マイクロコントローラ完全マスター: 構造、機能、実用応用

組み込みエレクトロニクスの世界に飛び込む前に、何が必要かを理解する必要があります。例えば、この分野にはコードの記述が含まれます。マイクロコントローラの基本、使用するプログラミング言語、または基本的なプログラミング概念を理解していない場合、これはほぼ不可能です。どこから始めればよいかわからず、圧倒されるでしょう。

しかし、朗報があります：

この記事では、組み込みエレクトロニクスを始めるために必要な基本的なことを学びます。マイクロコントローラとは何か、どう動作するか、基本構造などについて議論します。

始めましょう！

マイクロコントローラとは？

マイクロコントローラを定義する前に、それがマイクロプロセッサ（後で議論）とは異なることに注意することが重要です。

つまり、マイクロコントローラは超大規模集積ICです。そして、I/Oポート、ロジックユニット、メモリ、電子演算ユニット、および単一チップに融合された他のモジュールで構成されます。このデバイスをシングルチップコンピュータと呼ぶこともできます。

また、マイクロコントローラは組み込みコントローラでもあります。デバイスとサポート回路が、制御するアプライアンスに組み込まれるためです。

データを表示、測定、制御、格納、計算する多くのデバイスやアプリケーションでマイクロコントローラを見つけることができます。興味深いことに、自動車産業が最大のマイクロコントローラユーザーのリストでトップです。結局、車両はエンジン制御と他のシステムの調整にデバイスを必要とします。

マイクロコントローラが一般的なもう1つの分野は家電製品です。したがって、オーブン、デジタルカメラ、DVDプレーヤーなどにマイクロコントローラを見つけることができます。テストおよび測定機器もマイクロコントローラを使用します（ファンクションジェネレータ、マルチメータなど）。

マイクロコントローラの基本 – マイクロコントローラはどのように動作するか？

通常、マイクロコントローラは特定のプログラムを実行し、1つのタスクに専念します。制御するデバイスから入力を取得することで動作します。その結果、マイクロコントローラが制御を維持するのに役立ちます。そして、デバイスのさまざまな部分に信号を送信することでこれを行います。

例えば、テレビのマイクロコントローラはリモコンから入力を取得して動作します。その後、テレビ画面に出力を配信します。

マイクロコントローラのタイプ

命令セット、メモリ、ビットに基づいて、さまざまなマイクロコントローラがあります。

命令セット

命令セット構成に基づくマイクロコントローラの2つのカテゴリがあります：

RISC

この頭字語はReduced Instruction Set Computers（削減命令セットコンピュータ）を意味します。命令ごとのクロックサイクルを削減することでこれを実現します。そして作業時間を短縮するのに役立ちます。

CISC

この頭字語はComplex Instruction Set Computer（複雑命令セットコンピュータ）を表します。そして、ユーザーが1つの命令を、異なるシンプルなコマンドのオプションとして修正することを許可します。

メモリ

メモリ構成のカテゴリには、2種類のマイクロコントローラがあります：

組み込みメモリマイクロコントローラ

このタイプのマイクロコントローラは通常、タイマーとカウンタ、I/Oポート、データメモリ、割り込みなど、チップ上に非常に多くのコンポーネントを持っています。組み込みメモリマイクロコントローラの例はIntel 8051です。

外部メモリマイクロコントローラ

このタイプのマイクロコントローラの設計には、チップ上にプログラムメモリがありません。外部メモリマイクロコントローラの優れた例はIntel 8031です。

ビット

ビット構成のカテゴリには3種類のマイクロコントローラがあります：

32ビットマイクロコントローラ

32ビットマイクロコントローラは、医療機器などの自動制御を使用するアプライアンスで見つけることができます。

16ビットマイクロコントローラ

16ビットマイクロコントローラは、高性能と精度を必要とするアプリケーションに役立ちます。したがって、このマイクロコントローラを使用して論理演算と算術演算を行うことができます。このマイクロコントローラの優れた例はIntel 8096です。

8ビットマイクロコントローラ

8ビットマイクロコントローラはこのカテゴリで最も少ないです。除算、減算などの論理演算と算術演算の実行のようなシンプルなタスクを実行するために使用できます。また、このマイクロコントローラの例はIntel 8051と8031です。

マイクロコントローラの基本構造

マイクロコントローラには3つの基本コンポーネントがあります：I/Oポート、メモリ、中央処理装置（CPU）。

このデバイスの他のコンポーネントも重要です。しかし、上記で言及したものはサポートデバイスです。したがって、マイクロコントローラの主要コンポーネントを構造に基づいて詳しく見ていきます。

マイクロコントローラの基本 – メモリ

通常、ほとんどの計算システムにはデータメモリとプログラムメモリの2種類のメモリが必要です。データメモリは命令を実行しながら一時情報を保持するのに役立ちます。しかし、プログラムメモリはプログラムで構成されます。つまり、CPUが実行する命令が含まれています。

バス

システムバスは最も語られることの少ないコンポーネントの1つです。しかし、マイクロコントローラの不可欠な部分です。

これは、CPUをI/Oポートや他のサポートコンポーネントなどの他の周辺機器にリンクする接続ワイヤーのコレクションを指します。

マイクロコントローラの基本 – CPU

CPUはマイクロコントローラの脳のようなものです。そして2つの部分を持っています：CU（制御ユニット）とALU（算術論理ユニット）。

したがって、CPUはデータ、論理、算術転送操作を実行するために、命令のデコード、読み取り、実行を担当します。

割り込み

割り込みはマイクロコントローラのもう1つの重要なコンポーネントです。割り込み処理機構を持っています。また、このコンポーネントはソフトウェア関連、外部、ハードウェア関連、または内部のいずれかです。

マイクロコントローラの基本 – I/Oポート

I/Oは入力/出力ポートを指します。このコンポーネントは、マイクロコントローラに外部接続のためのインターフェースを提供します。例えば、キーパッド、スイッチなどの入力デバイスが、ユーザーからCPUへバイナリデータ形式で情報を提供します。

したがって、CPUが入力デバイスから情報を取得すると、適切な命令を実行します。その後、プリンタ、ディスプレイ、LEDなどの出力デバイスを介して応答します。

シリアルポート

このコンポーネントは、マイクロコントローラがシリアル通信で相互作用するのを助けます。マイクロコントローラは、シリアルポートを介してのみ他の外部周辺機器やデバイスと通信できます。UARTはマイクロコントローラで最も一般的なシリアル通信です。

DAC

この頭字語はDigital to Analog Converter（デジタル-アナログ変換器）を意味します。そして、デジタル信号をアナログ信号に変換する回路です。また、このコンポーネントはマイクロコントローラのCPUとアナログデバイス（外部）を接続します。

ADC

ADC頭字語はAnalog to Digital Converter（アナログ-デジタル変換器）を意味します。そして、DACの逆です。つまり、回路がアナログ信号をデジタル信号に変換するのを助けます。また、この回路は外部アナログ入力デバイスとマイクロコントローラのCPUの間の接続を作成します。

さらに、アナログデバイスは主にセンサであることに注意することが重要です。したがって、CPUが通信を理解するには、アナログデータをデジタルに変換する必要があります。

マイクロコントローラの基本 – カウンタ/タイマー

カウンタとタイマーはマイクロコントローラの不可欠なコンポーネントです。そして、外部イベントのカウントと時間遅延の操作を提供する責任があります。また、クロック制御、関数生成などを提供します。

コンフィギュレーションビット

マイクロコントローラには通常、ユニークなビットがあります。それがコンフィギュレーションビットです。このコンポーネントは、マイクロコントローラの特別なオプションを構造化するのに役立ちます。これには（これらに限定されないが）以下が含まれます：

• 低電圧プログラミング オン/オフ
• パワーアップタイマー オン/オフ
• 内部/外部切り替え オン/オフ
• 発振器タイプ
• フェイルセーフクロックモニター オン/オフ
• ブラウンアウトリセット オン/オフ
• ウォッチドッグタイマー オン/オフ

また、PICマイクロコントローラではコンフィギュレーションビットに気づくでしょう。そして、データコード保護とプログラムコード保護を担当します。

つまり、コンフィギュレーションビットが外部プログラミングハードウェアからプログラムとデータスペースの読み取りを阻止します。したがって、他人があなたのコードを盗むのが困難になります。

マイクロプロセッサとマイクロコントローラの比較

マイクロコントローラは、タイマー、ROM、その他の周辺機器で構成されるコンピュータです。したがって、ミニコンピュータと呼ぶことができます。また、さまざまなバージョンがあります。しかし、マイクロプロセッサは集積回路です。そして、CPUのみを内部に持つ処理能力を持っています。

それらの違いを示す表：

メリット

• メモリに命令を書き込み格納するため、マイクロコントローラには複雑なオペレーティングシステムが不要です。
• チップはI/Oポートなどの主要コンポーネントの外部インターフェースを必要としません。
• I/Oポートをプログラムできます。
• すべての重要なコンポーネントを搭載することで、製品の面積、コスト、設計時間を削減します。

デメリット

• オペレーティングシステムがないため、すべてのコマンドを自分で記述する必要があります。
• マイクロコントローラのメモリ（量によって異なる）が、デバイスが実行できる命令を制限する可能性があります。

まとめ

要約すると、マイクロコントローラの基本はシングルチップマイクロコンピュータの力を説明しています。さらに、メモリ、CPU、I/Oポート、発振回路など、デバイスの構造を構成するいくつかの周辺機器で構成されます。また、メーカーは制御するデバイスにマイクロコントローラを組み込みます。

そして、各周辺機器がマイクロコントローラの機能に貢献する重要な役割を果たします。マイクロコントローラについてどう思われますか？ プロジェクトに最適なものを選ぶのにヘルプが必要ですか？ お気軽にご連絡ください。