше. Каждая инструкция в микропроцессоре требует внешней операции из-за внешней памяти и компонентов ввода / вывода. Это делает его относительно медленнее, чем микропроцессор | Меньшее время доступа для встроенной памяти и устройств ввода/вывода.Каждая инструкция в микроконтроллере требует внутренней операции из-за внутренней памяти и компонентов ввода / вывода. Это делает это сравнительно быстрее. | Меньшее время доступа для встроенной памяти и устройств ввода/вывода. | |
| Железо | Требует большее количество аппаратного обеспечения. | Требует меньшее количество аппаратного обеспечения. | Имеет минимальное колво устройст сопряжения | |
| Энергопотребление | Внешние компоненты потребляют много энергии, что увеличивает уровень энергопотребления, что приводит к высокой потребляемой мощности. Это делает его менее подходящим для устройств, работающих от аккумуляторов, которые легко разряжаются.Когда дело доходит до энергосбережения, большинство микропроцессоров недостаточно эффективны, чтобы самостоятельно экономить электроэнергию, поскольку у них нет таких функций | Чем меньше количество внешних компонентов, тем меньше общая потребляемая мощность, что делает его более подходящим для устройств, потребляющих накопленную мощность, таких как батареи.Когда дело доходит до энергосбережения, большинство микроконтроллеров достаточно эффективны для экономии энергии, поскольку у них есть много функций или режимов энергосбережения, таких как режим ожидания или режим энергосбережения. Результатом является снижение потребления большей мощности, чем обычно. | ||
| примеры | Примерами использования могут быть персональные компьютеры. | Пример использования может быть во встроенной системе, такой как стиральная машина, телевизор, бесперебойник, система охраны или умного дома и т. Д. а также в промышленных роботах и в устройствах используемых населением, например для управления лифтами | боевые ракеты с самонаведением, системы жизнеобеспечения | боевые ракеты с самонаведением, военные самолеты, атомые электростанции комические аппараты и т.д. |
| примеры |  |
 |
 |
 |
Микроконтроллер обладает явной простотой: требуется меньше аппаратного обеспечения, с ним легче работать на программном уровне, да и стоимость начинается с копеек. Но эта простота касается и производительности. Как говорилось выше, микроконтроллер не способен обеспечить высокую производительность наравне с микропроцессорами
Микропроцессоры хоть и требуют внешней коммутации «железа» и относительно МК сложны в работе, но они уже спокойно могут применяться в более сложных устройствах.
Микроконвертор — интегральная «система-на-кристалле», в которую входят аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и флэш-память может применятся например в медицине для Электрокардиограф на базе микроконвертора который выполняет аналого-цифровое преобразование, цифровую фильтрацию и нормирование цифрового сигнала.
Цифровой сигнальный процессор (англ. digital signal processor, DSP, цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС)) — специализированный микропроцессор, предназначенный для обработки оцифрованных сигналов (обычно, в режиме реального времени). Применяется в военной технике, медиаустроствах, и других областтях, где необходима быстродействующая обработка сигналов, в том числе в реальном времени. выполнение типовых задач цифровой обработки сигналов, таких, как цифровая фильтрация, преобразование Фурье, поиск сигналов и т. п.
Микрокомпьютер — термин, обозначавший компьютер, выполненный на основе микропроцессора. В таком значении употреблялся с конца 1970-х до конца 1980-х (в это же время имел хождение термин-синоним «микроЭВМ») и вышел из употребления в 1990-е годы, когда был вытеснен термином «персональный компьютер», так как размер таких компьютеров стал считаться обычным. С начала 2010-х употребляется в ином значении, а именно снова вошел в употребление в связи с появившейся популярностью компьютеров, размером с банковскую карту и сопоставимых по мощности с персональными компьютерами предыдущих поколений. Также микрокомпьютерами иногда называют микроконтроллеры — устройства, которые заключают в одной микросхеме все составляющие компьютера (процессор, оперативная и постоянная память,видеопамять, порты данных и др.).
Около 2010-го года появились миниатюрные одноплатные компьютеры общего назначения с малым энергопотреблением и открытой ОС, наподобие Raspberry Pi. Как правило, они основаны на архитектуре ARM, несовместимой с IBM PC, по возможностям/производительности они ближе всего к планшетам/смартфонам без экрана, но с HDMI-видеовыходом. Предполагаемое назначение таких компьютеров — учебные ПК, АРМы, медиацентры, домашние серверы, управляющие компьютеры в различных хобби-проектах.
Выводы из данной статьи про отличия микроконтроллера от микропроцессора указывают на необходимость использования современных методов для оптимизации любых систем. Надеюсь, что теперь ты понял что такое отличия микроконтроллера от микропроцессора, микроконтроллер, микропроцессор, микрокомпьютер, микропроцессор, микроконтроллер, микроконвертор, система на кристалле, сигнальный процессор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Цифровые устройства. Микропроцессоры и микроконтроллеры. принципы работы ЭВМ
Комментарии
Оставить комментарий
Цифровые устройства. Микропроцессоры и микроконтроллеры. принципы работы ЭВМ
Термины: Цифровые устройства. Микропроцессоры и микроконтроллеры. принципы работы ЭВМ