エレクトロニクス開発。 指のマイクロコントローラーについて

テクノロジースタートアップについて考えると、エレクトロニクスのエースである必要はまったくありません。マーケティングの基本を熟知している狭い専門家は良いアイデアを持っている可能性が高くなります。 それ以外の場合は、不可能を要求するか、古い要素ベースで高価なデバイスを入手することができます。

カットの下では、現代のマイクロコントローラーの機能について、それらから遠く離れた人々に簡潔かつ簡単に話そうとする試み。 新しい電子デバイスのアイデアを持っているが、マイクロコントローラが何であるかわからない人のために。 Arduinoプラットフォームでの楽しい実験から独自のデバイスの設計に至るまでの第一歩を踏み出したい人は、その中にシンプルで便利なヒントを見つけることもできます。 技術的な詳細にこだわるのではなく、この目的のために、本が本質を述べ、初心者が基本的なエラーを防ぐための回路設計に関するいくつかの簡単だが有用なヒントを提供するだけでは不十分です 。

記事の要約：

マイクロコントローラーが世界を征服した方法

ARMアーキテクチャ-今日のマイクロコントローラー市場のリーダー

弟との競争

アスファルトの敷設、睡眠とその種類の利点について

すぐに製造技術とマイクロコントローラシリーズの登場について

半額の最もシンプルなARMマイクロコントローラーの周辺

追加機能を取得する最も安価な方法

また、Cortex-M4への移行は、価格が数倍に加えて何に追加されるのでしょうか？

Cortex-M7-必要なときに...

コード保護、アップグレード可能性、および多様性は、マイクロコントローラーが世界を征服するのに役立ちました。

スマートデバイスには制御が必要です。 ほとんどの場合、マイクロコントローラは今日これを行っています。マイクロプロセッサコア、メモリ、およびデバイスの他のコンポーネントと外部世界との通信を担当する周辺モジュールを組み合わせたチップです。



マイクロコントローラーは、あらゆる取引の要です。 1つのマイクロコントローラーは、マイクロプロセッサーが計算機の役割を果たす場合に必要な機能を実行するために必要な数十の特殊なマイクロ回路を置き換えることができます。



マイクロコントローラの紛れもない利点の1つは、マイクロコード開発者が組み込みのメカニズムをアクティブにすることでこれを処理する場合、実行するプログラムが本体（「プログラムメモリ」と呼ばれるセクション）に隠され、ハッキングから非常によく保護されることです。保護。 したがって、今日、可能な限り知的財産の保護を得ることができます。



ハッキングできないものはコピーできます。 プログラムのマイクロコントローラに埋め込まれたコードを、高価で独創的なデバイスを使用して読み直そうとするのは、それを再び書くことができる専門家を見つけるのがより簡単で安価なのですか？ おそらく結果はさらに良くなり、機能はプロトタイプの機能よりも豊かになるでしょう。 はい、それはお金がかかりますが、今日のマイクロコントローラのフラッシュメモリの内容は非常によく保護されているので、「ハッキング」を失礼にしようとするとさらにコストがかかります。 さらに、知的財産の問題は解決されており、プログラムのソースコードと共に、デバイスを開発および改善する機会が得られます。



最新のユニバーサルマイクロコントローラーのプログラムのメモリは書き換え可能であり、書き換えプロセスは1万回以上繰り返すことができます。 ソフトウェアで検出されたエラーを排除するため、またはすでに動作しているデバイスの機能を拡張するために、ソフトウェアを更新するためにこの事実の使用を頼みます。 これは非常に簡単に実装できます。「ブートローダー」と呼ばれるコードの特別なセクションをプログラムに追加することで、さまざまな方法でデバイスのソフトウェアを更新できます。サービスポイント（デバイスのケース内に特別なコネクタが隠れている場合）、 USB、ネットワーク、さらには無線インターフェースを介したコンピューター。 主なことは、デバイスに必要な周辺機器を提供することです。 ソフトウェアを更新する機能を提供する場合、このプロセスが十分に保護されていない場合、攻撃者がコードを盗むだけでなく、コードを変更して独自の目的に使用する可能性があるため、セキュリティについて常に考慮する必要があります。 たとえば、「スマートホーム」を管理したり、自宅に設置されたWEBカメラを使用してスパイしたりします。

ARMアーキテクチャ-今日のマイクロコントローラー市場のリーダー

キングピースの時代以来、マイクロコントローラーは通常、操作を実行するデータの容量に従って分割されます。 ほとんどの場合、今日の新しい開発では、ARMコアを備えた32ビットマイクロコントローラーを選択する価値があります。 膨大な数の変更があり、問題の解決に最適なインスタンスをいつでも選択できます。 機能とパフォーマンスのセットに応じて、チップの価格は数十セント​​から数十ドルの範囲になります。

マイクロコントローラ（MCU）は、コンピューティングコアのアーキテクチャに応じて、通常、大規模なファミリに分割されます。 今日、中小規模のデバイスの開発向けに、Cortex-M0からCortex-M7までのコアを備えた最も人気のあるマイクロコントローラが開発されました。 数値が大きいほど、コンピューティング（およびそれだけではない）機能、価格、および最大消費電力が大きくなります。 アーキテクチャの継承は、ARMの人気において重要な役割を果たしました。 開発者は、以前の開発のプログラムコードを最小限のコストで変更でき、あるメーカーのマイクロコントローラーから別のメーカーのチップに移行し、異なるパフォーマンスのコア間を移行できます。

弟との競争

ただし、ARMは「操縦」しませんでした。 8ビットマイクロコントローラーが絶対的なマーケットリーダーであり、占領下から16ビットの同僚がそれらをうまくプッシュしようとしなかった時代をよく覚えていますが、皮肉なことに、32ビットの兄だけがこれを行うことができました。 チップ製造技術が登場する頃には、大量のフラッシュメモリをそれらに組み込むコストが大幅に削減されていました。 機会をとって、プログラマーはアセンブラーからより高いレベルの言語であるCに切り替え始めました。Cは32ビットアーキテクチャに完全に準拠した構造です。 その結果、32ビットマイクロコントローラーは、8ビットおよび16ビットの同僚よりもはるかに高速に計算を実行しましたが、1つの問題がありました-消費電流が高くなりました。



したがって、最初は、大きな計算パフォーマンスが必要な場合に使用されていました。



マイクロコントローラのコンピューティングコアの平均消費電流は、クロック周波数の増加とともに大幅に増加することが知られています。 当初、マイクロコントローラーの8ビットモデルは、同じ周波数での消費が著しく低く、さらに、最大32 kHzの低いクロック周波数で動作することができました。



マイクロコントローラーの消費電力は、コアと周辺機器のクロック周波数に強く依存し、調整するために、無線送信デバイスで広く使用されているPLLベースのクロック周波数生成ユニットを使用し始めました。 これにより、マスター水晶振動子を変更することなく、クロック周波数を大幅に変更できました。 周辺モジュールは、コンピューティングコアと同じクロック周波数である必要はありません。 エネルギー消費を削減するために、プログラム制御の分周比を持つ分周器を介して周波数が供給され始めました。 未使用のモジュールを無効にする機能が導入されました。 これらの対策により消費電力は大幅に削減されましたが、それでも8ビットの消費電力を大幅に上回りました。



短期間、パリティが開発されました。32ビットMCUはトップエンドアプリケーションのニッチを獲得し、8ビットMCUは低消費電力が重要なデバイスで自信を持って位置を保持しました。 32ビットMCUが「パルス」モードの動作を完全にマスターするまで持続しました。



それまでに、8ビットはこれを行う方法も学習しましたが、パフォーマンスが低いため、目を覚まし続ける必要があり、その結果、下の図に示すように、特に計算を必要とするタスクでエネルギー消費を失い始めました。

アスファルトの敷設、睡眠とその種類の利点について

そのため、マイクロコントローラは非常によく信じることを学び、非常に迅速に作業を開始し、ほとんどの場合、「鐘とwを打つ」ことを余儀なくされ、アイドルサイクルを実行するためにエネルギーを消費しました。 自己給電デバイスでは、これにより、1回の充電でバッテリ寿命またはバッテリ寿命が大幅に短縮されます。



アスファルトを敷設する建設作業員を見てください。 トラックがアスファルトの新しい部分とともに到着したとき、彼らは仕事を急激に強化し、敷設後は速度が低下します。 したがって、マイクロコントローラーはコアクロック周波数を増減できます。 しかし、これは労働者ほど簡単ではありません-同時に、内周全体の作業頻度も変化するため、繊細な部品を再構成する必要があります。

睡眠をとるのは簡単で、すべての作業を迅速に完了できたのではないでしょうか。 多くの場合、はい。 さらに、マイクロコントローラーの睡眠のタイプは、人間よりもさらに劇的に異なります。



あなたはただ昼寝をすることができます。 この場合、チップは常に準備ができており、タイマーアラームが鳴る、または外部割り込みによって妨害されるとすぐに、ほぼ瞬時に起動します。 昼寝中の人はストレスを和らげることができますが、絶えず引っ張られていると十分な睡眠が取れないため、マイクロコントローラーはこのモードでの電力消費を10回ごとに「のみ」減らすことができます。このモードはSLEEPと呼ばれます。



よく眠る最善の方法は、服を脱ぎ、寝て、窓のカーテンを閉じて、アラームをオンにすることです。 しかし、そのような夢の後、あなたはすぐに仕事に巻き込まれることはありません。 少なくとも冷たい水で洗い流し、服を着る必要があります。 マイクロコントローラーは、外部刺激の数を制限し、メインクロックジェネレーターをオフにするときに、このモードも備えています。 これが停止モードです。 消費量を1000倍減らすことができますが、それから抜け出すにはかなりの時間がかかります。



さて、就寝前に、かなりの量の睡眠薬を飲み、アラームと電話を切り、すべての窓とドアを閉めたと想像してください。 これはスタンバイモードになります。 マイクロコントローラーは、特別な結論の助けを借りてのみこのモードから削除でき、そのような夢の前に彼がしたことのほとんどの記憶は永久に失われ、あなたは再び仕事を始めなければなりません。 しかし、このモードでは、MCUはさらに半分を消費します。



後者は非常にエキゾチックなモードで、すでに誰かを思い出させます。特別な機器なしでは残せません。 ただし、この場合は、特別なジェネレーターのみが動作します。これは、独自の電源で動作し、文字通り数バイトのRAMを持つことができる独立した時計クオーツ上のマイクロコントローラーの一部であり 、その目的は、マイクロコントローラーにどの状態から落ちたかを思い出させることです マイクロコントローラの残りの部分が同時に電源から切断されている場合、消費電力はすでにアクティブモードの1万分の1になっている可能性があります。



省電力モードを選択するときは、アプリケーションの結果を覚えておく必要があります 。

• 夢が深ければ深いほど、目覚めは長くなります
• 夢が深ければ深いほど、マイクロコントローラーを活用する方法が少なくなります
• スリープが深いほど、マイクロコントローラの以前の状態に関する情報が少なくなります
• 宣言された最小値を達成するには、多くのモードで追加の対策を講じる必要があります。たとえば、周辺機器の切断
• デバイス全体の消費電力を最小限に抑えるには、デバイス全体の回路を正しく設計する必要があります
• デバイス全体の電力消費を最小限に抑えるには、他のコンポーネントと回路も非アクティブモードでマイクロパワーを備えていることを確認する必要があります。 マイクロコントローラーの消費を1マイクロアンペア未満に抑え、同時にデバイスで100マイクロアンペアの自己消費電流を持つ安価な安定器を使用するために多大な努力をするのは愚かですが、これは非常に一般的です
• ディープスリープモードを正常に使用するには、プログラムだけでなく回路も慎重に検討する必要があります。そうしないと、保存する代わりに非常に深刻な問題が発生する可能性があります-まれに発生しますが、「デッド」デバイスが不可解な理由でフリーズする、または頻繁に起動するなど結果として、消費量は予想よりも桁違いに高い

回路エンジニアを持つプログラマーが湾曲を初めて非難し、マイクロコントローラーのデータシートに非現実的な数字を公開しているメーカーと一緒に、デバイスがバッテリーを予想よりも一桁速く入れている場合、これは少なくとも独立に向かう理由です高度な資格を持つ専門家。

すぐに製造技術とマイクロコントローラシリーズの登場について

マイクロコントローラの物理的にアクティブな部分、および他の大部分のマイクロ回路は、通常、モノシリコンウエハー上に形成されます（このコンテキストでは、チップと呼びましょう）。 チップは非常に小さな面積を占有しますが、大口径のプレートを製造することは技術的に有益であるため、通常、1つの技術的プロセスの過程で、ハニカムなどの多数のチップが1つの大きなプレートに配置されて形成されます。 続いて、プレートは個々のチップを受け取り、ケースに配置された断片にカットされます。 トポロジの開発と新しいチップの技術プロセスのデバッグは非常に高価であり、プレート上の単一のチップが占めるスペースは通常大きくありません。 メーカーが大きなバッチでチップを生産することは有益ですが、ユーザーはさまざまな場合にマイクロコントローラーを必要とします-誰かが小さくて安価なケースを手に入れることが重要であり、他方では、LCDまたは外部メモリをパラレルインターフェースで管理するにはより多くの結論が必要です。 製造業者がすべてのニッチをカバーすることは、顧客が自分に最適なモデルを見つけずに競合他社に追い付かないようにすると有益です。



多くの場合、1つのユニバーサルチップを1つの大規模なバッチでリリースし、さまざまなケースに配置する方が、数十種類のチップを発売するよりも有益です。 ピンの数が少ないケースに配置されたチップの場合、一部のポート（このコンテキストでは、ポートとは、外部との通信に役立つチップの表面上のコンタクトパッドを意味します）は、単に未接続のままです。 多くの場合、メーカーはさらに足を踏み入れます-多数の脚を持つマイクロコントローラーの需要と価格を上げるために、より少ない脚を持つマイクロコントローラーの機能を人為的に遮断します-一部の機能を無効にし、使用可能なメモリ量を制限します。



したがって、1つのチップに基づいて、メモリサイズと周辺モジュールのセットが大幅に異なる一連のマイクロコントローラーを形成します。 同時に、それらにインストールされているチップは、同じプレートから切断することができます。 1つのチップが配置される領域は小さいため、最終製品のコストへの寄与も小さく、犠牲にすることができます。 たとえば、テスト段階で、一度プログラム可能な構成ビットの助けを借りて、またはレーザーでジャンパーを焼き付けることにより、追加のメモリおよび他の機能を無効にすることが有益になります。 ほとんどの大衆製品に対してのみ、このためにわずかに変更された写真テンプレートを作成することが理にかなっています。 さらに、未使用のメモリが物理的に存在する必要はありません。これも、テンプレートのジャンパを削除することで簡単にオフにできます。









したがって、1つの標準チップ設計から、一連のマイクロ回路全体が形成されます。

半額の最もシンプルなARMマイクロコントローラーの周辺

プロセッサコアは脳ですが、「真空中の球状の馬」のようではないため、感覚と手足のアナログが必要です。



マイクロコントローラでは、それらの役割はケースに関する結論によって果たされ、チップのポート（コンタクトパッド）をケース内で接続できます。 次に、内部スイッチを介して、さまざまな周辺モジュールを同じポートに接続できます。

まず、Cortex-M0コアに基づいたSTの最も単純なシリーズの1つであるstm32F03の周辺を検討します。







このシリーズには、次の一連の基本機能があります。

リアルタイムクロック（Real Time ClockまたはRTC） 。別個の出力から電力を供給され、別個の低周波共振器で動作します。 このモジュールは非常に少ないエネルギーを消費します。停電の場合、充電されたコンデンサで数時間、またはデバイスに内蔵された小さなバッテリーで何年も動作します。 さらに、それは目覚まし時計としても機能し、マイクロコントローラを所定の時間に最も深い睡眠状態からも解放します。



WatchDogは、たとえば、無限のサイクルに陥ったり、存在しないアドレスに移動したりするなど、マイクロコントローラが永久にスリープ状態になるのを防ぐ番犬です。 その動作原理は簡単です。 プログラマーは、一定時間、たとえば1秒間、凍結防止保護タイマーを設定し、それを開始します。 次に、彼は、自分が選んだプログラムの場所に、タイマーをゼロから再起動する短いコードセクションを配置します。 タイマーが1回もリセットされなかった場合、WatchDogはプログラムに何か問題があると判断し、マイクロコントローラーが再起動するのに適しています。 プログラムは最初から動作を開始し、WatchDogリセットのイニシエーターがあったかどうかを判断し、起動時にこの事実を考慮することができます。



汎用入出力GPIOは、ほとんどのマイクロコントローラーピンがサポートする最も一般的な機能です。 入力または出力として設定できます。



入力として機能することを検討してください。 マイクロコントローラーの入力の電圧が特定のしきい値（通常は電源の半分に近い）より小さい場合、ロジック0として認識されます。それ以外の場合は1として、デジタル入力は通常非常に高い入力抵抗を持っているため、接続されていない場合、その状態は電磁界の影響下で、ゼロから1にジャンプして戻ります。 これを防止するために、チップ内の入力が20-50 KOhmの抵抗を介してマイクロコントローラーのプラス電力（プルアップ）またはマイナス（プルダウン）で接続されている場合、特別なモードがあります。



出力がデジタル出力で構成されている場合、マイクロコントローラの電源電圧に等しい高レベルまたは低にプログラムで変換できます。 もっとトリッキーなモードがありますが、過度の詳細には触れません。





温度センサーマイクロコントローラーには独自の温度センサーがありますが、非常に正確ではありませんが、特定の前提条件の下でデバイス内部の温度を測定するために使用できます。



固有のシリアル番号各マイクロコントローラーには、工場で割り当てられた固有の固有のシリアル番号があります。 製品の大量生産を整理するために使用できる非常に便利な機能。



データ交換用のインターフェイスこのシリーズのさまざまなマイクロコントローラーには、最も一般的なインターフェイスがいくつかあり、他のチップや外部との通信を大幅に促進します。

• USART-非同期シリアルポート。コンピューターとの通信によく使用され、 COMまたはRS232 、モデム、その他のデバイスと呼ばれます。
• SPI — , ,
• I2C — , . ,

これらのインターフェイスはすべて、通常のGPIOを使用してプログラムで簡単に実装できますが、動作が非常に遅くなり、多くのコンピューティングコアリソースを消費します。より詳細に説明する必要がある



アナログデジタルコンバーターADCまたはADC。



アナログ信号の電圧を測定できる非常に便利なモジュール。彼は基準信号源の値の一部でそれらを推定します。私たちの場合、それはマイクロコントローラのアナログモジュールの供給電圧であり、これはチップのメイン供給電圧と同じか、わずかに低くすることができます。 ADC動作の理論的な精度は、その容量に依存します。最新のマイクロコントローラーでは、逐次近似の12ビットADCが最も頻繁に使用されますが、10はそれほど頻繁ではなく、16の特殊性があります。







3ボルトで駆動する場合、マイクロコントローラーの12ビットADCの分解能は3/4096 = 0.00073ボルト-1ミリボルトよりも優れています。



しかし実際には、この理想を達成することは容易ではありません。





DAPまたはDMAメモリへの直接アクセスシステムも重要です。このモジュールを使用すると、データを周辺機器からメモリに、またはその逆に送信できます。



たとえば、これを使用して、ADCからのデータを格納するためのメモリを割り当て、そこから循環バッファを作成できます。次に、ADCは定期的にデータ読み取りモードで起動します。 DMAメカニズムを使用すると、読み取りデータは、カーネルの関与なしで、バイトごとに専用のバッファーに配置されます。バッファが完全に一杯になると、カーネルは信号を受信して​​プログラムで処理を開始し、DMAシステムは最初からブートプロセスを開始します。 DMAには複数のチャネルがあるため、このケースでは、バッファーからUSARTデータへの自動出力を実装する必要はありません。その結果、ADCからカーネルを使用せずに動作するUSARTに読み取りを転送するプロセスが得られ、DMA構成に関するプログラマーの単純な作業は見事に報われません。



PWMまたはPWMパルス幅変調モジュール、この記事の制限のため、詳細には触れませんが、LEDの明るさ、エンジン速度、ステアリングマシン、インテリジェントDCの設計を可能にする非常に便利で広く使用されている機能であることに注意してください-DCコンバーター、さらには音声合成。



30セントを追加すると何が得られますか？

Cortex-M0 +に切り替えます。追加機能を取得する最も安価な方法

また、最新シリーズのマイクロコントローラーは、Cortex-M0 +よりも少し最新のコアで、ケースや出力の点で上記のシリーズのアナログよりも20〜50セント高価な追加のバンを提供していますか？



シリーズ間の違いの表

• 最大クロック周波数が2倍に
• 2 1.7
• 12 - . , 1 ,
• — ,
• USB , . USB type3-C .
• 256ビット暗号化/復号化手順用のAESアクセラレータが登場
• UARTは、LINプロトコル（自動車業界で広く使用されている単純なネットワーク）、IRDA（赤外線LED経由のデータ転送プロトコル、テレビのリモコンを記憶）、SIMcardのスリープモードとハードウェアサポートで動作する機会を得ました...
• 拡張タイマーとPWMモジュール
• 動作温度範囲の上限が125度に上昇しました
• 電源に問題が発生した場合の再起動モードの拡張による信頼性の向上
• 「正直な」ハードウェアランダム値ジェネレーターを追加-暗号化の便利な機能

さて、多くのアプリケーションでは、価格のわずかな追加がそれ自体の代価を払っています。古いモデルシリーズのより高価なマイクロコントローラーへの切り替えを拒否できるからです。

Cortex-M4, ?

• 80
• ,
• 100
• USB HOST
• CAN . . 20 RS-485 .
• SDcard. — 50 ! SPI,
• . , , M4 M0+. MEMS SD
• HASH .
• ,

Cortex-M7-必要なときに...

圧倒的な数のプロジェクトでは、上記のカーネルによって提供される可能性は十分ですが、例外も発生します。個人的には、これはほんの数回でしたが、本当に正当な理由で1回だけでした-ASIC、イーサネットコントローラー、および交換レートを高めたCAN-FDバスのデータを準備するために高性能が必要でした。



私の主観的な意見では、Cortex 4コア以下のユニバーサルマイクロコントローラーのレベルで、STが価格/機能の面でリーダーになった場合、高性能チップの分野では、それが最近吸収されたATMELのリーダーシップ、またはMICROCHIPに劣ります。そのため、6ドルからATSAMV71シリーズを選択しました。



上記（イーサネットコントローラーとCAN-FDバス）に加えて、概して、最大300 MHzのクロック周波数で動作し、ビデオマトリックスを接続するためのインターフェイスとダイナミックメモリのサポートを備えた、生産性を大幅に向上させる操作のアクセラレーターを備えたカーネルを取得します。



結論として、マイクロコントローラーとの通信経験のある人に質問します。質問に対する適切な答えを選択するようにお願いします。