دانلود تحقیق علم الکترونیک

علم الکترونیک

 

 

 

درعصری که ما در آن زندگی میکنیم ، علم الکترونیک یکی از اساسی ترین و کاربردی ترین عملومی است که در تکنولوژی پیشرفته امروزه نقش مهمی را ایفا میکند.

الکتورنیک دیجینتال یکی از شاخه های علم الکترونیک است که منطق زیبای آن انسان را مجذوب خود میکند .

امروزه اکثر سیستمهای الکترونیکی به سمت دیجیتال سوق پیدا کرده است و این امر به علت مزایای زیادی اتس که سیستمهای دیجییتال نسبت بهخ مدارهای آنالوگ دارند .

مداری که ادر این پروژه معرف میگردد یک مدار فرمان میکروبی است که به منظور جایگزینی برای نمونه مکانیکی آن طراحی گردیده است .

برای طراحی و ساخت یک تایمر ماشین لباسشویی ، قبل از هرچیز باید ماشین لباسشویی ، طرزکار و همچنین عملکرد قسمتهای مختلف آن را بشناسیم .

برای این منظور در ابتدات به شرح قسمتهای مختلف آن میپردازیم :

اجزای زیر قسمتهای مختلف یک ماشین لباسشویی را تشکیل میدهند:

موتور ، پمپ تخلیه ، المنت گرمکن ، شیربرقی ، اتوماتیک دما ، هیدرو سوئیچ و تایمر .

اگر بخواهیم عملکرد ماشین لباسشویی را بطور خلاصه بیان کنیم ، به این صورت است که ابتدا شیرآب (شیربرقی) بازشده و آب مخزن را پر میکند .

سپس درصورت نیاز ، گرمکن آب مخزن را به گرمای مجاز میرساند .

سپس موتور شروع به چرخاندن لباسهای کثیف میکند .

سپس پمپ ، آب کثیف را از مخزن به بیرون از ماشین پمپ میکند .

این سلسله عملیات ادامه دارد تا در انتها مشاین بطوراتوماتیک خاموش شده و متصدی دستگاه میتواند لباسهای شسته شده را از دستگاه خارج کند .

فرمان تمام اجزاری فوق را تایمر میدهد .

برای آشنایی با تایمر مکانیکی ، مختصری درمورد آن توضیح میدهیم :

این تایمر به ا ین صورت عمل میکند که یک موتور الکتریکی کوچک ، یک محور را توسط چرخ دنده هایی میچرخاند و این محور یک سری دیسک های پلاستیکی هم محور ار میچرخاند .

این دیسک ها بر روی خود دارای برجستگی هایی است و برروی این برجستگی ها زائده هایی قرار میگیرند که با چرخیدن دیسک ، این زائده ها بالا و پایین رفتئه و پلاتین هایی را بازوبسته میکنند .

و این پلاتین ها نیز به نوبه خود یک سری اتصال های الکتریکی قطع و وصل میشوند که میتوانند به عنوان فرمان های الکتریکی قسمتهای مختلف لباسشویی به کار روند .

شکل زیر نحوده عملکرد این نوع تایمر را نشان میدهد :

تایمرهای مکانیکی دارای عیوب و مزایایی هستند که در زیر به آنها اشاره میشود :

بسیار گران هستند ، استفاده از این نوع تایمر باعث پیچیدگی سیم کشی داخحل ماشین لباسشویی میشود ، بر اثر کارکرد پلاتین های آن اکسیده شده و به خوبی عمل نیمکند .

از مزینتهای مهم تایمر مکانیکی میتوان نویزپذیر نبودن آن را نام برد .

قبل از تشریح مدار تایم ردیجیتالی و عملکرد آن ، ابتدا کمی درمورد دو عنصر هیدروسوئیچ و اتوماتیک دما که درتمام ماشین های لباسشویی وجود دارد (وکمتر در دستگاههای الکتریکی دیده میشود) توضیح میدهیم :

تایمرهای لباسشویی یک سری مشخصات عمومی دارند که برای همه انواع آن صادق است .

این مشخصات به قرار زیر است :

- نشان د ادن مرحله برنامه در هرلحظه .

- حفظ مرحله برنامه درهنگام قطع برق .

- انتخاب شروع برنامه از هرمرحله دلخواه .

- خاموش کردن  لباسشویی پس از اتمام به صورت اتوماتیک .

هیدروسوئیچ که مخفف سوئیچ هیدرولیکی است یک عنصر مکانیکی است که پربودن یا خالی بودن مخزن لباسشویی از آب را ، تشخیص میدهد .

این عنصر از کی مخزن کوچک تشکیل شده که داخل آن یک دیافراگم قراردارد .

این مخزن دارای یک ورودی هوا است .

وقتی هوا تحت فشار معینی به داخل آن برسد ، دیافراگم به جلو حرکت کرده و یک اتصال الکتریک را قطع و یا وصل میکند .

علت استفاده از هیدروسوئیچ در ماشین لباسشویی یکی به این دلیل است که وقتی شیربرقی آب را بازکرده وآب وارد مخزن لباسشویی میشود ، پس از رسیدن حجم آب بیش از حد مجاز وارد مخزن شود .

دلیل دیگر استفاده از هیدروسوئیچ ، وابسته نبودن حجم آب پرشده درون مخزن ، به فشار آب ورودی است .

اتوماتیک دما هم یک نوع ترموستات الکتریکی است که با قطع و وصل به موقع المنت گرمکن ، دمای آب مخزن لباسشویی را طبق انتخاب ما ثابت نگه میدارد .

با این توضیحات راجع به قسمتهای مختلف ماشین لباسشویی ، به عملکرد مدار تایمر میپردازیم .

تایمر دیجیتالی که دراین پروژه طراحی شده است و معرفی میگردد دارای مشخصات زیر است :

- نمایش مراحل برنامه بر روی سون سگمنت (26 مرحله).

- حفظ مرحله برنامه در هنگام قطع برق با استفاده از باطری BACKUP .

-  انتخاب شروع از هرمرحله برنامه با استفاده از کلیدهای PROGRAM .

- کوچک بودن حجم مدار نسبت به نمونه های مشابه دیجیتالی .

اصولا تایمر برای شمارش اتفاقات بکار میرود .

و تعداد خاصی از این اتفاقات برای ما اهمیت دارد تا در این زمانهای خاص به یک دستگاه فرمان روشن یا خاموش بودن را بدهیم .

دراصل تایمر دیجیتالی یک شمارنده است که تعداد پالسهای ورودی را بصورت باینری میشمارد و اگر ما از میان این اعداد موردنظر خودمان را به وسیله یک دیکودر ، دیکود کنیم ، به راحتی میتوانیم به تعدادی خروجی فرمان دهیم .

زمانی که ما برای کنترل یک لباسشویی نیاز داریم در حدود 1.8 ساعت است و این مقدار برابر 6735 ثانیه خواهد بود .

اگر فرکانس پالسهای اعمال شده به شمارنده را 1HZ درنظر بگیریم ما به یک شمارنده 13 بیتی نیاز خواهیم داشت (8192 = 2)13 .

برای دیکود کردن این عدد 13 بیتی از یک ایپرام 2764 که مقدار حافظه آن 8 KB است استفاده میکنیم .

به این معنی که از خطوط آدرس به عنوان ورودی دیکودر و از خطوط DATA به عنوان خروجی استفاده مینماییم .

حال با برنامه ریزی مناسب EPROM میتوانیم در هرزمان خروجی ها را   صفر یا یک کنیم .

چون EPROM دارای هشت خط DATA است ، میتوانیم هشت خروجی را همزمان کنترل نماییم .

در واقع ما به وسیله EPROM یک دیکودر خاص ساخته ایم .

 اگر یک نوسان ساز یک هرتز به CLOCK شمارنده اعمال کنیم ، خروجی تایمر ما با سرعت 1HZ عوض خواهد شد و این سرعت تغییرات خروجی ، به ما قدرت مانور زیادی برای کنترل خروجی میدهد .

برای مثال اگر بخواهیم خروجی D5 به مدت 20 دقیقه فعال شود ، کافی است 1200 محل از EPROM را پشت سرهم عدد باینری (20 HEX) 00100000 را قرار دهیم .

برای نوشتن برنامه لباسشویی بر روی EPROM ابتدا باید زمانبندی برنامه لباسشویی را بدانیم .

یعنی بدانیم که درچه لحظاتی باید چه خروجی هایی فعال یا غیرفعال شوند .

برای مثال نمودار زیر را درنظر میگیریم .

درفاصله زمانی t0 و t1 خروجیهای a1 و a3 فعال هستند .

درفاصله زمانی t2,t1 خروجی های a3,a2 فعال هستند .

درفاصله زمانی t3,t2 خروجی a3 فعال است .

موادتغذیه :

شکل زیر نمای کلی از مدار تغذیه به کاربده شده در این پروژه را نشان میدهد .

که آن را به اختصار شرح میدهیم .

}6cm

باتری V1 ولتاژ کمتری نسبت به V2  دارد پس D2  هدایت کرده و روشن است و D1 خاموش است .

ما دراینجا از رگولاتور (7805) استفاده کرده ایم که ولتاژ ورودی آن بین 6 تا 10 و کاهنده میباشد که 5 ولت خروجی دارد .

ما به خاطر رسیدن به 5 ولت از Ic(7805) استفاده میکنیم .

مدار داخلی (7805) :

}4cm

یک مدار کلکتور مشترک است که تقویت ولتاژ ندارد و تقویت جریان دارد .

علت استفاده از دیود D1  در مواد تغذیه :

اگر D1  در مدار نباشد باتری 9 ولت همیشه در مدار است اما ا گر D1 در مدار باشد وقتی باتری 9 ولت وارد مدار میشود که ولتاژ تغذیه شهر قطع شود .

علت استفاده از  D2 : برای اینکه ولتاژی از باتری به منبع تغذیه نرود .

مدار تشخیص قطع و وصل بودن برق شهر :

1- نحوه قرارگرفتن پایه های دگولاتور به صورت زیراست :

2- مقاومتهای بایاس ترانزیستور با مقادیر مشخص شده به کار رفته اند .        

3- علت استفاده از خازن C1  : یک صافی است ، برای اینکه روی میکرو پارازیت نیافتد.

}6cm

شکل

این مدار به منظور رساندن پیامی به میکرو در مدار قرارداده شده تا میکرو را از وضعیت برق شهر مطلع کند .

این مدار یک ولتاژ نمونه از منبع تغذیه اصلی دریافت کرده و اگر جریان برق شهر برقرار باشد خورچی این مدار صفر و در غیراین صورت خحروجی مدار 1 میباشد .

که میکرو از روی این اختلاف ولتاژ به بودن یا نبودن برق شهر پی میبرد .

این مدار تغذیه دارای یک مدار فرمان است که این مدار فرمان به میکرو متصل میباشد .

تا زمانی که برق شهر رفت ، به میکرو فرمان دهد که تمام خروجی ها را خاموش کند .

این مدار تغذیه 2 ورودی دارد که درحالت seven segment دستگاه خاموش میشود ، و میکرو به حالت استندبای میرود .

«مدار قدرت»

این مدار ، مدار اپتو کوپلر (بایاس ترایک) است .

اپتوکوپلرها برای ایزوله کردن مدار فرمان از مدار قدرت بکار میروند به این ترتیب که فرمان گیت ترایاک توسط یک LEO به آن اعمال میشود .

بین LEO و ترایاک هیچ پایه مشترکی وجود ندارد .

درصورت مستقیم وصل کردن مدار فرمان به مدار قدرت علاوه براین اشکالات نویز باعث برق دار شدن مدار فرمان میشود .

برای برطرف کردن این اشکال 2 راه وجود دارد .

1- استفاده از ترانس پالس * 2- اپتو کوپلر * در روش ترانس پالس ، به وسیله یک ترانس پالس مدار فرمان از قدرت جدا میشود .

به این ترتیب که با اعمال پالس ازطرف مدارفرمان در سر دیگر ترانس پالس یک پالس مربعی ایجاد میشود که ازآن میتوان برای فرمان دادن مدارات قدرت استفاده کرد .

1- ترانزیستور : از خروجی میکرو جریان کمی میگذرد به خطر تقویت جریان برای رسیدن به ورودی opto IC استفاده میشود .

* مدار پیشنهادی برای راه اندازی تریاک IC(opto copler) توسط اپتوکوپلر

مدار سنسور آب :

در این مدار از زوج دارلینگتون استفاده شده برای اینکه ضریب تقویت بالا رود .

برای سنس کردن سطح آب میتوان از مدار زیر استفاده کرد به این ترتیب که چون آب عنصر خالص نیست پس دارای مقاومتی میباشد .که حدود 300ki است .

در شرایط عادی وقتی که بین 2 پایه قطع ما هیچ مقاومتی وجود ندارد ترانزیستور Q1 و Q2 که به صورت ربوج دارلینگتون –

- برای بالابردن ضریب تقویت بسته شده و درحالت قطع میباشد .

در این حالت خروجی مدار یک 1 میباشد اما اگر مقاومتی بین دوپایه قطع قرار میگیرد : ترانزیستورهای Q1 و Q2 به حالت اشباع رفته در این حالت ولتاژ خروجی مدار صفر میشود .

مقاومت R1 به منظور حفاظت ترانزیستورها از اتصال کوتاه دوسه سنسور به کاربرده شده ، به این ترتیب که اگر این مقاومت در مدار نباشد هنگام اتصال کوتاه شدن دوسه سنسور تمام ولتاژ دوسه بیس – امتیر ترانزیستورها خواهد افتاد که موجب سوختن و از بین رفتن آنها میشود .

مقاومت R2 به منظور بایاس ترانزیستورها و کنترل حساسیت مدار به کار رفته است به این ترتیب که هرچقدر مقدار مقاومت R2 بیشتر باشد حساسیت مدار بیشتر شده و برعکس .

اگر مقاومت R2 از مدار خارج شود سنسور ما با اشاره دست فعال میشود مانند (سوئیچ های finger tikh ) …

:(ADC0804) IC

یک IC آنالوگ به دیجیتال است که ولتاژ را به دیجیتالی تبدیل میکند .

سنسور دما یک IC سه پایه است که به ازای هردرجه حرارت 10mv خروجی دارد .

پورتهای Po مقاومتهای بالای IC پورت صفر احتیاج به مقاومت Pull Up دارد که از مقاومت 10k برای این کار استفاده میشود .

پایه Reset  شماره 9 میباشد که به هنگام روشن شدن میکرو آن را Reset میکند و باعث میشود که برنامه ما از ابتدا اجرا میشود .

این مقاومت با یک مخازن ما را سری شده و به Vcc متصل شده است .

کریستال 12mHz میکرو ، برای تولید پالس بکار میرود .

کلاک میکرو میباشد .

P000 برای خروجی کلاک برای ATOD میباشد .

مدارمتصل به پایه 9 میکرو به صورت زیر است که در آن خازن 1mf به IC  متصل است و مقاومت به کاربرده شده 10km بوده و مدار Reset سخت افزاری میکرو میباشد

نمودار صفحه نمایش مدار :

آشنایی با میکروکنترلرها

1-1 مقدمه

گرچه کامپیوترها تنها چند دهه ای است که با ما همراهند ، با این حال تأثیر عمیق آنها بر زندگی ما با تأثیر تلفن ، اتومبیل و تلویزیون رقابت میکند .

همگی ما حضور آنها را احساس میکنیم ، چه برنامه نویسان کامضیوتر و چه دریافت کنندگان صورت حسابهای ماهیانه که توسط سیستمهای کامپیوتری بزرگ چاپ شده و توسط پست تحویل داده میشود .

تصور ما زا کامپیوتر معمولا «داده پردازی» است که محاسبات عددی را بطور خستگی ناپذیری انجام میدهد .

ما با انواع گوناگونی از کامپیوترها برخورد میکنیم که وظایفشان را زیرکانه و بطرزی آرام ، کارا و حتی فروتنانه انجام میدهند و حتی حضور آنها اغلب احساس نیمشود .

ما کامپیوترها را به عنوان جزء مرکزی بسیاری از فرآورده های صنعتی و مصرفی از جمله ، در سوپرمارکت ها داخل صندوق های پول و ترازوها ، درخانه ، دراجاق ها ، ماشین های لباسشویی ، ساعت های دارای سیستم خبردهنده و ترموستات ها ، در وسایل سرگرمی همچون اسباب بازی ها ، VCR ها ، تجهیزات استریو و وسایل صوتی ، در محل کار در ماشین های تایپ و فتوکپی ، و در تجهیزات صنعتی مثل مته های فشاری و دستگاههای حروفچینی نوری مییابیم .

در این مجموعه ها کامپیوترها وظیفه «کنترل» را در ارتباط با «دنیای واقعی» ، برای روشن و خاموش کردن وسایل و نظارت بر وضعیت آنها انجام میدهند .

میکروکنترلرها (برخلاف میکروکامپیوترها و ریزپردازنده ها) اغلب در چنین کاربردهایی یافت میشوند .

با وجود این که بیش از بیست سال از تولد ریزپردازنده نمیگذرد ، تصور وسایل الکترونیکی و اسباب بازیهای امروزی بدون آن کار مشکلی است .

در 1971 شرکت اینتل ، 8080 را به عنوان اولین ریزپردازنده موفق عرضه کرد .

مدت کوتاهی پس از آن ، موتور ولا ، RCA و سپس MOS Technology و Zilog انواع مشابهی را به ترتیب به نامهای 6800 ، 1801 ، 6502 ، Z80 عرضه کردند .

گرچه این مدارهای مجتمع (IC) ها به خودی خود فایده چندانی نداشتند اما به عنوان بخشی از یک کامپیوتر تک بورد (SBC) ، به جزء مرکزی فرآورده های مفیدی برای آموزش طراحی با ریزپردازنده ها تبدیل شدند .

از این SBC ها که بسرعت به آزمایشگاههای طراحی در کالج ها ، دانشگاهها و شرکت های الکترونیک راه پیدا کردند میتوان برای نمونه از D2 موتورولا ، KIM-1 ساخت MOS Technolog و SDK-85 متعلق به شرکت اینتل نام برد 

ما با انواع گوناگونی از کامپیوترها برخورد میکنیم که وظایفشان را زیرکانه و بطرزی آرام ، کارا و حتی فروتنانه انجام میدهند و حتی حضور آنها اغلب احساس نیمشود .

در این مجموعه ها کامپیوترها وظیفه «کنترل» را در ارتباط با «دنیای واقعی» ، برای روشن و خاموش کردن وسایل و نظارت بر وضعیت آنها انجام میدهند .

از این SBC ها که بسرعت به آزمایشگاههای طراحی در کالج ها ، دانشگاهها و شرکت های الکترونیک راه پیدا کردند میتوان برای نمونه از D2 موتورولا ، KIM-1 ساخت MOS Technolog و SDK-85 متعلق به شرکت اینتل نام برد .

میکروکنترلر قطعه ای شبیه به ریزپردازنده است .

در 1976 اینتل 8748 را به عنوان اولین قطعه خانواده میکروکنترلرهای MCS-48TM معرفی کرد .

8748 با 17000 ترانزیستور در یک مدار مجتمع ، شامل یک CPU 1 کیلو بایت EPROM ، 64 بایت RAM ، 27 پایه I/O و یک تایمکر 8 بیتی بود .

این IC و دیگر اعضای MCS-48TM که پس از آن آمدند ، خیلی زود به یک استاندارد صنعتی در کاربردهای کنترل گرا تبدیل شدند جایگزین کردن اجزاء الکترومکانیکی در فرآورده هایی مثل ماشین های لباسشویی و چراغ های راهنمایی از ابتداری کار ، یک کاربرد مورد توجه برای این میکروکنترلرها بودند و همین طور باقی ماندند .

دیگر فرآورده هایی که در آنها میتوان میکروکنترلر را یافت عبارتند از اتومبیل ها ، تجهیزات صنعتی ، وسایل سرگرمی و ابزارهای جانبی کامپیوتر .

(افرادی که یک IBM PC دارند کافی است به داخل صفحه کلید نگاه کنند تا مثالی از یک میکروکنترلر را دریک طراحی با کمترین اجزاء ممکن ببینند).

توان ، ابعاد و پیچیدگی میکروکنترلرها با اعلام ساخت 8051 ، یعنی اولین عضو خانواده میکروکنترلرهای MCS-51‏ء در 1980 توسط اینتل پیشرفت چشمگیری کرد .

در مقایسه با 8048 این قطعه شامل بیش از 60000 ترانزیستور ، K 4 بایت ROM ، 128 بایت RAM ، 32 خط I/O ، یک درگاه سریال و دوتایمر 16 بیتی است .

که از لحاظ مدارات داخلی برای یک IC بسیار قابل ملاحظه است ، (شکل 1-1 را ببینید).

امروزه انواع گوناگونی از این IC وجود دارند که به صورت مجازی این مشخصات را دوبرابر کرده اند .

شرکت زیمنس که دومین تولیدکننده قطعات MCS-51TM است SAB80515 را به عنوان یک 8051 توسعه یافته دریک بسته 68 پایه با شش درگاه I/O 8 بیتی ، 13 منبع وقفه ، و یک مبدل آنالوگ به دیجیتال با 8 کانال ورودی عرضه کرده است .

خانواده 8051 به عنوان یکی از جامعترین و قدرتمندترین میکروکنترلرهای 8 بیتی شناخته شده و جایگاهش را به عنوان یک میکروکنترلر مهم برای سال های آینده یافته است .

این کتاب درباره خانواده میکروکنترلرهای MSC-51TM نوشته شده است .

فصل های بعدی معماری سخت افزار و نرم افزار خانواده MCS-51TM را معرفی میکنند و از طریق مثالهای طراحی متعدد نشان میدهند که چگونه اعضای این خانواده میتوانند در طراحی های الکترونیکی با کمترین اجزاء اضافی ممکن شرکت داشته باشند .

در بخشهاس بعدی از طریق یک آشنایی مختصر با معماری کامپیوتر ، یک واژگان کاری از اختصارات و کلمات فنی که دراین زمینه متداولند (واغلب باهم اشتباه میشوند) را ایجاد خواهیم کرد .

از آن جا که بسیاری اصطلاحات در نتیجه تعصب شرکتهای بزرگ و سلیقه مؤلفان مختلف دچار ابهام شده اند ، روش کار ما در این زیمنیه بیشتر عملی خواهد بود تا آکادمیک .

هر اصطلاح در متداول ترین حالت با یک توضیح ساده معرفی شده است .

2-1 اصطلاحات فنی یک کامپیوتر توسط دو ویژگی کلیدی تعریف میشود : (1) داشتن قابلیت برنامه ریزی برای کارکردن روی داده بدون مداخله انسان و (2) توانایی ذخیره و بازیابی داده .

عموما یک سیستم کامپیوتری شامل ابزارهای جانبی برای ارتباط با انسان ها به علاوه برنامه هایی برای پردازش داده نیز میباشد .

تجهیزات کامپیوتر سخت افزار ، و برنامه های آن نرم افزار نام دارند .

در آغاز اجازه بدهید کارخود را با سخت افزار کامپیوتر و با بررسی شکل 2-1 آغاز میکنیم .

نبود جزئیات درشکل عمدی است و باعث شده تا شکل نشان دهنده کامپیوترهایی درتمامی اندازه ها باشد .

همانطور که نشان داده شده است ، یک سیستم کامپیوتری شامل یک واحد پردازش مرکزی (CPU) است که از طریق گذرگاه آدرس2 ، گذرگاه داده3 و گذرگاه کنترل4 به حافظه قابل دستیابی تصادفی 5 (RAM) و حافظه فقط خواندنی 6 (ROM) متصل میباشد .

مدارهای واسطه 7 گذرگاه های سیستم را به وسایل جانبی متصل میکنند .

حال اجازه بدهید تا هریک از اینها را بطور مفصل بررسی کنیم .

3-1 واحد پردازش مرکزی CPU ، به عنوان «مغز» سیستم کامپیوتری ، تمامی فعالیتهای سیستم را اداره کرده و همه عملیات روی داده را انجام میدهد .

اندیشه اسرارآمیز بودن CPU در اغلب موارد نادرست است زیرا این تراشه فقط مجموعه ای از مدارهای منطقی است که بطورمداوم دو عمل را انجام میدهئد : واکشی 8 دستورالعمل ها ، و اجرای آنها .

CPU توانایی درک و اجرای دستورالعمل ها را براساس مجموعه ای از کدهای دودویی دارد که هریک از این کدها نشان دهنده یک عمل ساده است .

این دستورالعمل ها معمولا حسابی (جمع ، تفریق ، ضرب و تقسیم) ، منطقی NOT , OR , AND) وغیره) ، انتقال داده یا عملیات انشعاب هستند و با مجموعه ای از کدهای دودویی با نام مجموعه دستورالعمل ها9 نشان داده میشوند .

شکل 3-1 یک تصویر بی نهایت ساده شده از داخل یک CPU است .

این شکل مجموعه ای از ثبات ها1 را برای ذخیره سازی موقت اطلاعات ، یک واحد عملیات حسابی و منطقی2 (ALU) برای انجام عملیات روی این اطلاعات ، یک واحد کنترل و رمزگشایی دستورالعمل3 (که عملیاتی را که باید انجام شود تعیین میکند و اعمال لازم را برای انجام آنها شروع مینماید.) و دوثبات اضافی را نشان میدهد .

ثبات دستورالعمل (IR) کد دودویی هردستورالعمل را درحال اجرا نگه میدارد و شمارنده برنامه (PC) آدرس حافظه دستورالعمل بعدی را که باید اجرا شود نشان میدهد .

واکشی یک دستورالعمل از RAM سیستم یکی از اساسی ترین اعمالی است که توسط CPU انجام میشود و شامل این مراحل است : (الف) محتویات شمارنده برنامه درگذرگاه آدرس قرار میگرد (ب) یک سیگنال کنترل READ فعال میشود (پ) داده (کد عملیاتی4 دستورالعمل) از RAM خوانده میشود و روی گذرگاه داده قرار میگیرد (ت) کد عملیاتی در ثبات داخلی دستورالعمل CPU انجام میشود و (ث) شمارنده برنامه یک واحد افزایش مییابد تا برای واکشی بعدی از حافظه آماده شود .

شکل 4-1 نشان دهنده جریان اطلاعات برای واکشی یک دستورالعمل است .

مرحله اجرا مستلزم رمزگشایی کد عملیاتی و ایجاد سیگنالهای کنترلی برای گشودن ثبات های درونی به داخل و خارج از ALU است .

همچنین باید به ALU برای انجام عملیات مشخص شده فرمانی داده شود .

بعلت تنوع زیاد عملیات ممکن ، این توضیحات تاحدی سطحی میباشند و دریک عملیات ساده مثل «افزایش یک واحدی ثبات»1 مصداق دارند .

دستورالعمل های پیچیده تر نیاز به مراحل بیشتری مثل خواندن بایت دوم و سوم به عنوان داده برای عملیات دارند .

یک سری از دستورالعمل ها که برای انجام یک وظیفه معنادار ترکیب شوند برنامه یا نرم افزار نامیده میشود ، و نکته واقعا اسرارآمیز درهمین جا نهفته است .

معیار اندازه گیری برای انجام درست وظایف ، بیشتر کیفیت نرم افزار است تا توانایی تحلیل CPU .

سپس برنامه ها CPU را «راه اندازی» میکنند و هنگام این کار آنها گهگاه به تقلید از نقطه ضعف های نویسندگان خود ، اشتباده هم میکنند .

عباراتی نظیر «کامپیوتر اشتباه کرد» گمراه کننده هستند .

اگرچه خرابی تجهیزات غیرقابل اجتناب است اما اشتباه در نتایج معمولا نشانی از برنامه های ضعیف یا خطای کاربر میباشد .

4-1 حافظه نیمه رسانا : RAM و ROM برنامه ها و داده در حافظه ذخیره میشوند .

حافظه های کامپیوتر بسیار متنوعند و اجزای همراه آنها بسیار ، و تکنولوژی بطور دائم و پی در پی موانع را برطرف میکند ، بگونه ای که اطلاع از جدیدترین پیشرفتها نیاز به مطالعه جامع و مداوم دارد .

حافظه هایی که بطور مستقیم توسط CPU قابل دستیابی میباشند ، IC های (مدارهای مجتمع) نیمه رسانایی هستند که RAM و ROM نامیده میشوند .

دو ویژگی RAM و ROM را از هم متمایز میسازد : اول آن که RAM حافظه خواندنی / نوشتنی است درحالی که ROM حافظه فقط خواندنی است و دوم آن که RAM فرار است (یعنی محتویات آن هنگام نبود ولتاژ تغذیه پاک میشود) درحالی که ROM غیر فرار میباشد .

اغلب سیستمهای کامپیوتری یک دیسک درایو ومقدار اندکی ROM دارند که برای نگهداری روال های نرم افزاری کوتاه که دائم مورد استفاده قرار میگیرند و عملیات ورودی / خروجی را انجام میدهند کافی است .

برنامه های کاربران و داده ، روی دیسک ذخیره میگردند و برای اجرا به داخل RAM بار میشوند .

با کاهش مداوم در قیمت هربایت RAM ، سیستمهای کامپیوتری کوچک اغلب شامل میلیونها بایت RAM میباشند .

5-1 گذرگاهها : آدرس ، داده و کنترل یک گذرگاه عبارت است از مجموعه ای از سیم ها که اطلاعات را با یک هدف مشترک حمل میکنند .

امکان دستیابی به مدارات اطراف CPU توسط سه گذرگاه فراهم میشود : گذرگاه آدرس ، گذرگاه داده و گذرگاه کنترل .

برای هرعمل خواندن یا نوشتن ، CPU موقعیت داده (یا دستورالعمل) را با قراردادن یک آدرس روی گذرگاه آدرس مشخص میکند و سپس سیگنالی را روی گذرگاه کنترل فعال مینماید تا نشان دهد که عمل موردنظر خواندن است یا نوشتن .

عمل خواندن ، یک بایت داده را از مکان مشخص شده در حافظه برمیدارد و روی گذرگاه داده قرار میدهد .

CPU داده را میخواند و دریکی از ثبات های داخلی خود قرار میدهد .

برای عمل نوشتن CPU داده را روی گذرگاه داده میگذارد .

حافظه ، تحت تأثیر سیگنال کنترل ، عملیات را بعنوان یک سیکل نوشتن ، تشخیص میدهد و داده را درمکان مشخص شده ذخیره میکند .

اغلب ، کامپیوترهای کوچک 16 یا 20 خط آدرس دارند .

با داشتن n خط آدرس که هریک میتوانند در وضعیت بالا(1) یا پایین (0) باشند ، n 2 مکان قابل دستیابی است .

بنابراین یک گذرگاه آدرس 16 بیتی میتواند به 65536 = 16 2 مکان ، دسترسی داشته باشد و برای یک آدرس 20 بیتی 1048576 = 20 2 مکان قابل دستیابی است .

علامت اختصاری K (برای کیلو) نماینده 1024 = 10 2 میباشد ، بنابراین 16 بیت میتواند K 64 = 10 2 × 6 2 مکان را آدرس دهی کند درحالی که 20 بیت میتواند K 1024 = 10 2 × 10 2 ( یا Meg 1) را آدرس دهی نماید .

گذرگاه داده اطلاعات را بین CPU و حافظه یا بین CPU و قطعات I/O منتقل میکند .

تحقیقات دامنه داری که برای تعیین نوع فعالیتهایی که زمان ارزشمند اجرای دستورالعمل ها را دریک کامپیوتر صرف میکنند ، انجام شده است نشان میدهد که کامپیوترها دوسوم وقتشان را خیلی ساده صرف جابجایی داده میکنند .

ازآن جا که عمده عملیات جابجایی بین یک ثبات CPU و RAM یا ROM خارجی انجام میشود تعداد خطهای (یا پهنای) گذرگاه داده در کارکرد کلی کامپیوتر اهمیت شایانی دارد .

این محدودیت پهنا ، یک تنگنا به شمار میرود : ممکن است مقادیر فراوانی حافظه در سیستم وجود داشته باشد و CPU از طریق گذرگاه داده – توسط پهنای گذرگاه داده محدود میشود .

به علت اهمیت این ویژگی ، معمول است که یک پیشوند را که نشان دهنده اندازه این محدودیت است اضافه میکنند .

عبارت «کامپیوتر 16بیتی» به کامپیوتری با 16 خط در گذرگاه داده اشاره میکند .

اغلب کامپیوترها در طبقه بندی 4 بیت ، 8 بیت ، 16 بیت یا 32 بیت قرار میگیرند و توان محاسباتی کلی آنها با افزایش پهنای گذرگاه داده ، افزایش مییابد .

توجه داشته باشید که گذرگاه داده همانطور که درشکل 2-1 نشان داده شده است ، یک گذرگاه دوطرفه و گذرگاه آدرس ، یک گذرگاه یک طرفه میباشد .

اطلاعات آدرس همیشه توسط CPU فراهم میشود (همانطوری که درشکل 2-1 با فلش نشان داده شده است.) درحالی که داده ممکن است در هرجهت ، بسته به اینکه عملیات خواندن موردنظر باشد یا نوشتن ، جابجا شود .1 همچنین توجه داشته باشید که عبارت «داده» در مفهوم کلی بکار رفته است یعنی اطلاعاتی که روی گذرگاه داده جابجا میشود و ممکن است دستورالعمل های یک برنامه ، آدرس ضمیمه شده به یک دستورالعمل یا داده مورد استفاده توسط برنامه باشد .

گذرگاه کنترل ترکیب درهمی از سیگنال ها است ، که هریک نقش خاصی درکنترل منظم فعالیتهای سیستم دارند .

بعنوان یک قاعده کلی ، سیگنال های کنترل سیگنالهای زمانبندی هستند که توسط CPU برای همزمان کردن جابجایی اطلاعات روی گذرگاه آدرس و داده ایجاد میشوند .

اگرچه معمولا سه سیگنال مثل CLOCK ، READ و WRITE وجود دارد ، برای انتقال اساسی داده بین CPU و حافظه ، نام و عملکرد این سیگنال ها بطورکامل بستگی به نوع CPU دارد .

برای جزئیات بیشتر در این موارد باید به برگه اطلاعات سازندگان مراجعه کرد .

6-1 ابزارهای ورودی / خروجی ابزارهای I/O یا «ابزارهای جانبی کامپیوتر» مسیری برای ارتباط بین سیستم کامپیوتری و «دنیای واقعی» فراهم میکنند .

بدون ابزارهای جانبی ، سیستمهای کامپیوتری به ماشینهای درون گرایی تبدیل میشوند که استفاده ای برای کاربران خود ندارند .

سه دسته از ابزارهای I/O عبارتند از ابزارهای ذخیره سازی انبوه ،2 ابزارهای رابط با انسان3 و ابزارهای کنترل / نظارت4 .

1-6-1 ابزارهای ذخیره سازی انبوه ابزارهای ذخیره سازی انبوه نیز مثل RAM ها و ROM های نمیه رسانا جزو نقش آفرینان عرصه تکنولوژی حافظه هستند که بطور دائم درحال رشد و بهبود است .

آنچنان که از نام آنها برمی آید این ابزارها مقادیر معتنابهی اطلاعات (برنامه یا داده) را نگهداری میکنند و این حجم از اطلاعات به هیچ وجه در RAM یا «حافظه اصلی» نسبتا کوچک کامپیوتر جا نیمگیرد .

این اطلاعات پیش از این که در دسترس CPU قرار بگیرد باید به داخل حافظه اصلی بارشود .

دسته بندی ابزارهای ذخیره سازی انبوه برطبق سادگی دستیابی به اطلاعات ، آنها را به دودسته تقسیم میکند ابزارهای آماده کار و ابزارهای بایگانی .

در روش ذخیره سازی آماده کار که معمولا روی دیسک های مغناطیسی انجام میشود ، اطلاعات ذخیره شده در دسترس CPU قرار دارند بدون آن که نیازی به دخالت انسان از طریق اجرای نرم افزار خاصی باشد .

در روش ذخیره سازی بایگانی داده هایی نگهداری میشوند که بندرت به کار میروند و باید بصورت دستی در سیستم بار شوند .

ذخیره سازی بایگانی معمولا روی نوارهای مغناطیسی یا دیسک های مغناطیسی انجام میشود .

اگرچه دیسک های نوری مثل CD-ROM ها 3 یا تکنولوژی WORM 4 که بتازگی ظهور کرده اند ، ممکن است سمت گیری روش ذخیره سازی بایگانی را به علت قابلیت اطمینان ، ظرفیت بالا و قیمت پایین خود تغییر دهند .

5 2-6-1 ابزارهای رابط با انسان یگانگی انسان و ماشین توسط مجموعه ای از ابزارهای رابط با انسان تحقق مییابد که متداول ترین آنها عبارتند از پایانه های نمایش تصویر (VDT) و چاپگرها .

اگرچه چاپگرها ابزارهای صرفا خروجی هستند که برای چاپ کردن اطلاعات به کار میروند ولی VDT ها در واقع از دو وسیله تشکیل شده اند زیرا شامل یک صفحه کلید به عنوان ورودی و یک CRT 6 به عنوان خروجی میباشند .

یک رشته خاص در مهندسی به نام «ارگونومیک» یا «مهندسی فاکتورهای انسانی» به خاطر ضرورتی که درطراحی این ابزارهای جانبی باتوجه به طبیعت انسان احساس میشد ، به وجود آمده است و هدف آ“ وفق دادن مشخصات انسان با ماشین های مورد استفاده او به شکلی مطمئن ، راحت و کارا میباشد .

درحقیقت تعداد شرکت هایی که این دسته از ابزارهای جانبی را تولید میکنند بیشتر از شرکتهای تولید کننده کامپیوتر است .

در هرسیستم کامپیوتری دست کم سه تا از این ابزارها وجود دارد : صفحه کلید ، CRT و چاپگر .

از دیگر ابزارهای رابط با انسان میتوان دستگیره بازی7 ، قلم نوری ، ماوس میکروفن و بلندگو را نام برد .

3-6-1 ابزارهای کنترل / نظارت به کمک ابزارهای کنترل / نظارت (وبرخی نرم افزارها و رابط های الکترونیک دقیق) کامپیوترها میتوانند کارهای کنترلی زیادی را بی وقفه ، بدون خستگی و بسیار فراتر از توانایی انسان انجام دهند .

کاربردهایی نظیر کنترل حرارت یک ساختمان ، محافظت ازخانه ، کنترل آسانسور ، کنترل وسایل خانگی و حتی جوش دادن قطعات مختلف یک خودرو همگی با استفاده از این ابزارها امکان پذیر هستند .

ابزارهای کنترل ، ابزارهای خروجی یا عمل کننده 1 هستند .

آنها وقتی که با یک ولتاژ یا جریان ، تغذیه شوند میتوانند برجهان پیرامون خود اثر بگذارند (مثل موتورها و له ها).

ابزارهای نظارت ، ابزارهای ورودی یا حسگر2 هستند که با کمیت هایی نظیر حرارت ، نور ، فشار ، حرکت و مانند آن ، تحریک شده و آنها را به جریان یا ولتاژی که توسط CPU خوانده میشود تبدیل مکنند (مثل فتوترانزیستورها ، ترمیستورها و سوئیچ ها).

ولتاژ یا جریان توسط مدارهای واسطه ، به یک داده دودویی تبدیل میشود و یا برعکس و سپس نرم افزار ، یک رابطه منطقی بین ورودی ها و خروجی ها برقرار میکند .

سخت افزار و نرم افزار موردنیاز برای ارتباط این ابزارها با میکروکنترلرها یکی از موضوعات عمده این کتاب میباشد .