כיצד לבחור את המיקרו-בקר המתאים ליישום המשובץ שלך

מיקרו-בקר הוא למעשה מחשב קטן על שבב, כמו כל מחשב, יש לו זיכרון ובדרך כלל מתוכנת במערכות מוטבעות לקבלת תשומות, ביצוע חישובים וייצור פלט. שלא כמו מעבד, הוא משלב את הזיכרון, המעבד, קלט / פלט וציוד היקפי אחר על שבב יחיד כמו שמוצג בפריסה למטה.

בחירת המיקרו-בקר הנכון לפרויקט היא תמיד החלטה מורכבת לקבל מכיוון שהוא לב הפרויקט והצלחתה או כישלונה של המערכת תלויה בכך.

ישנם אלף סוגים שונים של מיקרו-בקרים, כל אחד מהם עם תכונה ייחודית או יתרון תחרותי מגורם צורה, לגודל החבילה, עד ליכולת ה- RAM וה- ROM שגורמים להם להתאים ליישומים מסוימים ולא מתאימים ליישומים מסוימים. לעתים קרובות, כדי להימנע מכאבי הראש שבאים בבחירת המתאים, מעצבים בוחרים במיקרו-בקרים שהם מכירים, ולעיתים אף שהם אינם ממש עונים על דרישות הפרויקט. המאמר של היום יסתכל על כמה מהגורמים החשובים שיש לבחון בעת בחירת מיקרו-בקר כולל ארכיטקטורה, זיכרון, ממשקי ממשק ונדל"ן בין היתר.

גורמים חשובים שיש לקחת בחשבון בבחירת MCU

להלן כמה מהגורמים החשובים שיש לבחון בעת בחירת מיקרו-בקר כולל ארכיטקטורה, זיכרון, ממשקים ונדל"ן קלט / פלט בין היתר.

1. יישום

הדבר הראשון שצריך לעשות לפני שבוחרים מיקרו-בקר לפרויקט כלשהו הוא לפתח הבנה עמוקה של המשימה שלשמה אמור להיות פרוס הפתרון מבוסס המיקרו-בקר. גיליון מפרט טכני מפותח תמיד במהלך תהליך זה, והוא יעזור לקבוע את התכונות הספציפיות שהמיקרו-בקר ישמש לפרויקט. דוגמה טובה לאופן שבו היישום / השימוש במכשיר קובע את המיקרו-בקר לשימוש, מוצג כאשר מאומץ מיקרו-בקר עם יחידת נקודה צפה לתכנון מכשיר שישמש לביצוע פעולות הכוללות מספרים עשרוניים רבים.

2. בחר באדריכלות מיקרו-בקר

הארכיטקטורה של מיקרו-בקר מתייחסת לאופן שבו המיקרו-בקר בנוי באופן פנימי. ישנם שני ארכיטקטורות עיקריות המשמשות לתכנון מיקרו-בקרים;

פון אדריכלות נוימן
אדריכלות הרווארד

הארכיטקטורה של פון נוימן מציגה את השימוש באותו אוטובוס להעברת נתונים ולהבאת ערכות הוראות מהזיכרון. לכן לא ניתן לבצע העברת נתונים ואחזור הוראות באותו זמן ובדרך כלל מתוזמנים. לעומת זאת, ארכיטקטורת הרווארד כוללת שימוש באוטובוסים נפרדים להעברת נתונים ואחזור הוראות.

לכל אחת מהארכיטקטורות הללו יש יתרון וחיסרון משלה. אדריכלות הרווארד למשל הם מחשבי RISC (Reduced instruction Set) וכך הם מסוגלים לבצע הוראות רבות יותר במחזורים נמוכים יותר ממחשבי CISC (ערכת הוראות מורכבות) המבוססים על ארכיטקטורת פון נוימן. יתרון חשוב אחד של המיקרו-בקרים המבוססים על הרווארד (RISC) הוא העובדה שקיומם של אוטובוסים שונים להגדרת נתונים ולהוראות מאפשר הפרדה בין גישה לזיכרון לבין פעולות היחידה האריתמטית והלוגית (ALU). זה מקטין את כמות הכוח החישובי הנדרש על ידי המיקרו-בקר וזה מוביל לעלות מופחתת, צריכת חשמל נמוכה ופיזור חום מה שהופך אותם לאידיאליים לעיצוב מכשירים המופעלים באמצעות סוללות. הרבה ARM,בקרי מיקרו AVR ו- PIC מבוססים על ארכיטקטורת הרווארד. דוגמה למיקרו-בקרים המשתמשים בארכיטקטורת פון נוימן כוללת בין היתר 8051, zilog Z80.

3. גודל סיביות

מיקרו-בקר יכול להיות 8 ביט, 16 ביט, 32 ביט ו 64 ביט שהוא גודל הסיביות המרבי הנוכחי שיש למיקרו-בקר. גודל הסיביות של מיקרו-בקר מייצג את הגודל של "מילה" המשמשת במערך ההוראות של המיקרו-בקר. משמעות הדבר היא שבמיקרו-בקר 8 ביט, הייצוג של כל הוראה, כתובת, משתנה או רישום לוקח 8 ביט. אחת ההשלכות העיקריות של גודל הסיביות היא קיבולת הזיכרון של המיקרו-בקר. במיקרו-בקר של 8 סיביות למשל, ישנם 255 מיקומי זיכרון ייחודיים כפי שמכתיב את גודל הסיביות בעוד שבמיקרו-בקר של 32 סיביות, ישנם 4,294,967,295 מיקומי זיכרון ייחודיים, כלומר ככל שגודל הסיביות גבוה יותר, כך מספר הייחודיות גבוה יותר. מיקומי זיכרון זמינים לשימוש במיקרו-בקר. היצרנים בימינו לעומת זאת,מפתחים דרכים לספק גישה למיקום זיכרון רב יותר למיקרו-בקרים בגודל סיביות קטן יותר באמצעות החלפה וכתובת, כך שמיקרו-בקר של 8 ביט הופך לניתוח של 16 ביט אך זה נוטה לסבך את התכנות עבור מפתח התוכנה המשובץ.

האפקט של גודל הסיביות כנראה נחווה בצורה משמעותית יותר בעת פיתוח הקושחה עבור המיקרו-בקר במיוחד עבור פעולות חשבון. לסוגי הנתונים השונים יש גודל זיכרון שונה עבור גודל סיביות מיקרו-בקר שונה. לדוגמא, שימוש במשתנה שהוכרז כמספר שלם לא חתום אשר בשל סוג הנתונים ידרוש 16 ביט של זיכרון, בקודים שיבוצעו על גבי מיקרו-בקר 8 ביט יוביל לאובדן הבייט המשמעותי ביותר בנתונים שלעתים עשויים להיות חשוב מאוד להשגת המשימה שלשמה תוכנן המכשיר שעליו ישמש את המיקרו-בקר.

לכן חשוב לבחור מיקרו-בקר עם גודל סיביות התואם לזה של הנתונים לעיבוד.

חשוב כנראה לציין כי רוב היישומים בימינו הם בין 32 ביט ל 16 ביט מיקרו-בקרים עקב ההתקדמות הטכנולוגית המשולבת בשבבים אלה.

4. ממשקים לתקשורת

תקשורת בין המיקרו-בקר לחלק מהחיישנים והמפעילים שישמשו לפרויקט עשויה לדרוש שימוש בממשק בין המיקרו-בקר לבין החיישן או המפעיל כדי להקל על התקשורת. קחו למשל לחבר חיישן אנלוגי למיקרו-בקר ידרוש שמיקרו-הבקר יהיה מספיק ADC (ממירים אנלוגיים לדיגיטליים) או כפי שציינתי קודם, שינוי מהירות של מנוע DC עשוי לדרוש שימוש בממשק PWM במיקרו-בקר. לכן חשוב יהיה לאשר כי למיקרו-בקר שייבחר יש מספיק ממשקים נדרשים כולל UART, SPI, I2C בין היתר.

5. מתח הפעלה

מתח ההפעלה הוא רמת המתח בה המערכת מתוכננת לפעול. זוהי גם רמת המתח אליה קשורים מאפיינים מסוימים של המערכת. בתכנון חומרה מתח ההפעלה לפעמים קובע את רמת ההיגיון בה המיקרו-בקר מתקשר עם רכיבים אחרים המרכיבים את המערכת.

רמת המתח 5V ו- 3.3V הם מתח ההפעלה הפופולרי ביותר המשמש למיקרו-בקרים ויש לקבל החלטה באיזה ממתח מתח זה ישמש במהלך תהליך פיתוח המפרט הטכני של המכשיר. שימוש במיקרו-בקר עם מתח הפעלה של 3.3 וולט בתכנון מכשיר בו מרבית הרכיבים החיצוניים, החיישנים והמפעילים יפעלו ברמת מתח 5V לא תהיה החלטה חכמה במיוחד מכיוון שיהיה צורך ליישם רמת לוגיקה. מחלפים או ממירים כדי לאפשר חילופי נתונים בין המיקרו-בקר לבין שאר הרכיבים וזה יעלה את עלות הייצור ואת העלות הכוללת של המכשיר ללא צורך.

6. מספר סיכות קלט / פלט

מספר יציאות הקלט / הפלט המיועדות לכלל או המיוחד ו (או) פינים שברשותו מיקרו-בקר הוא אחד הגורמים החשובים ביותר המשפיעים על בחירת המיקרו-בקר.

אם למיקרו-בקר היו כל התכונות האחרות המוזכרות במאמר זה, אך אין לו מספיק סיכות IO כנדרש על ידי הפרויקט, לא ניתן להשתמש בו. חשוב שלמיקרו-בקר יהיו מספיק סיכות PWM למשל, כדי לשלוט במספר מנועי DC שמהירותם תשתנה בהתאם למכשיר. אמנם ניתן להרחיב את מספר יציאות הקלט / פלט במיקרו-בקר באמצעות רושמי משמרות, אך לא ניתן להשתמש בו לכל סוג של יישומים ומעלה את עלות המכשירים בהם הוא משמש. לכן, עדיף להבטיח שלמיקרו-בקר שייבחר לתכנון יש את המספר הנדרש של יציאות קלט / פלט למטרות כלליות ומיוחדות לפרויקט.

דבר מפתח נוסף שכדאי לזכור בעת קביעת כמות סיכות הקלט / פלט למטרה כללית או מיוחדת הנדרשת לפרויקט, הוא השיפור העתידי שעשוי להיעשות במכשיר וכיצד שיפורים אלה עשויים להשפיע על מספר פינים של קלט / פלט נדרש.

7. דרישות זיכרון

ישנם מספר סוגים של זיכרון המשויכים למיקרו-בקר שעליהם המעצב צריך לשים לב בעת בחירה. החשובים שבהם הם RAM, ROM ו- EEPROM. ייתכן שיהיה קשה לאמוד את כמות כל אחד מהזיכרונות הללו עד לשימוש, אך אם לשפוט לפי כמות העבודה הנדרשת מהמיקרו-בקר, ניתן לחזות. התקני זיכרון אלה שהוזכרו לעיל מהווים את הנתונים ואת זיכרון התוכנית של המיקרו-בקר.

זיכרון התוכנית של המיקרו-בקר מאחסן את הקושחה עבור המיקרו-בקר כך שכאשר מנותק החשמל ממיקרו-הבקר, הקושחה אינה הולכת לאיבוד. כמות זיכרון התוכנית הדרושה תלויה בכמות הנתונים כמו ספריות, טבלאות, קבצים בינאריים לתמונות וכו 'הדרושים בכדי שהקושחה תפעל כהלכה.

לעומת זאת, בזיכרון הנתונים משתמשים בזמן הריצה. כל המשתנים והנתונים שנוצרו כתוצאה מעיבוד בין פעילויות אחרות בזמן הריצה נשמרים בזיכרון זה. לפיכך, ניתן להשתמש במורכבות החישובים שתתרחש במהלך זמן הריצה כדי לאמוד את כמות זיכרון הנתונים הדרושה למיקרו-בקר.

8. גודל חבילה

גודל החבילה מתייחס לגורם הצורה של המיקרו-בקר. מיקרו-בקרים בדרך כלל מגיעים בחבילות החל מ- QFP, TSSOP, SOIC ועד SSOP וחבילת ה- DIP הרגילה מה שמקל על הרכבה על קרש לחם. חשוב לתכנן מראש את הייצור ולחשוב איזו חבילה תהיה הטובה ביותר.

9. צריכת חשמל

זהו אחד הגורמים החשובים ביותר שיש לקחת בחשבון בבחירת מיקרו-בקר במיוחד כאשר הוא אמור להתפרס ביישום המופעל באמצעות סוללה כמו מכשירי IoT, שם רצוי שהמיקרו-בקר יהיה בעל הספק נמוך ככל האפשר. גליון הנתונים של רוב המיקרו-בקרים מכיל מידע על מספר טכניקות מבוססות חומרה (או) מבוססות תוכנה שניתן להשתמש בהן כדי למזער את כמות הכוח הנצרכת על ידי המיקרו-בקר במצבים שונים. ודא כי המיקרו-בקר שאתה בוחר עומד בדרישות ההספק של הפרויקט שלך.

10. תמיכה במיקרו-בקר

חשוב שהמיקרו-בקר שאיתו אתה עובד יש מספיק תמיכה כולל; דוגמאות קוד, עיצובים לעיון ואם אפשר קהילה גדולה ברשת. עבודה עם מיקרו-בקר בפעם הראשונה עשויה לבוא עם אתגרים שונים והגישה עם משאבים אלה תעזור לך להתגבר עליהם במהירות. בעוד ששימוש במיקרו-בקרים עדכניים בגלל אותם תכונות חדשות ומגניבות שהגיע איתו זה דבר טוב, מומלץ לוודא שהמיקרו-בקר היה קיים לפחות 3-4 חודשים בכדי להבטיח את רוב הבעיות המוקדמות העשויות להיות קשורות למיקרו-בקר. היה נפתר מכיוון שלקוחות שונים היו מבצעים הרבה בדיקות של המיקרו-בקר עם יישומים שונים.

חשוב גם לבחור מיקרו-בקר עם ערכת הערכה טובה, כך שתוכל להתחיל במהירות לבנות אב-טיפוס ולבדוק תכונות בקלות. ערכות ההערכה הן דרך טובה לרכוש ניסיון, להכיר את שרשרת הכלים המשמשת לפיתוח ולחסוך זמן במהלך פיתוח המכשיר.

בחירת המיקרו-בקר המתאים לפרויקט, תמשיך להיות בעיה, כל מעצב חומרה יצטרך לפתור ולמרות שיש עוד כמה גורמים שעשויים להשפיע על בחירת המיקרו-בקר, הגורמים הללו שהוזכרו לעיל הם החשובים ביותר.