Málokdo si uvědomuje, že za bezproblémovým chodem našich každodenních zařízení stojí miniaturní, ale nesmírně výkonné čipy – mikrokontrolery. Tito nenápadní hrdinové se nachází všude kolem nás, ať už se jedná o domácí spotřebiče, nebo výrobní linky firem. Jakou roli tyto malé čipy hrají ve světě, který se neustále vyvíjí? V následujícím závěrečném článku Michala Rybky ze série Počítače před počítači se podíváme na to, jak mikrokontrolery ovlivňují současný svět a co nám mohou nabídnout do budoucna.
V minulosti najdeme velké množství jednoúčelových výpočetních strojů, které se používaly pro řízení strojů a vozidel. Ty mají obvykle napevno nastavenou funkci a nazývají se kontroléry. Dnes je nahrazují čipy, které sice technicky vzato představují univerzální počítače, ale jsou maličké, obvykle napevno naprogramované pro každou jednotlivou aplikaci – a nazývají se mikrokontrolery.
Mikrokontrolery jsou vlastně miniaturní počítače zabalené do jediného pouzdra se vším všudy: Obsahují procesor, operační paměť RAM, velkou paměť ROM pro systém a aplikaci a také vstupy a výstupy, takže v praxi stačí osadit mikrokontroler do cílového zařízení a přímo ho připojit k senzorům a k řízení motorů a výkonových celků. Protože je všechno v jednom pouzdře, mikrokontrolerům se také říká SoC (Sytem on a Chip) – a integrace má opravdové výhody, protože celek je levnější, spolehlivější a méně náchylný k selhání.
V současnosti se vyrábí nepředstavitelně velké objemy mikrokontrolerů. Ročně se produkuje téměř 30 miliard mikrokontrolerů, tedy téměř čtyři mikrokontrolery na každého člověka na Zemi každý jeden rok! Toto obrovské množství souvisí s tím, že řídící elektroniku v sobě má prakticky každé zařízení, od mikrovlnky po automobil. Automobily potřebují překvapivě velký počet mikrokontrolerů – moderní Mercedesy jich mají více než šedesát. To souvisí s tím, že je jednodušší dělat inteligentní zařízení i například v podobě nastavitelných zrcátek – a technicky je jednodušší v automobilu rozvést jeho „místní počítačovou síť“ a posílat po ní příkazy pro jednotlivé kontroléry než z jediného centrálního rozvádět svazky řídících kabelů.
I domácnost, která nemá auto, je obvykle vybavena asi padesáti mikrokontrolery, které řídí všechno možné – a s nástupem chytré domácnosti (Smart Home) tento počet razantně vystřelí, protože doslova každé zařízení musí mít vlastní mikrokontroler vybavený schopností komunikace s centrální řídicí jednotkou.
Mikrokontrolerů je obrovské množství a nabízejí se v mnoha různých architekturách a velikostech. Na jedné straně máme jednoduché osmibitové mikrokontrolery s malou pamětí, které se používají pro nenáročné operace a jejichž výhodou je minimální počet pinů, které se musí zapojit, takže jsou výrobně levné a jednoduché na implementaci.
Na druhé straně jsou výkonné mikrokontrolery s výkonem blížícím se mobilním telefonům jako STM32H7, což je dvoujádrový dvaatřicetibitový mikrokontroler běžící na 480 MHz s pamětí až jeden megabyte a dvěma megabyty paměti pro řídící program. Mikrokontroler dále podporuje kryptografické služby, grafiku, audio, drátovou i bezdrátovou konektivitu – skutečně se podobá malému počítači, ale stále jde o řídící jednotku pro inteligentní zařízení.
Velmi specifická je kategorie čipů FPGA (Field Programmable Gate Array). Zatímco u mikrokontrolerů lze změnit funkci výměnou řídicího programu, u FPGA se pomocí řídicího jazyka dá doslova nakonfigurovat zapojení hradel a změnit tím jejich hardwarové zapojení. V současnosti se používají pro prototypování (vytvoření modelu čipu před tím, než se fyzicky vyrobí) a také pro emulaci, kdy se na nich vytvoří model starého hardware, který se už nevyrábí – a dokáže věrně provozovat starý software, jako například arkádové hry. Jde o poměrně drahá zařízení, ale jejich schopnost vytvořit repliky raritních nebo ještě neexistujících čipů je fascinující.
S mikrokontrolery se můžete také naučit pracovat a programovat je – a k tomu slouží stavebnice Arduino nebo Raspberry Pi. Programovatelné mikrokontrolery najdete i ve specializovaných stavebnicích Lego, jako Lego Mindstorms NXT nebo Lego Technic Hub. Mnoho stavebnic tak vás nebo vaše potomky může přivést ke kouzlu, kdy si navrhnete vlastní zařízení a svým vlastním programem si ho také oživíte. Je to naprosto kouzelné!
i
V AlzaMagazínu pro vás máme i další články ze série Počítače před počítači:
Mikrokontrolery jsou základním stavebním kamenem moderní elektroniky umožňující inteligentní řízení všeho od domácích spotřebičů po systémy stahování oken v autech. Univerzálnost, kompaktnost a výkonnost, to jsou vlastnosti, které z mikroprocesorů činí nepostradatelné součásti ve stále propojenějším světě.
