マイクロコントローラの基本:構造、動作原理、およびアプリケーション
マイクロコントローラ搭載
出典:ウィキメディア コモンズ
組込み電子機器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。たとえば、このフィールドにはコードの記述が含まれます。マイクロコントローラーの基本、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の概念を理解していなければ、これを行うことはほとんど不可能です。そうしないと、どこから始めればよいかわからなくなり、圧倒されてしまうでしょう。
しかし、良いニュースがあります:
この記事では、組み込み電子機器の使用を開始するために必要な基本事項について説明します。それが何であるか、マイクロコントローラーがどのように機能するか、基本的な構造などについて説明します。
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
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マイクロコントローラーを定義する前に、マイクロプロセッサーとは異なることに注意することが重要です (これについては記事の後半で説明します)。
とはいえ、マイクロコントローラは非常に大規模な統合 IC です。また、I/O ポート、ロジックユニット、メモリ、電子計算ユニットなどのモジュールを 1 つのチップに融合して構成されています。デバイスをシングル チップ コンピューターと呼ぶこともできます。
さらに、マイクロコントローラーは組み込みコントローラーでもあります。それは、サポート回路に沿ったデバイスが、それが制御するアプライアンスに入るためです。
マイクロコントローラーは、データの表示、測定、制御、保存、または計算を行う多くのデバイスまたはアプリケーションで使用されています。興味深いことに、自動車産業はマイクロコントローラーの最大のユーザーのリストのトップです。結局のところ、車両にはエンジン制御と他のシステムの調整のためのデバイスが必要です。
マイクロコントローラーが一般的に使用されるもう 1 つの分野は、家電製品です。そのため、オーブン、デジタル カメラ、DVD プレーヤーなどでマイクロコントローラーを見つけることができます。関数発生器、マルチメーターなどのテストおよび測定機器もマイクロコントローラーを使用します。
マイクロコントローラの基本– マイクロコントローラの仕組み
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 つのタスクに固執します。そのため、制御するデバイスから入力を取得することで機能します。その結果、これは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。これは、デバイスのさまざまな部分に信号を送信することによって行われます。
たとえば、テレビのマイクロコントローラーは、リモコンからの入力を受け取ることで機能します。次に、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種類
命令セット、メモリ、ビットのカテゴリに基づいて、さまざまなマイクロコントローラーがあります。
命令セット
命令セットの構成に基づいて、マイクロコントローラには次の 2 つのカテゴリがあります。
RISC
この頭字語は、Reduced Instruction Set Computers を意味します。これは、すべての命令のクロック サイクルを短縮することによって行われます。また、作業時間の短縮にも役立ちます。
CISC
この頭字語は、Complex Instruction Set Computer を表します。また、ユーザーは 1 つの命令をさまざまな単純なコマンドのオプションとして修正できます。
記憶
メモリーカード (RAM)
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メモリ構成カテゴリには、次の 2 種類のマイクロコントローラーがあります。
組み込みメモリ マイクロコントローラ
通常、このタイプのマイクロコントローラーには、タイマーやカウンター、I/O ポート、データ メモリ、割り込みなど、非常に多くのコンポーネントがチップ上に搭載されています。組み込みメモリ マイクロコントローラーの例としては、Intel 8051 があります。
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では、チップにプログラム 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
ビット構成カテゴリには、次の 3 種類のマイクロコントローラーがあります。
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ーは、医療機器などの自動制御を使用する機器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、高性能で高精度の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ーを使用して、論理演算および算術演算を実行できます。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、このカテゴリで最小です。また、除算、減算などの論理演算や算術演算の実行などの単純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ーの例としては、Intel 8051 および 8031 があります。
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ーには、I/O ポート、メモリ、中央処理装置の 3 つの基本コンポーネントがあります。
このデバイスの他のコンポーネントも重要です。ただし、上記のものはサポートデバイスです。そこで、マイクロコントローラーの主要コンポーネントをその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– 記憶
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、命令の実行中に一時的な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ています。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、最も話題に上らないコンポーネントの 1 つです。しかし、これはマイクロコントローラーの重要な部分です。
これは、CPU を I/O ポートやその他のサポート コンポーネントなどの他の周辺機器に接続する接続ワイヤの集まりを指します。
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ーの雨のようなものです。また、CU (制御ユニット) と ALU (算術論理演算ユニット) の 2 つの部分があります。
したがって、CPU は、データ、ロジック、および算術転送操作を実行するための命令のデコード、読み取り、および実行を担当します。
割り込み
割り込みは、マイクロコントローラーのもう 1 つの重要なコンポーネントです。また、割り込み処理メカニズムを備えています。また、このコンポーネントは、ソフトウェア関連、永久、ハードウェア関連、または内部の場合があります。
マイクロコントローラの基本– I/O ポート
I/O は、入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へのインターフェイスを提供します。たとえば、キーパッド、スイッチなどの入力デバイスは、ユーザーからの情報を CPU に提供します。これをバイナリ データ形式で行います。
そのため、CPU は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。次に、プリンター、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を介して対話するのに役立ちます。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。また、UART はマイクロコントローラーの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 の略です。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ーの CPU とアナログ デバイス (外部) を接続します。
ADC
ADC の頭字語は、Analog to Digital Converter の略です。そしてそれはDACの反対です。つまり、回路はアナログ信号をデジタル信号に変換するのに役立ちます。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 間の接続を作成します。
さらに、アナログ デバイスはほとんどがセンサー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ーの基本 - カウンター/タイマー
カウンターとタイマーは、マイクロコントローラーの重要なコンポーネントです。また、外部イベントと時間遅延をカウントする操作を提供する責任があります。また、コンポーネントはクロック制御、関数生成などを提供します。
構成ビット
通常、マイクロコントローラには固有のビットがあります。そして、それは構成ビットです。このコンポーネントは、マイクロコントローラーの特別なオプションを構成するのに役立ちます。
- 低電圧プログラミングのオン/オフ
- パワーアップ タイマーのオン/オフ
- 内部/外部切り替えのオン/オフ
- オシレーターの種類
- フェイルセーフ クロック モニターのオン/オフ
- ブラウンアウト リセットのオン/オフ
- ウォッチドッグ タイマーのオン/オフ
また、PIC マイクロコントローラーでは、構成ビットに気付くでしょう。また、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、構成ビットは、外部プログラミング ハードウェアがプログラムおよびデータ空間を読み取るのを停止します。したがって、他人があなたのコードを盗むことは困難です。
マイクロプロセッサとマイクロコントローラの比較
マイクロプロセッサ
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マイクロコントローラ
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マイクロコントローラーは、タイマー、ROM、およびその他の周辺機器で構成されるコンピューターです。したがって、それらをミニコンピューターと呼ぶことができます。さらに、それらは別のバージョンで提供されます。しかし、マイクロプロセッサは集積回路です。そして、内部に CPU を搭載するだけで処理能力を発揮します。
これらの違いを示す表は次のとおりです:
長所
- メモリに命令を書き込んで保存するため、マイクロコントローラは複雑なオペレーティング システムを必要としません。
- このチップは、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。
- 重要なコンポーネントをすべて配置することで、製品の面積、コスト、設計時間を削減できます。
短所
- オペレーティング システムがありません。したがって、すべてのコマンドを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 (量によっては) によって、デバイスが実行できる命令が制限される場合があります。
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能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ています。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ーを組み込みます。
そして、各ペリフェラルは、マイクロコントローラー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いますか?プロジェクトに最適なものを入手するための支援が必要ですか?お気軽にお問い合わせください。
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