میکروکنترلر چیست؟

جت پیشرفت تکنولوژی سر افول سرعت ندارد! شاید در مخیله بنیان‌گذاران انقلاب دیجیتال نیز نمی‌گنجید فقط چند دهه تا خلق دهکده جهانی ارتباطات فاصله داشته باشند، پدیده‌ای که از سال‌های اول دهه ۸۰ میلادی با عرضه پنجمین نسل از کامپیوتر و استقبال کم‌نظیر تکنولوژی دوستان شروع شد و از رایانه به تلفن‌های همراه و حتی سیستم‌های کنترل از راه دور (remote control system) نیز انتشار یافت.

سیستم‌هایی که کنترل دما، نور و صدای محیط داخلی خانه را تنها با زدن یک یا چند دکمه و حتی فاصله میلیون کیلومتر ممکن می‌سازد. همه این فناوری‌ها نیازمند تراشه‌های تخصصی با قابلیت ویژه است.

یکی از این نوع تراشه‌ها، میکروکنترلرها هستند. اما این ریز پردازنده چیست و چه کاربردی دارد؟

نقش میکروکنترلر ها در زندگی روزمره

در دنیای صفر و یک تکنولوژي، ریزتراشه‌ها را تقریباً می‌توان در همه‌جا یافت، چه داخل خودرو شخصی خود باشید، چه تلفن همراه درون دستتان یا رادیوی روی میز و حتی برخی از البسه و ماشین لباسشویی همگی و همگی از میکروکنترلر بهره می‌گیرند.

ریزپردازنده کنترلی یا میکروکنترلر، یک ریزپردازنده بسیار قوی و مدار ساده شده‌ای است که قادر است دستورات خاص مطابق با برنامه موجود در حافظه را اجرا کند، میکروکنترلر، مانند یک کامپیوتر کوچک در داخل دستگاه الکترونیکی قرار گرفته، با اتصال به اجزاء داخلی خود، قادر است کدهای برنامه موجود در حافظه را با صحت و دقت اجرا نماید.

اما تاریخچه میکروکنترلر به کجا بازمی‌گردد؟

تاریخچه میکروکنترلرها از پیدایش آنها تا به امروز

اگر شما نیز فکر می‌کنید بیش از هر چیز میکروکنترلرها شهرت و محبوبیت خود را مدیون نظریه «اینترنت اشیاء» هستند، سخت در اشتباهید.

میکرو های کوچک، خیلی پیش از اینکه نظریه «اینترنت اشیاء» حتی در ذهن نظریه‌پرداز شکل بگیرد، در سال ۱۹۷۱، گری بون و مایکل کورچان اهل تگزاس، اولین میکروکنترلر تجاری دنیا را برای کمپانی خودروی ژاپنی تولید کردند. این تراشه قادر بود هم‌زمان چندین برنامه‌ریزی را در داخل خود ذخیره و اجرا کند.

رفته‌رفته با پیشرفت بیشتر تکنولوژی و استقبال از این تراشه در سال ۱۹۷۴، شرکای شرکت اینتل به فکر اجرای تغییرات ظاهری و تجاری‌سازی میکروکنترلر افتادند.

پس از آن شرکت اینتل موفق به ساخت اینتل (۸۰۸۸) ۱۶ بیتی به‌عنوان یک ریز پردازنده مستقل و همه‌کاره شد. بعد از توسعه بیشتر این میکروکنترلرهای ۴ تا ۳۲ بیتی، هم اکنون در داخل لوازم الکترونیکی استفاده می‌شوند.

میکروکنترلر چیست؟ معرفی اجزا

برای درک بهتر از سؤال میکروکنترلر چیست؟ باید به اجزا به‌کاررفته در این نوع ریز پردازنده بپردازیم. همان‌طور که بالاتر گفته شد میکروکنترلر، مانند یک چمدان همه‌کاره در آغوش گرفته و هم‌زمان اتصالات بین بخش‌های مختلف را برقرار می‌کند.

· CPU: مغز متفکر

سی‌پی‌یو تمامی دستورات یک فرمول را در از بر شده و مدیریت و پایش اجرای دستورات را عهده‌دار است. CPU در گذشته، عضوی از چمدان میکروکنترلر نبود و هم اکنون نیز می‌تواند مستقلاً به کار برده شود. هرچه از اهمیت پردادر رایانه لوازم الکترونیکی گفته شود، باز هم کم است!

· حافظه (EEPROM)

حافظه یا مموری به ذخیره‌سازی دستورات کاربر می‌پردازد. تمامی داده‌ها و دیتای ورودی و خروجی ریز پردازنده در حافظه آن ذخیره می‌گردد. حتی نوسانات جریان برق نیز سبب ازبین‌رفتن برنامه‌های ذخیره‌سازی شده بر حافظه نیست.

· انواع پورت‌های ورودی خروجی

پورت‌های ورودی و خروجی مانند شاه‌راه اطلاعات برای ارتباط میکروکنترلر با سایر دستگاه‌ها یا اتصال به لوازم جانبی کاربرد دارند.

· تایمرها: تولیدکننده پالس

معمولاً در داخل هر میکروکنترلر تعدادی تایمر جهت ایجاد پالس بر اساس زمان تعبیه می‌شود. خرابی تایمر می‌تواند صدمه جدی به عملکرد میکروکنترلر وارد نماید.

· مبدل آنالوگ – دیجیتال

داده‌ها دارای انواع دیجیتال و آنالوگ هستند. آنالوگ به معنای تبادل اطلاعات با ایجاد پالس در دامنه‌های مختلف و دیجیتال به معنای استفاده از سیستم باینری (صفر ویکی) جهت انتقال اطلاعات است.

میکروکنترلرها و به‌طورکلی قطعات الکترونیکی قادر به درک محرک آنالوگ نیستند و برای داده‌های دیجیتال کاربردی‌اند. پس وجود این مبدل در پاسخگویی صحیح میکروکنترلر کاربردی است.

قطعات معرفی شده اعضای اصلی یک ریز پردازنده ساده هستند اما بسته به کاربرد، ریزتراشه کنترلی می‌تواند از انواع قطعات دیگر نیز بهره ببرد. تعدادی از این قطعات عبارت‌اند:

• PWM: این ابزار جهت افزایش کارایی و بهبود عملکرد مبدل آنالوگ – دیجیتال به کار می‌رود.
• RTC : این ابزار حتی وقتی جربان الکتریکی در مدار اتصال نیست نیز فعالیت دارد و زمان را به‌صورت به‌روز و در لحظه محاسبه می‌کند.
• CAN : نوعی شبکه تخصصی که ارتباط بین بخش‌های مختلف ریز پردازنده را حفظ و پایش می‌کند، دستگاه‌ها را قادر می‌سازد بدون نیاز به هاست به شبکه متصل شوند.
• Watchdog: آن را در میکروکنترلرهای سری AVR کاربرد بیشتری داشته و همان‌طور که از نامش پیداست مانند سگ نگهبان، سلامت دستگاه و پالس‌های تولید شده را مورد بررسی قرار می‌دهد.
• DMA Controller: سخت‌افزاری که اجازه دسترسی به حافظه مستقل اصلی کامپیوتر (RAM) را می‌دهد.

انواع میکروکنترلر چیست؟

میکروکنترلرها بر حسب حافظه (۸-۱۶-۳۲) و ساختار آن، مجموعه دستورالعمل و اندازه بیت به دسته‌های مختلفی تقسیم شده و کاربردهای متفاوتی دارند.

باتوجه‌به کاربردهای گسترده میکروکنترلر، انواع بسیار زیادی از این ریزتراشه‌ها تولید و در لوازم الکترونیکی استفاده می‌گردد.

· تقسیم‌بندی از نظر حافظه ریز پردازنده

ریزتراشه‌ها از نظر مقدار حافظه، و مکان، به دو دسته حافظه داخلی و حافظه خارجی تقسیم می‌گردند. ریزتراشه کنترلی دارای حافظه داخلی، بیشتر برای سیستم‌های بسته که حاوی تمامی عناصر عملکردی درون خود است کاربرد دارند.

· تقسیم‌بندی از نظر پیچیدگی و مجموعه دستورالعمل

باتوجه‌به کاربرد صنعتی یا خانگی و نیمه‌حرفه‌ای، نوع دستورالعمل‌های مورد اجرا توسط ریز پردازنده متفاوت است. به‌طورکلی در بازار دو نوع SISC و RISC یافت می‌شود.

(Reduced Instruction Set Computers)RISC بیشتر برای کاربردهای صنعتی بوده و در داخل ماشین‌آلات صنعتی به کار می‌رود. این دستورالعمل با هدف کاهش مقدار زمان موردنیاز به‌کاررفته در ماشین‌آلات صنعتی بوده و به کاربر اجازه می‌دهد به‌صورت هم‌زمان به برنامه‌های مختلف دسترسی داشته باشد. دستورالعمل‌های SISC نیز با هدف کاهش تعداد دستورات اجرایی با ترکیب چند دستورالعمل ساده، اجرای دستورات کاربر را آسان می‌سازد.

· تقسیم‌بندی بر اساس بیت میکروکنترلر

انواع ریز پردازنده باتوجه‌به تعداد خط داده متفاوت است. برای مثال میکروکنترلر ۸ بیتی قادر است در ازای کد خوانی از ۸ خط کد موردنظر، دستور را اجرا نماید.

میکروکنترلرها بر حسب اندازه بیت به دسته‌های ۸ ،۱۶ و ۳۲ بیتی تقسیم می‌گردند. میکروکنترلرهای ۳۲ بیتی برای عملیات پیچیده‌تر، در ماشین‌آلات پزشکی و اداری کاربردی‌اند.

انواع کاربردهای میکروکنترلر

طیف گسترده‌ای از کاربردهای میکروکنترلرها در مصارف صنعتی – مهندسی، کشاورزی، پزشکی و حتی مصارف روزمره خانگی موجود است. جاروبرقی، تلفن همراه، رادیو و یخچال و.. تنها گوشه‌ای از کاربردهای این قطعه کوچک ولی مهم است. بی شک مهم‌ترین کاربرد میکروکنترلرها در صنعت و پزشکی می‌باشد.

از جمله موارد استفاده از ریزتراشه‌های کنترلی می‌توان به تست و اندازه‌گیری دقت، ربات‌های جاساز، ابزاردقیق، دستگاه‌های پایش فشار و قند خون، عیب‌یاب سیستم‌های مکانیکی اشاره نمود. به‌طورکلی استفاده از میکروکنترلر ضمن ایجاد هماهنگی بهتر بین اجرای دستورات، سبب کاهش هزینه و بهبود عملکرد سیستم موردنظر است.

معرفی 3 خانواده برتر میکروکنترلرها

· میکروکنترلر سری AVR

یکی از پرکاربردترین انواع میکروکنترلرها، میکروکنترلرهای خانواده تراشه‌های AVR هستند.این قطعه توسط شرکت ATMEL تجاری‌سازی شده و به فروش می‌رسد.

نام این قطعه از مخفف نام سازندگان آن (Alf and Vegard’s RISC Processor) گرفته شده.

یکی از ویژگی‌های ممتاز میکروکنترلرهای خانواده AVR، استفاده از زبان‌های برنامه‌نویسی سطح بالا (مانند کامپایلر) است و این میکروکنترلر را قادر به انجام عملیات های پیچیده منطقی – زمانی با سرعت می‌سازد.

باتوجه‌به رواج برنامه‌نویسی سطح بالا (C)، کاربران برای برنامه‌نویسی مجدد این ریز پردازنده دردسر چندانی نخواهند داشت و عیب‌یابی سیستم سریع‌تر، راحت‌تر و ایمن‌تر صورت می‌پذیرد. این میکروکنترلر در دو نوع ۸ و ۳۲ بیتی در بازار عرضه می‌شود.

· میکروکنترلر سری PIC

خانواده میکروکنترلرهای PIC لقب سریع‌ترین نوع میکروکنترلر را یدک می‌کشد. سری PIC عمدتاً صنعتی بوده و در انواع ۸، ۱۶ و ۳۲ بیتی تولید شده و مورداستفاده قرار می‌گیرند. نخستین‌بار شرکت microchip، در طی یک به‌روزرسانی تصمیم به تولید و تجاری‌سازی ریزتراشه‌هایی گرفت که ضمن صرفه‌جویی در مصرف برق و هزینه‌های تولید، در اجرای دستورات سرعت بالاتری نسبت به میکروکنترلرهای AVR داشته باشند.

این میکروکنترلرها به سبب استفاده از زبان‌های اسمبلی به‌آسانی قابل عیب‌یابی و برنامه‌ریزی‌اند. خانواده میکروکنترلرهای PIC در تولید اتومبیل‌های برقی و دوستدار محیط‌زیست نیز نقش مهمی دارند.

· میکروکنترلرهای سری ۸۰۵۱

از قدیمی‌ترین و ارزان‌ترین و همچنین پرکاربردترین نوع ریز پردازنده، خانواده میکروکنترلر ۸۰۵۱ است. ریزتراشه سری ۸۰۵۱ در سال ۱۹۸۱ توسط شرکت اینتل تولید و رونمایی شد.

این نوع تراشه‌ها از تراشه‌های CISC هستند و هم اکنون به‌روزرسانی‌های فراوانی بر روی این نوع میکروکنترلرها صورت‌گرفته و امروزه بیشتر برای اهداف آموزشی – یادگیری مورداستفاده هستند. از سایر کاربردهای ریزتراشه مدل ۸۰۵۱ می‌توان به سنسور دما، چراغ اتومبیل، حسگر دود و سیستم حریق، دستگاه‌های سنجش میزان اکسیژن خون (پالس اکسی‌متر) اشاره نمود.

سؤالات متداول در رابطه با میکروکنترلر

۱-میکروکنترلر چه دستگاهی است؟

میکروکنترلر، یک کامپیوتر کوچک بسیار قوی با قابلیت پردازش داده‌های مختلف ورودی و خروجی است. به میکروکنترلر ریزپردازنده یا موتور محاسباتی نیز گفته می‌شود. از نظر لغت‌شناسی میکرو به معنای بسیار کوچک (واحدی برای اندازه‌گیری معادل ۱۰ به توان -۶ یا یک میلیونیم) و کنترلر به معنای نظارت‌کننده و کنترل‌کننده است.

انواع ریز پردازنده را تقریباً می‌توان همه‌جا یافت. میکروکنترلر ها، کاربردهای فراوانی دارد و نقش مهمی در سریال پیشرفت تکنولوژی ایفا کرده است.

۲-بهترین نوع میکروکنترلر کدام است؟

همان‌طور که گفته شد، انواع مختلفی از میکروکنترلر با کاربردهای مختلفی وجود دارد و معمولاً باتوجه‌به نوع پروژه و کاربرد اقدام به خرید و استفاده از میکروکنترلر می‌شود. اما به طور خلاصه می‌توان؛

· میکروکنترلرهای PIC جهت ساخت قطعات صنعتی و ماشین‌آلات پیشرفته

·سری 8051 جهت مصارف آموزشی-تحقیقاتی

· و از میکرو های AVR در ساخت انواع LED

استفاده می‌گردد. به‌جز موارد ذکر شده در انتخاب میکروکنترلر قیمت، ادوات جانبی، تعداد پورت‌های ورودی – خروجی، میزان دردسترس‌بودن و نوع زبان برنامه‌نویسی نیز از نکات حائز اهمیت فراوان هستند.

۳-میکروکنترلر به چه صورت عمل می‌کند؟

به زبان ساده درون همه میکروکنترلرها قطعه‌ای بسیار مهم به نام CPU وجود دارد.ریز پردازنده یا ریزپردازنده ها مدیریت بخش اجرای کد و هماهنگی را عهده‌دار است.

هنگامی که از طریق بخش ورودی یا خروجی اطلاعات در حال مبادله‌شدن هستند، پردازشگر مرکزی، اطلاعات ورودی را پردازش کرده و از طریق هماهنگ‌سازی با انواع حافظه، دستورات را بر محتوای خروجی اعمال می‌کند.

۴-تفاوت میکروکنترلر و میکروپروسسور چیست؟

از چند نظر می‌توان به این سؤال پاسخ داد:

سخن پایانی این مقاله

یکی از مهم‌ترین اساس و سنگ بنای تمدن بشر امروزی، تکنولوژی است. هر لحظه و هر ساعت به پیچیدگی مخلوقات الکترونیکی افزوده می‌شود و این گونه که مشخص است همچنان تا خلق دژ مستحکمی از رفاه در سایه استفاده از فناوری‌های بدیع فاصله زیادی داریم.

یکی از قطعاتی که در این راستا خدمات مهم وبی شماری به بشر داشته ریز پردازنده بوده است. در این مقاله سعی شد پاسخ جامعی به سؤال میکروکنترلر چیست؟ داده شود.

نظر شما چیست؟ به نظر شما در دنیای آینده چه کاربردهای دیگری را می‌توان برای میکروکنترلر متصور شد؟