Журнал "Компьютерра" №728

Автор: Юрий Ревич

В 2007 году мировой рынок полупроводников оценивался в 273 млрд. долларов. Не менее 40 млрд. из них приходится на долю микропроцессоров (МП) для персональных компьютеров. А отдельной статьей идет производство микроконтроллеров (МК), которое составляет в стоимостном выражении около трети от производства МП - примерно 14 млрд.

Если учесть, что "средний" МП стоит десятки долларов, а МК - около одного доллара, нетрудно сделать вывод о решительном преобладании МК над МП в количественном отношении. Точно подсчитать соотношение выпускаемых микросхем в штуках довольно сложно (ежегодно во всем мире выпускается около 600 млрд. полупроводниковых микросхем), но по данным 2002-03 года, лишь 6% всех выпускаемых процессоров составляли привычные нам процессоры для ПК.

Основное различие между МП и МК можно провести по назначению: первые применяются в основном как центральное вычислительное ядро, оставляя функции общения с внешним миром на периферийные компоненты. МК же используются в основном для управления другими устройствами, потому собственно вычислительная мощность у них может быть невелика[1 Хотя это еще как сказать: например, современные 8-разрядные МК семейства AVR Mega заметно превышают по вычислительной мощности 16-разрядный процессор i286, служивший основой IBM PC AT в середине 80-х.], а встроенные функции "общения", наоборот, расширены. Назвать общее количество семейств МК, выпускаемых в мире, затруднительно: с уверенностью можно только сказать, что их существенно больше ста. Подсчет затрудняется тем, что грань между МК и МП размыта: так, ARM-архитектуру можно отнести и к сектору МП, и к сектору МК, а знаменитый i386, представляющий собой типичный МП, до сих пор производится для употребления в промышленных контроллерах.

Примерно 50% рынка МК составляют 8-разрядные чипы, хотя самый быстрорастущий сектор - 32-разрядные, в основном на архитектуре ARM, ставшие основой для различных мобильных устройств. Как ни удивительно, около 10% рынка до сих пор имеют 4-разрядные - ближайшие родственники знаменитого i4004, первого микропроцессора в истории, выпущенного Intel еще в 1971 году.

В 1976 году Intel выпустила i8048, 8-разрядный процессор, считающийся первым микроконтроллером в истории (он был, в частности, использован в клавиатуре первых IBM PC). Он имел все базовые узлы, характерные для современных МК: кроме АЛУ, это три параллельных порта ввода-вывода, таймер-счетчик, систему внутренних и внешних прерываний, 64-байтное ОЗУ данных и встроенную память программ в 1 кбайт (расширяемую внешними ПЗУ до 4 кбайт). Texas Instruments оспаривает у Intel первенство, утверждая, что первым МК был выпущенный в 1972 году 4-pазpядный TMS1000. Однако возможности этого чипа были значительно беднее.

Классикой жанра стал чип 8051, выпущенный Intel в 1980 году. События, связанные с появлением в 1981 году IBM PC на основе интеловского же процессора 8086/88, обычно заслоняют в сознании историков этот факт. Но для электронной индустрии в целом архитектура x51 сыграла примерно такую же роль, как х86 в секторе ПК, если не большую. Достаточно сказать, что x51-совместимые МК безусловно доминировали в индустрии пятнадцать лет, до середины 1990-х, и в настоящее время (когда сама Intel уже давно отказалась от их поддержки) все еще занимают не менее трети рынка универсальных МК. Контроллеры на основе этой архитектуры сейчас выпускают более полутора десятков фирм, среди которых Texas Instruments, Atmel, NXP (Philips Semiconductor), Infineon (Siemens), OKI, NEC и др.

Лидирует в мире по выпуску МК фирма Motorola, но ее продукция всегда была в большей степени рассчитана на корпоративных заказчиков, и в отечественных магазинах "Чип и Дип" ее контроллеров вы, скорее всего, не встретите. Хотя, кроме широкого спектра специализированных и "заказных" МК, Motorola выпускает и универсальные (68HC05, 68HC08, 68HC11), фирма долго не предоставляла средств, облегчающих освоение ее продукции, и потому в нашей стране она непопулярна.

Огромное количество МК производится под конкретную задачу: это, например, контроллеры дисплеев, электродвигателей, зарядных устройств для аккумуляторов, и пр. Сюда же можно отнести и так называемые DSP - Digital Signal Processor, специальные контроллеры для скоростного аналого-цифрового преобразования и различной обработки аналоговых сигналов. В принципе, DSP составляют особый и очень важный класс полупроводниковых приборов, и мы о них поговорим как-нибудь отдельно.

Для решения общих задач выпускают универсальные МК, которые отличаются наличием развитой встроенной периферии - это то самое, что называется computer-on-chip, однокристальный компьютер. Если любой процессор для ПК, начиная с i8086 и заканчивая последними двух-четырехъядерными моделями, без внешнего чипсета абсолютно беспомощен, то универсальный МК содержит в себе все функциональные узлы, необходимые для полноценной работы. На таком МК в принципе можно построить работающий компьютер с добавлением лишь клавиатуры и дисплея, без каких-либо других существенных компонентов.

Принадлежность к тому или иному семейству характеризуется ядром, главная из характеристик которого, естественно, разрядность. Тем не менее существуют, например, совместимые 16-разрядные версии 8-разрядных процессоров (чему начало положила, несомненно, Intel со своими 8086/88). Кроме разрядности, ядро характеризуется архитектурой. Абсолютно универсальных архитектур, естественно, не бывает, и хотя в принципе все универсальные МК могут делать одно и то же, архитектурные войны среди микроконтроллерщиков кипят ничуть не с меньшим накалом, чем среди приверженцев Windows/Linux или ATI/nVidia. Как и в этих случаях, войны являются уделом в основном любителей: но и профессионалы нередко питают слабость к той или иной конкретной архитектуре. В отношении МК положение облегчается тем, что для пользователя конечной продукции (а в принципе даже и для самого разработчика) выбор той или иной архитектуры по большей части не имеет ровным счетом никакого значения, и влияния на конечный результат не оказывает. А такие системы, как универсальная среда Embedded Workbench фирмы IAR Systems для программирования на языке С более чем двадцати семейств МК, вообще сводят различия к минимуму (см. врезку).