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

Эра литий-ионных аккумуляторов Эра литий-ионных аккумуляторов

Почему ученые трудятся над тем, чтобы повысить безопасность батареек

Наука и техника
Музей как увлечение Музей как увлечение

Единственный в своем роде: музей при Институте космических исследований РАН

Знание – сила
Фотосинтез — «игра с огнём» для растения Фотосинтез — «игра с огнём» для растения

Каким образом свет «питает» растение и как вызывает химические реакции?

Наука и жизнь
VOX VOX

VOX — культовое место тихой роскоши, где встречаются знаменитости

Собака.ru
Иллюзия успеха Иллюзия успеха

Четыре истории о талантливых мастерах пускать пыль в глаза

Популярная механика
Неандертальцы наследили на португальских пляжах Неандертальцы наследили на португальских пляжах

Археологи обнаружили на португальском побережье отпечатки ног неандертальцев

N+1
Восток и его обитатели Восток и его обитатели

В озере Восток под ледовым щитом Антарктиды есть жизнь

Популярная механика
Алексей Сазанов: Ожидания от налоговых новаций в целом оправдались Алексей Сазанов: Ожидания от налоговых новаций в целом оправдались

Замминистра финансов Алексей Сазанов — о налоговых реформах и их результатах

Ведомости
Водолей — это знак Водолей — это знак

Как помочь организму сохранить живительную влагу?

Собака.ru
Путь Карлито: как Карлос Алькарас стал зарабатывать более $40 млн в год Путь Карлито: как Карлос Алькарас стал зарабатывать более $40 млн в год

Роль в развитии Карлоса Алькараса его агента и умении располагать к себе фанатов

Forbes
Собрать всех друзей: хип-хоп-исполнитель Кассета о новом альбоме «Ателье» Собрать всех друзей: хип-хоп-исполнитель Кассета о новом альбоме «Ателье»

Музыкант Кассета — о специфике работы с другими испольнителями

Forbes
Горячая линия поддержки для мужчин: что такое мэнкипинг и как он влияет на женщин Горячая линия поддержки для мужчин: что такое мэнкипинг и как он влияет на женщин

Как не потерять себя и отношения из-за мэнкипинга

Forbes
Кто открыл лазейки в вузы Кто открыл лазейки в вузы

Школьные олимпиады становятся местом отработки способов незаконного поступления

Монокль
Зачем каждому садоводу нужно иметь при себе перекись водорода: 6 полезных применений аптечного средства Зачем каждому садоводу нужно иметь при себе перекись водорода: 6 полезных применений аптечного средства

В саду и огороде перекись водорода может творить чудеса!

ТехИнсайдер
Путешествия Мандевиля Путешествия Мандевиля

Выдуманные странствия: как Джон Мандевиль создал средневековый фейк

Дилетант
Кладбища кораблей: три самых опасных моря на планете Кладбища кораблей: три самых опасных моря на планете

Штормы и смертельные течения — воды каких морей особенно коварны

ТехИнсайдер
Квас vs кефир Квас vs кефир

Окрошка: история и секреты любимого освежающего русского супа

Лиза
Как брат с сестрой создали в Томске бизнес с незрячими массажистами Как брат с сестрой создали в Томске бизнес с незрячими массажистами

Что подтолкнуло брата с сестрой на открытие школы массажа с незрячими

Forbes
Слишком заняты, чтобы спать: как сон влияет на эффективность CEO Слишком заняты, чтобы спать: как сон влияет на эффективность CEO

Об особенностях и важности такого простого состояния управленца, как сон

Forbes
Константин Тхостов: «Нужно быть инакомыслящим во благо государства» Константин Тхостов: «Нужно быть инакомыслящим во благо государства»

Как построить идеальную школу в реальных обстоятельствах

Монокль
Ядерное оружие: от шоу до экзистенциального ужаса Ядерное оружие: от шоу до экзистенциального ужаса

В какой момент человечество перестало бояться ядерной бомбы?

Монокль
Не дай себе захоснуть Не дай себе захоснуть

Что и сколько пить в жару

Лиза
Условия победы в гонке за технологиями: инструменты и подходы Условия победы в гонке за технологиями: инструменты и подходы

Что необходимо для победы в технологической гонке? Отвечают эксперты и аналитики

ФедералПресс
Гуннов вновь назвали носителями енисейских языков Гуннов вновь назвали носителями енисейских языков

Хунну и гунны, возможно, говорили на одном из енисейских языков

N+1
Переславская флотилия Переславская флотилия

Переславль-Залесский: город на Золотом кольце, где хочется остановиться

Отдых в России
Пошла жара Пошла жара

Как наши предки переживали высокие температуры без кондиционеров

Лиза
Письмо гонителю генетики Письмо гонителю генетики

Это письмо можно считать одним из живых документов «оттепели»

Дилетант
Безопасность использования ИИ в банках: что важно знать Безопасность использования ИИ в банках: что важно знать

Как именно работает искусственный интеллект в финансовом секторе

Inc.
Жжение внутри Жжение внутри

Когда возникает гастроэзофагеальная рефлюксная болезнь

Здоровье
Работает как часы Работает как часы

Как составить рацион, который будет поддерживать нормальную работу ЖКТ

Лиза
Открыть в приложении