MCUs: تعرف على أهم عائلات المتحكمات الدقيقة

يتم استخدام العديد من لوحات التطوير التي نستخدمها بشكل متكرر، بدءًا من Arduino نفسه وحتى العديد من اللوحات الأخرى وحدات MCU أو وحدات التحكم الدقيقة. بعض الرقائق الحيوية لتكون قادرة برمجة هذه الأجهزة وأنه يمكن معالجة التعليمات التي أنشأها المبرمج للحصول على النتائج المتوقعة.

ومع ذلك، قطاع المتحكمات الدقيقة واسع جدًا.، كما هو الحال أيضًا مع وحدات المعالجة المركزية (CPU) أو المعالجات الدقيقة، حيث لا يوجد فقط العديد من المصممين أو الشركات المصنعة، بالإضافة إلى النماذج، ولكن هناك أيضًا العديد من العائلات المختلفة التي يجب أن تعرفها. لذا، سنخصص هذه المقالة لهذا الأمر بالذات، حتى تعرف أي منها قد يثير اهتمامك أكثر لمشاريعك...

ما هو متحكم دقيق أو MCU؟

Un وحدة التحكم الدقيقة أو MCU (وحدة التحكم الدقيقة) إنه جهاز صغير الحجم يدمج وظائف المعالج المركزي (CPU) والذاكرة والأجهزة الطرفية في شريحة واحدة. يعد هذا الجهاز بمثابة حجر الزاوية في العديد من الأنظمة الإلكترونية وهو أساسي في مجال الإلكترونيات المدمجة. باختصار، بديل رائع للإلكترونيات السلكية، مما يسمح لشريحة واحدة بأداء العديد من الوظائف بمرونة، لأنها قابلة للبرمجة.

تستخدم المتحكمات الدقيقة في مجموعة متنوعة من التطبيقات بسبب تنوعها وكفاءتها. تتضمن بعض الأمثلة على استخدام وحدات التحكم الدقيقة أنظمة التحكم في السيارات والأجهزة المنزلية وأنظمة الأتمتة الصناعية وأنظمة التحكم في العمليات ولعب الأطفال وأنظمة الأمان ولوحات التطوير والعديد من المعدات الإلكترونية الأخرى.

أجزاء المتحكمات الدقيقة

وحدات التحكم الدقيقة هي أجهزة متكاملة، ويتم تنفيذ جميع مكوناتها على شريحة أو دائرة متكاملة. بين ال الأجزاء الأكثر أساسية من هذه الرقائق هي:

• وحدة المعالجة المركزية (وحدة المعالجة المركزية): وحدة المعالجة المركزية هي عقل المتحكم الدقيق وأهم أجزائه. تتولى هذه الوحدة مسؤولية استخدام البيانات والتعليمات الخاصة بالبرنامج لتفسيرها ومعالجتها بشكل مناسب في وحدات التنفيذ للحصول على النتائج المتوقعة. أي أن وحدة المعالجة المركزية تنفذ جميع العمليات الحسابية وتتخذ القرارات بناءً على منطق البرنامج. تحدد سرعة وكفاءة وحدة المعالجة المركزية إلى حد كبير أداء وحدة التحكم الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك، عادةً ما تحتوي أيضًا على أجزاء أولية مثل أنظمة المقاطعة، والتي تسمح للمتحكم الدقيق بالاستجابة لأحداث معينة في الوقت المناسب. عند حدوث حدث معين، مثل إدخال إشارة أو وصول مؤقت إلى قيمة معينة، يمكن لوحدة التحكم الدقيقة مقاطعة مهمتها الحالية للرد على هذا الحدث.
• ذاكرة: عادة ما يكون لديهم نوعان من الذاكرة مثل ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) والفلاش. تُستخدم ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) لتخزين البيانات المؤقتة، مثل التعليمات التي تتكون منها البرامج والبيانات (المتغيرات، الثوابت،...) أثناء تنفيذ البرنامج. بينما تستخدم ذاكرة الفلاش لتخزين البرنامج المراد تنفيذه، وهي غير متطايرة مثل ذاكرة الوصول العشوائي، لذلك عند انقطاع التيار الكهربائي أو إيقاف تشغيل الجهاز، يبقى البرنامج.
• ملحقات الإدخال/الإخراج (I/O): السماح للميكروكونترولر بالتفاعل مع العالم الخارجي. قد تشمل هذه منافذ الإدخال/الإخراج الرقمية، والمحولات التناظرية إلى الرقمية (ADC)، والمحولات الرقمية إلى التناظرية (DAC)، وواجهات الاتصال مثل UART، وSPI، وI2C، وأجهزة التحكم المتنوعة، وأجهزة ضبط الوقت، والعدادات، وGPIO، و آحرون.

كيف يختلف عن المعالج الدقيق أو وحدة المعالجة المركزية؟

المعالج الدقيق ووحدة التحكم الدقيقة هما مكونان أساسيان في مجال الإلكترونيات، لكنهما يمتلكان ذلك فروق ذات دلالة إحصائية من حيث البنية والاستخدام، على الرغم من أن الكثير من الناس يخلطون بين الاثنين أو يعتقدون أنهما متماثلان.

بينما تتكامل وحدة المعالجة المركزية فقط وحدات وظيفية للتحكم وتفسير التعليمات والسجلات وكذلك تعليمات التنفيذ مثل ALU وFPU وما إلى ذلك، ويمكن دمجها مع العناصر المساعدة الأخرى بطريقة أكثر مرونة، وتكون وحدات التحكم الدقيقة أكثر انغلاقًا إلى حد ما بمعنى أنها تتكامل العديد من الأجزاء التي تتركها وحدة المعالجة المركزية. في الواقع، في حين أن وحدة المعالجة المركزية هي عقل الكمبيوتر، يمكن اعتبار وحدة MCU كمبيوترًا كاملاً، لأنها تتضمن جميع الأجزاء الأساسية على شريحة واحدة.

ومع ذلك، لا تخلط بين التكامل الأكبر وشروط التعقيد والأداء. في حين أن المعالجات الدقيقة الحالية معقدة للغاية وذات أداء عالٍ جدًا، فإن وحدات التحكم الدقيقة الحالية عادةً ما تحتوي على وحدة معالجة مركزية متكاملة ذات أداء أقل وأبسط بكثير. في الواقع، العديد من وحدات التحكم الدقيقة اليوم يمكن أن تتمتع بأداء مماثل للمعالجات الدقيقة التي كانت موجودة منذ عقود مضت. والأكثر من ذلك، كما سنرى لاحقًا، لدينا أيضًا وحدات تحكم دقيقة 8 بت أو 16 بت مثل وحدات المعالجة المركزية (CPUs) في السبعينيات.

الاختلافات مقارنة مع شركة نفط الجنوب؟

نظرًا لأن المتحكم الدقيق يدمج عدة عناصر على نفس الشريحة، غالبًا ما يتم الخلط بينه وبين SoC (النظام الموجود على شريحة)ومع ذلك، فإنه ليس هو نفسه سواء. كما هو الحال مع وحدة المعالجة المركزية مقابل MCU، تدمج SoCs أيضًا وحدة معالجة مركزية ذات أداء أعلى بكثير من معظم وحدات التحكم الدقيقة الحالية. علاوة على ذلك، فإن نظام SoC هو نظام أكثر تعقيدًا وتقدمًا بشكل لا نهائي. من ناحية أخرى، لا تقوم شركة SoC عادةً بدمج بعض الأجزاء المدمجة في وحدة التحكم الدقيقة، نظرًا لأن التطبيقات المخصصة لها لا تتطلب ذلك، مثل ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وذاكرة الفلاش، ومحولات ADC، وما إلى ذلك.

القليل من التاريخ

تم تطوير المعالجات الدقيقة متعددة الدوائر المبكرة، مثل AL1 من أنظمة Four-Phase في عام 1969 وMP944 من Garrett AiResearch في عام 1970، باستخدام شرائح MOS LSI المتعددة. كان أول معالج دقيق أحادي الشريحة هو Intel 4004، الذي تم إصداره في عام 1971. وقد تطلبت هذه المعالجات عدة شرائح خارجية لتنفيذ نظام وظيفي، وهو أمر كان مكلفًا. ومع ذلك، بالتوازي تقريبًا، تم تطوير ما نعرفه اليوم باسم المتحكم الدقيق. هو يُنسب إلى مهندسي تكنولوجيا المعلومات، غاري بون ومايكل كوكران، الإنشاء الناجح لأول متحكم دقيق في عام 1971، TMS 1000، والذي يجمع بين ذاكرة القراءة فقط وذاكرة القراءة والكتابة والمعالج والساعة على شريحة واحدة. في الواقع، على الرغم من أن هذه قصة أخرى، إلا أنها ولدت حرب براءات اختراع ودعاوى قضائية حول تأليف المعالج الدقيق...

خلال السبعينيات، بدأ مصنعو الإلكترونيات اليابانيون في إنتاج وحدات التحكم الدقيقة للسيارات. أصبحت هذه الأجهزة شائعة تدريجيًا، واستجابة لوجود شريحة واحدة TMS 1000، طورت Intel نظام كمبيوتر على شريحة محسنة لتطبيقات التحكم، Intel 8048، والتي تجمع بين ذاكرة الوصول العشوائي وذاكرة القراءة فقط على نفس الشريحة جنبًا إلى جنب مع وحدة المعالجة المركزية. ومع مرور الوقت تحسنت الذاكرة غير المتطايرة، وانتقلت من تسجيلها في المصنع ببرنامج دائم مثل الرومات الأولى حتى ظهور الـPROM، أو EEPROM عام 1993، والذي سمح بمسحها وإعادة برمجتها. مع برنامج آخر بطريقة بسيطة وعدة مرات كما تريد.

شيئًا فشيئًا، نشأت شركات حول هذا النوع من الرقائق، مثل اتميل، تكنولوجيا الرقائق الدقيقة، وغيرها الكثير. كما بدأت شركات أخرى في القطاع بتوزيع وحدات MCU الخاصة بها، مثل Intel، وAnalog Devices، وCypress، وAMD، وARM، وHitachi، وEPSON، وMotorola، وZilog، وInfineon، وLattice، وNational Semiconductor، وNEC، وPanasonic، وRenesas، وRokel، وSony. ، STMicroelectronics، ملخص، توشيبا، الخ.

اليوم، أصبحت وحدات التحكم الدقيقة رخيصة الثمن ويمكن الوصول إليها بسهولة للهواة والعديد من القطاعات الصناعية المختلفة. علاوة على ذلك، تشير التقديرات إلى أنها تباع ما يقرب من 5 مليار وحدة 8 بت في جميع أنحاء العالم، وهو الأكثر استخدامًا حاليًا. يمكنك العثور عليها في الأجهزة المنزلية، والمركبات، وأجهزة الكمبيوتر، والهواتف، والآلات الصناعية، وأكثر من ذلك بكثير. علاوة على ذلك، فقد تمكنوا من تصغير الحجم إلى الحد الأقصى، وإنشاء بعض أصغر أجهزة الكمبيوتر في العالم، حتى أصغر بكثير من حبة الملح...

ISA وعائلات المتحكمات الدقيقة

الآن بعد أن عرفت المزيد عن ماهية MCU أو وحدة التحكم الدقيقة، دعنا نرى بعضًا منها أهم العائلات من هذه المتحكمات الدقيقة. ومثل وحدات المعالجة المركزية، يمكن تقسيمها وفقًا لـ ISA، أي مرجع التعليمات والسجلات وأنواع البيانات المستخدمة، وسيعتمد على ذلك توافق البرامج الثنائية التي يمكن تنفيذها، مما يجعلها غير متوافقة. بين العائلات. وهذه العائلات مستقلة تمامًا عن الطراز أو العلامة التجارية أو الوحدات المضمنة في الشريحة.

بين العائلات الأكثر شعبية لدينا ما يلي:

• أطفال: هو جيل من النوى الناعمة لـ FPGAs من Altera، والتي استوعبتها شركة Intel الآن.
• بلاكفين: هي عائلة مكونة من معالجات دقيقة 16/32 بت تم تطويرها وتصنيعها وتسويقها بواسطة Analog Devices. تحتوي المعالجات أيضًا على وظيفة معالج الإشارات الرقمية (DSP) المضمنة، والتي يتم تنفيذها بواسطة تراكم الضرب 16 بت (MAC).
• تايجرشارك: يرمز إلى Super Harvard Architecture Single-Chip Computer، وهو أيضًا من الأجهزة التناظرية. وفي هذه الحالة، فهي مثالية للتطبيقات التي تتطلب أداءً حاسوبيًا عاليًا مع استهلاك منخفض للطاقة. توفر هذه المعالجات بنية ذاكرة فريدة تتيح الوصول الفعال إلى البيانات والتعليمات دون فرض عقوبات على الأداء مرتبطة ببنيات ناقل Von Neumann.
• قشرة-M- تعد وحدات التحكم الدقيقة Cortex-M من ARM عائلة شائعة من وحدات التحكم الدقيقة 32 بت التي تتميز بالكفاءة في استخدام الطاقة وتوفر أداءً جيدًا. وهي تحظى بشعبية خاصة في التطبيقات الصناعية والاستهلاكية، وتمثل حاليًا غالبية الرقائق الحديثة التي تبيعها العديد من الشركات.
• AVR32: هي بنية متحكم RISC 32 بت من إنتاج شركة Atmel، ويمكنك العثور عليها في العديد من لوحات التطوير، مثل Arduino والمستنسخات منه.
• RISC-V: يهدف ISA المفتوح هذا إلى تجاوز ARM، وشيئًا فشيئًا بدأت تكتسب أهمية في عالم المتحكمات الدقيقة، نظرًا لأنها مرنة للغاية وتسمح باستخدامها دون دفع إتاوات.
• الموافقة المسبقة عن علم- هي عائلة مكونة من وحدات التحكم الدقيقة 8 بت التي طورتها شركة Microchip Technology، المعروفة ببنية RISC المتقدمة، وتحظى بشعبية كبيرة في الصناعة.
• بوويركويك: تعتمد على تقنية Power Architecture الخاصة بشركة IBM، وقد استخدمتها شركة Motorola (الآن Freescale)، وهي تدعم مجموعة كاملة من معدات الشبكات المضمنة والتطبيقات الصناعية والعامة المضمنة.
• التمدد: هذه هي وحدات MCU الخاصة بشركة Fujitsu، وتركز على المنتجات التناظرية والرقمية، ومصممة لتحقيق الكفاءة والأداء المتوازن.
• 8051: هو متحكم دقيق 8 بت تم تطويره بواسطة شركة Intel، على الرغم من أنك ستجده الآن مصنعًا من قبل شركات أخرى أيضًا. إنها واحدة من أكثر وحدات التحكم الدقيقة شيوعًا وتستخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات. 8051 هو متحكم دقيق CISC يعتمد على بنية هارفارد.
• تريكور: هو متحكم دقيق تم تطويره بواسطة Infineon Technologies. يقوم TriCore بتوحيد عناصر نواة معالج RISC ووحدة التحكم الدقيقة وDSP على شريحة واحدة. في ذلك الوقت كانت ثورة.
• MC-48 أو 8048: هو متحكم دقيق من خط Intel، مع 64 بايت من ذاكرة الوصول العشوائي وإمكانية الوصول إلى 4096 بايت من ذاكرة البرنامج الخارجية.
• ميكو8- هي عائلة متحكمات دقيقة 8 بت يتم تنفيذها بالكامل في الذاكرة ذات الأغراض العامة والمنطق لـ Lattice FPGAs.
• المروحة: بنية متعددة النواة 32 بت تم تطويرها بواسطة شركة Parallax Inc. تحتوي كل مروحة على 8 معالجات متطابقة 32 بت متصلة بمركز مشترك.
• الختم الأساسي- عبارة عن وحدة تحكم دقيقة مزودة بمترجم BASIC صغير متخصص (PBASIC) مدمج في ذاكرة القراءة فقط. تم تصنيعه بواسطة شركة Parallax, Inc، وكان منتجًا شائعًا جدًا للصانعين الذين أرادوا تنفيذ العديد من المشاريع في المنزل قبل إصدار Arduino.
• سوبر ح: عبارة عن مجموعة تعليمات حوسبة RISC 32 بت تم تطويرها بواسطة شركة Hitachi ويتم إنتاجها حاليًا بواسطة Renesas، وتركز على وحدات التحكم الدقيقة للأنظمة المدمجة.
• تيفا: عبارة عن وحدة تحكم دقيقة تم تطويرها بواسطة شركة Texas Instruments. يحتوي على تردد ساعة معالج مدمج يصل إلى 80 ميجا هرتز مع وحدة النقطة العائمة (FPU)، مع أداء رائع.
• ميكروبليز: هو نظام معالج متكامل للغاية مخصص لتطبيقات وحدات التحكم. يتم تنفيذ MicroBlaze بالكامل في الذاكرة ومنطق الأغراض العامة لـ Xilinx (الآن AMD) FPGAs، أي softcore.
• بيكوبليز: مشابه للإصدار السابق، لكنه في هذه الحالة 8 بت وأبسط، لتطبيقات أكثر تكاملاً.
• XCore: إنها وحدات MCU متعددة النواة XMOS، 32 بت مبرمجة في بيئة لغة C وتعمل بشكل حتمي وبزمن وصول منخفض. إنها كاملة جدًا ويمكن تنفيذها على شكل بلاط.
• Z8: من Zilog، وهي أجهزة 8 بت تقدم نطاقًا واسعًا من خيارات الأداء والموارد. تعتبر وحدات التحكم الدقيقة هذه مثالية للتطبيقات ذات الحجم الكبير والحساسة للتكلفة، بما في ذلك المنتجات الاستهلاكية والسيارات والأمن ومنتجات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC).
• Z180: إنها إحدى الألعاب الشهيرة الأخرى داخل Zilog قبل إصدار eZ الجديد الذي قام بتحديث النطاقات السابقة. يتضمن معالج 8 بت، متوافق مع قاعدة البرامج الكبيرة المكتوبة لجهاز Z80. تضيف عائلة Z180 أداءً أعلى وميزات طرفية متكاملة مثل مولد الساعة، وعدادات/مؤقتات 16 بت، ووحدة تحكم المقاطعة، ومولدات حالة الانتظار، والمنافذ التسلسلية، ووحدة تحكم DMA.
• STM: تحتوي عائلة STMicroelectronics على بعض وحدات MCU بناءً على البنية الخاصة بهذه الشركة، على الرغم من أنه تم اختيارها في أحدث الموديلات، كما هو الحال في العديد من الحالات الأخرى، لدمج سلسلة ARM Cortex-M 32 بت. إنها تقدم منتجات تجمع بين الأداء العالي جدًا، وقدرات الوقت الفعلي، ومعالجة الإشارات الرقمية، والتشغيل والاتصال منخفض الطاقة/الجهد المنخفض، مع الحفاظ على التكامل الكامل وسهولة التطوير.

وهناك المزيد ولكن هذه أهمها..