تصميم أنظمة المعالجات الدقيقة

مقدمة في تصميم أنظمة المعالجات الدقيقة

• هذه الملاحظات مخصصة لطلاب قسم هندسة الحاسبات والتحكم الآلي في كلية الهندسة الميكانيكية والكهربائية.
• تغطي الملاحظات تصميم أنظمة المعالجات الدقيقة، مع التركيز على المعالجات الدقيقة.

لمحة موجزة عن تاريخ المعالجات

• في الأربعينيات من القرن العشرين، استخدمت وحدات المعالجة الصمامات المفرغة، واستهلكت مساحة 1500 قدم مربع وطاقة 1300 واط.
• أدى اختراع الترانزستور إلى استخدام الدوائر المتكاملة (ICs) في تصنيع وحدات المعالجة.
• كانت أول وحدة معالجة في شريحة واحدة في عام 1970.
• في عام 1971، اخترعت شركة إنتل شريحة معالج تسمى 4004 المعالج المصغر، تحتوي على 2300 ترانزستور بعرض 4 بت، تستخدم للتحكم في إشارات المرور الضوئية.
• خلال السبعينيات، تم تصنيع معالجات بعرض 8 بت و16 بت.

تطور المعالجات المصغرة

• تم تصميم المعالج 8080/8085 وكان الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في كل شيء بدءًا من أفران الميكروويف ووصولاً إلى أجهزة الكمبيوتر المنزلية
• شاركت العديد من الشركات في سباق لتطوير المعالجات الدقيقة، مثل موتورولا، التي طورت معالجات 6800 و 68000 المستخدمة في أجهزة كمبيوتر Apple Macintosh.

تقنيات CISC و RISC

• CISC (مجموعة تعليمات الحاسوب المعقدة): تقنية مستخدمة حتى عام 1980، تدعم مئات التعليمات المعقدة لتغطية جميع الحالات الممكنة، مما يتطلب استخدام عدد كبير جدًا من الترانزستورات، وهذا يعقد التصميم ويزيد التكلفة.
• RISC (مجموعة تعليمات الحاسوب المختصرة): تم تطويرها لتقليل عدد التعليمات واستخدام الترانزستورات المتبقية لتحسين قدرة المعالج.

مقارنة بين CISC و RISC

• حجم التعليمات في RISC ثابت، بينما في CISC متغير.
• تستخدم RISC طريقة التحميل/التخزين (نقل البيانات من الذاكرة إلى المسجلات أو بالعكس)، بينما تستخدم معالجات CISC مسجلات إضافية لتنفيذ التعليمات.
• تحتوي معالجات RISC على مجموعة تعليمات قليلة، بينما في CISC العدد أكبر بكثير.
• في RISC، يوجد ممر بيانات منفصل عن ممر الشيفرة، أما في CISC فهما مشتركان.

أنواع سجلات التعليمات في المعالجات

• RISC: تحتوي على 30 إلى 130 تعليمة.
• CISC: تحتوي على 150 إلى 1000 تعليمة.
• MISC: تحتوي على 15 إلى 30 تعليمة.

معيارية تصميم بنية المعالجات: Von-Neumann

• تعتمد على ناقل وحيد لنقل التعليمات والبيانات بين الذاكرة (الوحيدة) ووحدة المعالجة المركزية.
• يقوم المعالج بجلب التعليمات من الذاكرة.
• يقوم المعالج بقراءة البيانات من الذاكرة.
• يتم إجراء العمليات على البيانات.
• تتم إعادة كتابة البيانات على الذاكرة.

معيارية تصميم بنية المعالجات: Harvard

• تستخدم ناقلين منفصلين، أحدهما لنقل التعليمات والآخر لنقل البيانات.
• ذاكرة البيانات تختلف عن ذاكرة التعليمات، حيث أن لكل ذاكرة خطوط عنونة وتحكم وممر معطيات مختلف.
• تتم عملية قراءة التعليمات والبيانات في نفس الوقت.

أصناف الدارات المتكاملة

• تتنوع الدارات المتكاملة بين أغراض عامة، منطق قياسي، وأغراض خاصة

نظرة على معالجات الأغراض العامة

intel 4004

• أول معالج مصغر، 4 بت، 2300 ترانزستور، ذاكرة ROM + RAM + وحدة معالجة مركزية بتردد 108 كيلو هرتز، استخدم في الآلات الحاسبة عام 1970 intel 8080
• معالج 8 بت، 4500 ترانزستور، سرعة تنفيذ تصل إلى 290000 تعليمة في الثانية بتردد عمل 2 ميجاهرتز، استخدم في بناء أول حاسب شخصي عام 1974، بسعر 395 دولار. Intel 8085
• 1976، 16 بت ، 10000 ترانزستور، تردد عمل 3 ميجاهرتز Intel i8086 , Z80
• 1978، 16 بت، 29000 ترانزستور، تردد عمل 5 ميجاهرتز
• Intel Pentium 4: 2000، 32 بت، 125 مليون ترانزستور، تردد عمل 3 جيجاهرتز. Intel i7:- -2008، 64 بت، 731 مليون ترانزستور، رباعي النواة بتردد عمل 3 جيجاهرتز.

تعريف المتحكمات المصغرة:

• المتحكم الدقيق هو دائرة متكاملة تدمج وظائف متعددة للحاسوب في شريحة واحدة.

مقارنة بين عائلات المتحكمات الدقيقة sbit:

• HC11 (Motorola): Von-Neumann، CISC، 8 MHz، 8 بت.
• PIC (Microchip): Harvard، RISC، 20 MHz، 12 بت.
• 8051 (Intel): Von-Neumann، CISC، 24 MHz، 8 بت.
• AVR (Atmel): Harvard، RISC، 20 MHz، 16 بت.

نظرة عامة على البنية الداخلية لمتحكمات العائلة AVR:

• تستخدم بنية هارفارد مع ذاكرة برنامج منفصلة وذاكرة بيانات.
• تتضمن معالجًا (CPU)، وذاكرة فلاش للبرنامج، وذاكرة EEPROM للبيانات الثابتة، وذاكرة SRAM للبيانات المتغيرة.
• تشمل أيضًا وحدات تحكم متنوعة مثل المؤقتات، والمقارنات التناظرية، وواجهات الاتصال التسلسلي (UART، SPI، TWI).

قراءة تكويد متحكمات العائلة AVR:

• فهم رموز تكويد شرائح AVR يساعد في تحديد نوع الذاكرة وخصائص الشريحة.

مزايا المتحكم AT90S2313 :

• MCU يتمتع بمزايا ومواصفات عديدة بما في ذلك: ـ عائلة AVR بالأداء العالي وبنية RISC ذات الطاقة المنخفضة.
• قائمة تعليمات تحتوي على 120 تعليمة, معظمها ينفذ خلال دورة آلة واحدة .
• استخدام عائلة AVR لبنية RISC المحسنة.
• ذاكرة برنامج وميضية حجم الشريحة 2 كيلو بايت، قابلة للبرمجة في النظام.
• نافذة تسلسلية SPI لتحميل البرنامج.
• الديمومة: 1000 دورة كتابة أو مسح.
• ذاكرة معطيات EEPROM بطول 128 بايت.
• ذاكرة معطيات داخلية RAM بطول 128 بايت.
• اثنان وثلاثون مسجل عمل للأغراض العامة.
• خمسة وعشرون I/O قطبا قابلة للبرمجة .
• جهد التغذية: Vcc=2.7 – 6.0V.
• مجال عمل المهزاز Fck=0 – 20MHz ـ زمن دورة التعليمة : 50ns عند 20MHz .

• مؤقت / عداد بطول 8 bit بمقسم prescaler منفصل . مؤقت / عداد بطول 16bit بمقسم prescaler منفصل. بأنماط المقارنة والمسلك capture . نافذة تسلسلية ثنائية الاتجاه UART .

• خرج PWM قابل للبرمجة بثمان أو تسع أو عشر خانات .
• مصادر المقاطعة داخلية وخارجية .
• مؤقت مراقبة watchdog قابل للبرمجة دخله من الهزاز RC الداخلي . مقارن تشابهي مبين داخل الشريحة . أنماط لتوفير الطاقة : نمط البطالة , ونمط الطاقة المنخفضة . أقفال برمجية لحماية البرنامج .

• شريحة ذات عشرين قطبا .

وصف المتحكم AT90S2313

• شريحة AT90S2313 عبارة عن وحدة تحكم دقيقة 8 بت مصنعة بتقنية CMOS ذات استهلاك منخفض للطاقة، مبنية على بنية AVR وتقدم أداءً عاليًا ومرونة.

بنية النظام

• حجم AT90S2313 مليون تعليمة/ث (تردد ذاكرة FLASH بحجم 2 كيلو بايت وEEPROM حجم 128 بايت.
• يوجد 15 طرفا لإدخال البيانات.
• يستهلك طاقة قليلة ولديه ذاكرة ومسجلات متعددة.
• يتميز المتحكم AT90S2313 بوجود Flash التي يسهل برمجتها.
• يتبع المعالج AT90S2313 أوامر محددة ويتم استخدامه في أجهزة المحاكاة.