XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение:

Микроконтроллеры являются наиболее массовыми представителями микропроцессорной электроники. Интегрируя в одном корпусе микросхемы высокопроизводительный процессор, оперативную и постоянную память, а также набор периферийных устройств, микроконтроллеры позволяют с минимальными затратами реализовать широкую номенклатуру систем управления различными объектами и процессами.

Структурная организация, набор команд и аппаратурнопрограммные средства ввода/вывода информации микроконтроллеров лучше всего приспособлены для решения задач управления и регулирования в приборах, устройствах и системах автоматики, а не для решения задач обработки данных. Микроконтроллеры не являются классическими электронно - вычислительными машинами, так как физическая и логическая разделённость памяти программ и памяти данных исключает возможность модификации или замены (перезагрузки) прикладных программ микроконтроллеров во время работы, что сильно затрудняет их использование в качестве универсальных средств обработки данных. [1]

По определению, микроконтроллеры бесполезны без связи с «реальным миром». Они были разработаны, чтобы действовать в качестве концентраторов для входов и выходов, выполняя задачи условных переходов и управляя последовательными и параллельными процессами. Их роль определяется управлением, в то время как возможность программирования означает, что характер управления задается логикой. Тем не менее, они изначально разрабатывались с целью получить интерфейс для аналогового мира, и, следовательно, в своей работе микроконтроллеры существенно опираются на процесс аналого-цифрового преобразования. Часто это цифровое представление аналогового параметра, обычно получаемого от какого-то датчика, на основе которого строится процесс управления, и основное применение микроконтроллера в таком случае видится в системах автоматизации. Способность управлять большими и сложными механическими системами, используя миниатюрный и относительно дешевый «кусочек» кремния, способствовало тому, что микроконтроллеры стали самым важным элементом промышленных систем автоматизации, и не удивительно, что многие производители стали выпускать специализированные семейства микроконтроллеров. [2]

Микропроцессорная техника обеспечила эффективное использование программируемых средств в структуре электронных систем. При этом сложность разработки системы переместилась из области конструирования в область программирования. В современных условиях инженерные разработки элементов аппаратуры ориентированы на использование средств с программируемой структурой. Потребность в устройствах с программируемой структурой возникает при разработке сложных систем, когда использование интегральных схем малой и средней степени ведет к усложнению из-за резкого увеличения числа корпусов, что усложняет монтаж, снижает надѐжность. Микроконтроллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. [3]

Если положительные аспекты повсеместного применения микроконтроллеров очевидны и не требуют подробного рассмотрения, то проблемы, связанные с ним, спрятаны глубже и незаметны на первый взгляд.

Чем из большего числа элементов состоит система, тем вероятнее возникновение отказа какого-нибудь из них. В этом отношениии интегральная схема контроллера, содержащая миллионы транзисторов, на первый взгляд проигрывает жесткой логике, где всего несколько сот транзисторов на кристалл. Однако уровень надежности в микроэлектронике сегодня достаточно высок. Все кристаллы, вызывающие подозрения, отбракованы еще на этапе производства. Более слабыми местами являются печатные платы, соединения микросхем между собой и пассивные элементы. Таким образом, по частоте отказов, вызванных внутренними причинами, микроконтроллерные схемы даже выигрывают.

Проигрывают они по устойчивости к сбоям. Сбои, как правило, вызываются внешними воздействиями: температурой, электромагнитными помехами, радиацией. Особенно чувствительны контроллеры к электромагнитным воздействиям, которые вызывают зависания и самопроизвольные перезагрузки. Для обеспечения помехозащищенности микроконтроллерных схем требуются специальные меры: разделение шин питания, сторожевые таймеры, дополнительные слои металлизации на плате и т.п.

Часто источником сбоев становится плохо отлаженная прошивка. Или же причина ненадежной работы лежит на стыке программной и аппаратной части. Например, многократная запись в одну и ту же ячейку flash-памяти рано или поздно приводит к исчерпанию ресурса ячейки, и данные начинают повреждаться. Микроконтроллер может обеспечить уровень надежности, необходимый для большинства задач, но только при грамотном подходе к проектированию. Об этом, кстати, стоит сказать отдельно. [4]

1 Принципы работы микроконтроллеров

Несмотря на сложное устройство принцип работы микроконтроллера очень прост. Он основан на аналоговом принципе действия. Система понимает лишь две команды («есть сигнал», «нет сигнала»). Из этих сигналов в его память вписывается код определенной команды. Когда МК считывает команду, он ее выполняет.

В каждом из МК прописаны свои базовые наборы команд. И только их он способен принимать и выполнять. Сочетая отдельные команды между собой, можно написать уникальную программу, по которой будет работать любое электронное устройство именно так, как требуется.

В зависимости от содержащихся в МК набора программ, они делятся на:

• CISC – комплекс большого числа базовых команд;

• RISC – только необходимые команды.[5]

Принцип работы любого, даже самого сложного контроллера, сводится к следующему алгоритму:

• Он принимает определённые переменные или другие данные, которые прежде должны быть преобразованы в двоичный сигнал. Это необходимо, поскольку на низшем уровне система способна воспринимать лишь 2 состояния – есть сигнал или нет сигнала. Такой принцип называют аналоговым. Существует аналогичный алгоритм, когда сигнал присутствует постоянно, но меняется по частоте – цифровой. У них множество различий, как в областях применения, так и в особенностях работы сигнала, но суть одна – процессор способен воспринимать лишь значения 0 и 1, или true и false, и не важно, какими путями микропроцессоры и микроконтроллеры будут их считывать.

• Во внутренней памяти устройства хранится набор специальных инструкций, который позволяет, путем базовых математических преобразований, выполнять какие-то действия с полученными данными. Именно эти базовые операнды и берутся на вооружение компилируемых языков программирования, когда необходимо написать библиотеку готовых функций. Остальные нюансы языков программирования – это уже синтаксис и теория алгоритмов. Но в результате, всё сводится к базовым операндам, которые превращаются в двоичный код и обрабатываются внутренней системой процессора.

• Всё, что было получено и сохранено после обработки, выдается на выход. На самом деле, данный пункт выполняется всегда, единственная разница, что выходом может быть и преобразование состояния объекта какой-то системы. Простейшим примером станет замыкание электрической цепи, в случае, если на специальный датчик подать ток, вследствие чего загорится лампочка. Здесь всё зависит от типа устройства, так, 8051 микроконтроллер может выполнять несколько видов выводов, имея 14 пинов, а какой-то другой – всего один, ведь у него 1 пин на выход. Количество выходов влияет на многопоточные свойства девайса, иными словами, возможность выводить информацию сразу на несколько устройств или совершать несколько действий одновременно.

В целом, любой моно или поликристальный блок работает по этому алгоритму, разница лишь в том, что второй – способен параллельно выполнять несколько расчетов, а первый имеет конкретный список действий, который должен выполнить последовательно.

Это напрямую влияет на скорость работы устройств, и именно из-за этой характеристики 2-ух ядерные девайсы мощнее, чем 1-ядерные, но имеющие большую герцовку (способность выполнять большее количество преобразований за единицу времени).[6]

Порядок работы МК легче всего представить в виде множества операций, производимых составляющих его элементами. Но прежде всего важно отметить, что в архитектуру любого микропроцессора заложена система команд, отличающихся своими кодами. По его работе происходит последовательное считывание командных блоков из внутренней памяти (или из порта ввода информации) с последующем их выполнением.

Ассортимент и количество возможных наборов команд определяется характеристиками отдельного МК, а их выполнение состоит в осуществлении определённой последовательности операций. Алгоритм работы микроконтроллера или его программное обеспечение разрабатывается с применением системных языков типа «Ассемблер» или «Форте». НО чаще всего используются версии «Бейсика», «Си» или «Паскаля». Перед рабочим программированием микроконтроллера он обязательно используется с тестируется с программных или аппаратурных эмуляторов. [7]

В устройствах управления объектами (контроллерах) на основе микроконтроллеров аппаратурные средства и программное обеспечение существуют в форме неделимого аппаратурно программного комплекса. При проектировании контроллеров приходится решать одну из самых сложных задач разработки, а именно задачу оптимального распределения функций контроллера между аппаратурными средствами и программным обеспечением. Решение этой задачи осложняется тем, что взаимосвязь и взаимовлияние аппаратурных средств и программного обеспечения в микропроцессорной технике претерпевают динамичные изменения. Если в начале развития микропроцессорной техники определяющим было правило, в соответствии с которым аппаратурные средства обеспечивают производительность, а программное обеспечение дешевизну изделия, то в настоящее время это правило нуждается в серьезной корректировке. Так как микроконтроллер представляет собой стандартный массовый (относительно недорогой) логический блок, конкретное назначение которого определяет пользователь с помощью программного обеспечения, то с ростом степени интеграции и, следовательно, функциональнологических возможностей микроконтроллера резко понижается стоимость изделия в пересчете на выполняемую функцию, что в конечном итоге и обеспечивает достижение высоких техникоэкономических показателей изделий на микроконтроллере. При этом затраты на разработку программного обеспечения изделия в 210 раз превышают (за время жизни изделия) затраты на приобретение и изготовление аппаратурных средств.

В настоящее время наибольшее распространение получил методологический прием, при котором весь цикл разработки контроллеров рассматривается как последовательность трех фаз проектирования:

1. анализа задачи и выбора аппаратурных средств контроллера;

2. разработки прикладного программного обеспечения;

3. комплексирования аппаратурных средств и программного обеспечения в прототипе контроллера и его отладки.

Фаза разработки программного обеспечения, т.е. фаза получения прикладных программ, в свою очередь, разбивается на два существенно различных этапа:

1. "от постановки задачи к исходной программе";

2. "от исходной программы к объектному модулю".

Этап разработки "от исходной программы к объектному модулю" имеет целью получение машинных кодов прикладных программ, работающих в микроконтроллере. Этот этап разработки прикладного программного обеспечения легко поддается формализации и поддержан всей мощью системного программного обеспечения микроконтроллера, направленного на автоматизацию процесса получения прикладных программ. В состав средств системного программного обеспечения входят трансляторы с различных алгоритмических языков высокого уровня, ассемблеры, редакторы текстов, программыотладчики, программы документаторы и т.д. Наличие всех этих системных средств придает инженерной работе на этом этапе проектирования контроллеров характер ремесла, а не инженерного творчества. Так как в конечном изделии (контроллере) имеются только "голый" микроконтроллер и средства его сопряжения с объектом, то выполнять отладку разрабатываемого прикладного программного обеспечения на нем невозможно (изза отсутствия средств ввода, вывода, ОЗУ большой емкости и операционной системы), и, следовательно, разработчик вынужден обращаться к средствам вычислительной техники для выполнения всех формализуемых стадий разработки: трансляции, редактирования, отладки, загрузки объектных кодов в программируемую постоянную память микроконтроллера.

Совсем по другому выглядит инженерный труд на этапе разработки программного обеспечения "от постановки задачи к исходной программе", так как он практически не поддается формализации и, следовательно, не может быть автоматизирован.

Проектная работа здесь носит творческий характер, изобилует решениями, имеющими "волевую" или "вкусовую" окраску, и решениями, продиктованными конъюнктурными соображениями. В силу перечисленных обстоятельств именно на этапе проектирования "от постановки задачи к исходной программе" разработчик сталкивается с наибольшим количеством трудностей.

Качество получаемого прикладного программного обеспечения контроллера всецело зависит от уровня проектных решений, принятых на этапе разработки "от постановки задачи к исходной программе". Уровень проектных решений в свою очередь изза отсутствия теории проектирования программируемых контроллеров определяется только опытом, квалификацией и интуицией разработчика. Однако накопленный опыт убеждает в том, что систематический подход к процессу разработки прикладных программ для контроллеров обеспечивает достижение хороших результатов даже начинающими разработчиками.

2 Практическое применение микроконтроллеров в разных областях человеческой деятельности

В силу того, что нынешние микроконтроллеры обладают достаточно высокими вычислительными мощностями, позволяющими лишь на одной маленькой микросхеме реализовать полнофункциональное устройство небольшого размера, притом с низким энергопотреблением, стоимость непосредственно готовых устройств становится все ниже.

По этой причине микроконтроллеры можно встретить всюду в электронных блоках совершенно разных устройств: на материнских платах компьютеров, в контроллерах DVD-приводов, жестких и твердотельных накопителей, в калькуляторах, на платах управления стиральных машин, микроволновок, телефонов, пылесосов, посудомоечных машин, внутри домашних роботов, программируемых реле, в модулях управления станками и т.д.

Так или иначе, практически ни одно современное электронное устройство не может обойтись сегодня без хотя бы одного микроконтроллера внутри себя.

Несмотря на то, что 8-разрядные микропроцессоры давно ушли в прошлое, 8-разрядные микроконтроллеры до сих пор весьма широко применяются. Есть множество применений, где высокая производительность вовсе не нужна, однако критическим фактором выступает низкая стоимость конечного продукта. Существуют, разумеется, и более мощные микроконтроллеры, способные обрабатывать в реальном времени большие потоки данных (видео и аудио, например).

Вот краткий список периферии микроконтроллеров, из которого вы можете сделать выводы о возможных сферах и доступных областях применимости этих крохотных микросхем:

• универсальные цифровые порты, настраиваемые либо на ввод, либо на вывод

• разнообразные интерфейсы ввода-вывода: UART, SPI, I²C, CAN, IEEE 1394, USB, Ethernet

• цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

• компараторы

• широтно-импульсные модуляторы (ШИМ-контроллер)

• таймеры

• контроллеры бесколлекторных (и шаговых) двигателей

• контроллеры клавиатур и дисплеев

• радиочастотные передатчики и приемники

• массивы интегрированной флеш-памяти

• встроенные сторожевой таймер и тактовый генератор

Как вы уже поняли, микроконтроллером называется небольшого размера микросхема, на кристалле которой смонтирован крохотный компьютер. Это значит, что внутри небольшого чипа есть и процессор, и ПЗУ, и ОЗУ, и периферийные устройства, которые способны взаимодействовать как между собой, так и со внешними компонентами, достаточно лишь загрузить в микросхему программу.

Программа обеспечит работу микроконтроллера по назначению — он сможет по правильному алгоритму управлять окружающей его электроникой (в частности: бытовой техникой, автомобилем, ядерной электростанцией, роботом, солнечным трекером и т. д.).

Тактовая частота микроконтроллера (или скорость шины) отражает то, сколько вычислений сможет выполнить микроконтроллер за единицу времени. Так, производительность микроконтроллера и потребляемая им мощность с повышением скорости шины увеличиваются.

Измеряется производительность микроконтроллера в миллионах инструкций в секунду — MIPS (Million Instruсtions per Second). Так, популярный контроллер Atmega8, выполняя одну полноценную инструкцию за один такт, достигает производительности 1 MIPS на МГц.

При этом современные микроконтроллеры разных семейств настолько универсальны, что один и тот же контроллер способен, будучи перепрограммирован, управлять совершенно разнородными устройствами. Невозможно ограничиться одной областью.

Пример такого универсального контроллера — тот же Atmega8, на котором собирают: таймеры, часы, мультиметры, индикаторы домашней автоматики, драйверы шагового двигателя и т.д.

Среди популярных производителей микроконтроллеров отметим: Atmel, Hitachi, Intel, Infineon Technologies, Microchip, Motorola, Philips, Texas Instruments.

Классифицируются микроконтроллеры в основном по разрядности данных, которые обрабатывает арифметико-логическое устройство контроллера: 4, 8, 16, 32, 64 — разрядные. И 8-разрядные, как отмечалось выше, занимают существенную долю рынка. Следом идут 16-разрядные микроконтроллеры, затем DSP-контроллеры, применяемые для обработки сигналов. [8]

2.1 Применение микроконтроллеров в медицине

Одним из интересных профилей применения современного МК, безусловно, является медицина. Спектр приборов здесь достаточно широк, начиная от простых термометров, где можно применить простой STM8L с ЖК экраном, заканчивая навороченными кардиомониторами, измерителями ЭКГ, холтерами с возможностями дистанционного сбора и отправки информации по эйзернет или беспроводно с коек пациентов прямо в кабинет главврачу. Сегодня мы поговорим о возможности применения МК STM32 при неинвазивном измерении артериального давления осциллометрическим методом.

Сегодня «золотым стандартом» измерения артериального давления принято считать метод «тонов Н.С. Короткова», признанный Всемирной Организацией Здравоохранения. Однако не следует забывать, что это косвенный метод измерения кровяного давления. Безусловно, измерение АД (артериальное давление) происходит с некоторой погрешностью, определяемой упругостью стенок артерии и мягких тканей, амплитудой и формой пульсовой волны и другими факторами, индивидуальными для каждого человека. Если отказаться от округлений и точно использовать цену деления манометра, то мы увидим разницу между соседними измерениями и при пользовании механическим прибором. Считывание показаний манометра на слух также выполняется с некоторой ошибкой, зависящей от индивидуальных особенностей человека — быстроты реакции, наличия навыков и т. д. В итоге погрешность ручных тонометров складывается из трёх составляющих: самого метода, точности манометра и ошибки определения момента считывания показаний. Реально её величина может составлять до 15 мм рт. ст.! На результаты измерений влияет также скорость нагнетания воздуха в манжету, скорость стравливания и величина давления, создаваемого в манжете. Если прибавить ещё и естественные колебания артериального давления, то разница между двумя соседними измерениями может быть ещё большей.

Электронный тонометр, в принципе, должен был быть лишен всех этих недостатков, т.к. измерение тонов происходит с помощью самой-же манжеты, а обработка осуществляется с помощью ряда запатентованных алгоритмов и методик. Однако, практика показывает, что в ряде случаев электронный тонометр дает устойчивое расхождение с показаниями ручного тонометра. Как следствие — на сегодняшний день у людей сложилось стойкое мнение — «электронные тонометры врут — лучше врача со ртутным измерителем давления никто не измерит!» Опыты показали, что большая погрешность измерения вызвана исключительно неумением рядового обывателя пользоваться данным прибором, а именно, правильно одевать манжету. Правильно одетая манжета — залог получения хорошей огибающей тонов Короткова и успешного нахождения характерных точек на огибающей.

Медицина на современном этапе из-за большого количества информации нуждается в применении компьютеров: в лаборатории при подсчете формулы крови, при ультразвуковых исследованиях, на компьютерном томографе, в электрокардиографии и т. д. Применение компьютеров и компьютерных технологий в медицине можно рассмотреть на примере одной из городских больниц. Рабочее место секретаря – здесь компьютер используется для печати важных документов и хранении их в памяти (годовые отчеты, заявки, приказы); в бухгалтерии больницы с помощью компьютеров начисляется заработная плата; в администрации производится учет инвентарного оборудования; в приемном отделении производится учет поступающих больных и их регистрация по отделениям. С помощью компьютерной внутрибольничной сети производится учет, хранение и расход медикаментов по больнице. У врачей появилась возможность с помощью Интернета пользоваться современной литературой. Компьютерные технологии часто используются в электрокардиографии, рентгенологии, эндоскопии, ультразвуковых исследованиях, лаборатории. Проанализировав вышесказанное можно сделать вывод, что использование компьютеров в медицине безгранично. На рубеже XXI века компания «Акусон» создала принципиально новый способ получения ультразвуковой информации – Технологию Когерентного Формирования Изображений. Эта технология рекомендована в платформе «Секвойя» и использует 512 (Sequoiy 512) или 256 (Sequoiy 256) электронных приемно-передающих каналов, принцип формирования множественных лучей, а также сбор, кодирование и обработку информации, как об амплитуде, так и о фазе отраженного сигнала. Репозиторий БНТУ Актуальные проблемы энергетики. СНТК 65. 410 Существующие системы, работающие по принципу построения изображения «по лучу», не используют информацию о фазе отраженного эха, т. е. обеспечивают лишь половину информационной емкости сигнала. Только с появлением технологии Sequoiy™ стало возможным получить ультразвуковые изображения, основанные на использовании полной ультразвуковой информации об объекте, содержащейся не только в амплитуде, но и в фазе ультразвукового эха. Абсолютное превосходство данного типа исследования уже не вызывает сомнения, особенно при сканировании пациентов с избыточным весом. Теперь стало возможным использовать вторую гармонику без введения контрастных препаратов и не только в кардиологии, но и в общей визуализации и в сосудистых применениях. При этом используются все режимы сканирования. Новыми разработками компании являются также датчики с расширенным диапазоном сканирования. В настоящее время доступный для сканирования стал рубеж от 1 до 15 МГц. Таким образом, глубина проникновения ультразвука достигает уже 36 см, а, используя технологию множественных гармоник в одном датчике, можно добиться прекрасного качества изображения на любой глубине, вплоть до оценки ультраструктуры слоев кожи. Очень важным представляется создание цифровой ультразвуковой лаборатории. Это позволяет управлять потоками информации, передавать ее по локальным сетям, хранить и обрабатывать. Производится запись на сменный магнитно-оптический диск, как в статическом формате, так и в режиме произвольно выбранного по длительности сеанса, – контролировать работу ультразвукового аппарата через персональный компьютер, осуществлять связь с другими ультразвуковыми аппаратами через глобальную сеть Интернет (модемная связь – Web Pro ©). Для платформы ASPEN™ и других корпорация «Акусон» разработала перспективный пакет новых возможностей визуализации – ―Perspective Advanced Display Option‖, работающих в трех режимах. Free Style™ – технология широкоформатного сканирования в режиме «свободной руки – freehand», без каких-либо ограничений по времени и позиции датчика. 3D fetal assessment surface rendering и 3D organ assessment volumetric rendering – трехмерная оценка состояния поверхности и объема внутренних органов тела человека. Применение такого ультразвука позволило выявлять опухоли клеточно-почечного рака. Одной из важнейших задач при выявлении злокачественных опухолей является их дифференциальная диагностика от доброкачественных образований различной природы. Врач и инженер С. Д. Калашников был ведущим специалистом в области ядерного медицинского приборостроения. Он разработал специальный проект миниатюрной транспортабельной гамма камеры – камеры на основе полупроводникового детектора с компьютером – ноутбуком. Уже сегодня проводятся экспериментальные образцы малогабаритных гамма – камер с небольшой массой. Магнитный резонанс в медицине – это на сегодня большая область медицинской науки. Магнитно-резонансная томография (МРТ), магнитно-резонансная ангиография (МРА) и МР – invivo спектроскопия (МРС) являются практическими применениями этого метода в радиологической диагностике. Но этим далеко не исчерпывается значение магнитного резонанса для медицины. Магнитно-резонансные спектры отражают процессы метаболизма. Нарушения метаболизма возникают, как правило, до клинической манифестации заболеваний. Поэтому на основе магнитно-резонансной спектроскопии биологических жидкостей (кровь, моча, спинномозговая жидкость, амниотическая жидкость, простатический секрет и т. д.) стараются развивать методы скрининга множества заболеваний. Репозиторий БНТУ Актуальные проблемы энергетики. СНТК 65. 411 Применение миниатюрных микропроцессоров, предназначенных для решения узконаправленных задач, без применения большой клавиатуры, позволило еще больше уменьшить вес и размеры специализированных медицинских приборов. Это многообразные тонометры для измерения артериального давления, как с ручной накачкой воздуха до требуемой величины, так и полностью автоматические. Миниатюрные глюкометры, содержащие микропроцессорные блоки обработки для измерения содержания сахара в крови, позволяют вовремя больному оценить свое состояние в домашних условиях и при необходимости принять медицинские препараты. [9]

3 Применение микроконтроллеров в промышленности

Микроконтроллеры интегрируют в себе технические возможности для обработки смешанных сигналов и вычислительную мощность, при этом уровень производительности МК и их функционал постоянно растет. Однако существуют другие разработки, которые позволяют продлить жизненный цикл бюджетных и низкопроизводительных микроконтроллеров.

Необходимость владения ключевыми технологиями может быть проиллюстрирована множеством примеров. В частности, широко известно использование так называемых «закладок» и незадекларированных возможностей в иностранных процессорах и вычислительных комплексах.

Один из самых известных случаев произошёл во время военной операции «Буря в пустыне», когда ни один иракский «Мираж» не взлетел по причине отказа навигационной системы. Данная система была выведена из строя на всех истребителях сразу всего лишь одним радиосигналом. Это просто было изначально заложено в конструкции.

Про вирусные программы в компьютерах и контроллерах иранской атомной программы тоже хорошо известно. Наиболее известен вирус Win32/Stuxnet, который был обнаружен не только на компьютерах рядовых пользователей, но и в промышленных системах, управляющих автоматизированными производственными процессами на Бушерской АЭС.

Также в СМИ можно найти огромное количество информации об обнаруженных закладках в мобильных ЭВМ для жёстких условий эксплуатации.

Приведём некоторые примеры обнаруженных зловредного ПО, закладок и недекларированных возможностей микросхем, обнаруженных в импортных изделиях.

Программа Computrace LoJack, разработанная канадской фирмой Absolute Software. Программа посылает данные геолокации на удалённый сервер, имеет возможности удалённой блокировки компьютера и стирания информации с дисков по командам с серверов фирмы Absolute Software. Кроме этого возможен полный цикл удалённого менеджмента ноутбука, начиная с обновления БИОС, установки и удаления любых программ и кончая переустановкой ОС.

Официальное предназначение программы – предотвращение утечки данных и использования ноутбука в случае его кражи или потери.

Сетевые чипы Broadcom линейки ВСМ 57хх. В этом чипе имеется собственная флеш-память (можно подключить и дополнительно внешнюю флеш-память на выделенном SPI-интерфейсе), собственная оперативная память, собственный RISC-процессор. Фактически это компьютер в компьютере, причём программы, прошитые внутри его флеш-памяти, выполняются как на собственном встроенном RISC-процессоре, так и на центральном процессоре вычислительной установки во время инициализации системы (расширенный БИОС на периферийных контроллерах).

Согласно документации, внутри микросхемы находится всего 16Кбайт флеш-памяти, но на внешнем интерфейсе можно разместить дополнительно до 8Мбайт программ и данных. В связке с программой Computrace LoJack такой сетевой чип может все, что угодно…

Intel Management Engine (ME). Подсистема, которая встроена во все современные компьютерные платформы (десктопы, лэптопы, серверы, планшеты) с чипсетами компании Intel. Intel ME является единственной средой исполнения, которая:

• работает даже тогда, когда компьютер выключен (но электропитание подаётся);

• имеет доступ ко всему содержимому оперативной памяти компьютера;

• имеет внеполосный доступ к сетевому интерфейсу.

Данная подсистема является аппаратно-программной основой для различных системных функций и технологий Intel. Их имплементация включается в состав прошивки Intel ME. Одной из таких технологий, использующих несколько особых привилегий Intel ME, является Active Management Technology (AMT).

AMT – технология удалённого администрирования компьютерных систем, для которых заявлена официальная поддержка Intel vPro. AMT предоставляет удалённый и внеполосный (по независимому вспомогательному каналу TCP/IP) доступ для управления настройками и безопасностью компьютера, независимо от состояния питания (удалённое включение/выключение компьютера) и ОС.

По определению, микроконтроллеры бесполезны без связи с «реальным миром». Они были разработаны, чтобы действовать в качестве концентраторов для входов и выходов, выполняя задачи условных переходов и управляя последовательными и параллельными процессами. Их роль определяется управлением, в то время как возможность программирования означает, что характер управления задается логикой. Тем не менее, они изначально разрабатывались с целью получить интерфейс для аналогового мира, и, следовательно, в своей работе микроконтроллеры существенно опираются на процесс аналого-цифрового преобразования. Часто это цифровое представление аналогового параметра, обычно получаемого от какого-то датчика, на основе которого строится процесс управления, и основное применение микроконтроллера в таком случае видится в системах автоматизации. Способность управлять большими и сложными механическими системами, используя миниатюрный и относительно дешевый «кусочек» кремния, способствовало тому, что микроконтроллеры стали самым важным элементом промышленных систем автоматизации, и не удивительно, что многие производители стали выпускать специализированные семейства микроконтроллеров.

MRAM. Компания «Крокус Наноэлектроника» называет себя «первым в России производителем микроэлектроники на пластинах 300мм с проектными нормами 90/55нм по завершающему производственному циклу и магниторезистивной памяти с произвольным доступом (MRAM)». Продуктовый портфель включает RFID и микроконтроллеры, биоэлектронные чипы, MRAM и встраиваемую память, магнитные датчики для промышленной электроники, оборудования связи, автомобильной и потребительской электроники. Модули MRAM используются в смарт-картах (SIM-карты, банковские карты и т.д.) и микросхемах радиочастотной идентификации (RFID).

Чип-резисторы и чип-конденсаторы. Это не самые сложные компоненты, которые вполне можно производить массово и качественно на своей элементной базе: пассивные чип-компоненты, дискретные полупроводники, простые микросхемы питания.

Производством изделий на базе простой электроники может заниматься и малый бизнес. Например, на Хабре рассказывали про компанию «Яростанмаш», которая делает отличные приборы для тестирования аккумуляторов, анализаторы и потенциостаты. А потом оказалось, что приборы промышленного качества собирает один человек, москвич Ярослав Меньшиков. Он и есть эта компания.

Энтузиаст Алексей Надёжин (AlexeyNadezhin) запустил сайт «Электроника России и стран СНГ», где собирает примеры такого же успешного локального производства

Так что талантливых инженеров много, им требуются правильные стимулы, чтобы проснулась предпринимательская жилка.

Сейчас доля российской радиоэлектроники на внутреннем рынке составляет 12%, её можно активно увеличивать.

Простые микроконтроллеры, как те модели на советских заводах. На более современном оборудовании можно попробовать освоить новое производство.

Как известно, самые современные российские микроконтроллеры и CPU производились на заводах TSMC, в том числе контроллеры SSD, процессоры «Скиф», процессоры «Байкал» и «Эльбрус». Сейчас всё это остановлено. Вероятно, для выпуска этих изделий придётся искать новые производственные площадки. [8]

4 Применение микроконтроллеров в образовании

На сегодняшний день в мире существует огромное множество различных фирм, выпускающих

микроконтроллеры с очень широким диапазоном параметров, но наибольший интерес представляют

микроконтроллеры, основанные на ядре Cortex-M3.

Данный лабораторный практикум основан на базе достаточно производительного российского

микроконтроллера фирмы Миландр К1986ВЕ92QI, который обладает неплохими характеристиками,

сравнимыми с популярными на западе микроконтроллерами STM32F103, но имеет свои особенности,

а также сравнительно невысокую цену.

Лабораторный практикум включает в себя три модуля, каждый из которых разбит на информационные блоки. После прохождения каждого информационного блока студенты выполняют лабораторную работу на закрепление материала. Опыт, полученный в ходе выполнения лабораторных работ, в будущем поможет решать конкретные практические задачи.

К настоящему моменту полностью разработан первый модуль лабораторного практикума и выполнено проектирование структуры и содержательного наполнения двух других модулей.

При изучении первого модуля происходит знакомство со спецификой работы микроконтроллера, рассматривается базовая периферия: общие сведения о микроконтроллере, углубленное изучение

архитектуры, общие сведения об основных блоках периферии, тонкости реализации в конкретном чипе. По окончании освоения модуля обучающийся будет в состоянии разработать, протестировать и отладить несложное устройство. Данный модуль включает в себя 8 лабораторных работ следующего содержания:

1. «Настройка среды разработки и запуск тестового примера». В данной работе студент должен настроить связку Linux + Eclipse + GNU ARM Eclipse + GNU Tools ARM Embedded + OpenOCD + MT-link. Данная связка является бесплатной, но ее настройка может вызвать некоторые затруднения у людей, впервые стакнувшихся с микроконтроллерами.

2. «Знакомство с основными блоками периферии: система тактирования (краткий обзор), порты ввода-вывода». В этой лабораторной работе учащийся должен будет разобраться с основным устройством системы тактирования, а также написать несложный пример для управления установленным на плате светодиодом посредством нажатия клавиш.

3. «Использование прерываний». В данной лабораторной работе студент познакомится с устройством системы прерываний в микроконтроллерах. В рамках выполнения работы студентом будет написана программа, реагирующая на нажатия клавиш пользователем выполнением подпрограммы, вызванной из прерывания.

4. «Использование умножителя частоты (PLL)». В данной лабораторной работе студенту предстоит подробно изучить систему тактирования микроконтроллера. По окончании изучения студент должен будет написать программу, которая увеличит скорость со стандартных 8 МГц от внутреннего генератора до 80 МГц с использованием внешнего кварцевого резонатора.

5. «Использование таймеров: счетчик, ШИМ». Ознакомившись с теоретическим материалом, студент должен будет написать программу для отладочного стенда, которая, ориентируясь на нажатия кнопок пользователем, будет управлять частотой мигания одного светодиода и яркостью другого.

6. «Использование цифро-аналогового преобразователя (ЦАП): получение на выходе сигнала заданной формы». Данная лабораторная работа поможет студенту ознакомиться с принципом работы цифро-аналогового преобразователя посредством создания на выводе микроконтроллера сигнала заданной формы. Научившись работать с ЦАП, студент получит начальные знания о формировании сигналов различных форм, что впоследствии может оказаться полезным опытом при создании устройств, работающих с аналоговым сигналом (например, воспроизведение аудио).

7. «Использование модуля прямого доступа к памяти DMA (ПДП). Генерация звукового сигнала». По результатам выполнения данной лабораторной работы студент получит основное представление о работе DMA. В качестве примера студент должен будет создать генератор синусоидальной волны звукового диапазона

8. «Использование аналого-цифрового преобразователя». Данная лабораторная работа нацелена на то, чтобы научить студента оцифровывать входящий сигнал. В качестве закрепления материала студент должен будет реализовать преобразование поступающего на вход микроконтроллера сигнала в массив значений, а затем сравнить полученные данные с исходными.

Материал второго модуля нацелен на изучение распространенных интерфейсов и способов их использования. При этом происходит углубленное изучение периферийных блоков, отвечающих за них. По окончании освоения модуля студент сможет создать устройство достаточно высокого уровня. например, портативный термометр с составлением статистики. В данный модуль планируется включить лабораторные работы более высокого уровня, для выполнения которых потребуется уверенное владение знаниями и навыками, полученными при изучении первого модуля. В третьем модуле основной упор будет сделан на использовании открытой многозадачной операционной системы реального времени FreeRTOS, а также на особенностях взаимодействия с внешней периферией (SD карты, датчики, экраны). В ходе обучения планируется рассмотреть тонкости настройки операционной системы под конкретные задачи, а также затронуть различные возможности операционной системы, облегчающие понимание работы программы. По результатам изучения данного модуля студент получит знания в области программирования на аппаратном уровне и практические навыки разработки программного обеспечения на базе операционной системы реального времени.

Использование предлагаемого лабораторного практикума в учебном процессе даст возможность студентам соответствующих направлений подготовки и специальностей получить знания, умения и практические навыки, позволяющие создавать довольно сложные устройства на основе микроконтроллеров, в том числе и в космической отрасли с полным пониманием сути их работы, что обеспечит высокий уровень качества подготовки обучающихся и их востребованности в дальнейшем на рынке труда. [9]

Заключение

В данной работе проведен аналитический обзор современных микроконтроллеров в СУ. Микроконтроллеры используются во всех сферах жизнедеятельности человека, устройствах, которые окружают его. простота подключения и большие функциональные возможности. С помощью программирования микроконтроллера можно решить многие практические задачи аппаратной техники. Можно считать, что микроконтроллер (МК) это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты, высокая производительность, надежность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.

Микроконтроллер является самодостаточной системой, выполняющий одну задачу одновременно. Может переключаться между разными задачами, выполнять их последовательно, и производить сложные действия и пользоваться разными инструментами (периферией).

Микроконтроллеры применяются в различных цифровых устройствах, к которым относятся всевозможные игрушки, электронные часы и подобные им гаджеты. Кроме того, они применяются для управления следующими видами современной техники:

Станочное оборудование

Насосные и вентиляционные системы

Большинство домашней техники

Автоматические системы различного класса (включая умный дом и т.п.)

Системы для определения артериального давления в медицине

В компьютерах в сфере образования

В военных системах

Таким образом, с помощью микроконтроллеров можно гибко управлять устройствами, в которые они встроены. Некоторые МК способны непосредственно переключать обслуживаемые устройства (например, реле елочной гирлянды), обходясь без исполнительного модуля. Благодаря универсальности этих программируемых изделий удаётся сэкономить на комплектующих, не нуждающихся в обновлении с изменением поставленной задачи. [7]

Список используемой литературы:

Мухамадиева, К. Б. Микроконтроллеры интеллектуальных систем управления / К. Б. Мухамадиева. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 1 (135). — С. 72-74. — URL: https://moluch.ru/archive/135/37187/ (дата обращения: 9.11.2022).

https://studbooks.net/1883955/tovarovedenie/sistemy_upravleniya_mikrokontrollerah (Дата обращения 10.11.2022).

https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=148761

(Дата обращения 10.11.2022).

https://fb.ru/article/467805/rossiyskie-mikrokontrolleryi-obzor-opisanie-predpriyatiya-mikroelektroniki-v-rossii(Дата обращения 10.11.2022).

https://future2day.ru/mikrokontroller/(Датаобращения 12.11.2022)

https://arduinoplus.ru/mikrokontroller/#i-3(Дата обращения 15.11.2022)

https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/mikrokontrollery/

(Дата обращения 17.11.2022).

https://powercoup.by/radioelektronika/primenenie-mikrokontrollerov

(Дата обращения 17.11.2022).

https://cyberleninka.ru/article/n/o-primenenii-rossiyskih-mikrokontrollerov-v-uchebnom-protsesse/viewer(Дата обращения 10.11.2022).

Код для цитирования: Скопировать