میکروکنترلر (MCU) نوعی تراشه مدار یکپارچه است که واحد پردازش مرکزی (CPU) ، حافظه (RAM ، ROM) ، رابط های مختلف ورودی/خروجی (I/O) و سایر ماژول های عملکردی را در یک تراشه سیلیکون کوچک ادغام می کند. میکروکنترلرها با اندازه کوچک ، مصرف کم مصرف ، کم هزینه و عملکردهای قدرتمند ، در انواع دستگاه ها و سیستم های الکترونیکی مانند لوازم خانگی ، کنترل صنعتی ، تجهیزات ارتباطی ، الکترونیک خودرو و غیره به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.
روند کار میکروکنترلر را می توان به مراحل زیر تقسیم کرد:
1. تنظیم مجدد برق:هنگامی که میکروکنترلر به منبع تغذیه وصل شود ، به طور خودکار یک تنظیم مجدد برق را برای پاک کردن رجیسترهای داخلی انجام می دهد و برای عملکرد عادی آماده می شود.
2. دستورالعمل واکشی:پس از اتمام تنظیم مجدد ، MCU دستورالعمل حافظه برنامه را می گیرد و آن را در ثبت دستورالعمل ذخیره می کند.
3. رمزگشایی دستورالعمل:رمزگذار دستورالعمل میکروکنترلر دستورالعمل را در ثبت دستورالعمل رمزگشایی می کند تا عملیاتی را که انجام می شود تعیین کند.
4. اجرای دستورالعمل ها:با توجه به نتایج رمزگشایی ، میکروکنترلر عملیات مربوطه مانند عملکرد داده ها ، قضاوت منطقی ، خروجی کنترل و غیره را انجام می دهد.
5. پردازش را قطع کنید:در حین اجرای دستورالعمل ، در صورت مواجهه با یک درخواست قطع ، MCU مکث اجرای دستورالعمل فعلی را مکث می کند و برای رسیدگی به برنامه خدمات قطع می شود.
6. اجرای چرخه ای:MCU روند فوق را مطابق با ترتیب دستورالعمل در حافظه برنامه تکرار می کند تا عملکردهای مختلفی را تحقق بخشد.
در زیر شرح مفصلی از مؤلفه های مختلف میکروکنترلر و اصل کار آن است.
1. CPU:واحد پردازش مرکزی (CPU) میکروکنترلر هسته اصلی کل سیستم است که وظیفه اجرای دستورالعمل های موجود در برنامه را بر عهده دارد. CPU عمدتا از واحد منطق حسابی (ALU) ، واحد کنترل (CU) و گروه ثبت نام تشکیل شده است. ALU وظیفه انجام انواع قضاوت های حساب و منطقی داده را بر عهده دارد. CU مسئول رمزگشایی و کنترل دستورالعمل ها است. و از گروه ثبت نام برای ذخیره داده ها و نتایج متوسط استفاده می شود.
2. حافظه:حافظه میکروکنترلر عمدتا شامل حافظه برنامه (ROM) و حافظه داده (RAM) است. حافظه برنامه برای ذخیره کد برنامه کتبی استفاده می شود. از حافظه داده برای ذخیره داده ها و متغیرها در حین کار استفاده می شود.
رابط I/O:رابط I/O از میکروکنترلر برای تبادل داده ها با دستگاه های خارجی استفاده می شود و رابط I/O شامل رابط ورودی (ورودی) ، رابط خروجی (خروجی) و رابط دو طرفه (دو طرفه) است. رابط ورودی برای دریافت داده های ارسال شده توسط دستگاه های خارجی استفاده می شود. رابط خروجی برای ارسال داده به دستگاه های خارجی استفاده می شود. رابط دو طرفه می تواند داده های ارسال شده توسط دستگاه های خارجی و همچنین ارسال داده ها به دستگاه های خارجی را دریافت کند.
4. تایمر/پیشخوان:از تایمر/پیشخوان میکروکنترلر برای تولید سیگنال های زمان بندی یا شمارش رویدادهای خارجی استفاده می شود. تایمر/پیشخوان می تواند سیگنال های پالس را با فرکانس ثابت تولید کند یا با توجه به فرکانس سیگنال ورودی تعداد آنها را بسازد.
5. رابط ارتباطات سریال:رابط ارتباطی سریال میکروکنترلر برای ارتباط سریال با سایر دستگاه ها استفاده می شود. رابط ارتباطی سریال شامل فرستنده سریال (فرستنده سریال) و گیرنده سریال (گیرنده سریال) است که می تواند انتقال کامل دوگانه یا نیمه دوپلکس داده ها را تحقق بخشد.
6. مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) و مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC):ADC از میکروکنترلر برای تبدیل سیگنال های آنالوگ به سیگنال های دیجیتال برای پردازش استفاده می شود. DAC برای تبدیل سیگنال های دیجیتال به سیگنال های آنالوگ برای خروجی به دستگاه های خارجی استفاده می شود.
7. سیستم قطع:سیستم قطع میکروکنترلر برای مقابله با رویدادهای غیر منتظره و بهبود سرعت واقعی و پاسخ سیستم استفاده می شود. سیستم قطع شامل منبع قطع ، کنترل کننده قطع و برنامه خدمات قطع است. منبع قطع دستگاه یا رویدادی است که درخواست قطع را ایجاد می کند. کنترل کننده قطع مسئول مدیریت و اولویت بندی درخواست قطع است. و برنامه خدمات قطع برنامه ای است که رویداد وقفه را انجام می دهد.
8. مدار ساعت:مدار ساعت یک میکروکنترلر برای ارائه یک سیگنال ساعت پایدار برای همگام سازی کار هر ماژول استفاده می شود. مدار ساعت معمولاً از یک نوسان ساز داخلی و یک تقسیم کننده ساعت تشکیل شده است. نوسان ساز داخلی سیگنال ساعت با فرکانس بالا تولید می کند. تقسیم کننده ساعت سیگنال ساعت با فرکانس بالا را به سیگنال های ساعت با فرکانس پایین مناسب برای کار هر ماژول تقسیم می کند.
9. مدار منبع تغذیه:از مدار منبع تغذیه میکروکنترلر برای تأمین ولتاژ منبع تغذیه پایدار برای کل سیستم استفاده می شود. مدار منبع تغذیه معمولاً شامل یک تنظیم کننده ولتاژ و یک فیلتر است. تنظیم کننده ولتاژ ولتاژ عرضه ورودی را به ولتاژ مناسب برای عملکرد میکروکنترلر تثبیت می کند. از این فیلتر برای از بین بردن نویز و نوسانات در ولتاژ تأمین استفاده می شود.
10. مدارهای محیطی:مدارهای محیطی یک میکروکنترلر شامل سنسورهای مختلف ، محرک ها و سایر مدارهای کمکی است. از سنسورها برای تشخیص تغییرات در محیط خارجی استفاده می شود. از محرک ها برای هدایت دستگاه های خارجی مطابق با سیگنال های کنترل استفاده می شود. و مدارهای کمکی برای تحقق توابع خاص مانند آمپلی فایرها و فیلترها استفاده می شود.
به طور خلاصه ، میکروکنترلر یک میکرو رایانه بسیار یکپارچه است که کنترل و مدیریت دستگاه های مختلف را از طریق ماژول های مختلف عملکرد داخلی و مدارهای محیطی خارجی متوجه می شود. فرآیند کار یک میکروکنترلر را می توان به مراحل مانند تنظیم مجدد برق ، تنظیم دستورالعمل ، رمزگشایی دستورالعمل ، اجرای دستورالعمل ها ، قطع رسیدگی و اجرای حلقه تقسیم کرد. درک ترکیب و اصل کار میکروکنترلر به ما کمک می کند تا بهتر طراحی و توسعه دستگاه ها و سیستم های الکترونیکی مختلف را طراحی کنیم.