sheet1

ไมโครคอนโทรลเลอรเ์ บ้ืองตน้ Introduction to Microcontroller

ระบบสมองกลฝังตวั คอื ?  ระบบคอมพวิ เตอร์เพอ่ื การประมวลผลเฉพาะทาง  เป็นชิปขนาดเลก็ ฝังตวั อย่ใุ นอปุ กรณ์ตา่ งๆ  ไมต่ ้องใช้เคร่ืองคอมพิวเตอร์ควบคมุ  เป็นชิปประเภทไมโครโพรเซสเซอร์หรือไมโครคอนโทรลเลอร์  ตวั อย่างการนาปใช้  โทรศพั ท์เคล่ือนที่ (mobile phone)  ระบบควบคมุ การจดุ ระเบิดเคร่ืองยนต์ (electronic control unit : ECU)  เครื่องรับสมาร์ตทีวี (smart television)  ในเคร่ืองใช้ไฟฟ้ า อ่ืนๆ

สถาปัตยกรรมคอมพวิ เตอร์  คณุ ลกั ษณะเฉพาะของระบบคอมพิวเตอร์ท่ีมีความแตกต่างกันขึน้ อยู่กับการออกแบบ ของผู้ผลิต ผู้ใช้ (user) หรือนักเขียนโปรแกรม (programmer) จาเป็ นจะต้องทราบถึง สถาปัตยกรรมของระบบนนั้ เพื่อท่ีจะสามารถเขียนโปรแกรมควบคมุ การทางานได้อย่าง ถกู ต้อง

สถาปัตยกรรมฟอนนอยมนั น์ หน่วยความจา หน่วยคานวณ หน่วยรบั เขา้ (memory unit) และตรรกะ (input unit) (arithmetic and logic unit) หน่วยสง่ ออก (output unit) หน่วยควบคุม (control unit)

สถาปัตยกรรมฟอนนอยมนั น์ ประกอบด้วยหนว่ ยการทางานหลกั ๆ 4 สว่ นดงั นี ้  หน่วยความจา (memory unit)  หนว่ ยความจาหลกั (main memory)  หนว่ ยความจาสนบั สนนุ (auxiliary memory)  หน่วยคานวณและตรรกะหรือเอแอลยู (arithmetic and logic unit : ALU)  หนว่ ยควบคมุ (control unit)  หนว่ ยรับเข้า (input unit) และหนว่ ยสง่ ออก (output unit)  หนว่ ยการทางานทงั้ 4 สว่ นเช่ือมตอ่ และรับสง่ ข้อมลู ผ่าน บสั (bus)

ไมโครโพรเซสเซอร์  เป็นอปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์ขนาดเลก็  ทาหน้าทป่ี ระมวลผลข้อมลู ดิจิทลั เหมือนกบั หน่วยประมวลผลกลางของคอมพวิ เตอร์  ภายในประกอบด้วยวงจรหลายวงจรรวมอย่ใู นชิปตวั เดยี ว  รับข้อมูลจากหน่วยรับเข้า แล้วประมวลผลตามคาส่ัง จากนัน้ ส่งผลลัพธ์ไปเก็บใน หน่วยความจาหรือ แสดงทางหน่วยสง่ ออก

โครงสร้ างภายในของไมโครโพรเซสเซอร์  หนว่ ยคานวณและตรรกะหรือเอแอลยู (arithmetic and logic unit : ALU)  เรจิสเตอร์ (register)  หน่วยควบคมุ (control unit)  บสั ภายใน (internal bus)

หนว่ ยคานวณและตรรกะหรือเอแอลยู  เป็ นวงจรดิจิทัลที่ทาหน้าที่คานวณทางคณิตศาสตร์และเปรียบเทียบสัญญาณ ดิจิทลั ทางตรรกะจากหน่วยการทางานอืน่ ๆ register A register B control unit status register result

เรจิสเตอร์  เป็ นหน่วยความจาขนาดเล็กอยู่ภายในไมโครโพรเซสเซอร์ ทาหน้าท่ีเก็บข้อมลู หรือพกั ข้อมลู ก่อนและหลงั ประมวลผล แบง่ เป็นประเภทต่างๆ ดงั นี ้  เรจิสเตอร์ทีผ่ ้ใู ช้สามารถเข้าถึงได้ (user-accessible registers)  เรจิสเตอร์ใช้งานทว่ั ไป (general purpose registers)  เรจิสเตอร์เลขทศนิยม (floating point registers)  เรจิสเตอร์เวกเตอร์ (vector registers)  เรจิสเตอร์หน้าทีพ่ ิเศษ (special purpose registers)

หนว่ ยควบคมุ  วงจรภายในหน่วยประมวลผลกลาง  ทาหน้าท่สี ร้างสญั ญาณควบคมุ (control signals)  รับและสง่ สญั ญาณควบคมุ กบั สว่ นประกอบอ่ืนๆ  สร้างสญั ญาณนาฬิกา (clock signals) กาหนดจงั หวะการทางาน  นาคาสงั่ ท่ถี กู เกบ็ อย่ใู นหน่วยความจาหลกั มาแปลงเป็นสญั ญาณดจิ ิทลั

ววิ ฒั นาการของไมโครโพรเซสเซอร์ แบง่ ตามจานวนทรานซสิ เตอร์ท่อี ยภู่ ายในชิปดงั นี ้  Small scale integration : SSI ชว่ งปี 1965 มีจานวนทรานซสิ เตอร์ในชิปประมาณร้อยกวา่ ตวั  Medium scale integration : MSI อยใู่ นชว่ งปี 1971 มีจานวนทรานซิสเตอร์ในชิปประมาณ 100 ถงึ 3,000 ตวั  Large scale integration : LSI อยใู่ นชว่ งปี 1971 ถึง 1977 มีจานวนทรานซสิ เตอร์ในชิป ประมาณ 3,000 ถึง 100,000 ตวั  Very large scale integration : VLSI อย่ใู นชว่ งปี 1978 ถึง 1991 มีจานวนทรานซิสเตอร์ในชิป ประมาณ 100,000 ถึง 100,000,000 ตวั  Ultra large scale integration : ULSI อยใู่ นช่วงปี 1991 จนถงึ ปัจจบุ นั มีจานวนทรานซิสเตอร์ ในชิปมากวา่ 100,000,000 ตวั ขนึ ้ ไป

สถาปัตยกรรมไมโครโพรเซสเซอร์ ขนึ ้ อยกู่ บั รูปแบบของชดุ คาสงั่ (instruction set) แบง่ ออกเป็น 2 ประเภท  Reduce Instruction set Computing : RISC  มีชดุ คาสงั่ ท่ีมีรูปแบบและขนาดท่ีแนน่ อน  คาสงั่ ประมวลผลท่ีสนั้ และงา่ ย  ประมวลผล 1 คาสงั่ ตอ่ 1 สญั ญาณนาฬิกา  การเข้าถึงตาแหน่งของตวั ถูกดาเนินการทาได้ 2 รูปแบบคือ การเข้าถึงโดยผ่านเรจิสเตอร์ (register addressing) และ การอ้างตาแหนง่ โดยดชั นี (index addressing)

สถาปัตยกรรมไมโครโพรเซสเซอร์ ขนึ ้ อย่กู บั รูปแบบของชดุ คาสง่ั (instruction set) แบง่ ออกเป็น 2 ประเภท  Complex Instruction set Computing : CISC  รูปแบบคาสงั่ มีความซบั ซ้อนหลากหลาย  ขนาดของคาสง่ั ไมเ่ ทา่ กนั เปลีย่ นแปลงไปตามชนิดการทางาน  เขียนโปรแกรมงา่ ย  มีคาสง่ั ให้เลอื กมาก  โปรแกรมมีขนาดเลก็  ไมโครโพรเซสเซอร์ทางานช้ากวา่ สถาปัตยกรรมแบบ RISC

สภาวะการทางานของไมโครโพรเซสเซอร์ 1 วงรอบคาสง่ั เครื่องประกอบด้วย 2 สภาวะ คือ  เฟทช์ (fetch) สภาวะการอ่านคาสง่ั จากหน่วยความจา ตามตาแหน่งที่เรจิสเตอร์ตวั นับ ระบตุ าแหนง่ คาสงั่ ระบุ คาสง่ั ดงั กลา่ วจะนามาเกบ็ ในเรจิสเตอร์คาสงั่ และทาการแปลเพ่อื รอการประมวลผลต่อไป  เอกซิคิวท์ (Execute) สภาวะปฎิบตั ิการตามคาสงั่ ท่ีได้เฟทช์มาจากหน่วยความจา เป็ น การสั่งให้วงจรดิจิทัลในไมโครโพรเซสเซอร์ทางาน เช่น วงจรบวก วงจรลบ วงจร เปรียบเทยี บ วงจรเคลอ่ื นย้ายข้อมลู ฯลฯ

ไมโครคอนโทรลเลอร์  อปุ กรณ์อเิ ลก็ ทรอนิกส์ขนาดเลก็ มลี กั ษะเป็นชิปเหมือนกบั ไมโครโพรเซสเซอร์  ภายในไมโครคอนโทรลเลอร์นอกจากมีหน่วยประมวลผลกลางแล้วยังมีวงจรเสริมอื่นๆ เพิ่มเติมเข้ามารวมอยู่ในชิปตัวเดียวกันด้วย เช่น หน่วยความจา พอร์ตเชื่อมต่อกับ อปุ กรณ์ภายนอก  ในชิปบางรุ่นมวี งจรแปลงสญั ญาณแอนะลอ็ กเป็นดิจิทลั ภายในชิปด้วย  สามารถเขียนโปรแกรมได้ไมย่ าก มีข้อมลู ไลบรารี่ให้ใช้งานหลากหลาย

โครงสร้ างของไมโครคอนโทรลเลอร์  หน่วยประมวลผลกลาง (Central Processing Unit :CPU)  หนว่ ยความจา (Memory)  พอร์ตอนิ พตุ และเอาต์พตุ (Input /Output Port)  บสั (Bus)  วงจรกาเนิดสญั ญาณนาฬิกา (Oscillator)

ไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกลู ตา่ งๆ  MCS-51  PIC (Peripheral Interface Controller)  BASIC Stamp  AVR  ARM (Advanced RISC Machine)

บอร์ด SUN7 Shield ซง่ึ พฒั นามาจาก ARM

คาถามท้ายใบความรู้ที่ 1  จงบอกความหมายเกี่ยวกบั คาวา่ Embedded System  บอกอปุ กรณ์ทมี่ ี Embedded System มาอย่างน้อย 5 อย่าง  จงอธิบายลกั ษณะของไมโครโพรเซสเซอร์  จงอธิบายลกั ษณะของไมโครคอนโทรลเลอร์  จงบอกความแตกตา่ งระหวา่ งไมโครคอนโทรลเลอร์และไมโครโพรเซสเซอร์