ویژگیهای فنی میکروکنترلرها
آشنایی با ساختار داخلی میکروکنترلرها
میکروکنترلرها تراشههایی پیچیده هستند که اجزای اساسی یک کامپیوتر را در یک پکیج کوچک گرد هم آوردهاند. این یکپارچگی، امکان ساخت دستگاههای هوشمند، کممصرف و کمحجم را فراهم میآورد. اجزای اصلی شامل هسته پردازشی، انواع حافظه و مجموعهای غنی از پریفرالهای ورودی/خروجی است که هر کدام وظیفه خاصی را در عملکرد کلی سیستم بر عهده دارند.
هسته پردازشی (CPU)
هسته پردازشی مغز میکروکنترلر است که مسئول اجرای دستورالعملهای برنامه است. معماریهای مختلفی برای هستههای پردازشی میکروکنترلرها وجود دارد که هر کدام ویژگیها و کاربردهای خاص خود را دارند. رایجترین آنها شامل ARM Cortex-M (مانند STM32، NXP)، AVR (مانند ATmega، ATtiny) و PIC (مانند PIC16، PIC32) هستند. هستههای ARM Cortex-M به دلیل کارایی بالا، مصرف توان پایین و اکوسیستم توسعه گسترده، در کاربردهای متنوعی از جمله اینترنت اشیا (IoT) و سیستمهای صنعتی پرکاربرد هستند. هستههای AVR و PIC نیز به دلیل سادگی، قابلیت اطمینان و قیمت مناسب، در پروژههای آموزشی و کاربردهای با حجم کد کمتر محبوبیت دارند.
انواع حافظه در میکروکنترلر
میکروکنترلرها معمولاً دارای چندین نوع حافظه داخلی هستند که هر یک برای هدف خاصی طراحی شدهاند:
حافظه فلش (Flash Memory): این حافظه از نوع ROM بوده و برای ذخیرهسازی برنامه (کد) میکروکنترلر استفاده میشود. محتویات آن پس از قطع برق نیز حفظ میشود و قابلیت برنامهریزی مجدد دارد. حجم این حافظه از چند کیلوبایت تا چند مگابایت متغیر است.
حافظه SRAM (Static Random Access Memory): این حافظه از نوع RAM بوده و برای ذخیرهسازی موقت دادهها، متغیرها و پشته (Stack) در حین اجرای برنامه استفاده میشود. SRAM به سرعت قابل دسترسی است اما با قطع برق محتویات آن از بین میرود. حجم آن معمولاً کمتر از فلش است.
حافظه EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory): این حافظه نیز از نوع ROM است اما به صورت بایت به بایت قابل برنامهریزی و پاک شدن است. EEPROM برای ذخیرهسازی تنظیمات، کالیبراسیونها یا دادههایی که باید پس از قطع برق نیز حفظ شوند، استفاده میشود. طول عمر آن از نظر تعداد سیکل نوشتن محدود است.
پریفرالها و قابلیتهای ورودی/خروجی
پریفرالها، بلوکهای سختافزاری خاصی هستند که وظایف جانبی را مستقل از CPU یا با حداقل دخالت آن انجام میدهند و قابلیتهای میکروکنترلر را گسترش میدهند:
- پینهای ورودی/خروجی عمومی (GPIO): این پینها قابلیت پیکربندی به عنوان ورودی یا خروجی دیجیتال را دارند و برای خواندن وضعیت سنسورها یا کنترل عملگرها استفاده میشوند.
- مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC): برای تبدیل سیگنالهای آنالوگ (مانند ولتاژ خروجی سنسور دما) به مقادیر دیجیتال جهت پردازش توسط CPU.
- مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC): برای تبدیل مقادیر دیجیتال به سیگنالهای آنالوگ (مانند تولید شکلموج یا کنترل ولتاژ).
- تایمرها و کانترها: برای تولید تأخیرهای زمانی دقیق، شمارش رویدادها، تولید سیگنال PWM و کنترل زمانبندی عملیات.
- واحدهای ارتباطی سریال: شامل UART (برای ارتباط با رایانه یا ماژولهای دیگر)، SPI (برای ارتباط با حافظههای خارجی یا سنسورها با سرعت بالا)، I2C (برای ارتباط با سنسورها و EEPROMهای کوچک) و CAN (برای کاربردهای خودرویی و صنعتی).
- USB و Ethernet: برای ارتباطات با سرعت بالاتر و شبکهای در میکروکنترلرهای پیشرفتهتر.
سیستم کلاک و مدیریت توان
هر میکروکنترلر به یک منبع کلاک برای همگامسازی عملیات خود نیاز دارد که میتواند از یک اسیلاتور داخلی یا یک کریستال خارجی تأمین شود. فرکانس کلاک تأثیر مستقیمی بر سرعت اجرای برنامه دارد. همچنین، قابلیتهای مدیریت توان شامل حالتهای کممصرف (Low-Power Modes) مانند Sleep، Deep-Sleep و Standby برای کاهش مصرف انرژی در کاربردهای باتریمحور حیاتی هستند.