Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником - Генрих Кардашев

По прошествии нескольких месяцев он убедил в правильности своей идеи скептически настроенного шефа, изготовив первый грубый опытный образец. Первая в мире интегральная схема (от латинского integer — цельный, неразрывно связанный, единый) еще не отличалась особым изяществом. Она представляла собой сантиметровую германиевую пластинку, на которой размещались всего пять компонентов. Отдельные части схемы были изолированы друг от друга благодаря своей форме в виде букв U, L и т. п. Крошечные проволочки, соединяющие компоненты схемы друг с другом и с источником питания, просто припаивались. Вся конструкция скреплялась воском в лучшем духе сургучно-веревочной техники физического эксперимента времен Майкла Фарадея. Тем не менее, схема работала. Фирма сообщила о рождении принципиально нового устройства в январе 1959 г. Для демонстрации потенциальных возможностей новой технологии компания построила на ее основе компьютер для ВВС США.

Прошло более 40 лет, и вот в 2000 г. Джек Килби вместе с Хербертом Кроемером и российским ученым Жоресом Алферовым были номинированы на Нобелевскую премию по физике за работы «по получению полупроводниковых структур, которые могут быть использованы для сверхбыстрых компьютеров».

По функциональному назначению различают интегральные микросхемы, аналоговые и цифровые. Существуют и смешанные микросхемы, такие как аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, таймер серии 555 и др. В классе аналоговых микросхем выделяют микросхемы с линейными характеристиками — линейные микросхемы, к которым и относятся микросхемы ОУ. Широкое распространение интегральных монолитных ОУ началось с выпуска в 1964 г. фирмой «Fairchild» первого крупносерийного ОУ типа μА702; здесь символ μ происходит от микро, А от Amplifier. Аналогом явилась отечественная микросхема — К140УД1.

В 1965 г. появился знаменитый ОУ типа μА709 (аналог — К153УДЭ). Это была настолько удачная микросхема, что ее ежегодный выпуск достиг 30 млн. Все последующие микросхемы ОУ в той или иной степени генетически несут ее черты. Не случайно ее прозвали дедушкой (granddaddy) операционных усилителей! Стандарт следующего поколения определил ОУ типа μА741 (рис. 16, б, в).

Аналоговые микросхемы выпускают, как правило, функционально незавершенными, что открывает широкий простор для радиолюбительского творчества.

Цифровые микросхемы работают с логическими сигналами, имеющими два разрешенных уровня напряжения. Каждая микросхема преобразует последовательность входных сигналов в последовательность выходных. В связи с этим микросхема, заключенная в тот или иной корпус, имеет следующие выводы («ножки»): питания (общий — «земля» и напряжения питания (+5 В или +3,3 В), входы внешних цифровых сигналов и выходы. Большинство микросхем заключено в DIP-корпус с двумя рядами, содержащими от 8 до 40 выводов по продольным боковым сторонам (см. рис. 16, г-е).

Наибольшее распространение получили две технологии (серии или «семейства») цифровых микросхем: ТТЛ (TTL) — транзисторно-транзисторная логика на основе биполярных транзисторов и КМОП (CMOS) — комплементарные транзисторы со структурой «металл-окисел-полупроводник».

Маркировка обычных (стандартных) зарубежных ТТЛ-микросхем начинается с цифр 74, например 7400 и 74121. Популярные КМОП-микросхемы образуют часть семейства 4000, и их номера начинаются с цифры 4, например 4001 и 4501. КМОП-микросхемы были разработаны более 30 лет тому назад в знаменитой американской радиокорпорации RCA. Это легендарные серии CD4000A.B и UB. Отечественные микросхемы имеют более сложную буквенно-цифровую идентификацию, поскольку в ней заключено указание на ее функциональное назначение.

Микросхемы различаются по степени интеграции, функциональному назначению, нагрузочной способности и схеме выходного каскада, быстродействию и энергопотреблению. ТТЛ-микросхемы более «прожорливы» и, следовательно, сильнее нагреваются.

Термин «контроллер» образовался от английского слова to control — управлять. Традиционно эти устройства основывались на различных принципах работы от механических или оптических устройств до электронных аналоговых. Наиболее распространенными на сегодняшний день являются схемы управления, построенные на основе цифровых микросхем — микроконтроллеры.

Микроконтроллеры — разновидность микропроцессорных систем (микроЭВМ), специализированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. В отличие от микропроцессора МК представляет собой функционально законченное устройство, готовое к выполнению «зашитых» в него программ, и не требует внешних устройств (разумеется, при этом он может управлять различными внешними объектами).

Еще в 1965 г. Гордон Мур (Gordon Moore), один из будущих основателей могущественной корпорации Intel, обратил внимание на интереснейший факт. Представив в виде графика рост производительности запоминающих микросхем, он обнаружил любопытную закономерность: новые модели микросхем появлялись каждые 18–24 месяца, а их емкость при этом возрастала каждый раз примерно вдвое. Если такая тенденция продолжится, предположил Г. Мур, то мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастет на протяжении относительно короткого промежутка времени.

Предвидение Г. Мура впоследствии блестяще подтвердилось, а обнаруженная им закономерность, названная «Законом Мура», наблюдается и в наши дни.

В 1976 г. экспоненциальное развитие полупроводниковой технологии привело к созданию фирмой Intel первого микропроцессора — 8048. Помимо центрального процессора, в его состав входила память программ, память данных, восьмибитный таймер и 27 линий ввода/вывода. Конечно, 8048 уже является достоянием истории, а вот следующее изделие — микропроцессор 8051, выпущенный Intel в 1980 г., живет и здравствует поныне.

Сегодня в мире выпускаются тысячи типов микроконтроллеров и микропроцессоров. Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность данных, обрабатываемых арифметико-логическим устройством. По этому признаку микроконтроллеры делятся на 4-, 8-, 16-, 32- и 64-разрядные.

В однокристальных микроконтроллерах все аппаратные средства (микропроцессор, память, таймер, периферийные устройства и программное обеспечение) находятся в одном кристалле. Наружу выводятся только линии ввода/вывода (порты). Наиболее ценным качеством микроконтроллеров является наличие многократно программируемой памяти. Программирование выполняется на языке Ассемблер, позволяющем точно спрогнозировать время выполнения им команд (используются также языки СИ и Паскапь).

Наиболее распространенными в настоящее время являются микроконтроллеры семейства MCS-51. Это семейство поддерживается рядом фирм-производителей микросхем. Не менее распространенными в мире, но не в России, являются микроконтроллеры фирмы Motorolla. Это такие семейства, как НС05, НС07, НС11 и многие другие. Пожалуй, не менее популярными микроконтроллерами являются микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel, например АТ89 с флэш-памятью программ, являющиеся функциональным аналогом семейства 8-разрядных микроконтроллеров фирмы Intel. Представляют интерес также так называемые PIC-контроллеры (Peripheral Interface Controller) фирмы Microchip, также являющиеся 8-разрядными устройствами. Эти микроконтроллеры имеют электрически программируемые пользователем ППЗУ: минимальное энергопотребление, высокую производительность, хорошо развитую RISC-архитектуру (Reduced Instruction Set Code), функциональную законченность и минимальные размеры. Они дают возможность программировать их после установки в изделие.

Впрочем, одно перечисление семейств микроконтроллеров может занять не один том, а как следствие закона Мура, их число и количество публикаций о них также будет расти по экспоненте.

Ограничимся кратким перечнем изделий, построенных на базе микроконтроллеров: микроАТС, автоответчики, АОНы, мобильные телефоны, зарядные устройства, факсы, модемы, пейджеры, таймеры, системы сигнализации, измерительные приборы, счетчики воды, газа и электроэнергии, дозиметры, приборы автосигнализации, системы управления зажиганием и впрыском топлива, приборные панели и радарные детекторы, интеллектуальные датчики, системы управления электродвигателями, промышленные роботы, регуляторы температуры, влажности, давления и т. д., схемы управления принтерами и плоттерами, сетевые контроллеры, сканеры, схемы управления аудиосистемами, системы синтеза речевых сообщений, видеоигры, системы дистанционного управления, кассовые аппараты и т. д.

Безусловно, этот впечатляющий список будет и расширяться, и углубляться, и читателям, после освоения основ электроники — начального старта, безусловно, придется окунуться в эту бурно развиваемую область.