مقاله میکروکنترلر ها

مقدمه:

گرچه کامپیوترهای تنها چند دهه‎ای است که با ما همراهند با این حال تأثیر عمیق آنها بر زندگی ما به تأثیر تلفن، اتومبیل و تلویزیون رقابت می‎کند. همگی ما حضور آنها را احساس می‎‏کنیم چه برنامه‎نویسان کامپیوتر و چه دریافت کنندگان صورت حسابهای ماهیانه که توسط سیستمهای کامپیوتری بزرگ چاپ شده و توسط پست تحویل داده می‎شود. تصور ما از کامپیوتر معمولاً «داده‎پردازی» 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 انها اغلب احساس نمی‎شود. ما کامپیوترها را به عنوان جزء مرکزی بسیاری از فرآورده‎های صنعتی و مصرفی از جمله در سوپر مارکت‎ا داخل صندوق‎های پول و ترازوها، در خانه‎ها، در اجاق‎ها، ماشین‎های لباسشوئی، ساعت‎های اداری دارای سیستم جز دهنده و ترموستات‎ها، در وسایل سرگرمی همچون اسباب بازی‎ها، VCRها، تجهیزات استریو و وسایل صوتی؛ در محل کار در ماشین‎های تایپ و فتوکپی و در تجهیزات صنعتی مثل مته‎های فشاری و دستگاههای حروفچینی نوری می‎یابیم. د این مجموعه‎ها کامپیوترها وظیفه کنترل را در ارتباط با دنیای واقعی برای روشن و خاموش کردن وسایل و نظارت بر وضعیت آنها انجام می‎دهند.

میکروکنترلر ها (بر خلاف میکرو کامپیوترها و ریزپردازنده‎ها) اغلب در چنین کاربردهایی یافت می‎شوند.

با وجود اینکه بیش از بیست سال از تولد ریزپردازنده نمی‎گذرد تصور وسایل الکترونیکی و اسباب بازیهای امروزی بدون آن کار مشکل است. در سال 1971 شرکت اینتل 8080 رابه عنوان اولین ریزپردازنده موفق عرضه کرد. مدت کوتاهی پس از آن موتورلا، RCA و سپس Mos Technology و Zilog انواع مشابهی را به ترتیب به نامهای 6800، 1801، 6502، 80Z عرضه کردند گرچه این مودارهای مجتمع به خودی خود فایده چندانی نداشتند اما به عنوان بخشی از یک کامپیوتر تک بورد (SBC) به جزء مرکزی فرآورده‎های مفیدی برای آموزش طراحی با ریزپردازنده‎ها تبدیل شدند. از این SBCها که به سرعت به آزمایشگاههای طراحی در کالج‎ها، دانشگاهها و شرکتی‎های الکترونیک راه پیدا کردند می‎توان برای نمونه از D2 موتورولا KIM-1 ساخت Mos Technology و 85-SDK متعلق به شرکت اینتل نام برد.

میکروکنترلرها قطعه‎ای شبیه به ریزپردازنده است در سال 1976 اینتل 8748 را به عنوان اولین قطعه خانواده میکروکنترلرهای TM 48-MCS معرفی کرد. 8748 با 17000ترانزیستور در یک مدار مجتمع شامل یک CPU، 1کیلو بایتی EPROM، 64بایت RAM، 27 پایه I/O و یک تایمر 8بیتی بود. این IC و دیگر اعضای TM 48-MCS که پس از آن آمدند خیلی زود به استاندارد صنعتی در کاربردهای کنترل گرا تبدیل شدند. جایگزین کردن اجزاء الکترو مکانیکی در فرآورده‎هایی مثل ماشینهای لباسشویی و چراغهای راهنمایی از ابتدای کار یک کاربرد مورد توجه برای این میکرو کنترلرها بودند و همین طور باقی ماندند. دیگر فرآورده‎هایی که در آنها می‎توان میکروکنترلر را یافت عبارتند از اتومبیل‎ها تجهیزات صنعتی، وسیال سرگرمی و ابزارهای جانبی کامپیوتر.

توان ابعاد و پیچیدگی میکروکنترلرها با اعلام ساخت 8051، یعنی اولین عنصر خانواده میکرو کنترلرای TM51-MCS در سال 1980 توسط اینتل پیشرفت چشمگیری کرد. در مقایسه با 8048 این قطعه شامل بیش از 60000ترانزیستور، 4k بایت Rom، 128 بایت RAM، 32 خط I/O یک درگاه سریال و دو تایمر 16 بیتی است. که از لحاظ مدارات داخلی برای یک IC بسیار قابل ملاحظه است. امروزه انواع گوناگونی از این IC وجود دارد که بصورت مجازی این مشخصات را دو برابر کرده‎اند. شرکت زیمنس که دومین تولید کننده قطعات است (TM 51-MCS)، 80515SAB وقفه و یکی مبدل آنالوگ به دیجیتال با 8 کانال ورودی عرضه کرده است.

خانواده 8051 به عنوان یکی از جامع ترین و قدرتمندترین میکروکنترلرهای 8 بیتی شناخته شده و جایگاهش را به عنوان یک میکروکنترلر مهم برای سالهای آینده یافته است.

این بخش با بحثی در مورد نقش و اهمیت میکروکنترلرها در زندگی روزمره و نیاز به میکروکنترلرها و مقایسه آنها با میکرو پروسسورهای همه منظوره‎ای چون پنتیوم و دیگر میکرو پروسسورها آغاز شده است.

میکروکنترلرها در برابر میکرو پروسسورهای همه منظوره

تفاوت بین یک میکرو پروسسور و یک میکروکنترلر چیست؟ منظور از یک میکروپروسسور ریز پردازنده میکروی پروسسورهایی از خانواده x86 اینتل مثل 8036,80286,8086 و یا 68040,68030,68020خانواده‎هائی از این قبیل است این میکروپروسسورها فاقد RAM و پورت‎های ROM در درون خود تراشه هستند. به این دلیل به آنها «میکروپروسسورهای همه منظوره» می‎گویند.

طراح سیستمی که از میکرو پروسسور همه منظوره‎ای چون پنتیوم، 68040 استفاده می‎کند، باید در خارج از آن RAm ROM,پورتهای I/O و تایمرها را اضافه نماید تا سیستمی قابل کار ساخت شود. اگرچه افزایش RAM Rom, پورتهای I/O موجب حجیم شدن و گرانتر شدن سیستم‎ها می‎گردد، ولی به قابلیت انعطاف آنها افزوده می‎شود از جمله اینکه طراح می‎تواند روی مقدار ROM, ROM پورتهای I/O بر حسب نوع کاربرد تصمیم‎گیری و اعمال نظر نماید. این توانمندی در میکروکنترلرها امکان پذیر نیست. یک میکروکنترلر دارای یک CPU به همراه مقدار ثابتی از ROM,RAM پورتهای I/O و تامیر در درون خود می‎باشد. به بیان دیگر، پروسسور، ROM,RAM، پورتهای I/O و تایمر همگی در یک تراشه جای داده شده‎اند، بنابراین طراح نمی‎تواند یک حافظه، I/O یا تایمری را بدون گسترش لازم آن از بیرون اضافه کند. مقدار ثابت RAM,ROM و مقدار پورتهای تثبیت شده در میکروکنترلرها، آنها را برای کاربردهائی که قیمت و محفظه در آنها بحرانی است، ایده‎آل کرده است.

مقایسه سیستم میکرو پروسسور و میکرو کنترلر:

الف) میکرو پروسسور میکروکنترلر:                                                  ب) میکروکنترلر

                               گذرگاه آدرس

میکرو کنترل ها و سیستم‎ های تک منظوره:

در مقالاتی که میکرو پروسسور ها مطرح می‎شوند، اغلب عبارت سیستم تک منظوره را ملاحظه می‎کنیم. میکرو پروسسورها و میکروکنترلرها بطور گسترده‎ای در تولید سیستم‎های تک منظوره بکار می‎روند. یک محصول تک منظوره از یک میکروپروسسور (یا میکرو کنترلر) برای انجام فقط و فقط یک کار استفاده می‎کند. یک چاپگر نمونه‎ای از یک سیستم تک منظوره است. زیرا پروسسور داخل آن فقط یک کار را انجام می‎دهد و آن این است که داده را بدست آورده و آن را چاپ کند. این کار را با یک PC مبتنی بر پنتیوم (مانند هر PC سازگار با x86 IBM) مقایسه نمایید. PC می‎تواند برای هر کاربردی مانند پردازشگرهای کلمات، مراکز چاپ، پایانه، لیست‎های بانک، بازیهای ویدئویی، سرویس‎دهنده شبکه و پایانه اینترنت مورد استفاده قرار گیرد، برای انواع کاربردها می‎توان به راحتی برنامه را در PC بار کرده و آن را اجرا کرد. البته دلیل قابلیت اجرای کارهای متنوع در PC،‌این است که دارای حافظه RAM و سیستم عاملی است که نرم افزار کاربردی را در RAM بار کرده و اجازه اجرای آن را به PC می‎دهد. در یک سیستم تک منظوره، تنها یک نرم افزار کاربردی وجود دارد و معمولاً در ROM سوزانده می‎شود. یکPC x86  ممکن است به وسایل تک منظوره‎ای مانند صفحه کلید، چاپگر، مودم، کنترل‎گر دیسک، کارت صدا، راه انداز CD-Rom، ماوس و غیره متصل باشد. هر یک از این وسایل جانبی در داخل خود دارای یک میکروکنترلر برای انجام کار خاص می‎باشند. مثلاً در داخل هر ماوس یک میکرو کنترلر وجود دارد که وظیفه‎اش یافتن مکان ماوس و ارسال آنها به PC است. جدول زیر بعضی از محصولات تک منظوره را نشان می‎دهد.

منزل

خودکار

لوازم خانگی

کامپیوتر

ارتباطات درونی

کنترل موتور

تلفن

کیسه هوا

دزدگیر

وسایل اندازه‎گیری

منشی تلفن

سیستم حفاظتی

ماشین‎های خیاطی

کنترل انتقال

ورود بدون کلید

اداری

فاکس

مایکروویو

دستگاه فتوکپی

چاپگر لیزری

چاپگر رنگی

احضار از بلندگو

انتخاب یک میکروکنترلر

چهار نوع میکروکنترلر 8بیت مهم وجود دارد که عبارتند زا:

6811 ازموتورولا 8051- ازاینتل Z8- از زایکوگ PIC 16x از شرکت میکروچیپ تکنولوژی هر یک از میکرو کنترلرهای فوق مجموعه دستورات و مجموعه ثباتهای خاص خود را دارد، بنابراین با یکدیگر سازگار نیستند. برنامه‎ای که بر روی یک ازآنها نوشته شود، بر روی دیگری قابل اجرا نیست. میکروکنترلرهای 16 و 32 بیتی هم وجود دارند که به وسیله سازندگان مختلف ساخته شده‎اند. با این تنوع در میکرو کنترلرها، طراح باید کدامیک را انتخاب کند؟ سه روش برای این انتخاب در زیر تشریح شده است:

(1) برآورده کردن نیازهای محاسبات کار بطور موثر و مقرون به صرفه.

(2) در دسترس داشتن نرم‎افزارهای کمکی مانند کامپایلرها، اسمبلرها و عیب یاب‎ها

(3) منابع گسترده و قابل اعتماد برای میکروکنترلرها

اکنون هر یک از موارد فوق را به تفصیل بررسی می‎کنیم:

روش انتخاب میکروکنترلر:

1-اولین و قدیمی‎ترین روش انتخاب میکروکنترلر این است که نیازهای سیستم دقیقاً مشخص و هزینه آن هم مقرون به صرفه باشد. دیگر موارد قابل بررسی عبارتند از:

الف) سرعت. بالاترین سرعتی که میکروکنترلر پشتیبانی می‎کند چیست؟

ب) بسته‎بندی. آیا بسته‎بندی از نوع DIP چهل پایه است، از نوع AFP (بسته همسطح) تهیه شده است، و یا در دیگر انواع بسته‎بندی ارائه شده است؟ بسته‎بندی به دلیل فضای اشغالی مونتاژ و ساخت نمونه نهایی اهمیت خاصی دارد.

پ) توان مصرفی. این فاکتور خصوصاً برای محصولاتی که با باطری کار می‎کنند، اهمیت دارد.

ت) مقدار RAM و ROM در تراشه

ث) تعداد پایه‎های I/O و تایمر در تراشه

ج) به چه سادگی به ویرایش بعدی از نظر کارایی و توان مصرفی تبدیل می‎شود.

چ) قیمت هر عدد. این فاکتور از نظر قیمت تمام شده میکروکنترلری که در تولید بکار رفته، اهمیت دارد. مثلاً وقتی که 100000 واحد خریداری گردد، قیمت هر یک می‎تواند حدود 50 سنت باشد.

(2) روش دوم در انتخاب یک میکروکنترلر این است که به چه سادگی می‎توان حول آن امکانات ایجاد کرد.

بررسی‎های کلیدی نشان می‎دهد که در دسترس بودن اسمبلر، عیب یاب، کامپایلر C امولاتور (شبیه ساز) پشتیبانی فنی و متخصصین درون خانه‎ای و بیرونی از نکات قابل توجهند در بسیاری از حالات، تولید کنندگان دست دوم، (تولید کنندگانی که سازنده اولیه نیستند) می‎توانند اگر بهتر از سازنده نباشند، در حد آنها سرویس ارائه کنند.

(3) سومین روش در انتخاب میکروکنترلر، در دسترس بودن آن بتعداد لازم در حال حاضر و آینده است. برای بعضی از طراحان، این یکی حتی مهمتر از موارد 1 و 2 است. در حال حاضر، در میان پیشروان میکروکنترلرها،‌خانواده 8051 بیشترین تعداد تولید کننده ثانویه را دارد. در اینجام منظور از تولیدکننده ثانویه میکروکنترلر، تولید کننده‎ای به جز تولید کننده اصلی است. در مورد 8051، که ابتدا به وسیله Intel ساخته شد، چندین کمپانی دیگر در حال حاضر مشغول تولید آن بوده و یا هستند. از آن جمله: Matra, Simens, AMD, Atmel, Philips/Signetics

باید متذکر شد که Motorola و Microchip Technology, Zilog تعداد زیادی شعبات را برای این منظور انتخاب کرده‎اند تا تولیدات خود را به طور گسترده و به موقع در دسترس قرار دهند زیرا تولیدشان با ثبات، در حد کمال و قابلیت دسترسی، از یک مرکز است. در سال‎ای اخیر آنها نیز شروع به فروش سلول کتابخانه AISC از میکروکنترلرها کرده‎اند.

جدول 1-2 بعضی از کمپانیهای تولید کننده اعضای خانواده 8051

Web Site

Company

www.intel.com/design/mcs51

Intel

www.atmel.com

Atmel

WWW.Semiconductors.philips.com

Philips/signetics

www.Sci.siemens.com

Siemens

www.dalsemi.com

Dallas Semiconductors

تاریخچه مختصری از 8051:

در سال 1981 شرکت اینتل، میکروکنترلری به نام 8051 را معرفی کرد. این میکروکنترلر دارای 128 بایت RAM، 4K بایت ROM، دو تایمر، یک پورت سریال و چهار پورت موازی (هریک 8 بیت) بود که همه آنها در یک تراش تعبیه شده بودند. زمانی به آن «سیستم در یک تراشه» می‎گفتند. 8051 یک پروسسور 8 بیت است، یعنی CPU هر بار می‎تواند فقط روی 8 بیت داده کار کند. داده‎های بزرگتر از 8 بیت باید به قطعات 8 بیت بشکنند وسپس بوسیله CPU پردازش شوند. 8051 کلاً دارای چهار پورت I/O با عرض 8 بیت است. شکل (1) را ملاحظه کنید. گرچه 8051 می‎تواند حداکثر 64K حافظه Rom در تراشه داشته باشد، بسیاری از سازندگان فقط 4K بایت را در تراشه کار گذاشته‎اند.

پس از اینکه اینتل به شرط حفظ سازگاری با 8051، اجازه تولید را به دیگر سازندگان داد، تراشه مذکور بسیار مورد توجه قرار گرفت. این توافق منجر به تولید انواع 8051 با سرعت‎های متفاوت و مقداری ROM در تراشه به وسیله نیم دوجین سازنده شد. آنچه اهمیت دارد این است که گرچه انواع مختلف 8051 با سرعت و مقدار Rom متفاوت در تراشه موجودند ولی همه آنها با 8051 اصلی از نظر دستورات سازگارند. این بدان معنی است اگر شما برنامه‎ای برای یکی بنویسید مستقل از سازنده روی دیگری هم قابل اجراست.