Контроллеры. Классификация

Санкт-Петербургский  национальный исследовательский университет 

информационных  технологий, механики и оптики 
 
 
 
 
 
 

Реферат на тему:

«Контроллеры» 
 
 
 
 

Выполнил: Калгина О.С.

Группа: 5251

                                                           Проверил: Тогатов В.В. 
 
 

Санкт-Петербург

2011

Введение

Контроллер - специализированное техническое устройство, предназначенное для управления другими устройствами путем получения информации в виде цифровых данных или аналого-дискретного сигнала от внешнего устройства (ЭВМ, датчики или иное устройство), преобразования этой информации по специальному алгоритму и выдачи управляющих воздействий в виде цифрового или аналого-дискретного сигнала. Чаще всего контроллеры представляют собой программируемые устройства, имеющие в своем составе программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) или специализированные процессоры.

Контроллер (англ. controller — регулятор, управляющее устройство) — устройство управления в электронике и вычислительной технике.  

Классификация контроллеров

Виды контроллеров:

• Игровой контроллер.
• Контроллер домена.
• Контроллер прерываний.
• Контроллер электрического двигателя.
• Микроконтроллер — однокристальная микросхема, управляющая различными устройствами и их отдельными блоками.
• Программируемый логический контроллер — устройство управления для промышленности, транспорта и других технологических систем.
• Промышленный контроллер — управляющее устройство, применяемое в промышленности, на транспорте и других отраслях по условию применения и задачам, близким к промышленным.
• Системный контроллер — компонент чипсета, организующий взаимодействие процессора с оперативной памятью и формирующий компьютерную платформу.

Игровой контроллер — это устройство ввода информации, которое используется в  консольных и компьютерных играх.

Контроллер обычно присоединяется к игровой приставке или персональному компьютеру.

При помощи игрового контроллера игрок управляет  движением и действиями элементов  игры. При этом тип элементов зависит  от самой игры, но чаще всего это  один из персонажей игры.

Типы игровых  контроллеров:  традиционные (клавиатура, мышь, игровой, сенсорный экран), специализированные (автомобильный или мотоциклетный руль, джойстик, штурвал) и т.д.

Контроллер домена в компьютерных сетях - сервер, контролирующий область компьютерной сети (домен).

Контроллер прерываний (англ. Programmable Interrupt Controller, PIC) — микросхема или встроенный блок процессора, отвечающий за возможность последовательной обработки запросов на прерывание от разных устройств.

Контроллер электрического двигателя (например, у машинистов электричек) - многоступенчатый, многоцепной коммутационный аппарат с ручным управлением, предназначенный для изменения схемы главной цепи электрического двигателя или цепи возбуждения, включения и выключения электрической цепи с возможностью одновременно производить сложные переключения схемы управления с помощью одной рукоятки (маховика).

Остановимся более  подробно на микроконтроллерах.

Микроконтроллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ или ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

История микроконтроллеров.

С появлением однокристальных  микро-ЭВМ связывают начало эры  массового применения компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и  определило сам термин «контроллер» (англ. controller — регулятор, управляющее устройство).

В связи со спадом отечественного производства и возросшим  импортом техники, в том числе  вычислительной, термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее  использовавшийся термин «однокристальная микро-ЭВМ».

Первый патент на однокристальную микро-ЭВМ был  выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам американской Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только процессор, но и память с устройствами ввода-вывода.

В 1976 году [1] американская фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048. Через 4 года, в 1980 году, Intel выпускает следующий микроконтроллер: i8051. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер i8051 являлся для своего времени очень сложным изделием — в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов (радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.), что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре i8086.

На сегодняшний  день существует более 200 модификаций  микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками  компаний, и большое количество микроконтроллеров  других типов. Популярностью у разработчиков  пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 фирмы TI, а также 32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM, которую разрабатывает фирма ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их производства.

Несмотря на популярность в России микроконтроллеров  упомянутых выше, по данным Gartner Grup от 2009 года мировой рейтинг по объему продаж выглядит иначе [2] первое место с большим отрывом занимает Renesas Electronics на втором Freescale, на третьем Samsung, затем идут Microchip и TI, далее все остальные.

В СССР велись разработки оригинальных микроконтроллеров, также осваивался выпуск клонов наиболее удачных зарубежных образцов [3], [4], [5], [6]. 
В 1979 году в СССР НИИ ТТ разработали однокристальную 16-разрядную ЭВМ К1801ВЕ1, микроархитектура которой называлась «Электроника НЦ».

Описание микроконтроллеров.

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать  баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью  и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное  соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом  корпуса и т. д.

В отличие от обычных компьютерных микропроцессоров, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.[7]

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти.

Неполный  список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:

• универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;
• различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;
• аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
• компараторы;
• широтно-импульсные модуляторы;
• таймеры;
• контроллеры бесколлекторных двигателей;
• контроллеры дисплеев и клавиатур;
• радиочастотные приемники и передатчики;
• массивы встроенной флеш-памяти;
• встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер;

Ограничения по цене и энергопотреблению сдерживают также рост тактовой частоты контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких  частотах, они, в то же время, предоставляют  заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и  напряжения питания. Во многих моделях  микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.

Известные семейства:

• MCS 51 (Intel)
• MSP430 (TI)
• ARM (ARM Limited)
• AVR (Atmel)
• ATmega
• ATtiny
• PIC (Microchip)