کاربرد میکروکنترلرها در وسایل الکترونیکی و کامپیوترها

-1- مقدمه

گر چه کامپیوترها تنها چند دهه ای است که با ما همراهند، با این حال تأثیر عمیق آنها بر زندگی ما با تأثیر تلفن ، اتومبیل و تلویزیون رقابت می کند. همگی ما حضور آنها را احساس می کنیم، چه برنامه نویسان کامپیوتر و چه دریافت کنندگان صورت حساب های ماهیانه که توسط سیستم های کامپیوتری بزرگ چاپ شده و توسط پست تحویل داده می شود. تصور ما از کامپیوتر معمولا داده پردازی است که محاسبات عددی را بطور خستگی ناپذیری انجام می دهد.

ما با انواع گوناگونی از کامپیوترها برخورد می کنیم که وظایفشان را زیرکانه و بطرزی آرام، کارا و حتی فروتنانه انجام می دهند و حتی حضور آنها اغلب احساس نمی شود. ما کامپیوترها را به عنوان جزء مرکزی بسیاری از فرآورده های صنعتی و مصرفی از جمله،‌در سوپرمارکت ها داخل صندوق های پول و ترازوها؛ در خانه، در اجاق ها، ماشین های لباسشویی، ساعت های دارای سیستم خبردهنده و ترموستات ها؛ در وسایل سرگرمی همچون اسباب بازی ها، VCR ها، تجهیزات استریو و وسایل صوتی؛ در محل کار در ماشین های تایپ و فتوکپی؛ و در تجهیزات صنعتی مثل مته های فشاری و دستگاههای حروفچینی نوری می یابیم. در این مجموعه ها کامپیوترها وظیفه «کنترل» را در ارتباط با “دنیای واقعی” ، برای روشن و خاموش کردن وسایل و نظارت بر وضعیت آنها انجام می هند. میکروکنترلرها (برخلاف میکروکامپیوترها و ریزپردازنده ها ) اغلب در چنین کاربردهایی یافت می شوند.

با وجود این که بیش از بیست سال از تولد ریزپردازنده نمی گذرد، تصور وسایل الکترونیکی و اسباب بازیهای امروزی بدون آن کار مشکلی است. در 1971 شرکت اینتل 8080 را به عنوان اولین ریزپردازنده موفق عرضه کرد. مدت کوتاهی پس از آن، موتورولا، RCA و سپس MOS Technology و zilog انواع مشابهی را به ترتیب به نامهای 6800 ، 1801 ، 6502 و Z80 عرضه کردند. گر چه این مدارهای مجتمع IC) ها ) به خودی خود فایده چندانی نداشتند اما به عنوان بخشی از یک کامپیوتر تک بورد[1] (SBC) ، به جزء مرکزی فرآورده های مفیدی برای آموزش طراحی با ریزپردازنده ها تبدیل شدند.

از این SBC ها که بسرعت به آزمایشگاههای طراحی در کالج ها،‌دانشگاهها و شرکت های الکترونیک راه پیدا کردند می توان برای نمونه از D2 موتورولا، KIM-1 ساخت MOS Technology و SDK-85 متعلق به شرکت اینتل نام برد.

میکروکنترلر قطعه ای شبیه به ریزپردازنده است. در 1976 اینتل 8748 را به عنوان اولین قطعه خانواده میکروکنترلرهای MCS-48^TM معرفی کرد. 8748 با 17000 ترانزیستور در یک مدار مجتمع ،‌شامل یک CPU ،‌1 کیلوبایت EPROM ، 27 پایه I/O و یک تایمر 8 بیتی بود. این IC و دیگر اعضای MCS-48^TM که پس از آن آمدند، خیلی زود به یک استاندارد صنعتی در کاربردهای کنترل گرا تبدیل شدند.

[1] - Single Board Computer

...

-6-1 ابزارهای ذخیره سازی انبوه

ابزارهای ذخیره سازی انبوه نیز مثل RAM ها و ROM های نیمه رسانا جزو نقش آفرینان عرصه تکنولوژی حافظه هستند که بطور دائم در حال رشد و بهبود است. آنچنان که از نام آنها بر می آید این ابزارها مقادیر متنابهی اطلاعات (برنامه یا داده) را نگهداری می کنند و این حجم از اطلاعات به هیچ وجه در RAM با “حافظه اصلی” نسبتاً کوچک کامپیوتر جا نمی گیرد. این اطلاعات پیش از اینکه در دسترس قرار بگیرد باید به داخل حافظه اصلی باز شود. دسته بندی ابزارهای ذخیره سازی انبوه برطبق سادگی دستیابی به اطلاعات،‌آنها را به دو دسته تقسیم می کند ابزارهای آماده کار[1] و ابزارهای بایگانی[2] در روش ذخیره سازی آماده کار که معمولا روی نوارهای مغناطیسی یا دیسک های مغناطیسی انجام می شود. اگر چه دیسک های نوری مثل ROM- CDها[3] یا تکنولوژی WORM [4] که بتازگی ظهور کرده اند، ممکن است سمت گیری روش ذخیره سازی بایگانی را به علت قابلیت اطمینان، ظرفیت بالا و قیمت پایین خود تغییر دهند.[5]

2-6-1 ابزارهای رابط با انسان

یگانگی انسان و ماشین توسط مجموعه ای از ابزارهای رابط با انسان تحقق می یابد که متداول ترین آنها عبارتند از پایانه های نمایش تصویر (VDT) و چاپگرها. اگر چه چاپگرها ابزارهای صرفاً خروجی هستند که برای چاپ کردن اطلاعات به کار می روند ولی VDT ها در واقع از دو وسیله تشکیل شده اند زیرا شامل یک صفحه کلید به عنوان ورودی و یک CRT[6] به عنوان خروجی می باشند. یک رشتة‌ خاص در مهندسی به نام “ارگونومیک” یا “مهندسی فاکتورهای انسانی” به خاطر ضرورتی که در طراحی این ابزارهای جابنی با توجه به طبیعت انسان احساس می شد،‌به وجود آمده است و هدف آن وفق دادن مشخصات انسان با ماشین های مورد استفاده او به شکلی مطمئن ، راحت و کارا می باشد. در حقیقت تعداد شرکت هایی که این دسته از ابزارهای جانبی را تولید می کنند بیشتر از شرکت های تولید کننده کامپیوتر است. در هر سیستم کامپیوتری دست کم سه تا از این ابزارها وجود دارد: صفحه کلید، CRT و چاپگر. از دیگر ابزارهای رابط با انسان می توان دستگیرة بازی [7] ، قلم نوری،‌ماوس، میکروفن و بلندگو را نام برد.

3-6-1 ابزارهای کنترل / نظارت

به کمک ابزارهای کنترل / نظارت (و برخی نرم افزارها و رابط های الکترونیکی دقیق) کامپیوترها می توانند کارهای کنترلی زیادی را بی وقفه،‌بدون خستگی و بسیار فراتر از توانایی انسان انجام دهند.

کاربردهایی نظیر کنترل حرارت یک ساختمان، محافظت از خانه، کنترل آسانسور، کنترل وسایل خانگی و حتی جوش دادن قطعات مختلف یک خودرو همگی با استفاده از این ابزارها امکان پذیر هستند.

ابزارهیا کنترل، ابزارهای خروجی یا عمل کننده[8] هستند. آنها وقتی که با یک ولتاژ یا جریان، تغذیه شوند می توانند بر جهان پیرامون خود اثر بگذارند (مثل موتورها و رله ها) ابزارهای نظارت، ابزارهای ورودی یا حسگر[9] هستند که با کمیت هایی نظیر حرارت،‌نور ، فشار، حرکت و مانند آن، تحریک شده و آنها را به جریان یا ولتاژی که توسط CPU خوانده می شود تبدیل می کنند (مثل فتوترانزیستورها، ترمیستورها و سوئیچ ها) ولتاژ یا جریان توسط مدارهای واسطه، به یک دادة دودویی تبدیل می شود و یا برعکس و سپس نرم افزار، یک رابطة منطقی بین ورودی ها و خروجی ها برقرار میک ند. سخت افزار و نرم افزار مورد نیاز برای ارتباط این ابزارها بامیکروکنترلرها یکی از موضوعات عمدة این کتاب می باشد.

[1] - online

[2] - archival

[3] - Compact disk Read only Memory

[4] - Write Once Read Mostly

[5] - یک ROM - CD که توان ذخیره سازی 550 مگابایت را دارد برای ذخیره کردن 32 جلد کتاب از دایره المعارف بریتانیکا کافی است.

[6] - cathode-ray tube

[7] - joystick

[8] - actuators

[9] - sensors

...

2 مروری بر خانواده MCS-51^TM

MCS-51^TM خانواده ای از میکروکنترلرهاست که توسط شرکت اینتل به بازار عرضه شده است. دیگر تولیدکنندگان IC نظیر زیمنس، AMD ، فوجیستو و فیلیپس به عنوان تولید کننده ثانویه ، IC های این خانواده را تحت مجوز اینتل تولید می کنند. هر میکروکنترلر این خانواده از امکاناتی مناسب با یک سری طراحی های مشخص برخوردار است.

در این فصل معماری سخت افزار خانواده MCS-51^TM معرفی می شود. برگه اطلاعات اینتل را برای ابزارهای سط ورودی[1] (مثل 8051AH) در ضمیمه ث می توان یافت. برای جزئیات بیشتر،مثل مشخصات الکتریکی این ابزارها باید به این ضمیمه مراجعه کرد.

بسیاری از مشخصات سخت افزاری با چند دستورالعمل توضیح داده شده اند. برای هر مثال شرح مختصری داده شده. همچنین برای خلاصه دستورالعمل های 8051 به ضمیمه الف و برای تعریف هر دستورالعمل می توانید به ضمیمه پ مراجعه کنید.

8051 یک نوع IC نوعی و اولین عضو این خانواده است که بصورت تجاری مطرح شد خلاصه مشخصات این IC از این قرار است:

qK4 بایت ROM

q 128 بایت RAM

q چهار درگاه I/O[2] (ورودی - خروجی) هشت بیتی

q دو تایمر / شمارنده[3] 16 بیتی

q رابط سریال[4]

q K 64 بایت فضای حافظه خارجی برای کد

q K64 بایت فضای حافظه خارجی برای داده

q پردازنده بولی[5] (که عملیات روی بیت ها را انجام می دهد)

q 210 مکان بیتی آدرس پذیر[6]

q انجام عملیات ضرب و تقسیم در 4 میکروثانیه

دیگر اعضای خانواده MCS-51^TM هر یک امکانات دیگری از قبیل ROM روی تراشه[7] ، RAM, EPROM روی تراشه و یا یک تایمر سوم را دارا هستند. در ضمن هر یک از انواع IC های این خانواده یک نسخه مشابه با CMOS کم مصرف[8] نیز دارد .

عبارت 8051 از روی تسامح به کل خانواده میکروکنترلرهای MCS-51^TM اطلاق می شود. هر گاه بحث روی IC خاصی از این خانواده متمرکز شود شماره قطعه مورد نظر ذکر خواهد شد.

[1] - entry-level devices

[2] - I/O port

[3] - timer/ counter

[4] - serial interface

[5] - Boolean processor

[6] - bit-addressable

[7] - On-chip ROM

[8] - low power CMOS