Det er blitt enkelt å utvikle for MCU-er som denne nye fra Texas Instruments. Det koster ikke mange dollar for et såkalt utviklingskit med MCU-en som den sentrale komponenten, og rikholdige programvareverktøy og biblioteker kan lastes ned gratis. Jo enklere utviklingen er, jo større er sjansen for at kunden velger nettopp deres MCU. Foto: Texas Instruments (Foto: Texas Instrument/Asbjørn Goa/Jörgen Skjelsbæk)

MCU

Du har trolig hundrevis av disse uten å vite om det

Energiforbruk

Energiforbruket til en MCU er minst like viktig som det i en CPU. Dagens mikrokontrollere er ikke nødvendigvis koblet til en annen energikilde enn et batteri. Vi er i ferd med å utstyre omgivelsene våre med sensorer som måler alt mulig, fra romtemperaturen til bevegelsene i ytterdøra. Det er umulig å koble til alt via kabel, så vi er avhengige av at sensorene har en MCU, helst med innebygget radio, som kan kommunisere dataene dit de skal. Og det skal de gjøre så lenge som mulig på et så lite batteri som mulig. Det er ikke alltid like enkelt. For jo mer avanserte MCU-ene blir, jo flere tricks må til for å holde energihungeren i sjakk.

I Norge har deler av elektronikkindustrien spesialisert seg på å bygge energieffektive kretser. Spesielt de som inneholder radio. Svært mye av dette radiomarkedet er dominert av teknologi som utvikles i Norge. Radiobrikkene kan sitte på samme kretsen som en MCU eller være lette å koble til slike.

Året 1971 var begivenhetsrikt for informasjonsteknologien. Da skjedde det to viktige ting: Intel fant opp CPU-en - mikroprosessoren, og TI – Texas Instruments fant opp MCU-en – mikrokontrolleren. Begge selskaper er størst på sine felt etter så mange år.

Begge disse var en forenkling av hvordan man bygget logikk til da. Nå ble det mulig å styre logikken med programvare. Frem til da ble den bygget ved å sette sammen de elektroniske komponentene akkurat slik at de gjorde det de skulle.

Logikken var helt fastlåst. Skulle man endre på den, måtte man frem med loddebolten, eller konstruere den om igjen som en integrert krets. Svært dyrt begge deler.

Ny norsk superbrikke: Ny norsk superbrikke: – Vi i Norge kan ligge foran når vi vil

Generalistenes veiskille

Mens Intel lanserte sin 4004 mikroprosessor, tipp-tippoldefaren til de vidunderne som sitter i dagens pc-er, lanserte TI sin TMS 1000, som riktignok ikke kom på markedet før i 1974. Det var ikke store forskjellen mellom en CPU og en MCU den gangen.

Begge behandlet informasjon 4 bits av gangen og begge ble brukt i programmerbare kalkulatorer. Det var den lille «IT-revolusjonen» før det tok av med datamaskiner noen år senere.

Men det var en forskjell helt fra fødselen. MCU-en inneholdt sitt egen minne i form av RAM og ROM i tillegg til selve logikken. Det betød at man kunne laste inn den oppgaven MCU-en skulle ta seg av i den innebygde programvaren, og så gjorde den akkurat den.

Les også: Fiberkablene nærmer seg bristepunktet

Mer integrert

Spoler vi frem til i dag, er CPU-er og MCU-er to ulike markeder. CPU-en er i sin mest avanserte form nesten et teknologisk mirakel som kan romme mer enn en milliard transistorer på en liten brikke. Det gjør ikke MCU-en. Den sitter nesten alltid innebygget i en eller annen dings og fungerer som dingsens hjerne.

Mens CPU-en skal ta seg av en myriade av ulike oppgaver som nettsurfing, bildebehandling eller videoavspilling, skal MCU-en gjøre én oppgave, og den skal den gjøre effektivt.

Selv om MCU-er er enklere enn CPU-er, er de også mer integrerte. De trenger ikke så mange støttekretser i form av minne, I/O og andre ting. De fungerer selvstendig på en helt annen måte. Det er med å gjøre dem billige i bruk og billige å utvikle for. Programvaren som utvikles lastes inn i et flashminne i MCU-en, og der ligger den til den eventuelt oppgraderes.

Det er ikke slik at utviklerne begynner på nytt når de skal utvikle for en MCU. Produsentene utstyrer dem med både elektronikk og programvarebiblioteker som gjør utvikling enkelt. Gode utviklere kan skrive programmer fra noen timer og oppover. De såkalte utviklingskit-ene er en vesentlig faktor for å selge akkurat sin MCU inn til brukerne.

I 1994 var teknologien tiltenkt enkle hodesett: I 1994 var teknologien tiltenkt enkle hodesett. Nå skal den gjøre hele verden smartere

Over alt

De fleste har nok litt peiling på hvor mange CPU-er de har. Vi finner dem i pc-er, mobiler, nettbrett og i moderne smart-tv-er. Da er det nok litt verre å holde oversikt over antallet MCU-er.

Muligheten er stor for at hver og en av oss har fra noen titalls til hundretalls MCU-er uten at vi vet det. Kostbare biler kan inneholde flere hundre MCU-er som gjør alt fra å styre setemotorer til betjening av lys. De snakker sammen på egne nettverk som LIN eller CAN.

Hvitevarer er styrt av MCU-er som for mange år siden erstattet mekaniske styringer og releer. Det har gjort at de har veldig mye mer avansert og finmasket styring, at de er blitt mer pålitelige og at de bruker mindre energi.

Nye wifi-brikker: Nye wifi-brikker kan holde det gående i over et år på et par AA-batterier

Du har den på armen

Hvis du har en batteridrevet klokke, som ikke er en smartklokke (den har en CPU), går du med en MCU på armen. Den inneholder som de fleste MCU-er en RTU, Real Time Clock, som forteller tiden særdeles mye mer nøyaktig enn en mekanisk klokke, og den har kretser som kan styre viserne. Alt må selvfølgelig klare seg lengst mulig på et knøttlite batteri.

Hvis du barberer deg med en Gillette høvel med vibrasjon, er det en MCU som styrer motoren slik at vibrasjonen holdes jevn, selv om batterispenningen synker etter hvert som det lades ut.

Det produseres et enormt antall MCU-er i svært mange varianter. Verdensmarkedet er på rundt 16 milliarder dollar, og da blir det store tall. Slike brikker koster litt over en krone for de billigste til noen hundrelapper for de mest avanserte.

Les også: Deler ut en million små datamaskiner

Bredde

Det finnes en enorm variasjon av MCU-er. I motsetning til CPU-er, som det er langt færre varianter av.

De aller billigste variantene er ikke særlig mer avanserte enn de var da de kom på 70-tallet. Det er 4-bits enheter med kanskje en kilobyte minne. Mer trengs det ikke til å styre en gratisleke man får sammen med en hamburger.

Mens CPU-markedet nå domineres av 64-bits prosessorer, stopper MCU-ene på 32 bits. Men her lever også både 16 og 8 bits i beste velgående. Det er ingen vits i å putte i mer og dyrere elektronikk enn det som trengs til oppgaven som skal utføres.

Atmel i Trondheim har hatt stor suksess med sin 8-bits plattform. På 16- og 32-bits har utviklingen gått mot en standardisering basert på engelske ARM og deres Cortex-kjerne.

De minste og billigste MCU-ene er ikke større enn små firkanter på et par millimeter med en kB minne. De dyreste kan være 15 mm x 15 mm og inneholde en lang rekke avanserte analoge og digitale kretser og noen MB minne.

Les også: Verdens første smarttelefon fyller 20 år

Analoge

Svært mange MCU-er har en stor del av silisiumarealet viet til analoge kretser. De skal ta seg av informasjon fra den virkelige, det vil si analoge verden, og gjøre den om til digital informasjon i en AD (analog til digital omvandler).

Så behandles informasjonen digitalt slik at den kan brukes digitalt, eller omvandles tilbake i en DA og sende fra seg analoge signaler. Et enkelt tilfelle kan være at en krets skal bestemme verdien av f.eks. en temperatur, en lyd, eller noe annet analogt, og avgjøre om det skal bety 0 eller 1.

Da brukes en enkel analog krets som kalles en komparator, og det er den som avgjør den digitale verdien. Litt mer avansert blir det når kretsen skal måle spenningen på et batteri og få det over til en digital verdi som kan benyttes til styring eller til utlesing i et display.

MCU-er kan gjøre enklere digital signalbehandling, det vil si bruke avanserte matematiske metoder for å analysere signaler osv. Ett eksempel kan være å komprimere lyd med MP3-algoritmen.

For mer avanserte anvendelser finnes det en tredje type prosessor som kalles DSP (digital signal prosessor), disse kan sies å være en tredje slektning til CPU-er og MCU-er.

Kilde: Siv. ing. Karl Torvmark, Texas Instruments

Ble lansert i 1981: Hva er det med denne kalkulatoren?