ครูเพชรไอที

 สถาปัตยกรรมของไมโครคอนโทรลเลอร์                    สถาปัตยกรรมของไมโครคอนโทรลเลอร์แบ่งตามลักษณะการออกแบบการติดต่อประสานงานระหว่างหน่วยประมวลผลกับหน่วยความจำ มี 2 แบบ ดังต่อไปนี้         1. สถาปัตยกรรมวอนนิวแมนน์ (Von-Newman Architecture) ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้สถาปัตยกรรมนี้หน่วยประมวลผล(CPU) จะติดต่อกับหน่วยความจำผ่านบัสข้อมูลเพียง 8 บิต ทำให้หน่วยประมวลผลไม่สามารถอ่านหรือเขียนข้อมูลกับหน่วยความจำได้ในเวลาเดียวกัน การทำงานจึงค่อนข้างช้าเมื่อเทียบกับสถาปัตยกรรมแบบฮาร์วาร์ด              2.สถาปัตยกรรมฮาร์วาร์ด (Harvard Architecture) ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้สถาปัตยกรรมนี้จะมีบัสข้อมูลสองทาง ส่วนแรกคือหน่วยประมวลผลจะติดต่อกับหน่วยความจำแรมผ่านบัสข้อมูล 8 บิต และส่วนที่สองคือซีพียูจะติดต่อกับหน่วยความจำรอมผ่านบัสข้อมูล12, 14, 16 บิต หน่วยประมวลผลจึงสามารถอ่านและเข้าถึงหน่วยความจำแรมและหน่วยความจำรอมได้ในเวลาเดียวกัน ทำให้กระบวนการทำคำสั่งลดขั้นตอนลง ไมโครคอนโทรลเลอร์จึงทำงานได้เร็วขึ้น           สถาปัตยกรรมของไมโครคอนโทรลเลอร์แบ่งตามการประมวลผล 1. ไมโครคอนโทรลเลอร์ 8 บิต 2. ไมโครค

ลักษณะโครงสร้างภายนอกของไมโครคอนโทรลเลอร์        ปัจจุบันมีการประยุกต์ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ในระบบอัตโนมัติมากมาย เพื่อให้สะดวกต่อการนำไปใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ผู้ออกแบบตัวถังหรือลักษณะภายนอกของไมโครคอนโทรลเลอร์จึงได้ออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการดังกล่าว เช่น โครงสร้างแบบ SOIC, PDIP, PLCC และ TQFP โครงสร้างแบบ SOIC (Small Outline Integrated Circuit) เป็นโครงสร้างที่มีลักษณะเล็กกว่าไอซีแบบ DIP โดยขาของอุปกรณ์ประเภทนี้จะเป็นขาแบบ Gull wing โดยทั่วไปโครงสร้างแบบนี้จะมีจำนวนขาตั้งแต่ 8 ขา 14,16,20,24, และ 28 ขา โดยความกว้างของตัวถังโครงสร้างแบบนี้จะมีด้วยกัน 2 ขนาด คือ 150 มิลลิเมตร และ 300 มิลลิเมตร โครงสร้างแบบ PDIP (Plastic Dual In-line Package)  โครงสร้างแบบนี้จะบางครั้งถูกเรียกว่าไอซีประเภท DIP (Dual Inline Package) โดยที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ประเภทนี้อาจจะแบ่งตามสารคอมปาวด์ ที่ฉีดเข้าไปที่โมลด์ของตัวไอซี อาทิเช่นถ้าฉีดสารพลาสติกเข้าไปจะมีชื่อเรียกว่า PDIP (Plastic Dual Inline Package) ถ้าฉีดสารคอมปาวด์ชนิดเซอรามิกจะถูกเรียกว่า CDIP (Ceramic Dual Inline Package) เป็นต้น โครงสร้างแบ

ส่วนพิเศษอื่นๆ ของไมโครคอนโทรลเลอร์       ส่วนพิเศษอื่น ๆ ของไมโครคอนโทรลเลอร์จะขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิตของแต่ละบริษัทที่จะผลิตขึ้นมาใส่คุณสมบัติพิเศษลงไป เช่น 1.ADC (Analog to Digital) ส่วนภาครับสัญญาณอนาล็อกแปลงไปเป็นสัญญาณดิจิตอล 2.DAC (Digital to Analog) ส่วนภาคส่งสัญญาณดิจิตอลแปลงไปเป็นสัญญาณอนาล็อก 3.I2C (Inter Integrate Circuit Bus) เป็นการสื่อสารอนุกรม แบบซิงโครนัส (Synchronous) เพื่อใช้ ติดต่อสื่อสาร ระหว่าง ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) กับอุปกรณ์ภายนอก ซึ่งถูกพัฒนาขึ้นโดยบริษัท Philips Semiconductors โดยใช้สายสัญญาณเพียง 2 เส้นเท่านั้น คือ serial data (SDA) และสาย serial clock (SCL) ซึ่งสามารถ เชื่อมต่ออุปกรณ์ จำนวนหลายๆ ตัว เข้าด้วยกันได้ ทำให้ MCU ใช้พอร์ตเพียง 2 พอร์ตเท่านั้น 4.SPI (Serial Peripheral Interface) เป็นการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์เพื่อรับส่งข้อมูลแบบซิงโครนัส (Synchronize) มีสัญญาณนาฬิกาเข้ามาเกี่ยวข้องระหว่างไมโครคอนโทรลเลอร์ (Microcontroller) หรือจะเป็นอุปกรณ์ภายนอกที่มีการรับส่งข้อมูลแบบ SPI อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เป็นมาสเตอร์ (Master) โดยปกติแล้วจะเป็นไมโครคอนโทรลเลอร์

ส่วนประกอบของไมโครคอนโทรลเลอร์ 1.ไฟเลี้ยงวงจร จากที่เคยกล่าวมาแล้วไมโครคอนโทรเลอร์นั้นเปรียบเสมือนไอซีตัวหนึ่ง เมื่อไอซีจะทำงานได้ก็ต่อเมื่อมีการจ่ายไฟเลี้ยงเข้าไป โดยส่วนใหญ่แล้วต้องการไฟเลี้ยงอยู่ระหว่าง 3.3-5 โวลต์เท่านั้น แต่ในปัจจุบันมีการพัฒนาให้กินไฟได้น้อยลงซึ่งจะอยู่ประมาณ 1.8 โวลต์ 2.หน่วยผลิตสัญญาณนาฬิกา มีหน้าที่ผลิตสัญญาณนาฬิกาเพื่อใช้ควบคุมการทำงานหรือการประมวลผลต่าง ๆ ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้คริสตอลเป็นตัวผลิตความถี่สัญญาณนาฬิกา ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 4 – 20 Mhz  (4-20 ล้านคำสั่งต่อวินาที) และในปัจจุบันไมโครคอนโทรลเลอร์บางตัวยังได้รับการพัฒนาให้มีวงจรผลิตความถี่ภายในตัวเองจึงไม่ต้องอาศัยหน่วยผลิตสัญญาณนาฬิกาจากภายนอก 3.วงจรรีเซต เป็นวงจรที่สั่งให้ไมโครคอนโทรลเลอร์เริ่มต้นทำงานตามคำสั่งโปรแกรมตั้งแต่แรก ถ้ามีการกดปุ่มรีเซ็ต ในขณะที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ทำงานอยู่ ไมโครคอนโทรลเลอร์ก็จะเริ่มกลับไปทำงานตั้งแต่แรกใหม่ และที่สำคัญถ้าไม่มีวงจรรีเซ็ตไม่โครคอนโทรลเลอร์ก็จะไม่สามารถทำงานได้ 4.ข้อมูล(DATA) แบ่งออกเป็น 2 ส่วน ซึ่งในส่วนแรกจะเป็นข้อมูลหลักนิยมเรียกกันว่าเฟริมแวร์คือโป

       โครงสร้างของไมโครคอนโทรลเลอร์ จากบทความก่อนหน้านี้ผมได้เขียนถึงความแตกต่างระหว่างไมโครคอนโทรลเลอร์และ ไมโครโพรเซสเซอร์มาแล้ว ทำให้เห็นได้ว่าไมโครคอนโทรลเลอร์จะมีส่วนประกอบต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นในส่วนของหน่วยประมวลผล(CPU) หน่วยความจำหลัก(RAM) และพอร์ตการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ภายนอกทุกอย่างจะอยู่ในตัวถังเดียวกันทั้งหมด ในบทความนี้ผมจะนำเสนอเกี่ยวกับส่วนประกอบของไมโครคอนโทรลเลอร์ ว่ามีองค์ประกอบอะไรบ้าง และแต่ล่ะองค์ประกอบนั้นมีคุณสมบัติอย่างไร ซึ่งโดยทั่วไปแล้วไมโครคอนโทรลเลอร์จะมีโครงสร้าง 5 ส่วนดังต่อไปนี้           1. หน่วยประมวลผลกลาง(Central Processing Unit : CPU) ทำหน้าที่เป็นสมองของคอมพิวเตอร์ ไมโครคอนโทรลเลอร์ ก็เช่นเดียวกัน ซึ่งปัจจุบันหน่วยประมวลผลกลางอยู่ในยุคที่ 4 เป็นยุคของวงจรรวม โดยหน้าที่หลักของหน่วยประมวลผลคือ การตัดสินใจหรือคำนวณ จากคำสั่งที่ได้รับมาจากการเขียนโปรแกรมสั่งงาน เช่น การเปรียบเทียบ การเรียงลำดับ การจัดกลุ่ม รวมไปถึงการคำนวณทางคณิตศาสตร์ โดยจะมีขบวนการพื้นฐาน หรือที่เราเรียนกันว่าวัฎจักรคำสั่ง (Machine cycle) โดยส่วนใหญ่ไมโครคอนโทรลเลอร์ในปัจจุบันจะมี

ความแตกต่างของไมโครคอนโทรลเลอร์กับไมโครโพรเซสเซอร์         ไมโครโพรเซสเซอร์ (Microprocessor) หรือที่เราเรียกติดปากก็คือซีพียู ซึ่งมีหน้าที่ในการประมวลผลให้กับคอมพิวเตอร์ แต่มีความแตกต่างกับไมโครคอนโทรลเลอร์อยู่ที่ประสิทธิภาพของความเร็วในการประมวลผล การใช้พลังงาน และโครงสร้าง ซึ่งแน่นอนครับว่าไมโครโพรเซสเซอร์มีศักยภาพที่สูงกว่ามาก แต่ก็มีราคาที่สูงกว่าไปด้วย ส่วนในฝั่งของไมโครคอนโทรลเลอร์นั้นถึงจะมีประสิทธิภาพที่ต่ำกว่าแต่ก็เหมาะกับการนำไปประยุกต์ใช้งานเฉพาะด้าน แต่ถ้าพูดถึงโครงสร้างจะทำให้เห็นถึงความชัดเจนถึงความแตกต่างระหว่างไมโครคอนโทรลเลอร์และไมโครโพรเซสเซอร์ ภาพโครงสร้างไมโครคอนโทรลเลอร์           โครงสร้างของไมโครคอนโทรลเลอร์จะประกอบไปด้วยซีพียู(CPU)มีหน้าที่ประมวลผล หน่วยความจำ(Memory) ทำหน้าที่จัดเก็บข้อมูลและโปรแกรม พอร์ตการเชื่อมต่ออุปกรณ์ภายนอก(Port) ช่องทางเดินสัญญาณ(BUS) และวงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกา จากภาพจะเห็นได้ชัดเจนว่าแต่ล่ะส่วนจะอยู่ในตัวถังเดียวกันทั้งหมดทำให้สะดวกต่อการใช้งาน     ภาพโครงสร้างไมโครโพรเซสเซอร์         ในส่วนโครงสร้างของไมโครโพรเซสเซอร์ หรือที่เราเรียนก

        ไมโครคอนโทรลเลอร์(Microcontroller) ตามความหมายในวิกิพีเดีย ได้ให้ไว้คือ อุปกรณ์ควบคุมขนาดเล็ก ซึ่งตัวไมโครคอนโทรลเลอร์นั้น จะมีองค์ประกอบที่คล้ายคลึงกับ ไมโครคอมพิวเตอร์ แต่สิ่งที่แตกต่างกันคือ ไมโครคอนโทรลเลอร์นั้นจะรวมเอาหน่วย ประมวลผล(CPU) หน่วยความจำ(Memory) และพอร์ตการเชื่อมต่อ(Port) ไว้ในตัวถังเพียง ตัวเดียว แต่ไมโครคอมพิวเตอร์จะแยกองค์ประกอบของอุปกรณ์ดังกล่าว ไว้บนแผงวงจรหลัก (Mainboard) และเชื่อมต่อกันผ่านบัส(BUS)       ไมโครคอนโทรลเลอร์บางท่านอาจเรียกว่าเป็นไอซีชนิดหนึ่งก็ไม่ผิดอะไรครับ เพราะปกติแล้วมันสามารถใช้งานได้ไม่ต่างอะไรกับไอซีทั่วไปเลย ที่สำคัญเจ้าไมโครคอนโทรลเลอร์มีหลากหลายเบอร์ให้เลือกใช้ได้ตามความเหมาะสม และยังสามารถเขียนโปรแกรมสั่งงานต่าง ๆ เพื่อควบคุมขาไอโอ(Input/Output) เพื่อรับสัญญาณจากเซนเซอร์(Sensor)หรือสั่งงานไปยังอุปกรณ์ควบคุมต่าง ๆ ได้ และที่สำคัญยังรองรับทั้งสัญญาณดิจิตอล(Digital) และสัญญาณอนาล็อค (Analog) ทำให้สามารถประยุกต์ใช้งานได้อย่างหลากหลายในระบบอัตโนมัติ เช่น ระบบประตูอัตโนมัติ เครื่องซักผ้าอัตโนมัติ ระบบบัตรคิว ระบบตอกบัตรพน