ماهي المتحكمات الدقيقة Microcontroller ؟

 1. ما هو المتحكم الدقيق :

يعتبر المتحكم الدقيق بمثابة العمود الفقري للأنظمة المضمنة (يرجى قراءته مرة واحدة قبل المضي قدمًا) وأهم ميزاته هي: "يمكنه التفكير". يبدو المتحكم الدقيق مثل شريحة إلكترونية بسيطة، لكنه في الواقع قوي للغاية (يُطلق عليه أيضًا الكمبيوتر المضمن) لأنه قابل للبرمجة. باستخدام كود البرمجة، يمكننا التحكم في جميع دبابيس الإدخال/الإخراج للمتحكم الدقيق ويمكننا أداء وظائف متعددة (سنناقشها لاحقًا). قبل المتحكمات الدقيقة، كانت بوابات DLD تستخدم لإنشاء المنطق أي إضافة تأخيرات وإشارات تشغيل/إيقاف وما إلى ذلك. لا يزال DLD قيد الممارسة للمشاريع الصغيرة ولكن إذا كنت تعمل في مشاريع صناعية كبيرة، فإن دوائر DLD تصبح فوضوية للغاية وبالتالي يصعب التعامل معها. 

2. تعريف المتحكمات الدقيقة

• المتحكم الدقيق (يُسمى أيضًا الكمبيوتر المضمّن) هو كمبيوتر صغير (ولكنه قوي)، مدمج في شريحة IC (دائرة متكاملة) صغيرة الحجم، ويحتوي على معالج (واحد أو أكثر) على الشريحة، وذاكرة (أي ذاكرة الوصول العشوائي، وذاكرة القراءة فقط، وذاكرة EEPROM وما إلى ذلك) ومنافذ إدخال/إخراج قابلة للبرمجة (تستخدم لوظائف متعددة).

• يستخدم المتحكم الدقيق في المشاريع المضمّنة، مثل أنظمة الأمان، والطابعات الليزرية، ونظام التشغيل الآلي، والروبوتات، وغير ذلك الكثير.

• تم تصميم المتحكم الدقيق لأول مرة بواسطة مايكل كوتشران وجاري بون. (أحب هؤلاء الرجال :D)

• يتم استخدام لغة C ولغات التجميع لبرمجة المتحكم الدقيق، ولكن ملف HEX موجود بلغة الآلة التي يتم تحميلها بالفعل في المتحكمات الدقيقة.

• تتوفر أيضًا لغات أخرى لبرمجة متحكم دقيق ولكن إذا كنت مبتدئًا، فيجب أن تبدأ بلغة التجميع لأنها توفر مفهومًا واضحًا حول بنية متحكم الدقيق.

• تُظهر الصورة أدناه اشهر المتحكمات الدقيقة استخدامًا :

3. تكوين المتحكمات الدقيقة :

تعتبر هندسة RISC أكثر هندسة متحكمات دقيقة تقدمًا حتى الآن وتأتي مع عدد قليل من المكونات القياسية، والتي سنناقشها هنا.

فيما يلي مخطط تكوين المتحكم الدقيق:

كما ترى في الشكل أعلاه، تتكون بنية المتحكمات الدقيقة من:

• وحدة المعالجة المركزية (CPU).
• ذاكرة القراءة فقط (ROM).
• ذاكرة الوصول العشوائي (RAM).
• ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة كهربائيًا (EEPROM).
• منافذ الإدخال/الإخراج Ports I/O.
• مؤقتات Timers.
• مقاطعات Interrupts.

وحدة المعالجة المركزية CPU

• تعتبر وحدة المعالجة المركزية بمثابة عقل المتحكم الدقيق، حيث تتلقى التعليمات في شكل برمجة وتنفذها.

• تعمل كقائدة وتصدر الأوامر للمكونات الأخرى، ويتعين على المكونات الأخرى أن تتصرف وفقًا لذلك.

تم دمج وحدة المعالجة المركزية مع سجلات مدمجة، والتي تنقسم إلى نوعين:

سجلات البيانات.
سجلات العنونة.

• يتم استخدام سجلات البيانات (المعروفة أيضًا باسم المجمعات) لتخزين البيانات الفعلية.

• تُستخدم سجلات التوجيه لحفظ العناوين للوصول إلى بيانات الذاكرة.

• وحدة المعالجة المركزية للميكروكنترولر قادرة على تنفيذ أنواع مختلفة من التعليمات، أي تعليمات معالجة البيانات، وتعليمات المنطق، وتعليمات التحويل، وما إلى ذلك.

برنامج ROM (ذاكرة القراءة فقط)

• ذاكرة القراءة فقط (ROM) هي ذاكرة غير متطايرة حيث تخزن وحدات التحكم الدقيقة كود البرمجة الخاص بها، وتسمى أيضًا ذاكرة القراءة فقط للبرنامج أو ذاكرة القراءة فقط للكود.

• عندما نحمل الكود الخاص بنا في وحدة التحكم الدقيقة، يقوم المبرمج/المسجل بمسح ذاكرة القراءة فقط أولاً ثم يقوم بتحميل الكود الجديد.

• بمجرد تحميل الكود، لا توجد طريقة لمسح ذاكرة القراءة فقط، إلا إذا كنت تريد تحميل الكود مرة أخرى.

• لذا، عندما يكون وحدة التحكم الدقيقة في وضع التشغيل، لا يمكننا مسح ذاكرة القراءة فقط باستخدام كود البرمجة.

تتوفر ذاكرة القراءة فقط للبرنامج في أنواع مختلفة، منها:

• ذاكرة فلاش.
• ذاكرة UV-EPROM.
• ذاكرة OTP.
• ذاكرة مقنعة.

ذاكرة الوصول العشوائي للبيانات (RAM)

• ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) هي ذاكرة متقلبة، وبالتالي يمكن مسحها بسهولة واستخدامها لتخزين البيانات أثناء العمليات.

• إذا كنت تريد مسح ذاكرة الوصول العشوائي الخاصة بوحدة التحكم الدقيقة، فما عليك سوى إعادة تشغيلها، ويمكنك أيضًا مسحها باستخدام البرمجة.

تنقسم ذاكرة الوصول العشوائي إلى نوعين:

• ذاكرة الوصول العشوائي للأغراض العامة (GPR).
• سجلات الوظائف الخاصة (SFRs).

EEPROM (ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة كهربائيًا)

• ذاكرة EEPROM (الذاكرة القابلة للمسح والبرمجة للقراءة فقط) هي ذاكرة شبه متطايرة وعادة ما تستخدم لحفظ البيانات الدائمة، والتي لا تحتاج إلى تغييرها كثيرًا، مثل إعدادات المسؤول.

• إذا قمت بتحميل التعليمات البرمجية في المتحكم الدقيق الخاص بك، فسوف يمحو ذاكرة EEPROM تمامًا مثل ذاكرة ROM.

• إذا قمت بإعادة تشغيل المتحكم الدقيق الخاص بك، فلن يؤثر ذلك على ذاكرة EEPROM، وستظل بيانات EEPROM سليمة. (مثل ذاكرة ROM)

• ولكن يمكن تحديث/حذف بيانات EEPROM باستخدام البرمجة (على عكس ذاكرة ROM).

• اسمحوا لي أن أعطيكم مثالاً: يغير الأشخاص خلفية سطح المكتب الخاصة بهم مرة واحدة في الشهر، ويجب حفظ مثل هذه الإعدادات في ذاكرة EEPROM.

منافذ الإدخال والإخراج في المتحكم الدقيق

• في وحدات التحكم الدقيقة، يتم تخصيص عدة دبابيس لأغراض الإدخال/الإخراج ويتم التحكم فيها عن طريق البرمجة.

• يتكون المنفذ من عدة دبابيس إدخال/إخراج وهناك عدة منافذ في وحدات التحكم الدقيقة.

• يتم استخدامها لربط الأجهزة الخارجية (أي الطابعات وشاشات LCD وشاشات LED وأجهزة الاستشعار وما إلى ذلك) بوحدة التحكم الدقيقة.

مؤقتات المتحكم الدقيق Microcontroller Timers

• يأتي المتحكم الدقيق مزودًا بمؤقتات مدمجة متعددة، تُستخدم لأغراض العد.

• المؤقتات مفيدة جدًا في إنجاز مهام مختلفة، مثل توليد النبضات وتوليد التردد ووظيفة الساعة والتعديل والمقاطعات وما إلى ذلك.

• يتم مزامنة المؤقتات مع ساعة المتحكم الدقيق، وتستخدم لقياس فترات زمنية بين حدثين ويمكنها العد حتى 255 لوحدة تحكم دقيقة 8 بت و65535 لوحدة تحكم دقيقة 16 بت.

مقاطعات المتحكم الدقيق Microcontroller Interupts

• تُستخدم مقاطعات المتحكم الدقيق في السيناريوهات العاجلة، وعندما يتلقى المتحكم الدقيق مقاطعة، فإنه يوقف كل شيء ويتعامل أولاً مع نداء المقاطعة.

• لذا، وكما يشير اسمها، فإنها في الواقع تقاطع المتحكم الدقيق عن مهمته العادية وتجبره على التعامل معها أولاً.

4. أنواع المتحكمات الدقيقة

تتوفر أنواع مختلفة من وحدات التحكم الدقيقة ويتم تصنيفها بناءً على عرض الناقل والذاكرة ومجموعة التعليمات والهندسة المعمارية والشركة المصنعة.

فيما يلي مخطط انسيابي لأنواع وحدات التحكم الدقيقة:

أنواع المتحكمات الدقيقة بناءً على عرض الناقل Bus-Width

• تتوفر وحدات التحكم الدقيقة بـ 8 بت و16 بت و32 بت و64 بت. تحتوي بعض وحدات التحكم الدقيقة الأكثر تقدمًا على بتات أكبر من 64 بت وهي قادرة على تنفيذ وظائف معينة في الأنظمة المضمنة.

• وحدة التحكم الدقيقة 8 بت قادرة على تنفيذ تعليمات حسابية ومنطقية أصغر. وحدات التحكم الدقيقة 8 بت الأكثر شيوعًا هي atmel 8031 ​​و8051.

• على النقيض من وحدة التحكم الدقيقة 8 بت، تنفذ وحدة التحكم الدقيقة 16 بت البرنامج بدقة وإتقان أعلى. وحدة التحكم الدقيقة 16 بت الأكثر شيوعًا هي 8096.

• يتم تطبيق وحدة التحكم الدقيقة 32 بت في أنظمة التحكم الآلي والروبوتات حيث تكون المتانة والموثوقية العالية مطلوبة. تستخدم أجهزة المكاتب وبعض أنظمة الطاقة والاتصالات وحدة تحكم 32 بت لتنفيذ تعليمات مختلفة.

أنواع المتحكمات الدقيقة حسب الذاكرة

• بناءً على الذاكرة، تنقسم وحدات التحكم الدقيقة إلى نوعين، أي وحدات التحكم الدقيقة ذات الذاكرة الخارجية ووحدات التحكم الدقيقة ذات الذاكرة المضمنة.

• عندما يحتاج النظام المضمن إلى كل من وحدة التحكم الدقيقة وكتلة التشغيل الخارجية التي لا يتم دمجها في وحدة التحكم الدقيقة، فإن وحدة التحكم الدقيقة تسمى وحدة التحكم الدقيقة ذات الذاكرة الخارجية. 8031 ​​هو مثال على وحدة التحكم الدقيقة ذات الذاكرة الخارجية.

• عندما يتم دمج جميع الكتل العاملة في شريحة واحدة متصلة بالنظام المضمن، فإن وحدة التحكم الدقيقة تسمى وحدة التحكم الدقيقة ذات الذاكرة المضمنة. 8051 هو مثال على وحدة الذاكرة المضمنة

أنواع المتحكمات الدقيقة بناءً على مجموعة التعليمات

• بناءً على مجموعة التعليمات، يتم تصنيف المتحكمات الدقيقة إلى نوعين، هما CISC-CISC وRISC-RISC.

• يشار إلى CISC باسم كمبيوتر مجموعة التعليمات المعقدة. تكفي تعليمة واحدة صالحة لاستبدال عدد من التعليمات.

• يشار إلى RISC باسم كمبيوتر مجموعة التعليمات المخفضة. يساعد RISC في تقليل وقت تشغيل البرنامج. ويفعل ذلك عن طريق تقليل دورة الساعة لكل تعليمة.

أنواع المتحكمات الدقيقة حسب الشركة المصنعة

هناك العديد من أنواع المتحكمات الدقيقة وسوف أقوم بمناقشة القليل منها بالتفصيل هنا:

1. متحكم 8051 

• 8051 هو متحكم دقيق مكون من 40 سنًا و8 بت اخترعته شركة إنتل في عام 1981.

• يأتي 8051 مزودًا بذاكرة وصول عشوائي (RAM) سعة 128 بايت وذاكرة قراءة فقط (ROM) سعة 4 كيلوبايت.

• بناءً على الأولويات، يمكن دمج ذاكرة خارجية سعة 64 كيلوبايت مع المتحكم الدقيق.

• يوجد مذبذب بلوري مدمج في هذا المتحكم الدقيق الذي يأتي بتردد 12 ميجاهرتز.

• تم دمج مؤقتين من 16 بت في هذا المتحكم الدقيق يمكن استخدامهما كمؤقت بالإضافة إلى عداد.

• يتكون 8051 من 5 مقاطعات بما في ذلك المقاطعة الخارجية 0 والمقاطعة الخارجية 1 ومقاطعة المؤقت 0 ومقاطعة المؤقت 1 ومقاطعة المنفذ التسلسلي.
• ويتكون أيضًا من أربعة منافذ قابلة للبرمجة من 8 بت.

2. متحكمات PIC

اخترعت شركة Microchip وحدة تحكم واجهة محيطية (PIC) تدعم بنية هارفارد.

تهتم شركة Microchip Technology بشكل كبير باحتياجات ومتطلبات العملاء، لذا فهم يواصلون باستمرار ترقية منتجاتهم، من أجل تقديم خدمة من الدرجة الأولى.

إن انخفاض التكلفة والقدرة على البرمجة التسلسلية والتوافر الواسع يجعل هذه الوحدة التحكمية تبرز من بين الجميع.

تتكون من ذاكرة للقراءة فقط (ROM) ووحدة معالجة مركزية (CPU) واتصالات تسلسلية ومؤقتات ومقاطعات ومنافذ إدخال/إخراج ومجموعة من السجلات التي تعمل أيضًا كذاكرة وصول عشوائي (RAM).

كما تم دمج سجلات ذات أغراض خاصة في أجهزة الشريحة.

إن انخفاض استهلاك الطاقة يجعل هذه الوحدة التحكمية خيارًا مثاليًا للأغراض الصناعية.

3. متحكمات AVR

يُشار إلى AVR باسم Advances Virtual RISC الذي أنتجته شركة Atmel في عام 1966.

وهو يدعم بنية Harvard حيث يتم تخزين البرامج والبيانات في مساحات مختلفة من المتحكم الدقيق ويمكن الوصول إليها بسهولة.

يعتبر من الأنواع المبكرة من وحدات التحكم التي تستخدم ذاكرة فلاش على الشريحة لتخزين البرامج.

تم تقديم بنية AVR بواسطة Vegard Wollan وAlf-Egil Bogen.

كان AT90S8515 أول وحدة تحكم تعتمد على بنية AVR.

ومع ذلك، كان AT90S1200 أول وحدة تحكم AVR متوفرة تجاريًا في عام 1997.

يتم دمج الفلاش وEEPROM وSRAM على شريحة واحدة، مما يزيل إمكانية ربط أي ذاكرة خارجية بوحدة التحكم.

تحتوي وحدة التحكم هذه على مؤقت مراقبة والعديد من أوضاع السكون الموفرة للطاقة مما يجعل وحدة التحكم هذه موثوقة وسهلة الاستخدام.

الفرق بين المتحكم الدقيق والمعالج الدقيق Microcontroller Vs Microprocessor

• يستخدم المعالج الدقيق دوائر خارجية لبناء اتصال مع البيئة الطرفية، لكن المتحكم الدقيق لا يتضمن أي دوائر خارجية لوضعه في حالة تشغيل لأنه يأتي مع دائرة مدمجة محددة توفر المساحة والتكلفة لتصميم جهاز بخصائص مماثلة.

• بالمقارنة مع المعالج الدقيق المستخدم على نطاق واسع في أجهزة الكمبيوتر الشخصية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، فإن المتحكمات الدقيقة مصنوعة خصيصًا للنظام المضمن.

• عندما نتحدث عن النظام المضمن، فإننا نشير في الواقع إلى الأجهزة التي تأتي مع دوائر مدمجة وتحتاج إلى مجموعة من التعليمات المناسبة للتحكم في الأجهزة.

• الشيء الرائع في النظام المضمن هو أنه يتضمن برمجة مخصصة متصلة مباشرة بالدوائر الداخلية التي يمكن تعديلها مرارًا وتكرارًا حتى تحقق النتيجة المرجوة.

إن سرعة ساعة المعالج الدقيق أكبر بكثير من المتحكم الدقيق وهي قادرة على القيام بمهام معقدة. يمكنها العمل بتردد 1 جيجاهرتز.

لقد أشرت إلى الاختلافات الرئيسية بين المتحكم الدقيق والمعالج الدقيق في الجدول أدناه:

5. خصائص المتحكم الدقيق

• في التقنيات الحديثة، تشكل بعض أجهزة المتحكمات الدقيقة تصميمًا معقدًا وقادرة على أن يكون طول الكلمة أكثر من 64 بت.

• يتكون المتحكم الدقيق من مكونات مدمجة بما في ذلك EPROM وEEPROM وRAM وROM والمؤقتات ومنافذ الإدخال/الإخراج وزر إعادة الضبط. تُستخدم ذاكرة الوصول العشوائي لتخزين البيانات بينما تُستخدم ذاكرة القراءة فقط لتخزين البرامج والمعلمات الأخرى.

• تم تصميم المتحكمات الدقيقة الحديثة باستخدام بنية CISC (مجموعة التعليمات المعقدة للكمبيوتر) والتي تتضمن تعليمات من نوع ماركو.

• يتم استخدام تعليمات من نوع ماكرو واحد لاستبدال عدد التعليمات الصغيرة.

• تعمل المتحكمات الدقيقة الحديثة باستهلاك طاقة أقل بكثير مقارنة بالأجهزة القديمة.

• يمكنها العمل بجهد أقل يتراوح من 1.8 فولت إلى 5.5 فولت.

• تعتبر ذاكرة الفلاش مثل EPROM وEEPROM ميزات متقدمة للغاية في أحدث المتحكمات الدقيقة والتي تميزها عن المتحكمات الدقيقة القديمة.

• ذاكرة EPROM أسرع وأسرع من ذاكرة EEPROM. فهي تسمح بمحو وكتابة الدورات عدة مرات كما تريد مما يجعلها سهلة الاستخدام.

6. تطبيقات المتحكمات الدقيقة:

للمتحكم الدقيق تطبيقات عديدة نذكر منها:

• وحدة التحكم الطرفية في الكمبيوتر الشخصي
• الروبوتات والأنظمة المضمنة
• المعدات الطبية الحيوية
• أنظمة الاتصالات والطاقة
• السيارات وأنظمة الأمان
• المعدات الطبية المزروعة
• أجهزة الكشف عن الحرائق
• أجهزة استشعار درجة الحرارة والضوء
• أجهزة الأتمتة الصناعية
• أجهزة التحكم في العمليات
• قياس الأجسام الدوارة والتحكم فيها