میکرو کنترلر چیست و چه کاربردهایی دارد؟

میکرو کنترلر Microcontroller  یا همان ریزکنترل گر در  توسعه سخت افزار یا وسایل دیجیتال مورد استفاده قرار می گیرد، به زبان ساده هر جا که نیاز به کنترل کردن دستگاه کامپیوتری یا دیجیتالی باشد از میکرو کنترلر ها استفاده می شود. امروز در داناپ قصد داریم پس از توضیح تخصصی درباره Microcontroller، کاربردها و ویژگی های آن را نیز بررسی نماییم پس با ما همراه باشید.

میکرو کنترلر چیست؟

میکروکنترلر یک مدار فشرده و یکپارچه است که برای کنترل عملیات خاصی در سامانه های نهفته (Embedded Systems) طراحی شده است و یک میکروکنترلر معمولی حاوی پردازنده، حافظه RAM و ROM و پورت های ورودی و خروجی (I/O) است. ریز کنترل گر برخی اوقات با نام کنترل گر تعبیه شده (Embedded Controller) یا میکروکنترلر واحد (MCU) شناخته می شود که به طور کل در خودرو، ربات ها، ماشین های اداری، دستگاه های پزشکی، گیرنده های رادیویی موبایل و لوازم برقی خانه استفاده می شود.

به عبارت دیگر میکرو کنترلر یک کامپیوتر شخصی مینیاتوری است که بدون سیستم عامل فرانت اند (Front-End) پیچیده، برای کنترل بخش کوچکی از یک دستگاه دیجیتالی بزرگ طراحی شده است. در خقیقت میکرو کنترلر به منظور کنترل یک عملکرد خاص در درون یک سیستم جای گذاری می شود و برای انجام اینکار داده هایی که از طریق پورت های ورودی خروجی (I/O) دریافت کرده را از طریق پردازشگر مرکزی خود تفسیر یا ترجمه می کند.

اطلاعاتی که وارد میکرو کنترلر می شوند به طور موقتی در memory آن ذخیره می شود و سپس پردازشگر به اطلاعات دسترسی پیدا کرده و دستورالعمل های لازم را به منظور رمزگشایی بر روی داده ها اعمال می کند، سپس با استفاده از دستگاه های جانبی I/O، کُنِش مناسبی را صادر می کند.

میکرو کنترلر ها در انواع مختلف دستگاه های دیجیتالی استفاده می شوند و برخی دستگاه ها از چند میکروکنترلر بهره می گیرند که با مشارکت یکدیگر وظایف محوله را به خوبی انجام می دهند. برای مثال یک خودرو ممکن است حاوی تعداد بسیاری ریز کنترلگر (مانند سیستم ضد قفل ترمزها، سیستم تعلیق و تزریق سوخت) باشد که هر کدام برای انجام عمل خاصی در آن تعبیه شده است.

نکته مهم این است که تمامی این میکرو کنترلرها با یکدیگر در ارتباط هستند تا عملکرد صحیحی ایجاد شود، حتی برخی از آنها با سیستم کامپیوتری مرکزی خودرو ارتباط برقرار می کنند. میکروکنترلر ها با ارسال یا دریافت داده ها از طریق دستگاه های جانبی I/O و سپس پردازش آنها وظایف محوله خود را انجام می دهند.

اجزای میکروکنترلر

اجزای مرکزی یک میکرو کنترلر عبارتند از :

1- پردازشگر (Processor) :

پردازشگر یا همان CPU، مغز و هسته اصلی دستگاه را شکل می دهد که دستورالعمل های مختلف را پردازش کرده و پاسخ می دهد تا عملکرد میکرو کنترلر به خوبی انجام پذیرد. این فرآیند مستلزم اجرای علم حساب، منطق و عملیات I/O است، علاوه بر این برای پردازش داده ها نیاز به عملیات انتقال داده نیز می باشد که دستورات به اجزای دیگر یک سیستم ماشینی تحویل داده شود.

2- حافظه (Memory) :

حافظه میکرو کنترلر برای ذخیره داده هایی که توسط پردازشگر دریافت و پاسخ داده می شوند مورد استفاده قرار می گیرد. یک ریز کنترل گر دارای دو نوع حافظه اصلی است :

• حافظه برنامه یا ROM :

حافظه برنامه که اطلاعات بلند مدت (Long-Term) درباره دستور العمل های CPU را در خود نگهداری می کند. این حافظه از نوع غیر فرار (Non-Volatile) است بدین معنی که برای نگهداری از اطلاعات نیازمند منبع قدرت نمی باشد.

• حافظه داده یا RAM :

این نوع از حافظه در زمانی که دستور العمل ها در حال اجرا می باشند به طور موقت داده ها را در خود ذخیره می کند. این نوع حافظه از نوع فرار است که اگر اتصال آن با منبع قدرت قطع شود تمامی اطلاعات ذخیره شده در آن از بین می رود.

3- دستگاه های جانبی Peripherals I/O :

دستگاه های ورودی و خروجی در حقیقت رابط بین پردازشگر و دنیای بیرون است، به گونه ای که پورت ورودی اطلاعات را دریافت و سپس آن را به شکل داده های باینری به پردازشگر ارسال می کند، پس از آن پردازشگر دستورالعمل های مورد نیاز را به دستگاه های خروجی می فرستد؛ دستگاه هایی که خارج از میکرو کنترلر وظایف خاصی را انجام می دهند.

سه موردی که در بالا گفته شد در واقع اجزای اصلی یک میکرو کنترلر محسوب می شود، اما اجزای دیگری در ریز کنترلگر ها ایفای نقش می کنند که در ادامه هر یک را بررسی خواهیم کرد :

• مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) :

ای دی سی (ADC) در واقع مداری است که سیگنال های آنالوگ را به دیجیتال تبدیل می کند. این مبدل به پردازشگر مرکزی میکرو کنترلر این اجازه را می دهد تا با دستگاه های آنالوگ بیرونی (مانند سنسور) ارتباط برقرار کند.

• مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) :

دی ای سی دقیقاً بالعکس ADC کار می کند به گونه ای که پردازشگر اصلی ریز کنترلگر با سیگنال های خروجی به دستگاه های آنالوگ ارتباط برقرار می کند.

• گذرگاه سیستم (System Bus):

گذرگاه یا سیستم باس در واقع رشته سیم های متصل به همی هستند که تمام محتوای میکروکنترلر را به هم پیوند می زند.

• درگاه سریالی (Serial port) :

درگاه سریالی یک نمونه از پورت ورودی می باشد که به میکرو کنترلر قابلیت اتصال به اجزای بیرونی را می دهد. در حقیقت این درگاه عملکردی مشابه به USB دارد با این تفاوت که درگاه سریالی بیت ها را نیز تبادل می کند.

ویژگی های میکرو کنترلر

پردازشگر میکرو کنترلرها با توجه به سخت افزار مورد نظر متفاوت می باشند، بدین گونه که از پردازشگرهای ساده 4 بیت، 8 بیت یا 16 بیتی تا پردازشگر های قدرتمند 32 و 64 بیتی می توان در ساخت میکروکنترلر ها استفاده کرد. حافظه استفاده شده در میکروکنترلر از هر دو نوع فرار و غیر فرار است، برای مثال حافظه دسترسی تصادفی (Random Access Memory) یا همان RAM از نوع فرار و فلش مموری، حافظه EPROM و EEPROM از نوع غیر فرار محسوب می شوند.

به طور کلی میکرو کنترلرها برای این طراحی شده اند که بدون گردآوری اجزای اضافی قابلیت استفاده داشته باشند، چرا که بر روی بُرد خود فضای حافظه کافی دارند و پین های زیادی برای عملیات I/O ارائه می دهند. با معماری Harvard گذرگاه سیستم دستورالعمل ها مجزا از هم قرار می گیرند که جابجایی همزمان را ممکن می سازد، علاوه بر این با معماری Von Neumann یک گذرگاه برای داده و دستور العمل استفاده می شود.

پردازشگر موجود در میکرو کنترلر می تواند از نوع  مجموعه دستورالعمل های پیچیده (CISC) یا متکی به دستورالعمل های ساده شده (RISC) باشد.  در ابتدا برای توسعه میکرو کنترلر ها فقط از زبان اَسِمبلی استفاده می شد اما امروزه زبان برنامه نویسی C بهترین گزینه برای طراحی ریز پردازشگرها به شمار می رود، به علاوه زبان های پایتون و جاوا اسکریپت نیز در برخی مواقع مورد استفاده توسعه دهندگان میکرو کنترلر قرار می گیرد. انواع مختلفی از میکروکنترلر در بازار وجود دارد، برای مثال مدل MCS-51 Intel که عموماً با نام 8051  شناخته می شود و مدل های AVR، PIC و ARM نیز به عنوان برندهای محبوب موجود می باشند.

تفاوت میکرو کنترلر و میکرو پردازشگر

از میکرو کنترلر در زمانی استفاده می شود که ارزانی ساخت محصول مورد توجه باشد، در حقیقت آنها از طریق ارتباط مستقیم با سنسورها و فعال کننده ها، عملکرد بسیار خوبی از خود به جای می گذارند. در طرف دیگر ریز پردازشگرها از طریق گذرگاه های داخلی (Bus Connection) قدرت رایانه ای یک چیپ را افزایش می دهند. به عنوان مثال در یک دستگاه قهوه ساز از میکروکنترلر و در یک لپتاپ از میکرو پردازشگر استفاده می شود.