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

Проект «Ботмус. Катамаран для очистки водоемов» Проект «Ботмус. Катамаран для очистки водоемов»

Школьный проект катамарана-робота для сбора мусора в водоемах

Наука и техника
Ученые превратили растительные отходы в топливо для самолетов Ученые превратили растительные отходы в топливо для самолетов

Технологию производства авиатоплива из биомассы создали в РГУ нефти и газа

ТехИнсайдер
Технологическая гонка глобального масштаба Технологическая гонка глобального масштаба

У России есть стратегические возможности стать лидером в направлении ИИ

Эксперт
Покладистая жена и муж из деревни: как и зачем в Китае рекламируют русских женщин Покладистая жена и муж из деревни: как и зачем в Китае рекламируют русских женщин

Зачем китайцев все чаще стали подталкивать к бракам с иностранками

Forbes
Слово о погибели земли русской Слово о погибели земли русской

План общемонгольского Западного похода был утверждён на курултае 1235 года

Дилетант
Фокус внимания Фокус внимания

Разговор с актрисой Лизой Шакирой о вере, надежде и любви

OK!
На партийном вайбе На партийном вайбе

Оживлённые вожди и мемы: как партии завоёвывают молодёжь с помощью ИИ

Ведомости
В поиске общих интересов В поиске общих интересов

Пересечение интересов США и России возможно в энергетике и климатической сфере

Ведомости
Какие БАДы работают при депрессии: исследование Какие БАДы работают при депрессии: исследование

Насколько безрецептурные пищевые добавки полезны для облегчения депрессии

ТехИнсайдер
«Если рисунок смотрит, значит, он жив»: как художники иллюстрируют книжную классику по-новому «Если рисунок смотрит, значит, он жив»: как художники иллюстрируют книжную классику по-новому

Каково это — иллюстрировать произведения, которые издавались уже десятки раз

Правила жизни
История Амона Гета, жестокого коменданта концентрационного лагеря, который был казнен за свои преступления в 1946 году История Амона Гета, жестокого коменданта концентрационного лагеря, который был казнен за свои преступления в 1946 году

Имя Амона Гета могло было быть навсегда забыто, если бы не «Список Шиндлера»...

ТехИнсайдер
Стрелы, драки, интриги: главные скандалы с папарацци в истории фотожурналистики Стрелы, драки, интриги: главные скандалы с папарацци в истории фотожурналистики

Знаковые моменты из истории самого скандального жанра фотожурналистики

Правила жизни
Хидео Кодзима Хидео Кодзима

Правила жизни геймдизайнера Хидео Кодзимы

Правила жизни
В центре нашей Галактики обнаружены загадочные обьекты. Они могут раскрыть главную тайну Вселенной В центре нашей Галактики обнаружены загадочные обьекты. Они могут раскрыть главную тайну Вселенной

Новый способ пролить свет на загадку темной материи

Inc.
Взрывные цены Взрывные цены

Спрос на это удобрение растет на фоне роста потребления в Бразилии

Ведомости
Как заниматься блогингом без проблем с законом Как заниматься блогингом без проблем с законом

Каких правил нужно придерживаться, если вы зарабатываете на блоге

Inc.
Глубокий политэконом Глубокий политэконом

Как Адам Смит заложил основы современной экономической теории

Деньги
Путешественникам начертили схему Путешественникам начертили схему

Определены инвестиционные лоты для развития туристических макрорегионов

Эксперт
Дейнотерий – слон с берегов Дона Дейнотерий – слон с берегов Дона

Слоны – одни из самых стабильных в эволюционном плане животных...

Наука и техника
Вода, еда, ночлег: что могут требовать туристы, попавшие в авиационный коллапс Вода, еда, ночлег: что могут требовать туристы, попавшие в авиационный коллапс

Как вести себя туристам во время авиационных коллапсов

Forbes
Альберт Филозов: «Такого мужа, как я, своим девочкам не пожелал бы» Альберт Филозов: «Такого мужа, как я, своим девочкам не пожелал бы»

Альберт Филозов — о том, как любовь продлила ему жизнь

Коллекция. Караван историй
Пророческий мультсериал: 7 сбывшихся предсказаний из «Симпсонов» Пророческий мультсериал: 7 сбывшихся предсказаний из «Симпсонов»

Про 7 самых интересных предсказаний «Симпсонов», которые сбылись

ТехИнсайдер
Боевые слоны Боевые слоны

Почему боевые слоны считались идеальным оружием древности?

Дилетант
Зоологи подтвердили крайнюю редкость рака у черепах Зоологи подтвердили крайнюю редкость рака у черепах

Почему злокачественные опухоли редко встречаются у черепах

N+1
Энергия искусства Энергия искусства

Полина Аскери — о роли искусства в жизни и списке желаний

Лиза
Печать дьявола Печать дьявола

В модной индустрии тоже есть свои инновации, и одна из них – 3D-печать

Правила жизни
Показать то, что за кадром: как создаются экскурсии по действующему кинопарку Показать то, что за кадром: как создаются экскурсии по действующему кинопарку

Как организовать экскурсии по кинопарку, не мешая при этом съемочному процессу

Inc.
Круизы: новая глава Круизы: новая глава

Rei — проект 196‑метровой круизной яхты от конгломерата Viken Group

Y Magazine
Гранфлюенсеры: каких российских блогеров старше 50 лет смотрят зумеры и миллениалы Гранфлюенсеры: каких российских блогеров старше 50 лет смотрят зумеры и миллениалы

Возрастные инфлюенсеры, контент которых смотрят зумеры

Forbes
Цифровое око правосудия. Как роботы помогают искать преступников в России Цифровое око правосудия. Как роботы помогают искать преступников в России

Смогут ли роботы заменить следователей и нужно ли это?

Inc.
Открыть в приложении