Vítejte, dnes je
neděle
09.
březen
2025
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 
Mikrokontroléry se od svých počátků datovaných do sedmdesátých let minulého století staly nedílnou součástí řízení různých produktů – průmyslových, spotřebních, ale také v automobilech.
Jejich záběr se dále rozšiřuje a zahrnuje dnes i přenosná bezdrátová zařízení či nositelné aplikace ze světa internetu věcí (IoT). A za obrovský růst spojený s oblastí zdravotnické péče mohou rovněž osmibitové MCU integrované ve spoustě vestavných návrhů.
Vestavná elektronika využívající 8bitových MCU musí mít nejen potřebné schopnosti, ale být i ekonomicky proveditelná, přičemž výroba zde pro danou aplikaci často dosahuje stovek tisíc nebo snad i miliónů kusů. V automobilech mívají 8bitové MCU na starosti různé subsystémy – od sedadel či oken s elektrickými pohony až po chytrá madla dveří či senzory tlaku v pneumatikách. Při takto širokém nasazení budou hrát roli už i drobné cenové rozdíly. Náklady na údržbu miliónů zařízení, které bývají při návrhu mnohdy přehlíženy, lze navíc snižovat z titulu rostoucí spolehlivosti a také odolnosti, kdy zjednodušujeme kód a provádíme hardwarová zlepšení, což dále snižuje potřebu softwarových redundancí.
Za přetrvávající oblibou 8bitových MCU stojí do značné míry jejich neustálé inovace spojované s pamětí, spotřebou energie, pouzdřením či perifériemi nezávislými na jádru (CIP).
Obr. 1 Mnoho nových rodin obvodů PIC či AVR nabízí celou škálu pouzder, které mohou u aplikací s nedostatkem prostoru v případě VQFN zabírat pouhé 3 x 3 mm
Výrazný pokrok s osmi bity
S rozmachem IoT a proměnou měst na základě chytrých zařízení se řada odvětví neobejde bez inteligence s možností dalšího rozšiřování. Modernizace typu chytrých lamp pouličního osvětlení či detektorů jednotlivých parkovacích míst si žádá MCU, které umí sbírat data, zpracovávat je a také o všem podat zprávu. Takové úkoly často zvládne 8bitový MCU s integrovaným analogově-číslicovým převodníkem (ADC), zatímco jádro zde setrvá v nízkopříkonovém stavu. Zmíněný přístup se bude hodit v garážích s možností chytrého parkování, u propojeného pouličního osvětlení a také při automatizovaném zahradničení ve městech, kde klademe velký důraz na výkonovou účinnost.
Mezi výhody menších součástek očividně patří snížená spotřeba energie a kompaktní provedení, takže se v přenosných zařízeních IoT vejdou i do omezeného prostoru.
Novější mikrokontroléry jsou navržené s důrazem na hospodárnost, takže nabízí potřebné funkce, zatímco pamatují také na rozpočet. Schopnosti moderních MCU navíc výrazně zlepšuje pokrok v oblasti pamětí a jejich technologií.
Paměť
Současné mikrokontroléry se zásadně změnily a vděčí za to rozmachu na poli pamětí typu Flash. Dnešní aplikace se neobejdou bez složitějších programů, což také vyžaduje rostoucí kapacitu paměti MCU. Vlastní paměť Flash bývá u zmíněných součástek odolná a vydrží i v případě nekompromisního testování pro potřeby automobilového průmyslu, včetně mnoha cyklů zápisu či mazání. Běžné 8bitové mikrokontroléry nabídnou paměť od 384 bitů do více než 128 kB a vyhoví tak požadavkům celé řady aplikací.
Výkonová spotřeba
Na výkonovou účinnost se u 8bitových MCU začal klást velký důraz, a to zejména v případě aplikací napájených z baterií. Systém MCU PIC® s technologií nanoWatt XLP (eXtreme Low Power, [1]) se např. vyznačuje dohlížecími obvody navrženými speciálně pro účely minimální spotřeby energie. S těmito inovacemi pak dosahujeme vůbec nejnižšího proudového odběru, a to jak v režimech Run, tak i Sleep, kde také součástky stráví 90−99 % svého času. Technologie typu „Peripheral Module Disable“ zase zvyšují úsporu energie tím, že periférie zcela „odříznou“ od napájení a také hodin. Mezi výhody spojované s technologií nanoWatt XLP zařadíme
Vzhledem k tomu, že spousta 8bitových MCU bude využita v aplikacích napájených z baterie, máme rovněž k dispozici další možnosti úspory energie na základě optimalizovaných periférií. K tomu se ale ještě dostaneme.
Pouzdření
To, co 8bitové MCU jednoznačně odlišuje, bude jejich schopnost vejít se do malých pouzder, takže se stávají ideálním řešením pro aplikace s omezeným prostorem, jako jsou bezdrátové, přenosné či nositelné produkty. Zárukou kompaktního provedení se stávají pouzdra typu 8vývodových SOIC nebo DFN s osmi piny a také oblíbená VQFN (Very Thin Quad Flat Pack No-Leads) o dvaceti vývodech. U složitějších aplikací se zase uplatní větší pouzdra, např. 40pinové PDIP či TQFP s 44 vývody.
Obr. 2 Periférie nezávislé na jádru počítají v návrhu 8bitového MCU s řadou různých oblastí
Periférie nezávislé na jádru
Periférie CIP nezávislé na jádru rozšiřují možnosti MCU tím, že z pohledu jádra pracují autonomně, což oceníme v nízkopříkonových a také nízkonákladových návrzích. CIP zde dokáží nezávisle zpracovat různé úlohy, omezují tak zásahy ze strany CPU (Central Process Unit) a ve výsledku zvyšují efektivitu i spolehlivost systému. Jejich modulární řešení zjednoduší návrh dotykových rozhraní, zpracování dat ze snímačů apod.
Zmíněný přístup zde přináší předpřipravené prostředky k programování událostí založených na perifériích. Event System bude kupříkladu spouštět akce v závislosti na GPIO (General Purpose Input/Output) nebo řešit přerušení s větším počtem kanálů.
Aktuálně dostupné CIP u 8bitových mikrokontrolérů PIC® a AVR® máme na obr. 2 barevně odlišeny dle typu periférií. Osm kategorií a také jejich podskupiny zde řeší většinu funkcí, které od vestavného kontroléru s relativně nízkými náklady očekáváte. Povšimněte si, že zeleně zbarvené položky nabízí v porovnání s dříve zmiňovanými možnosti dodatečné úspory energie.
Periférie CIP znamenají rostoucí spolehlivost, protože se nám snižuje velikost kódu, který je nutné řešit. S funkcemi, které jsou implementovány v hardwarových strukturách, pak předcházíme případným softwarovým konfliktům. Hardwarově provázané periférie navíc snižují počet vnějších propojení a přispívají tím k rostoucí spolehlivosti výsledného systému. A zvýšená spolehlivost součástek zase snižuje náklady po dobu existence daného projektu.
Nejnovější rodiny 8bitových MCU nabízí rozsáhlé možnosti ve věci paměti a také počtu vývodů a vývojářům tak umožňují začít s většími obvody a postupně přecházet k menším, jakmile bude kód optimalizován. Rodina obvodů PIC16F152XX je kupříkladu navržena pro aplikace se snímači a řízením v reálném čase, kladoucí důraz na cenu, a vyznačuje se 10bitovým analogově-číslicovým převodníkem (ADC), možnostmi PPS (Peripheral Pin Select), perifériemi sloužícími ke komunikaci číslicovou cestou a také timery. Paměť zahrnuje MAP (Memory Access Partition) a podporuje tak uživatele při ochraně dat a v aplikacích s bootloaderem.
Vývojové nástroje, které zrychlí a také zjednoduší práci
Pokrok v oblasti vývojových nástrojů zefektivnil vývojový proces a omezuje tak potřebu obsáhlého programování. Nástroje typu MPLAB® Code Configurator (MCC, [2]) umožňují vznik efektivního kódu, který nezabere spoustu místa, což výrazně zkracuje dobu potřebnou k vývoji. Jako příklad si uveďme PIC16F15244 Curiosity Nano Evaluation Kit (označení EV09Z19A, [3]) nabízející komplexní podporu nových návrhů s plnohodnotnými možnostmi programování a také ladění.
MPLAB X Integrated Development Environment (IDE) zase představuje univerzální platformu pro vývoj softwaru v případě 8-, 16- a 32bitových MCU. Napomáhá HW simulacím a také integraci s nástroji třetích stran.
Obr. 3 Vývojová deska PIC16F15244 Curiosity Nano se dvěma skupinami kolíků 100 mil, 1x 15 pinů zjednoduší návrh v rámci sady Curiosity Nano Evaluation Kit
Nadějné vyhlídky nestojí mnoho
Mikrokontroléry se pozoruhodně vyvíjí, zatímco 8bitové MCU zde bodují v oblasti paměti, výkonové spotřeby, pouzdření nebo i periférií. Podporují složité aplikace s rostoucí velikostí paměti a zjednodušeným procesem vývoje, kdy dále snižují náklady spojené jak s návrhem, tak i výrobou. Přizpůsobivost a efektivita současných 8bitových MCU z nich činí upřednostňovanou volbu pro celou řadu aplikací ze světa IoT, takže mohou s relativně nízkými náklady zajistit pro vestavné systémy zářnou budoucnost.
Současné 8bitové MCU, to ale není pouhý sběr dat. V nejrůznějších aplikacích IoT zde totiž informace nejen získávají, ale také je zpracují a dále i odešlou. Nejnovější 8bitové modely reagují na rostoucí složitost zmiňovaných aplikací tím, že nabízí o poznání větší paměť a také rozšířené periférie. Zefektivněné funkce 8bitové rodiny PIC16F152xx se budou hodit zejména v kompaktních a nákladově efektivních návrzích s čidly a základním řízením v reálném čase. Mnoho vývojářů tyto MCU osloví právě díky perifériím nezávislým na jádru.
Odkazy:
[1] https://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39941d.pdf
[2] https://www.microchip.com/en-us/tools-resources/configure/mplab-code-configurator
[3] https://www.microchip.com/en-us/development-tool/EV09Z19A
