المتحكم الدقيق 8051 Microcontroller

تمّ تصميم المتحكم الدقيق (8051 Microcontroller)، في الثمانينيات بواسطة (Intel)، كان تأسيسه على معمارية (Harvard Architecture)، وتمّ تطويره بشكل أساسي لإدخال وتشغيل الأنظمة المضمنة (Embedded Systems)، في البداية، تمّ إنشاؤه باستخدام تقنية (NMOS) ولكن نظرًا لأنّ تقنية (NMOS) تحتاج إلى مزيد من القوة لتعمل، وبالتالي فإنّ وحدة التحكم الدقيقة (8051) التي أعيد تصميمها من (Intel) تستخدم تقنية (CMOS).

ما هو المتحكم الدقيق 8051 Microcontroller؟

المتحكم الدقيق (8051)، هو متحكم (8) بت تمّ إنشاؤه في عام (1981) من قبل شركة “إنتل”، يحتوي على معالج (8) بت، يعني ببساطة أنّه يعمل على بيانات (8) بت في المرة الواحدة، إنّه من بين المتحكمات الدقيقة الأكثر شيوعًا والأكثر استخدامًا.

نظرًا لأنّه متحكم (8) بت يحتوي على ناقل بيانات (8) بت، ناقل عنوان (16) بت، إلى جانب ذلك، فإنّه يحمل (4) كيلوبايت (ROM) مع (128) بايت من “ذاكرة الوصول العشوائي” (RAM)، سنناقش البنية الكاملة لوحدات التحكم الدقيقة (8051).

تعريف المتحكم الدقيق Microcontroller:

المتحكم الدقيق عبارة عن شريحة متكاملة مصممة وفقًا لتقنية تكامل واسعة النطاق جدًا تتكون من معالج مع وحدات طرفية أخرى مثل الذاكرة ومنفذ الإدخال / الإخراج والمؤقت وفك الشفرة و(ADC)، وغيرها، يتم تضمين الأجهزة الطرفية في شريحة واحدة مع المعالج، يحتوي أي جهاز قابل للبرمجة على معالج وذاكرة ومنافذ إدخال / إخراج وجهاز ضبط الوقت بداخله، لكن المتحكم الدقيق يحتوي على كل هذه المكونات المدمجة في شريحة واحدة، تقوم هذه الشريحة الواحدة بإدارة التشغيل الكلي للجهاز.

في المعالجات الدقيقة، يحتوي المعالج الدقيق ببساطة على وحدة المعالجة المركزية (CPU)، التي تعالج العمليات بمساعدة الوحدات الطرفية الأخرى، تُستخدم المعالجات الدقيقة في الأماكن التي توجد بها مساحة ضخمة لإدخال لوحة أم كبيرة (inbuilt) كما هو الحال في أجهزة الكمبيوتر، ومع ذلك ، يتم استخدام “الميكروكنترولر” حيث يتم تنفيذ البرمجة على أصغر مساحة موجودة، يحتوي المتحكم الدقيق على مواقع ذاكرة منفصلة لكل من البيانات والبرنامج، هنا سنتحدث بشكل مفصل عن الميكروكنترولر نوع (8051).

معمارية المتحكم الدقيق 8051 Microcontroller:

في مخطط الكتلة المعمارية للمتحكم الدقيق (8051)، سنلاحظ وجود عدة وحدات في المعمارية، ويتم تضمين كل وحدة لتنفيذ العملية المطلوبة، دعونا الآن نناقش تشغيل كل وحدة موجودة في هذه المعمارية:

وحدة المعالجة المركزية CPU:

وحدة المعالجة المركزية (CPU)، (Central processing unit)، يستخدم المتحكم الدقيق (8051) معالج (8) بت، تقوم هذه الوحدة بتنفيذ العملية على بيانات (8) بت، المعالج هو قلب الميكروكونترولر، حيث يتم تنفيذ البرنامج المخزن في الذاكرة بواسطة المعالج، تقوم الوحدة بعمليات حسابية ومنطقية على بيانات (8) بت، حيث أنّها تحتوي على (ALU)، مع سجلات داخلية وعدادات برنامج.

يتم تنفيذ العديد من العمليات المنطقية بواسطة (ALU) وفقًا للبرنامج المخزن في الذاكرة، يمتلك المعالج الخاص بالمتحكم (8051)، ميزة خاصة يمكنه من خلالها معالجة بيانات بت واحد أو (8) بت، هذا يعني ببساطة أنّ لديه القدرة على الوصول إلى كل بيانات بت واحد إمّا لمسح أو تعيين أو نقل، لأي حساب منطقي.

الذاكرة Memory:

يتكون المتحكم (8051) بشكل أساسي من ذاكرة برنامج على الرقاقة، أي (ROM) وذاكرة البيانات على الرقاقة، أي ذاكرة الوصول العشوائي (RAM):

• ذاكرة للقراءة فقط (ROM): (8051) متحكم يحتوي على (4) كيلو بايت (ROM) مع (0000H) إلى (0FFFH) كمساحة قابلة للعنونة، إنّها عبارة عن برنامج أو ذاكرة رمز بالكامل ممّا يعني أنّ المبرمج يستخدمها لتخزين البرامج التي سيتم تنفيذها بواسطة وحدة التحكم الدقيقة، يتم تخزين العمليات التي يتم تنفيذها بواسطة الجهاز الذي يوجد به الميكروكونترولر في ذاكرة القراءة فقط (ROM) الخاصة بالذاكرة في وقت التصنيع، ومن ثمّ لا يمكن تغييرها أو تعديلها.

• ذاكرة الوصول العشوائي (RAM): المتحكم (8051) يحمل (128) بايت من ذاكرة الوصول العشوائي، في الأساس، تُستخدم ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) لتخزين البيانات أو العمليات (operands) لفترة زمنية قصيرة فقط، يمكن تغييره في أي وقت حسب حاجة المستخدم، تُعرف أيضًا باسم ذاكرة البيانات لأنّها تخزن البيانات مؤقتًا.

من أصل (128) بايت من ذاكرة الوصول العشوائي، أولاً، يتم الاحتفاظ بـ (32) بايت بواسطة سجلات العمل، في الأساس، هذه هي (4) بنوك (4 banks)، تحتوي بشكل منفصل على (8) سجلات، يتم الوصول إلى هذه السجلات إمّا عن طريق الاسم أو العنوان، وتجدر الإشارة هنا إلى أنّه في وقت معين يمكن استخدام بنك سجل (register bank) واحد فقط.

كما هو الحال في المتحكم (8051)، تحتوي ذاكرة البيانات والبرامج، أي ذاكرة الوصول العشوائي وذاكرة القراءة فقط، على مساحة ذاكرة محددة، ومع ذلك، بالنسبة لبعض التطبيقات، هناك حاجة إلى ذاكرة خارجية لتعزيز مساحة الذاكرة، وبالتالي يتم استخدام ذاكرة الوصول العشوائي الخارجية، (ROM / EPROM) بواسطة متحكمات (8051).

منفذ الإدخال/الإخراج Input/ Output port:

يتكون المتحكم (8051) من (4) منافذ متوازية كل منها (8) بت ممّا يوفر (32) سنًا “دبوسًا” للإدخال والإخراج، تعمل جميع المنافذ الأربعة بشكل ثنائي الاتجاه، أي إمّا الإدخال أو الإخراج وفقًا للتحكم في البرنامج.

وحدة الموقت والتحكم Timer and Control Unit:

تُستخدم الموقتات لإنشاء فجوة زمنية أو تأخير بين حدثين، يتكون المتحكم (8051)، من موقتين (16) بت لكل منهما، يمكن للنظام أن ينتج تأخيرين في وقت واحد من أجل توليد التأخير المناسب، في الأساس، تستخدم المتحكمات الدقيقة تأخيرات الأجهزة (hardware delays)، التي يستخدم فيها المعالج جهازًا ماديًا لإنتاج التأخير المعني، ويعرف هذا الجهاز المادي بالمؤقت.

ينتج الموقت التأخير وفقًا لطلب المعالج ويرسل الإشارة إلى المعالج بمجرد إنتاج التأخير المعني، على الرغم من أنّ المعالج يمكنه أيضًا إحداث تأخير وفقًا لحاجة النظام، ولكن هذا سيؤدي إلى إبقاء المعالج مشغولاً طوال الوقت، لأنّه لن يقوم بأي عملية أخرى في تلك المدة الزمنية المحددة، لذا ، فإنّ وجود المؤقت في الميكروكونترولر يسمح للمعالج أن يكون حرًا من أجل تنفيذ عمليات أخرى.

إلى جانب هذه الوحدات، تشتمل شريحة وحدة التحكم الدقيقة أيضًا على مؤشر البيانات (data pointer)، وعداد البرنامج (program counter)، ومؤشر المكدس والمكدس (stack and stack pointer)، والسجلات المؤقتة، وسجلات التعليمات مع المزالج (latches) والمخازن المؤقتة لمنافذ الإدخال/الإخراج (buffers for the I/O ports).

خصائص المتحكم الدقيق 8051:

• معالج (8) بت.

• ذاكرة بيانات أو ذاكرة وصول عشوائي تبلغ (128) بايت.

• ذاكرة البرنامج أو (ROM of 4 KB).

• (2) مؤقت (16) بت لكل منهما.

• ناقل بيانات (8) بت.

• ناقل عنوان (16) بت.

• يقدم (bit addressable format).

• سجلات الوظائف الخاصة والمنفذ التسلسلي.

• (32) خط إدخال/إخراج.

تطبيقات المتحكم الدقيق 8051:

تجد المتحكمات الدقيقة تطبيقاتها المختلفة مثل الأدوات الإلكترونية، مثل لوحة المفاتيح والماوس وما إلى ذلك، والسيارات والتجارة الإلكترونية والأدوات المنزلية الإلكترونية، مثل الأفران والغسالات وما إلى ذلك.