История микроконтроллеров от их зарождения до современных тенденций

Наука и техникаHi-Tech

Карманные мозги, что управляют всем: микроконтроллеры от первых 4-бит до IoT-революции

Степан Бурмистров

Исторический обзор появления микроконтроллеров

Микроконтроллеры возникли из потребности создать маленький компьютер на одном чипе, способный управлять устройствами дешевле, чем связка отдельного процессора, памяти и периферии. Первый в мире микропроцессор Intel 4004 (1971) требовал множество внешних микросхем памяти и логики, что делало его применение в массовых приборах слишком дорогим.

Прорыв произошел в 1974 году, когда инженеры Gary Boone и Michael Cochran из Texas Instruments создали первый микроконтроллер TMS1000. Этот чип объединил в одном корпусе 4-битный процессор (CPU), встроенную память (ПЗУ) с программой, оперативную память (ОЗУ) для данных и тактовый генератор – полноценную встраиваемую систему на кристалле. Вскоре микроконтроллеры начали быстро распространяться: японские производители электроники в 1970-х внедряли микроконтроллеры в автомагнитолы, электронные замки, а также в системы управления двигателем автомобилей.

Как программировались первые микроконтроллеры

Программирование ранних микроконтроллеров было настоящим искусством. Изначально инженеры писали код в машинном языке, то есть вручную составляли последовательности двоичных кодов (0 и 1) для каждой инструкции, а затем записывали их в ПЗУ устройства.

Например, простейшая операция сложения могла выглядеть как набор битов 1000 0001. Подобные «магические числа» нужно было знать и рассчитывать самому. Это было весьма утомительно и чревато ошибками, поэтому вскоре появились инструментальные программы – ассемблер. Ассемблер позволял записывать программу в виде понятных мнемонических команд (например, ADD R1 вместо двоичного кода), а затем автоматически переводил их в машинный код для конкретного микроконтроллера. Такой подход заметно ускорил разработку и снизил вероятность ошибок.

Объемы памяти первых микроконтроллеров были очень малы (первые чипы имели всего несколько сотен байт, для сравнения: этот текст во много раз больше). Поэтому программистам приходилось писать крайне оптимизированный код, чтобы уложиться в доступные ресурсы.

Высокоуровневые языки в те годы только зарождались: компиляторы для Си или Фортрана существовали в основном для больших компьютеров, а не для крохотных микроконтроллеров. Таким образом, ассемблер стал главным языком первых поколений микроконтроллеров.

Для загрузки программы в микроконтроллер применялись различные методы. Как отмечалось, массовые тиражи чипов обычно программировались “навекиˮ на заводе (mask ROM). Однако разработчикам нужна была отладка, поэтому появились перепрограммируемые микроконтроллеры. Ранние образцы требовали особых приборов: микросхему помещали в программатор, стирали ультрафиолетовой лампой (в случае EPROM) и заново записывали код. Это был долгий цикл. К счастью, с появлением EEPROM и флеш-памяти процесс упростился: достаточно было подключить устройство к компьютеру через специальный программатор или интерфейс. Сегодня загрузка новой прошивки зачастую осуществляется по USB нажатием одной кнопки, что контрастирует с “ручным“ стилем программирования первых MCU.

(Пример: один из первых контроллеров – Intel 8048 – программировался разработчиком с помощью ассемблера Intel MCS-48. Инженер набирал код командами вроде MOV A,#0x5 (загрузить число 5) и компоновал их, следя за тем, чтобы итоговый машинный код поместился, к примеру, в 1 килобайт ПЗУ. Каждая ошибка означала перезапись чипа через EPROM-программатор и новую проверку.)

Появление Arduino и причины его популярности

К началу 2000-х программирование микроконтроллеров оставалось уделом энтузиастов и инженеров, требуя знаний электроники и низкоуровневого кода. Прорыв в популяризации микроконтроллеров произошел с появлением платформы Arduino. Проект Arduino стартовал в 2005 году в Итальянском Институте Дизайна (Interaction Design Institute Ivrea) под руководством Массимо. Целью было создать доступный и недорогой инструмент для художников, дизайнеров, студентов, который позволил бы им использовать микроконтроллеры в своих интерактивных проектах без глубоких знаний электроники и архитектуры микроконтроллеров.

Arduino состоит из аппаратной части (печатной платы с микроконтроллером AVR от Atmel, например ATmega328P на самой распространенной плате Arduino Uno) и простой среды разработки (Arduino IDE). Ключевой особенностью стало то, что плата продавалась уже с прошитым загрузчиком: для записи программы не требовался внешний программатор, достаточно обычного USB-кабеля. Язык программирования основан на упрощенном C/C++ (среди разработчиков известен как Wiring). Он интуитивно понятен, имеет множество готовых библиотек для работы с датчиками, моторчиками, дисплеями и т.д. Это снизило порог вхождения до минимума: даже новичок мог заставить мигать светодиод или опрашивать датчик с помощью нескольких строк кода.

Создание подобной машинки стало делом нескольких часов работы, что вовлекало все больше энтузиастов.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Налоги в нашей жизни: права и обязанности налогоплательщика Налоги в нашей жизни: права и обязанности налогоплательщика

Какие обязанности и права у нас возникают при уплате налогов

Наука и техника
Мир экзопланет: самые странные экзопланеты Мир экзопланет: самые странные экзопланеты

Как появляются пульсарные планеты, планеты-зомби и бланеты

Наука и техника
Гладкая мускулатура самолета – электродвигатели Гладкая мускулатура самолета – электродвигатели

Как выглядят авиационные электродвигатели, где установлены и как управляются?

Наука и техника
Как накормить искусственный интеллект Как накормить искусственный интеллект

Как обеспечить непрерывную работу ИИ и центров обработки данных?

Ведомости
Игры разума Игры разума

С какого расстояния инопланетяне могли бы заметить нашу цивилизацию

Вокруг света
Пифагор, или Теорема с одним неизвестным Пифагор, или Теорема с одним неизвестным

«Нет ни одной детали в жизни Пифагора, которая не была бы опровергнута»

Дилетант
Диван как продукт неуемной творческой энергии и всероссийской кооперации Диван как продукт неуемной творческой энергии и всероссийской кооперации

Об источниках предпринимательского задора — Сергей Домрачев, сооснователь Gliver

Монокль
Как устроена young adult-литература: герои, темы и топ-жанры Как устроена young adult-литература: герои, темы и топ-жанры

Чем отличается янг-эдалт от взрослой прозы?

Maxim
Знания не купишь Знания не купишь

Эффективно ли обучение онлайн и на что можно рассчитывать после его прохождения

Ведомости
Убери камеру! Убери камеру!

Как провести фото- и видеосъемку в общественном месте и избежать неприятностей

Лиза
Мария Лисовая: «Работоспособность — мой основной инструмент» Мария Лисовая: «Работоспособность — мой основной инструмент»

Актерская профессия — это сплошные вопросы

Коллекция. Караван историй
Иван Бунин оправдывается… Иван Бунин оправдывается…

Жизнь в эмиграции всегда не проста, часто эмигрантам приходится объединяться

Дилетант
Исследование: мы заменяем младенцев собаками Исследование: мы заменяем младенцев собаками

Связано ли снижение показателей рождаемости с восприятием собак как замены детям

ТехИнсайдер
Типы матриц телевизоров: выбираем лучшую Типы матриц телевизоров: выбираем лучшую

Матрицы телевизоров: как в них не запутаться и какой тип выбрать?

CHIP
Вам и не снилось Вам и не снилось

Каким было время, когда снимался легендарный фильм «Вам и не снилось»

Лиза
Государство не будет спасать девелоперов Государство не будет спасать девелоперов

Рынок новостроек все сильнее погружается в кризис

Монокль
Как добавление специй может помочь сократить потребление пищи Как добавление специй может помочь сократить потребление пищи

Хотите сократить потребление калорий, не чувствуя себя обделенным?

ТехИнсайдер
Черное зеркало Черное зеркало

Aito Seres M5 – достойная замена Mercedes-Benz в России

Автопилот
Константин Бронзит Константин Бронзит

Константин Бронзит о «Лунтике» — смешении одиссеи и Достоевского с цензом 0+

Собака.ru
Ксения Прихотько Ксения Прихотько

Довлатовед Ксения Прихотько расписала модную типологию петербуржцев

Собака.ru
Искусственный коллега: как российские нейросети трансформировали бизнес и заменят ли людей алгоритмы Искусственный коллега: как российские нейросети трансформировали бизнес и заменят ли людей алгоритмы

ИИ-экспансия в бизнесе: чего ждать дальше и как подобрать для себя нужный сервис

Inc.
Заполняя белые места на карте Заполняя белые места на карте

Некоторые ключевые вехи экспедиционной истории РГО

Вокруг света
Сотворить «Онегина» Сотворить «Онегина»

Кто участвует в сотворении «Евгения Онегина» вместе с Пушкиным

Seasons of life
Признание и обвинение: почему общество не верит рассказам женщин о пережитом насилии Признание и обвинение: почему общество не верит рассказам женщин о пережитом насилии

Как общество относится к рассказам женщин о травматичном опыте?

Forbes
Усадьбы Москвы Усадьбы Москвы

Русские имения хранят множество историй, повлиявших на судьбу страны

Вокруг света
Жизнь Васи Ложкина Жизнь Васи Ложкина

Художник Вася Ложкин: котики, музыка, театральная сцена

Отдых в России
Красная машина Красная машина

Советский автопром глазами ЦРУ

Автопилот
А был ли княжич? А был ли княжич?

Соломония Сабурова, супруга князя Василия III, героиня таинственной истории

Дилетант
Недобрососедские отношения: как зумеры обесценили мечту миллениалов и что из этого получилось Недобрососедские отношения: как зумеры обесценили мечту миллениалов и что из этого получилось

Почему зумерам и миллениалами так сложно взаимодействовать друг с другом?

Правила жизни
Город, который дает то, что нужно Город, который дает то, что нужно

Размышления москвича Григория Туманова о магии Петербурга

СНОБ
Открыть в приложении