خط مهندسی
مجله ی آنلاین مهندسی

میکروکنترلر ها و هرآنچه باید درباره ساختار و انواع ریزکنترلر ها بدانید

0 418

امروزه میکروکنترلر ها در تمامی دستگاه‌های زندگی روزمره وجود‌دارند. ساده‌ترین آن در ماشین‌های لباسشویی و کنترل تلویزیون و … است و انواع پیچیده‌تر ریزکنترلر ها در صنعت مورداستفاده قرارگرفته‌است. میکروکنترلر ها ساختار ساده دارند و با برنامه‌ریزی متفاوت کاربرد آنها مشخص می‌شود.

تاریخچه میکروکنترولر

اولین میکروکنترلر ها حافظه کوچک ROM و حافظه داده RAM و تعدادی ورودی/خروجی داشتند که با توسعه تکنولوژی دستورالعمل­‌ها، تایمر، امکانات وقفه و خطوط I/O دراین ریزکنترلر ها بهینه شدند. محدود بودن حافظه نیز با استفاده از حافظه EPROM که با اشعه ماورابنفش قابل پاک شدن بود، ارتقا یافت.

شرکت اینتل که بهترین CPU ها را به بازار ارائه می­دهد، نزدیک به ۴ دهه گذشته اولین میکروکنترولر را در سال ۱۹۷۱ ساخت و در سال ۱۹۸۰ اولین میکروکنترلر با­نام ۸۰۸۰ را روانه بازار کرد. برای اینکه به تولید انبوه برساند مجوز ساخت آن را به شرکت­های Semiconductor Dallas، Xeimens، Atmel و  Motorolaداد مشروط براینکه برنامه­‌هایی که برای ۸۰۵۱ نوشته می­‌شود با همه میکروکنترولرهای این شرکت سازگاری داشته باشد. در سال ۱۹۸۶ شرکت Atmel میکروکنترلر AVR را ارائه کرد که به نوعی تکمیل شده ۸۰۵۱ بود.

میکروکنترلر چیست؟

میکروکنترلر یک مدار مجتمع یا چیپ الکترونیکی است که عملکرد آنها از قبل برنامه‌­ریزی شده است. امروزه انواع میکروکنترولرها با طول کلمه متفاوت ۱۲۸،۶۴،۸،۴ بیتی در بازار موجود است که برای کنترل دستگاه­‌هایی که نیازبه کنترل دارند جاسازی‌می‌­شود، مانند ماشین­‌های اداری، لوازم­‌خانگی، ربات­‌ها، وسایل‌نقلیه و بسیاری از ابزارها. میکروکنترلر از اجزایی تشکیل می­‌شود که مهمترین آن پردازنده است. هروسیله ای که اطلاعاتی را ذخیره­ و اندازه­‌گیری­‌می‌­کند، ازمیکروکنترولر درآن استفاده‌شده‌است.

میکروکنترولرها

به دلیل داشتن تمام اجزای یک کامپیوتر،میکروکنترلر ها را کامپیوترهای کوچک می‌نامند.

اجزای میکروکنترولر(ریزکنترلر) :

  میکروکنترولرها اجزایی مانند اجزای کامپیوتر دارند که در زیر به آن‌ها اشاره‌شده‌است.

  •  واحد پردازش (CPU) :

CPU را مغز میکروکنترولر می­‌نامند و این پردازنده عملیات استخراج داده، رمزگشایی و درنهایت انجام وظایف اختصاص­‌داده شده را به عهده دارد. حافظه قابل­‌برنامه‌­ریزی دستورالعمل­‌ها را استخراج  و CPU آنها را رمزگشایی می­‌کند.

  •   حافظه (Memory) :

درمیکروکنترولرها حافظه همانند میکروپروسسورها تمام برنامه­‌ها و داده­‌هارا ذخیره می­‌کند. میکروکنترولر­ها با مقدار مشخصی از ROM، RAM یا حافظه­‌فلش برای ذخیره کد برنامه ساخته‌شده‌است.

  •   ورودی و خروجی ها (I/O) :

پورت­‌های ورودی و خروجی برای اتصال به دستگاه­‌های مختلف مثل پرینتر، نمایشگرها و… استفاده می­‌شوند.

  •  پورت­های سریال Serial Ports :

این پورت­‌ها می‌توانند بین میکروکنترولر و انواع لوازم جانبی مثل پورت­‌های موازی ارتباط سریال برقرارکنند.

  •  تایمر Timers :

یک میکروکنترولر می‌­تواند از یک یا چند تایمر یا شمارنده ساخته شود. تایمرها و شمارنده­‌ها تمام عملیات زمانبندی و شمارش را در یک میکروکنترولر کنترل می‌­کند. تایمر شمارش پالس خارجی و عملیات اصلی تولید پالس، توابع کلاک، اندازه­‌گیری فرکانس، ساخت نوسانات و … را انجام می­‌دهد.

  •  مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC(Analog to Digital converter :

ADC برای تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال استفاده می­شود و سیگنال­های ورودی برای ADC باید آنالوگ باشند. تولید سیگنال دیجیتال برای برنامه‌­های ­جانبی مختلف استفاده می‌­شود.

  •  مبدل دیجیتال به آنالوگ (DCA (Digital to Analog converter :

این مبدل توابع مقابل ADC را اجرامی­‌کند و عموما برای نظارت بردستگاه‌­های آنالوگ مثل موتورهای DC و … تعبیه شده است.

  • کنترل‌کننده Interpret Control :

این کنترل­‌کننده وظیفه کنترل تاخیر برای برنامه درحال اجرا را دارد.

  •  بلوک عملکرد خاص Special Functioning Block:

بعضی از میکروکنترولرها برای یک دستگاه خاص مثل سیستم­‌های‌فضایی، ربات­‌ها و … شامل این بلوک عملکرد خاص‌اند. این بلوک­‌ها پورت­‌های اضافی برای انجام عملیات خاص دارند.

چگونه یک میکروکنترلر برنامه‌­ریزی می­شود؟

میکروکنترولرها دارای کامپایلرهای خاص هستند و برای برنامه‌­ریزی آن­را داخل دستگاهی به‌نام Programmer قرار می­‌دهند و با کابلی که به کامپیوترمتصل‌است، برنامه در حافظه ROM آن ذخیره می­‌شود.

Programmerها سه نوع‌­اند:

۱. به وسیله پورت­‌های موازی که شامل ۲۵ پایه است برنامه­‌ریزی می‌­شود.

۲. به وسیله پورت­‌های سریال که شامل ۹ پایه است برنامه­‌ریزی می­‌شود.

۳. از طریق دستگاه USB برنامه­‌ریزی می­‌شود.

شرکت Atmel روش (ISP (In System Programming ارائه داد که در آن برنامه‌­ریزی با استفاده از ۳ پایه (MISO (Master Input Slave Output)، MOSI (Master Output Slave Input و (CLK (Clock و زمانی که میکروکنترلردر حالت Reset است، انجام می‌­شود.

تفاوت ریزپردازنده(میکروپروسسور) و میکروکنترلر

میکروکنترلر یک ریزکنترلر با قابلیت پردازش است و دارای ورودی­، خروجی و حافظه­ جانبی می­‌باشد. درواقع هر میکروکنترلر شامل یک میکروپروسسور است.

میکروپروسسور تنها قابلیت پردازش دارد و طراح باید مدارهای حافظه و پورت های ورودی و خروجی را به آن متصل کند.

تفاوت میکروکنترلرو میکروپروسسور

ویژگی های میکروکنترلر

  •  به دلیل داشتن حافظه و امکانات جانبی در یک تراشه اندازه مدار­نهایی و قیمت آن نسبت به یک ریزپردازنده کاهش و همچنین ضریب امنیت افزایش می­‌یابد.
  •  با فرکانس پایین، از ۴ بیت کلمه استفاده شده و برای مصرف انرژی کم طراحی شده‌است.
  •  معماری آن با توجه به اهداف عمومی و ریزپردازنده‌ها، ROM، RAM و I/O متفاوت‌است.
  •  یک دستگاه ورودی اختصاصی و اغلب یک صفحه نمایش برای خروجی دارد.
  • معمولا در تجهیزات دیگر تعبیه شده و برای کنترل ویژگی­‌ها یا اقدامات تجهیزات استفاده می‌شود.
  •  برنامه مورد استفاده توسط میکروکنترلر در ROM ذخیره می‌شود.
  •  در شرایطی که توابع محاسباتی محدود مورد نیازاست، استفاده می‌شود.

اما به دلیل عدم دسترسی مستقیم به هسته میکروکنترلر، طراحی به تراشه های موجود در بازار محدود می شود.

دسته‌­بندی میکروکنترولرها

میکروکنترولرها را براساس معماری، حافظه، بیت و مجموعه دستورالعمل تقسیم­‌بندی می‌کنند.

  • بیت

میکروکنترلر ۸بیتی، عملیات محاسباتی و منطقی را اجرامی­‌کند. مانند میکروکنترلر ۸بیتی اینتل ۸۰۵۱ و ۸۰۳۱.

میکروکنترلر۱۶بیتی با دقت و عملکرد بیشتری نسبت به ۸بیتی عملیات را اجرامی­‌کند. مانند اینتل ۸۰۹۶.

میکروکنترلر۳۲بیتی در دستگاه‌­های کنترل‌شده خودکار استفاده می­‌شود که با ۳۲بیت تمام عملیات منطقی و محاسباتی را انجام‌­دهد.

  • حافظه

۱-    External  Memory  Microcontroller میکروکنترلربا حافظه خارجی نوعی از تراشه‌ها است که تمام بلوک­های یک میکروکنترلردرداخل آن تعبیه نشده‌است. میکروکنترلر۸۰۳۱ حافظه برنامه، درداخل ساختار تراشه وجود‌ندارد.

۲-    Embedded Memory Microcontroller میکروکنترلر با حافظه جاسازی‌شده نوعی تراشه‌است که تمام بلوک­‌های توابع در داخل آن تعبیه شده‌است. میکروکنترلر۸۰۵۱ تمام برنامه­‌ها، حافظه داده، تایمر، وقفه وپورت­‌های I/O در داخل آن جاسازی‌شده‌است.

  • مجموعه دستورالعمل­ها

CISC مخفف کلمه complex instruction set computer به معنی مجموعه دستورالعمل­‌های پیچیده کامپیوتری است که به کاربر اجازه می­‌دهد یک دستورالعمل را جایگزین چندین دستورالعمل پیچیده کند.

RISC مخفف کلمه  Reduced Instruction Set Computers به معنی مجموعه دستورالعمل­‌های کاهش‌یافته کامپیوتری است. RISC زمان عملیات را با کوتاهترکردن چرخه ساعت دستورالعمل­‌ها کاهش می­دهد.

  • بر اساس ساختارمعماری :معماری میکروکنترولر

معماریHarvard :

در این ساختارمعماری ذخیره­‌سازی و کانال­های سیگنال برای هرمجموعه دستورالعمل و داده به صورت جداگانه ایجاد‌شده است. این معماری کل داده‌­ها را در CPU ذخیره می کند و هیچ دسترسی برای ذخیره دستورالعمل به عنوان داده وجود‌ندارد. امکان دسترسی همزمان به دستورالعمل­‌ها و داده ذخیره­‌شده درون کانال­‌های داخلی میکروکنترولر را فراهم می­‌کند.

معماری هاروارد

معماری Von Neumann :

دانشمندی به‌­نام John Von Neumann این ساختار را ارائه کرد. در این معماری برای دستورالعمل و داده یک مسیرداده یا کانال وجود دارد بنابراین CPU یک عمل واحد را در یک زمان انجام می‌­دهد. این عمل ممکن است خواندن یا نوشتن روی داده یا استخراج مجموعه ای از دستورالعمل­‌ها از حافظه باشد. بنابراین عمل استخراج و انتقال­‌داده نمی­‌تواند همزمان با استفاده از یک کانال مشترک انجام‌شود.

معماری وان نیومن

انواع میکروکنترلر ها:

انواع میکروکنترلر

میکروکنترلر ۸۰۵۱:

از خانواده میکروکنترلر های ۸۰۵۱ بیشتر استفاده می­‌شود و این گروه تلاش می­‌کنند که انتخابی ایده­‌آل برای متخصصان و علاقمندان باشند. شرکت اینتل میکروکنترلر اصلی ۸۰۵۱ را اختراع کرد و دو نوع دیگر این خانواده در زیر آورده‌شده‌است

  •  میکروکنترلر ۸۰۵۲ دارای ۳ تایمر و ۲۵۶ بایت حافظه است و علاوه برآن ویژگی­‌های ریزکنترلر های ۸۰۵۱ را نیزدارد. این تراشه زیرمجموعه تراشه ۸۰۵۱ است.
  •  میکروکنترولر ۸۰۳۱ که یک تراشه بدون ROM است و تمام ویژگی­‌های تراشه ۸۰۵۱ را داراست. برای اجرا یک ROM 64کیلوبایتی می‌­تواند به این تراشه اضافه‌شود.

میکروکنترلر۸۰۵۱ دو نوع حافظه مختلف به‌­نام NV-RAM و UV-EPROM درتراشه­‌های خود استفاده‌کرده‌است.

microcontroller8051

معماری میکروکنترلر۸۰۵۱:

میکروکنترلر۸۰۵۱ یک تراشه ۸بیتی است که ۴۰ پایه دوبل درونی دارد. ۴کیلوبایت از حافظه ROM(در فضای قابل برنامه‌ریزی تراشه)و ۱۲۸ بایت از حافظه ROM که داخلی هستند و می­‌تواند حافظه ۶۴کیلوبایتی خارجی به‌­آن متصل شود. ۴ پورت موازی ۸ بیتی که به سادگی قابل­‌برنامه‌­ریزی وآدرس‌­دهی هستند. یک تولیدکننده نوسان روی تراشه قراردارد که فرکانسی معادل ۱۲­مگاهرتز تولید­می­‌کند و دو پایه به عنوان دو پورت سریال ورودی و خروجی ­روی تراشه وجود­دارد. دو تایمر۱۶بیتی که به­‌عنوان تایمر برای عملکرد داخلی و همچنین شمارنده برای عملکرد خارجی تعبیه شده است. میکروکنترلر ۸۰۵۱ شامل ۵ منبع وقفه به‌­نام‌های: وقفه پورت سریال، وقفه تایمر۱، وقفه خارجی ۰، وقفه تایمر۰ و وقفه خارجی ۱ است. برای برنامه­‌ریزی این میکروکنترلر ازسه ثبات

  • (GPRs (General Purpose Registers ثبات هدف عمومی
  • (SFRs (Special Function Registers ثبات تابع خاص
  • (SPRs (Special Purpose Registers ثبات هدف خاص

استفاده می­‌شود.

میکروکنترلر AVR :

سرویس­‌دهنده Atmel در سال ۱۹۶۶میکروکنترولر AVR را ارائه داده که معماری آن بر اساس معماری Harvard است. اساس آن کاهش مجموعه‌­دستورالعمل کامپیوترهاست(RISC).  این معماری داده­‌ها و برنامه را به‌­صورت مجزا ذخیره و همزمان ازآن­ها استفاده می­‌کند. این خانواده از میکروکنترولر برای تراشه‌­هایی که ازحافظه فلش برای ذخیره برنامه استفاده‌می‌­کنند، درمقابل با EPROM قابل­‌برنامه­‌ریزی، EEPROM یا ROM که میکروکنترلر های دیگرهم­زمان آن­ها را بکارمی­‌گیرند، مناسبترند. حافظه فلش یک حافظه قابل‌­برنامه‌­ریزی غیرقابل‌­تغییراست .اگرچه در این معماری دستورات سریعتر انجام‌­می‌­شوند، نوشتن برنامه مشکل‌­تراست. AVR نام میکروکنترولر برپایه معماری RISC است و یک کلمه مخفف نیست.AVR ازاسامی توسعه‌­دهندگان معماری این میکروکنترولر Alf-Egil Bogen و Vegard Wollan گرفته‌شده‌است.

میکروکنترلر AVR

معماری میکروکنترلر AVR

AT90S8515 نخستین میکروکنترولر بود که براساس معماری AVR ساخته شد. میکروکنترلر AT90S1200 اولین تراشه برای ورود به بازار تجاری بود که در سال ۱۹۹۷ راه‌­اندازی‌شد.

SRAM،Flash وEEPROM برروی یک تراشه گنجانده شدند که نیازبه حافظه خارجی در حداکثردستگاه­‌ها حذف‌شود. درچندین تراشه از این خانواده برای اضافه کردن حافظه داده اضافی از باس‌­های موازی خارجی استفاد‌شده‌است. تمامی دستگاه­‌ها به‌­جز تراشه TinyAVR شامل رابط سریال که برای اتصال تراشه سریال فلش و EEPROM هستند.

ویژگی های خانواده AVR :

۳ نوع حافظه در میکروکنترلر AVR عبارتند از:

  • Flash: برنامه اصلی در آن ذخیره می‌­شود.
  • SRAM: برای اجرای برنامه به این حافظه نیاز دارد.
  • EEPROM: یک حافظه داخلی و دائمی است که داده­‌ها در آن نگه داری می­‌شود.

میکروکنترلر AVR دارای ۳۲ رجیستر ۸بیتی که مستقیما به ALU متصل است. تعداد دستورالعمل­‌های آن نسبتا کم است که معمولا در یک کلاک انجام می­‌شوند.

 میکروکنترولرAVR در بازار برق­‌و­الکترونیک مصرف بالایی دارند. برنامه نویسی این دسته با زبان C و بیسیک انجام می‌­شود. تمام برنامه­‌های نوشته‌شده برای همه میکروکنترولرهای Atmel یکسان ولی با ثبات­های متفاوت‌است.

ATMega32

خانواده میکروکنترلرAVR :

  •  AVR Clasic: جزو اولین ریزکنترلر ها هستند که سری­‌های جدیدتر آن استفاده می­‌شود وتوانایی بیشتری نسبت به سری ATtiny دارند. ریزکنترلر ها بانام AT90 معرف این سری هستند.
  •  ATtiny: این سری CPU قدرتمند، حافظه فلش ۴ کیلوبایتی و حافظه RAM و EEPROM 128 بایتی دارند. این میکروکنترلر ها به دلیل ابعاد کوچک، پایه‌­های کمتر در مدارهایی که حجمشان مهم است استفاده‌می‌­شود.
  •  ATmega: این خانواده از میکروکنترلر ها جزو قویترین سری هستند و نام آن­ها با ATmega شروع می­‌شود. عدد انتهای آن میزان حافظه فلش موجود در آن را نمایش می­‌دهد مانند ATmega128. میکروها در این خانواده از نظر ولتاژ و فرکانس با­هم متفاوت‌هستند که با دو حرف A و L در انتهای نام آنها جدا می­‌شوند. برای مثال ATmega64A  ولتاژ ۴.۵ تا ۵.۵ و فرکانس ۰ تا ۱۶ مگاهرتز دارد وATmega64L  ولتاژ ۲.۷ تا ۵.۵ و فرکانس ۰ تا ۸ مگاهرتز دارد.
  •  ATXmega: تفاوت عمده این سری با سری ATmega درپهنای باند، رجیسترو باس­‌های دستورالعمل و داده ۱۶بیتی هستند که دو حالت ۸ و ۱۶ بیتی را می­‌توانند پردازش‌کنند، میزان حافظه بیشتر و فرکانس بالاتری‌دارند. این میکروها توان مصرفی کم و Real Time هستند و برای کاربردهای همراه مناسب‌اند.

میکروکنترلرPIC :

معماری این میکروکنترولربر اساس معماری Harvard و کلمه PIC مخفف «Peripheral Interface Controller» است که شرکت میکروچیپ آن­‌را ارائه کرده‌است. این ریزکنترلر دردسته میکروکنترلر های یکپارچه دسته بندی می­‌شود. در میان میکروکنترلر های ۸بیتی ازجمله موفق­ترین نوع است که مهمترین دلیل آن به­‌روزرسانی مداوم تکنولوژی این تراشه در دستگاه­‌های لوازم خانگی و رفع نیازهای مشتریان‌است. این تراشه از برنامه­‌نویسی C، اسمبلی و بیسیک C پشتیبانی می‌­کند. تراشه PIC در میان صنعتگران بسیار محبوب است. از ویژگی­‌های آن هزینه­‌‌کم،مصونیت دربرابر‌نویز، قابلیت برنامه­‌ریزی­‌سریال و دسترسی گسترده است.

ساختارمیکروکنترلرPIC

معماری میکروکنترلر PIC :

معماری میکروکنترلر های ۸ بیتی PIC به صورت زیر دسته بندی‌می­‌شوند:

۱-    معماری Base Line: میکروکنترلر ها با معماری پایه خطی که میکروکنترلر های خانواده PIC10F و برخی از خانواده PIC12 وPIC16 دراین دسته قرارمی‌­گیرند. این ابزارها از۱۲بیت برنامه با ۶ به ۲۸ پایه جایگزین استفاده‌می‌­کنند.

مجموعه ویژگی­‌های مشخص از معماری پایه راه‌­حل­‌های سودآوری ارائه می­‌دهد. این معماری برای ابزارهایی که ازباتری استفاده‌می­‌کنند بسیارمناسب‌است. سری PIC10F200 با ۸بیت حافظه فلش با یک بسته ۶پایه­‌ای است.

۲-    معماری Mid Range: دراین معماری ۱۴ بیت کلمه برنامه به خانواده­‌های PIC12 و PIC16 اضافه‌شده‌است. ابزارهای PIC16 دراین معماری انواع گسترده ای از بسته­‌های جایگزین(از ۸ تا ۶۴ بسته)،با سطح پایین تا بالا ازپیوستگی محیطی عرضه‌کرده‌است. PIC16 دارای انواع لوازم جانبی از آنالوگ، دیجیتال و سریال مانند SPI، USART، ۱۲C، USB، LCD و مبدل A/D هستند. میکروکنترلر PIC16 در این معماری قابلیت کنترل را با سوارکردن یک سخت­‌افزار۸ سطحی، معلق­‌کرده‌است.

۳-    معماری High  Performance: معماری عملکردبالا شامل لوازم از خانواده PIC18 است. این میکروکنترلر ها از معماری ۱۶ بیت کلمه برنامه همراه با بسته جایگزین ۱۸ تا ۱۰۰ پایه استفاده‌می‌­کند. لوازم PIC18 دارای عملکردبالا با ترکیب کردن مبدل آنالوگ به دیجیتال هستند. تمام میکروکنترلر های خانواده PIC18 از معماری RISC پشتیبانی‌می‌­کنند. این تراشه ویژگی‌­های پایه، ۳۲ سطح عمق و چندین وقفه داخلی و خارجی را بهبود‌داده‌است.

خانواده میکروکنترولر PIC :

  •  PIC10F: اولین ریزکنترلر های سری PIC که ۸ بیتی هستند و ابعاد آن بسیار کوچک و  ۶پایه دارند. با توسعه میکروکنترلر ها سرعت این سری حداکثر۱۶مگاهرتراست.
  •  PIC12F: هزینه‌کم، استفاده آسان و ۸ پایه از ویژگی­‌های این ریزکنترلر ها است وحداکثر سرعت ۳۲ مگاهرتز دارند و ازسری میکروهای ۸ بیتی هستند.
  •  PIC16F: میکروکنترلر ۸ بیتی که حداکثر سرعت آن ۴۸ مگاهرتز است.
  •  PIC18F: قویترین و جدیدترین نوع میکروکنترلر ۸بیتی است که حداکثر سرعت آن به ۶۴ مگاهرتز می­‌رسد که ۸۰ پایه و ۱۲۸ کیلوبایت حافظه فلش دارد.
  •  PIC24F: از سری ریزکنترلر های ۱۶ بیتی PIC هستند که حافظه بیشتر، سرعت بالا و کارکرد بالا از ویژگی­‌های این سری است و سرعت آن حداکثر تا ۲۵۰ مگاهرتز می‌­رسد.
  •  PIC24H و PIC24E: در این سری CPU توسعه یافته و سرعت آن تا ۷۰MIPS می­‌رسد.
  •  dsPIC30F: این میکروها به میکروکنترلر های پردازش سیگنال معروف هستند که سرعت آن­ها ۳۰MIPS است.
  •  DsPIC33F , dsPIC33E: در این سری از ریزکنترلر ها سرعت CPU از ۱۶MIPS به ۷۰MIPS افزایش‌یافته‌است.
  •  سری میکروهای ۳۲بیتی: سرعت فرکانس تا ۲۰۰ مگاهرتز و سرعت CPU تا ۳۳۰MIPS رسیده‌است. این گروه ۲ مگابایت حافظه داخلی فلش و رابط USB ،OTG و Ethernet دارد.

میکروکنترلر ARM:

ARM نام شرکتی است که معماری میکروپردازنده را طراحی کرده است. همچنین در زمینه صدور مجوز برای تولیدکنندگانی که تراشه واقعی تولید می­‌کنند فعال است. میکروپروسسور ARM معماری ۳۲بیتی RISC است که شرکت Acorn Computer Ltd در سال ۱۹۸۰ توسعه‌داده‌شد. میکروپروسسور ARM حافظه فلش داخلی ندارد و منحصرا برای دستگاه­‌های میکروکنترولرطراحی شده که آموزش و استفاده ازآن ساده است. اما برای به چالش کشیدن دستگاه­‌های جاسازی­‌شده بسیار قدرتمند هستند.

معماری میکروکنترلر ARM

ویژگی های صرفه­‌جویی انرژی و واحد پردازش مرکزی باعث شده که این تراشه در دستگاه­‌های موبایل  جاییکه هزینه انرژی کم است یک هدف حیاتی برای طراحی باشد. معماری ARM شامل عناصر RISC زیراست:

  •  حداکثر عملکرد تک چرخه­ای
  •  ثبات ۳۲*۱۶ بیتی دائمی
  •  معماری ذخیره و بارگذاری
  • پهنای دستورالعمل تنظیم شده از۳۲ بیت به منظورساده­‌سازی خط­­­‌لوله و رمزگشایی در حداقل تراکم کد
  •  برای دسترسی حافظه ناهماهنگ پشتیبانی ندارد.

میکروکنترلر ARM- Cortex :

یکی از محبوب­ترین میکروکنترلر های موجود در سیستم­‌های جاسازی شده‌است که در صنایع به­‌ دلیل داشتن ویژگی­‌های زیاد مورداستفاده قرارمی­‌گیرد. میکروکنترلر های ARM، حساسیت و عملکرد بالایی دارند که در طیف گسترده­‌ای از دستگاه‌­ها مانند سیستم‌­های کنترل صنعتی، شبکه‌­های ‌بی‌­سیم و سنسورها و سیستم­های بدنه خودرو استفاده‌می‌­شوند.

میکروکنترلر خانواده ARM

میکروکنترلر ARM- Cortex  یک ریزکنترلرگر پیشرفته ازخانواده ARM است که با معماری ARMv7 توسعه داده‌شده‌است. خانواده ARM- Cortex به سه خانواده تقسیم بندی شده­ که به شرح زیر است:

  • سری ARM- Cortex Ax
  • سری ARM- Cortex Rx
  • سری ARM- Cortex Mx

در حال حاضربسیاری از توسعه­‌دهندگان ریزکنترلر های ۳۲ بیتی را براساس ریزکنترلر های ARM Cortex-M3 ارائه‌می­‌دهند. این تراشه­‌ها زبان برنامه­‌نویسی سطح پایین و بالا را پشتیبانی‌می­‌کنند. اما برخی از این ریزکنترلر های قدیمی به دلیل طراحی با محدودیت دراستفاده از زبان سطح بالا دچارمشکل می­‌شوند.

نحوه اسمبل ARM

با قدرتمند شدن پردازنده‌ها در گوشی، ابزارهای پوشیدنی جایگاه ویژه‌ای در میان مردم پیداکرده‌است. به همین منظور تراشه‌های سری Cortex-M شرکت ARM  که به دلیل توان مصرف پایین برای ابزارهای پوشیدنی مناسبترند مورد‌استفاده قرارمی‌گیرند. کمپانی ARM بازار تراشه‌های ابزارهای پوشیدنی را دردست گرفته‌است. زومیت این تراشه را بطور کامل موردبررسی قرارداده‌است.

ساعت هوشمند

برنامه نویسی میکروکنترلرARM cortex

ریزکنترلر ARM با فرکانس ۱۰۰مگاهرتز و عملکرد بالا اجرا می‌­شود بنابراین از زبان سطح بالا پشتیبانی می­‌کند.این تراشه با IDES های مختلف Keiluvision3، Keiluvision4، Coocox و مانند آن برنامه‌­ریزی شده­ که میکروکنترلر۸ بیتی از ۸ بیت دستورالعمل و ARM Cortex-m از ۳۲بیت دستورالعمل استفاده‌می­‌کند.

انواع میکروکنترلر ARM

میکروکنترولرHitachi:

میکروکنترولر Hitachi متعلق به‌خانواده کنترولر H8 است بانام H8 معرفی شده‌اند. در خانواده بزرگ میکروکنترولرهای ۸­بیتی، ۱۶بیتی و ۳۲بیتی قرار دارد که در اویل دهه ۱۹۹۰ در نیمه­‌هادی­‌های Hitachi استفاده‌شده‌است.

میکروکنترولرMotorola:

میکروکنترولر موتورولا برای عملکردبالا در عملیات دستکاری­‌داده استفاده می­‌شود. این تراشه از ماژول­‌یکپارچه­‌سازی سیستم، زمان پردازش واحد و ماژول سریال سری استفاده‌می­‌کند.

میکروکنترلر ۶۸۱۱ ساخت شرکت موتورولا است.

کاربردهای میکروکنترولر:

میکروکنترولرها برای دستگاه­‌های جاسازی­‌شده درمقایسه با میکروپردازنده­‌های مورداستفاده در رایانه­‌شخصی استفاده می­‌شوند.

میکروکنترولرها در اختراعات خودکار و دستگاه­‌ها مانند ابزارهای انرژی، دستگاه­‌های پزشکی، سیستم­‌های کنترل موتوراتومبیل، ماشین­‌های اداری، دستگاه­‌های کنترل از راه‌­دور، اسباب­‌بازی­‌ها و بسیاری از سیستم های جاسازی‌شده استفاده می­‌شوند. با دقت به اندازه و هزینه در مقایسه با یک طراحی که از ریزپردازنده‌ های مختلف، دستگاه­های I/o و حافظه استفاده کرده میکروکنترولرها آن­ها را برای کنترل دیجیتالی و بیشتر دستگاه­‌ها و عملیات ارزانتر کرده‌­است.

 کاربرد میکروکنترولر در وسایل زندگی روزمره

  •  دستگاه سنجش و کنترل نور
  •  دستگاه کنترل و اندازه گیری دما
  •   تشخیص آتش و وسایل ایمنی
  •  دستگاه­‌های ابزاردقیق صنعتی
  •  دستگاه­‌های کنترل فرایند

میکروکنترلر درلوازم زندگی

کاربرد میکروکنترلر ها در دستگاه­‌های کنترل صنعتی :

  •  ابزارهای دقیق صنعتی
  •  دستگاه کنترل فرایند

کاربرد میکروکنترلر در اندازه­‌گیری و وسایل اندازه‌­گیری :

  •   ولت متر
  •   اندازه­‌گیری اجسام چرخشی
  •  سیستم اندازه‌­گیری دستی

همه میکروکنترلر های دارای ویژگی­های خاص و کاربردهای متفاوت هستند. نمی‌­توان گفت که کدام­یک کارایی بهتر و یا استفاده مقرون به‌صرفه دارند چراکه هرکدام به‌دلیل کاربرد و ویژگی‌­های خود درموارد مختلف مورداستفاده قرارمی­‌گیرند. تمام شرکت­‌های سازنده با پیشرفت تکنولوژی این ریزکنترلر ها و ویژگی­‌هایشان را به روزرسانی می­‌کنند.

منبع : https://www.electronicshub.org/microcontrollers

 

نظر شما درباره این مطلب

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

ارتباط و طرح ایده استارتاپی