Mikrokontroléry a jejich periferie

Mikrokontrolér (MCU – Microcontroller Unit) je kompletní miniaturní počítač integrovaný na jediném křemíkovém čipu (tzv. SoC – System on a Chip). Na rozdíl od mikroprocesorů (CPU) v běžných počítačích, které ke svému fungování potřebují externí operační paměť, grafickou kartu a řadiče úložišť, obsahuje mikrokontrolér vše potřebné v jednom pouzdře.

Mikrokontroléry jsou navrženy pro vestavěné (embedded) systémy, kde samostatně řídí konkrétní zařízení – od chytrých praček a automobilových systémů až po dálkové senzory v Internetu věcí (IoT).

Každý mikrokontrolér se skládá ze tří hlavních částí, které jsou vzájemně propojeny interní sběrnicí:

• Procesorové jádro (CPU): Vykonává instrukce programu, provádí matematické a logické operace. Mezi nejznámější patří jádra typu ARM Cortex-M, AVR (v čipech ATmega) nebo RISC-V.
• Paměť:
  • Flash (ROM): Neanorganická paměť, kde je trvale uložen kód programu (firmware). Data v ní zůstanou i po odpojení napájení.
  • SRAM: Rychlá, těkavá paměť pro ukládání proměnných a mezivýsledků během běhu programu. Po vypnutí se vymaže.
  • EEPROM: Malá neanorganická paměť pro ukládání uživatelských nastavení (kalibrace, ID zařízení), která se mění jen zřídka.
• Periferie: Integrované hardwarové bloky, které umožňují procesoru komunikovat s okolním světem a odlehčují mu od rutinních úkolů.

Právě bohatá výbava periferií dělá z mikrokontroléru ideální nástroj pro řízení elektroniky. Mezi ty nejdůležitější patří:

Základní digitální piny mikrokontroléru. Každý pin lze softwarově nastavit buď jako vstup (čtení stavu tlačítka, senzoru), nebo jako výstup (ovládání LED, sepnutí relé). Piny pracují v logických úrovních (nejčastěji 3,3 V nebo 5 V).

Hardwarové registry, které nezávisle na CPU počítají pulzy vnitřního hodinového oscilátoru. Používají se pro:

• Přesné odměřování času (např. vyvolání akce každých 10 milisekund).
• Generování signálu PWM (Pulse Width Modulation) – šířkově impulzní modulace, která slouží k řízení jasu LED, rychlosti motorů nebo simulaci analogového napětí.

Analogově-digitální převodník. Reálný svět je analogový (teplota, tlak, světlo se mění plynule), ale procesor zná jen jedničky a nuly. ADC převádí spojité analogové napětí ze senzorů na digitální číslo (např. 10bitový převodník převede napětí 0–3,3 V na hodnotu 0–1023).

Digitálně-analogový převodník. Opak ADC. Převádí digitální hodnotu z procesoru na reálné analogové napětí. Využívá se například pro generování zvuku nebo přesných napěťových průběhů.

Umožňují MCU komunikovat s ostatními čipy a počítači pomocí minima pinů:

• UART: Asynchronní sériová linka (vodiče TX/RX), často využívaná pro ladění (debug) a komunikaci s PC přes USB převodník.
• I2C: Dvouvodičová synchronní sběrnice (SDA/SCL) ideální pro připojení mnoha pomalejších senzorů a displejů na krátkou vzdálenost.
• SPI: Rychlá čtyřvodičová synchronní sběrnice (MOSI/MISO/SCLK/CS) pro paměťové karty nebo rychlé displeje.
• CAN bus: Extrémně spolehlivá průmyslová sběrnice využívaná především v automobilovém průmyslu.

Bezpečnostní hardwarový časovač. Pokud program zamrzne (např. kvůli chybě v kódu nebo rušení), procesor přestane Watchdog pravidelně nulovat. Watchdog „přeteče“ a automaticky provede tvrdý restart (reset) celého mikrokontroléru. To zajišťuje autonomní spolehlivost bez lidského zásahu.

Související články:

• Hardware - Hlavní rozcestník
• Co jsou to vestavěné systémy
• Sběrnice SPI podrobně
• Senzory a jejich připojení k MCU

Tagy: hardware embedded mcu microcontroller gpio adc pwm uart esp32 arm