Программируемые электронные компоненты. Микропроцессор и микроконтроллер
60 Современную электронику сложно представить без программируемых компонентов. Они определяют, что будет делать устройство после включения: выполнять вычисления, управлять периферией, обрабатывать данные или взаимодействовать с другими системами.
В этой статье разберём, как появились CPU и MCU, почему они развивались именно в таком направлении и чем современные микропроцессоры и микроконтроллеры отличаются от своих первых представителей.
Время чтения: 10 минут
Электроника? Это очень просто!
Законы Кирхгофа помогают анализировать участки, которые нельзя свести к обычным последовательным или параллельным соединениям. Их основу составляют два фундаментальных принципа: сохранение энергии и сохранение электрического заряда.
Эти правила применимы к линейным компонентам — резисторам, конденсаторам и катушкам индуктивности, — а также к нелинейным устройствам, например, диодам и транзисторам. Разница заключается не в законах, а в том, какие зависимости приходится использовать для описания конкретных элементов.
Микропроцессоры (CPU)
До появления микропроцессоров вычислительные системы собирались из большого количества отдельных электронных узлов. В 1940-е и 1950-е годы основой вычислительной техники были электронные лампы, затем их сменили транзисторы. Позже стали использовать дискретные интегральные схемы.
Центральный процессор такой системы состоял из отдельных блоков: арифметико-логического устройства (АЛУ), регистров, управляющей логики и памяти. Для построения полноценной вычислительной системы требовались десятки и сотни компонентов. Такая конструкция получалась дорогой, громоздкой и сложной в производстве.
Главной задачей инженеров стало объединение базовых узлов центрального процессора в одной микросхеме.
В 1971 году компания Intel представила первый коммерческий микропроцессор — Intel 4004. Это был 4-битный процессор, содержавший около 2300 транзисторов. Первоначально его разработали для калькуляторов японской компании Busicom. В результате процессор превратился в универсальное функционально законченное вычислительное устройство.
Главное значение Intel 4004 заключалось в самой идее: центральный процессор с его основными узлами удалось разместить на одном кристалле. Именно это стало основой нового класса электронных компонентов — микропроцессоров.
После появления Intel 4004 развитие процессоров ускорилось. В 1970-е годы появились 8-битные Intel 8008, Intel 8080, Motorola 6800, Zilog Z80 и MOS Technology 6502. Они стали основой первых персональных компьютеров, игровых систем и промышленной электроники.
На Intel 8080 был построен Altair 8800, на MOS 6502 — Apple II и компьютеры Commodore, а Zilog Z80 стал основой знаменитого ZX Spectrum.
В 1978 году появился Intel 8086, ставший первым процессором архитектуры x86. Эта архитектура на десятилетия определила развитие персональных компьютеров. Затем появились 80286, 80386 и 80486. Intel 80386 стал первым полностью 32-битным процессором семейства, а в 1993 году его развитие продолжил Pentium.
Параллельно развивались и другие архитектуры. В вычислительной технике получили распространение RISC-процессоры, включая ARM, MIPS, SPARC и PowerPC. Их концепция предполагала упрощённый набор команд, эффективное выполнение инструкций и снижение энергопотребления.
В 1990-е и 2000-е годы распространение получили 64-битные процессоры. Важнейшим событием стало появление архитектуры x86-64, предложенной AMD. Она впоследствии стала стандартом для большинства современных персональных компьютеров.
Однако дальнейшее увеличение тактовой частоты постепенно столкнулось с ограничениями по энергопотреблению и тепловыделению. Поэтому развитие процессоров пошло по другому пути: появились многоядерные архитектуры и технологии параллельной обработки данных.
Вместо одного всё более быстрого ядра процессор стал получать несколько ядер, способных одновременно выполнять разные задачи. Появились 2-, 4-, 6-, 8-ядерные и более сложные процессоры, а также технологии многопоточной обработки.
Одновременно росла потребность в специализированных вычислительных блоках. Обработка графики потребовала появления мощных GPU, а развитие машинного обучения — специализированных нейронных ускорителей.
Современный процессор уже трудно сравнивать с Intel 4004. На одном кристалле размещены миллиарды транзисторов, десятки вычислительных ядер, кэш-память и специализированные блоки. Во многих современных устройствах центральный и графический процессоры также объединяются в одном кристалле или SoC.
Таким образом, развитие CPU прошло путь от простого 4-битного вычислительного ядра до сложной многоядерной системы, способной выполнять одновременно множество различных задач.
Микроконтроллеры (MCU)
Микропроцессор хорошо подходит для вычислений, но сам по себе не является полноценной системой управления. Для его работы требуются память, тактовый генератор, интерфейсы ввода-вывода и другие компоненты.
До появления микроконтроллеров цифровые устройства собирали именно по такому принципу. Отдельные микросхемы выполняли функции процессора, памяти, ввода-вывода и дополнительной логики. Такой подход позволял создавать сложные устройства, но увеличивал их стоимость, размеры и энергопотребление.
Для бытовой техники, промышленной автоматики и других систем управления требовался другой тип микросхемы: процессорное ядро, память и периферия должны находиться внутри одного корпуса.
Так появилась идея микроконтроллера…
Первые коммерческие микроконтроллеры появились в середине 1970-х годов. Одним из первых представителей этого класса стала серия Texas Instruments TMS1000. Это были 4-битные микроконтроллеры с 1–2 КБ ПЗУ и 32–64 байтами ОЗУ. Тактовая частота достигала примерно 400 кГц.
По нынешним меркам характеристики выглядят скромно, но для своего времени их было достаточно. TMS1000 применялись в калькуляторах, электронных игрушках и бытовой технике.
К концу 1970-х — началу 1980-х годов началось распространение 8-битных микроконтроллеров. Известнейшим семейством стал Intel 8051. Позже появились PIC компании Microchip Technology, AVR компании Atmel и множество других архитектур.
Эти микроконтроллеры получили широкое применение в промышленной автоматике, автомобильной электронике, телекоммуникационном оборудовании и бытовой технике.
Несмотря на появление более мощных 16- и 32-битных архитектур, 8-битные микроконтроллеры не исчезли. Современные представители этого класса имеют Flash-память, интерфейсы SPI, I²C, USB и CAN, АЦП, ЦАП, таймеры и другие периферийные блоки.
В 1990-е годы развитие микроконтроллеров пошло сразу по нескольким направлениям. Увеличивалась разрядность, росла производительность, снижалось энергопотребление. Особое значение получили микроконтроллеры, способные выполнять цифровую обработку сигналов в реальном времени.
Знаковыми представителями этого периода стали MSP430 от Texas Instruments и dsPIC от Microchip Technology. Они нашли применение в измерительном оборудовании, медицинской технике, телекоммуникационных устройствах и компактной электронике.
Следующий крупный этап связан с архитектурой ARM. 32-битные ARM-ядра отличались высокой энергетической эффективностью и хорошо подходили для встраиваемых систем.
На их основе появились многочисленные семейства микроконтроллеров. Среди наиболее известных — STM32 от STMicroelectronics, LPC от NXP Semiconductors и SAM от Microchip Technology.
Микроконтроллеры на ARM стали основой самых разных устройств: от простой автоматики до автомобильных блоков управления, промышленного оборудования и сложных встраиваемых систем.
В 2010-е годы важным направлением стало появление встроенных беспроводных интерфейсов. Wi-Fi, Bluetooth LE, LoRa, Zigbee и другие технологии стали доступными непосредственно в микроконтроллерах.
Особенно известными стали ESP8266 и ESP32 компании Espressif Systems. Низкая стоимость и наличие беспроводной связи сделали их популярными в проектах IoT, системах «умного дома», робототехнике и беспилотных устройствах.
Нынешний микроконтроллер уже представляет собой гораздо более сложную систему, чем ранние представители этого класса. В его составе встречаются несколько вычислительных ядер, DSP-блоки, графические и нейронные ускорители, криптографические модули, развитая периферия и средства беспроводной связи.
При этом отличие от микропроцессора сохраняется. CPU предназначен прежде всего для выполнения вычислений и программ общего назначения, тогда как MCU представляет собой законченную систему управления, в которой процессорное ядро работает вместе с памятью и периферией.
Именно поэтому микроконтроллеры получили такое широкое распространение во встраиваемой электронике. Для управления конкретным устройством не требуется собирать вычислительную систему из множества отдельных микросхем — достаточно одного относительно небольшого компонента и необходимой внешней обвязки.
Микропроцессоры и микроконтроллеры развивались из одной потребности — сделать вычислительную систему компактнее, дешевле и эффективнее. Но по мере развития электроники их задачи стали различаться.
Микропроцессоры превратились в многоядерные вычислительные системы, способные выполнять сложные программы и работать с большими объёмами данных. Микроконтроллеры пошли по пути интеграции: процессорное ядро, память, интерфейсы и периферия объединились в одной микросхеме, предназначенной для управления конкретными устройствами.
При этом граница между классами постепенно становится менее очевидной. Современные MCU получают всё более производительные ядра и специализированные ускорители, а процессоры всё чаще объединяются с другими вычислительными блоками. Эта тенденция особенно заметна при рассмотрении GPU, FPGA, ASIC и SoC в следующих частях цикла.
Вторую часть цикла читайте здесь.
17
41
164
