ل מיקרו-בקרים, או MCU (יחידת מיקרו-בקר), הם מעגלים משולבים או שבבים קטנים המשלבים בתוכם מחשב, כלומר, הם הולכים מעבר למעבד, כולל מעבד, זיכרון וגם קלט/פלט, הכל בשבב יחיד, אם כי יש להבדיל ביניהם מ-SoCs, הכוללים יותר מזה והם מורכבים יותר.
הצ'יפס האלה הם ה מוח של מספר רב של מכשירים שאנו משתמשים בהם בחיי היומיום שלנו, והם נוכחים ביותר מכשירים ממה שאתם יכולים לדמיין, מאלה שיש לכם בבית, דרך כלי הרכב שלכם, מכונות תעשייתיות וכו'. לכן, הם חשובים מאוד כיום, ואנחנו נקדיש להם את המאמר הזה.
יתר על כן, יש לציין כי לאחרונה הם צברו פופולריות רבה הודות ל- האינטרנט של הדברים (IoT), מאחר ובשל גודלו הקטן, הצריכה הנמוכה והעלות הנמוכה שלו, אידיאליים להפעלת מכשירים מחוברים אלה ללא צורך ביחידות עיבוד מתקדמות יותר. בנוסף, כפי שנראה בהמשך, הם גם נהדרים עבור יצרנים וחובבי עשה זאת בעצמך בתחום האלקטרוניקה, עם פרויקטים כמו ארדואינו וכו'.
מה מיקרו-בקר יכול לעשות?
ل מיקרו-בקרים, מיקרו-בקרמיקרו-בקרים הם שבבים שיכולים לעשות מגוון רחב של דברים, בדיוק כמו מעבד כללי, אלא שהם משלבים גם רכיבי מחשב אחרים כמו זיכרון, אפיקים ומערכת קלט/פלט, כך שזהו למעשה מחשב על שבב. היישומים שלהם יכולים להיות מגוונים מאוד, החל משליטה בטמפרטורות או פרמטרים אחרים באמצעות חיישנים, יצירת פלט כלשהו המבוסס על מצב הקלטים לביצוע פעולות וכו'. מספר היישומים יכול להיות עצום באמת, כאשר הגבול הוא כמעט הדמיון שלך והיכולות הטכניות של המיקרו-בקר עצמו, מכיוון שבדרך כלל יש להם גודל זיכרון וביצועים מוגבלים.
לכן, בעת בחירת מיקרו-בקר, יש לקחת בחשבון גורמים רבים, כגון תדירות הפעולה של המכשיר, הארכיטקטורה עליה הוא מבוסס, זיכרון זמין, מספר הפינים הזמינים, וסוג ומספר הרכיבים החיצוניים הנדרשים. למרבה המזל, ישנם יצרנים ודגמים רבים ושונים של מיקרו-בקרים לבחירה, מהפשוטים ביותר ועד למורכבים ביותר, כולל כאלה המוקשחים כדי לעמוד בתנאים קיצוניים בחלל, מכשירים צבאיים, מכונות תעשייתיות ועוד.
מה זה PIC?
חברת Microchip פיתחה סדרה של מיקרו-בקרים שהפכו פופולריים מאוד בשוק, כגון ה-PIC המפורסמים שלהמשפחה של התקנים בעלי גדלי מילים שונים, כגון התקנים של 16 סיביות, שיכולים להיות גמישים מאוד ביכולת לתכנת אותם ולבצע מגוון פונקציות.
בנוסף, יש להם א מערכת אקולוגית תואמת פנטסטית, מה שמקל הרבה יותר על מפתחים המשתמשים בהם, כמו גם על מתכנתים שיש להם IDE תואם מלא לתכנות הקוד הדרוש.
כמובן, PIC אינה הארכיטקטורה היחידה, ישנם גם AVR, Super-H, SAM, ARM Cortex-M וכו'.
ארכיטקטורת מיקרו-בקר ותפעול
למרות שהם עשויים להיראות מורכבים כדי לשלב הכל, כגון המעבד, הזיכרון ומערכת הקלט/פלטבין היתר, האמת היא שמיקרו-בקרים פשוטים יותר מרבים מהמעבדים או הגרפיים המתקדמים המשמשים במחשבים מודרניים. המעבדים המשולבים במיקרו-בקרים אלה הם בדרך כלל פשוטים יותר, כמו מעבדים מלפני עשרות שנים (למשל, 8051 של אינטל). למעשה, מיקרו-בקרים רבים מבוססים על ארכיטקטורות שפותחו לפני עשרות שנים.
מיקרו-בקרים יכולים גם ליישם אלמנטים נוספים או מיוחדים אחרים: עיבוד אותות אנלוגיים, שליטה בחומרה חיצונית, או טיימר שמירה מובנה לאיפוס השבב במקרה של קריסה עקב תכנות לקוי. ארכיטקטורת השבב יכולה להיות קבועה או ניתנת לתכנות, מה שמאפשר להגדיר מחדש את ההתקן עבור יישומים שונים.
הם גם לא דורשים קיבולת זיכרון גדולה (הם יכולים להיות זיכרונות מסוג RAM, אוגרים, ROM כגון EEPROM, פלאש וכו'), ורובם כוללים בדרך כלל רק כמה KB או MB ל-IDE יש את היכולת לארח את התוכניות הדרושות לביצוע הפונקציות. כל אלה נטענים לסדרה של הוראות ונתונים שה-IDE ייצור מקוד המקור של תכנות ברמה גבוהה, המשמש בדרך כלל מפתחים.
סוגי מיקרו-בקרים
כפי שאתם יכולים לתאר לעצמכם, ישנם כמה סוגי מיקרו-בקריםלכל אחד מהם תכונות ויכולות שונות, כך שהיישומים בהם הוא ישמש יהיו שונים מאוד.
כבר הזכרתי בעבר שהגורמים החשובים ביותר שיש לקחת בחשבון בעת בחירת מיקרו-בקר הם תדר הפעולה שלו וכמות הזיכרון הזמין. דרישות היישום יקבעו את תדר הפעולה, אך בדרך כלל עדיף לבחור התקן ש... לרוץ הכי לאט שאפשר תוך עמידה בדרישות, תוך שאיפה ליציבות ואמינות גבוהות יותר עקב היישומים הקריטיים שעבורם מיועד בדרך כלל שבב מסוג זה.
היכן משתמשים במיקרו-בקרים?
מיקרו-בקרים הם משמשים במגוון רחב של יישומיםכפי שציינתי קודם לכן, תראו אותם במכשירי חשמל ביתיים ובמכשירים אלקטרוניים מכל הסוגים, בכלי רכב יבשתיים, ימיים ואוויריים, לוויינים וחלליות, רקטות, מכונות תעשייתיות ועוד. כמה מהדוגמאות הידועות ביותר הן:
- רכבהם משמשים ביישומי רכב רבים כדי לשלוט בהיבטים אלקטרוניים מסוימים של מכוניות. לדוגמה, הם נמצאים בשימוש נפוץ במערכות ניהול מנוע מודרניות כדי לשלוט בהזרקת דלק ובתזמון הצתה. ניתן למצוא אותם גם במערכות מובנות אחרות, כגון מערכות בקרת תיבת הילוכים.
- תעשייהניתן למצוא אותם גם במגוון רחב של מכונות תעשייתיות מכל הסוגים ובכל המגזרים. הם משמשים במגוון רחב של מערכות שונות, כגון ניטור ובקרת מכונות, בקרת תהליכים, ורכישת וניתוח נתונים.
- צריכהמיקרו-בקרים נמצאים בשימוש הולך וגובר במכשירים צרכניים כגון מכשירי חשמל ביתיים, מכשירים אלקטרוניים המשמשים בבית וכו'. אפילו מחשבים כוללים לעתים קרובות מיקרו-בקרים מרובים לביצוע משימות שונות, בנוסף למעבד, לכרטיס המסך וכו'.
- תקשורתהם משמשים במיוחד במערכות תקשורת בתדרי רדיו או בסוגים אחרים. הם משמשים הן ברשתות מחשבים והן בציוד תקשורת רדיו.
- בית אוטומטיכמובן, מיקרו-בקרים הם המפתח לאוטומציה ביתית, ומאפשרים אוטומציה של מגוון רחב של משימות יומיומיות בבתים חכמים. הם משמשים לעתים קרובות בחיישנים ובמכשירים אחרים השולטים ומנטרים מערכות בבית, כגון השקיה אוטומטית, הרמה או הורדה של תריסים בהתאם לתנאי התאורה וכן הלאה.
- רפואהמיקרו-בקרים משמשים ביישומים רפואיים רבים, החל מציוד בבתי חולים ועד מכשירים רפואיים מושתלים השולטים בפרמטרים ביו-רפואיים מסוימים, קוצבי לב וכו'.
- צבאוכמובן, הם משמשים במגוון רחב של יישומים צבאיים, כגון מערכות נשק, מערכות בקרת טיסה ומערכות חיישנים.
יתרונות וחסרונות של ה-MCU
יתרונות השימוש במיקרו-בקרים
USO El למיקרו-בקרים יש מספר יתרונות בהשוואה למכשירים אחרים שניתן להשתמש בהם גם עבור אותם יישומים. נקודות עיקריות כוללות:
- דרישות הספק נמוכות במיוחד, מה שהופך אותן לאידיאליות עבור יישומים המופעלים על ידי סוללות או מערכות משובצות או בתוך הקיר בעלות הספק נמוך.
- יש להם זמני תגובה מהירים, מה שהופך אותם למתאימים ליישומים משובצים הדורשים בקרה בזמן אמת.
- יכולת תכנות לביצוע מגוון רחב של פונקציות, בניגוד לאלקטרוניקה קווית, שיכולה לעשות רק דבר אחד. לעתים קרובות הם מסוגלים לבצע משימות מורכבות שיהיו קשות מאוד או בלתי אפשריות לביצוע עם רכיבים נפרדים. זה הופך אותם לאידיאליים עבור יישומים הדורשים פתרונות מותאמים אישית.
- הם זמינים במגוון רחב של חבילות שונות, מה שמקל על התאמה אישית של אפליקציה לצורך ספציפי.
- יתרון גדול נוסף של מיקרו-בקרים הוא עלותם הנמוכה.
- הם זמינים באריזות קטנות המקלות על התקנתם במגוון רחב של יישומים.
מגבלות של מיקרו-בקרים
עם זאת, לא הכל יתרונות במיקרו-בקרים, יש לו גם כמה חסרונות שחשוב גם להדגיש. לדוגמה:
- היכולת שלהם להיות מתוכנתים לביצוע פונקציות רבות ושונות הופכת אותם לגמישים מאוד, אך היא גם מקשה על פתרון בעיות. אם מעגל אינו פועל כראוי, קשה מאוד להבין מדוע, מכיוון שהבעיה יכולה לנבוע מתוכנית פגומה או מבעיית חומרה.
- בנוסף, יישומים מורכבים עשויים לדרוש כמות גדולה של זיכרון וביצועי עיבוד גבוהים מאלה של רוב המיקרו-בקרים בשוק.
- היעדרם של שפות תכנות ברמה גבוהה מגביל את אפשרויות הבחירה שלהם. מכיוון שהן מעבדות הוראות בשפת מכונה ברמה נמוכה, יכול להיות קשה לבצע שינויים בתוכנית או לאתר באגים בבעיות חומרה.
מיקרו-בקרים ב-IoT
הפשטות של מיקרו-בקרים הופכת אותם לקלים לשימוש ב... מכשירי IoT, כגון תקעים חכמים, מתגים חכמים, נורות חכמות, חיישני לחות, חיישני עשן ומכשירים פשוטים אחרים. עם זאת, מכשירים מורכבים דורשים לעתים קרובות יותר זיכרון וכוח עיבוד, מה שיכול להקשות על הכנסת המעגלים הדרושים למכשיר קומפקטי, מה שמוביל לצורך לבחור במעבדים וזיכרון בעלי קיבולת גבוהה יותר במקום במיקרו-בקר.
יתר על כן, הרבגוניות שלהם וכל היתרונות שדיברנו עליהם לעיל מעניינים מאוד עבור מכשירים אלה שאינם דורשים קיבולת זיכרון גבוהה או ביצועי עיבוד גבוהים. יתר על כן, רבים מהם מכשירים תלויים בסוללה, כך שהמעגלים המשולבים הללו בעלי הספק נמוך הם אידיאליים.
מה זה ארדואינו?
אני בטוח שאתה כבר מכיר אותו. Arduino זהו לוח פיתוח פופולרי בקוד פתוח המבוסס על מיקרו-בקרים. הוא זול מאוד ומאפשר השלמה קלה של מגוון רחב של פרויקטים, בין אם לחובבים או לילדים שרק מתחילים בתכנות, אלקטרוניקה או רובוטיקה, או לשימוש מקצועי יותר. כל זאת בזכות הקהילה והמערכת האקולוגית העשירה שלו, עם IDE שלם, גרסאות רבות שיתאימו לצרכים שונים, אביזרים זמינים ועוד.
לוחות ארדואינו אלה מתוכנתים באמצעות שפה דמוית C/C++ שפותחה על ידי ארדואינו. שפה זו פשוטה מספיק להבנה ושימוש עבור מתחילים, אך חזקה מספיק כדי ליצור פרויקטים מורכבים במחשב שלכם. Arduino IDEהפופולריות של ארדואינו מאפשרת למצוא בקלות משאבים, חלקים ואנשים אחרים המתעניינים באותם סוגי פרויקטים. אז איזו דרך טובה יותר להתחיל להכיר את המיקרו-בקרים ולהשתמש בהם מאשר ארדואינו...
מהו IDE של ארדואינו?
כמו שאמרתי קודם, לארדואינו יש מערכת מעולה IDE (סביבת פיתוח משולבת)בעזרת תוכנה זו, ניתן ליצור סקיצות או לתכנת קודי מקור ולאחר מכן להעלות אותם לזיכרון המיקרו-בקר של ארדואינו באמצעות כבל USB המחובר למחשב. זה מאפשר למיקרו-בקר לבצע אותם כדי לבצע את הפונקציות הרצויות.
כמובן, ארדואינו IDE הוא מ קוד פתוח, זה בחינם וזמין עבור מגוון רחב של פלטפורמות, כולל macOS, Windows ו-Linux. ולא רק שתוכלו לתכנת לוחות Arduino, הוא גם תומך בתכנות מיקרו-בקרים תואמים אחרים, כגון AVR, PIC וכו', כמו גם לוחות תואמי Arduino...
יתרונות ארדואינו וארדואינו IDE
לבסוף, ברצוני לציין כמה פרויקטים שתוכלו ליצור בעזרת פלטפורמת IDE של ארדואינו ולוח הפיתוח של ארדואינו. ניתן לעשות זאת גם באמצעות שפת תכנות ברמה גבוהה זו, ולהשאיר את התרגום לקוד מכונה (אחדות ואפסים) מובן על ידי המיקרו-בקר בידי ה-IDE. ניתן גם להשתמש בשפה מבוססת בלוקים עבור אלו שאינם יודעים לתכנת או עבור ילדים.
פרויקטים יכולים להיות מגוונים מאוד, החל מיצירת אזעקה פשוטה ועד לפיתוח מערכת השקיה מורכבת לגינה, הכוללת מערכות אוטומציה ביתיות, ניטור פרמטרים, אוטומציה של משימות וכו'. כפי שאמרתי בהתחלה, הגבול הוא כמעט הדמיון שלך.
בנוסף, יש קהילה גדולה שמוכנה לעזור לך, כמו גם שפע של תוספות וערכות שתוכננו במיוחד עבור ארדואינו, מה שיקל עליך מאוד. זה לא כמו להתחיל עם שבב כמו PIC או 8051 ולהצטרך ליצור הכל כמעט מאפס...
עכשיו אתם מכירים את עולם המיקרו-בקרים ויודעים איך להתחיל מהבית או מבית הספר...