دورة الميكروكونترولر PIC وتطبيقاته على الإنترنت On-Line Course - الصفحة 3

F.Abdelaziz · 29-09-2011, 12:50 AM

الخصائص العامة للميكروكونترولر PIC

عائلة الميكروكونترولر PIC

يتم تصنيع الميكروكونترولر PIC من قبل شركة ميكروشيب . يوجد أساسا ثلاثة عائلات من الميكروكونترولر PIC تتفاوت فى حجم (سعة – طول) كلمة ذاكرة البرنامج , وهى 12 و 14 و 16 بتات bits . جميع هذه الأجهزة لديها داخليا ناقل ذو 8 بتات 8-bit bus . حاليا , أطلقت ميكروشيب عائلة ميكروكونترولر جديد هو dsPIC والذى يمكنه استدعاء ناقل داخلى بحجم 16 و 23 بتات على عكس الأسرة التقليدية ذات 8 بتات .
الميكروكونترولر PIC لديه بنية داخلية من نوع "هارفارد" Harvard . الفرق بين هذه البنية والبنية التقليدية من نوع "فون نيومان" Von-Neumann , هو أنها تحتوى على ناقل bus للبرنامج و آخر للبيانات على عكس البنية التقليدية والتى بها ناقل واحد للبيانات والعنوان .
الزيادة فى حجم "كلمة البرنامج" تسمح بالزيادة فى عدد التعليمات :
· الميكروكونترولر 12-bit PICs (12C508, 12C509, 12CE518, 16C54, 16C55) لديه 33 تعليمة فقط .
· الميكروكونترولر 14-bit (12C671, 12C672, 12CE673, 12C674, 14000, 16C55x) لديه 35 تعليمة .
· الميكروكونترولر 16 bit (17C4x, 17C75X, 17C76X, 18C2XX, 18C4XX) لديه 77 تعليمة .
ولقد تم تحسين الميكروكونترولر PIC للعمل بمجموعة صغيرة من التعليمات للقيام بالمعالجة بسرعات عالية. يمكننا العمل بالميكروكونترولر بسرعة 10MIPS ( 10 مليون تعليمة كل ثانية) باستخدام ميكروكونترولر PIC من السلسلة POC16 أو PIC18 تعمل بكريستال 40Mhz.
خصائص عائلة الميكروكونترولر PIC
· القدرة على العمل بطريقة "متراكبة" (أثناء تنفيذ تعليمة , يجلب المعالج التعليمة التالية فى الذاكرة من أجل الإسراع فى تنفيذ البرنامج ) .
· تنفيذ تعليمة واحدة كل "دورة الآلة" باستثناء تعليمات التفرع التى تنفذ فى دورتين .
· دورة الآلة هى أربع دورات للساعة أى أن إشارة الساعة تقسم على 4 قبل تنفيذ عبارة .
· كل تعليمة تحتل موقع من ذاكرة البرنامج الوميضية .
· زمن التنفيذ ثابت باستثناء تعليمات التفرع التى تستخدم دورتين من دورات الآلة .
· ميزة أخرى هامة فى بنية الميكروكونترولر PIC تكمن فى التشابه والتوافق بين مختلف أفراد عائلات الميكروكونترولر . هذا يسهل كثيرا أمكانية الانتقال من ميكروكونترولر إلى آخر بتغييرات بسيطة , فى بعض الحالات , فقط تغييرعدد قليل من الأوامر فى البرنامج , لأن أجزاء السجلات الداخلية لا تختلف كثيرا .
أنواع ذاكرة البرنامج
سلاسل الميكروكونترولر PIC12 و PIC14 و PIC16 تخزن البرنامج فى ذاكرتها الداخلية . يمكن لأفراد العائلة PIC17 و PIC18 العمل بداكرة برنامج خارجية .

abdellah48 · 29-09-2011, 01:55 AM

شكرا أخي جزاك الله خيرا على معلوماتك القيمة واصل على بركة الله.

F.Abdelaziz · 29-09-2011, 02:42 AM

اقتباس المشاركة الأصلية كتبت بواسطة abdellah48

شكرا أخي جزاك الله خيرا على معلوماتك القيمة واصل على بركة الله.

أخى الكريم

شكرا جزيلا لك

مع تمنياتى بدوام التوفيق

F.Abdelaziz · 29-09-2011, 02:44 AM

مقارنة بين أنواع الأنظمة التى تعمل بالكومبيوتر من حيث :

أولا : من حيث مجموعة التعليمات :
أى وحدة معالجة مركزية لها مجموعة من التعليمات التى تتعرف عليها وتستجيب لها . جميع البرامج تبنى بطريقة أو بأخرى من مجموعة من التعليمات . ونحن نرغب فى أن يقوم الكومبيوتر بتنفيذ الشفرة ( الكود) بأسرع ما يمكن ولكن كيف نحقق تلك الرغبة . إحدى الطرق هى تصميم وحدة معالجة مركزية بمجموعة تعليمات بحيث توجد تعليمة خاصة بكل عملية . هذه الطريقة تسمى Complex Instruction SetComputer أو إختصارا CISC , أى الكومبيوتر ذو مجموعة التعليمات المعقدة . وهى تحتوى على تعليمات كثيرة ومعقدة مما يؤدى إلى بطأ فى التشغيل .
الطريقة الثانية هى الحفاظ على وحدة المعالجة المركزية بسيطة جدا واستخدام مجموعة تعليمات محددة . هذه الطريقة تسمى Reduced Instruction Set Computer أو إختصارا RISC , أى الكومبيوتر ذات مجموعة التعليمات المخفضة . وفيها يكون مجموعة التعليمات وبالتالى كل التصميم بسيط ويؤدى إلى سرعة فى التشغيل . وأحد خصائصها أن كل تعليمة تكون محتواه فى كلمة ثنائية binary word هذه الكلمة يجب أن تحتفظ بكل المعلومات المطلوبة بما فى ذلك شفرة التعليمة نفسها بالإضافة إلى أى عنوان أو معلومات مطلوبة . وخاصية أخرى ( تؤكد بساطة هذه الطريقة ) هى أن كل تعليمة تأخذ نفس الزمن فى التنفيذ .

ثانيا : من حيث تنظيم ( التعامل مع ) الذاكرة Organising memory
للتفاعل مع الذاكرة هناك نوعين من الأرقام يجب الإلمام بهما والتحرك حولهما هما العنوان المطلوب لموقع الذاكرة والبيانات الفعلية المطلوب تداولها فى هذا الموقع . وهما يتصلان بمجموعتين من الناقلات أو الموصلات تسميان ممر العناوين address bus وممر البيانات data bus.

يجب التأكد من أن ممرالبيانات وممر العناوين ( أو حتى أى جزء منهما ) يتصل ( يصل ) إلى كل موقع فى الذاكرة .

الطريقة البسيطة لتحقيق ذلك مبينة فى الشكل التالى وتسمى طريقة أو بناء فان نيومان
Von Neumann وفيها يكون للكومبيوتر ممر واحد للعناوين وممر واحد للبيانات ونفس ممر العناوين وممر البيانات يخدم كل من ذاكرة البرنامج وذاكرة البيانات . وبنفس الطريقة يتصل الدخل و الخرج .
أما فى التركيب البنائى المسمى هارفارد Harvard ففيه يكون كل نوع (مساحة) من الذاكرة لها ممر العناوين وممر البيانات الخاصة بها .

F.Abdelaziz · 29-09-2011, 02:51 AM

الميكروكونترولر: MicrocontrollersPic

أولا : مقدمة
التجهيز للانطلاق :
فى عام 1960 بدأت الالكترونات عصرا جديدا باكتشاف المواد شبه الموصلة ومن ثم الترانزستور وسرعان ما تطور إلى الدوائر المتكاملة والمعالجات الدقيقة .
بداية الميكروكونترولر :
فى عام 1971 وبعد ما تطور المعالج الدقيق والذاكرات وأصبح من الممكن تجميع المعالج الدقيق والذاكرات ودوائر الدخل والخرج ودوائر المؤقتات فى شريحة واحدة كان هناك إختياران إما أن نترك الأشياء والمكونات كما هى (منفصلة ) ويكون الاسم كما هو المعالج الدقيق ( كما هو الحال فى الكومبيوتر) أو ندمج الكل معا ونسميه الميكروكونترولر أو المتحكم الدقيق .
معظم المتحكمات الدقيقة متشابهة :
بمجرد أن نتعلم قيادة السيارة فإنه من السهل التعرف على قيادة معظم السيارات لإنها متشابهة . وجميع المتحكمات الدقيقة بينها تشابه . ولقد تعرفنا على بناء المعالج الدقيق ومن ثم يمكننا التحرك ( الانتقال ) بسهولة الى المتحكم الدقيق . وسوف لا نفاجىء بأن كل المتحكمات الدقيقة متشابة جدا فى أساسها .
الأنواع الأكثر انتشارا واستعمالا من المتحكمات الدقيقة هى ثلاثة أنواع (وكل نوع به عائلات منه وكل عائلة بها أفراد) .الميكروكونترولر الاول هو 8051 وربما الأوسع استخداما منذ عشرون عاما ومازال يتم تطويره بشركات متعددة ولا توجد دلائل على هبوطه والثانى هو عائلة AVR المنتجة بمعرفة شركة اتميل Atmel وهى إحدى الشركات القائدة فى هذا المجال . اما الأخير وهو المتحكم الدقيق PIC الذى سنتناوله بالتفصيل .

الميكروكونترولر : PIC
الميكروكونترولر PIC هو الاختيار الشائع المعتاد للبدء فى مجال الميكروكونترولر. والسبب الاساسى هو أن شركة ميكروشيب المنتجة له اعتمدت بجدية نظام الكومبيوتر ذو التعليمات المخفضة RISC . كما أن عدد التعليمات 35 تعليمة فقط ( للعائلة الوسطى كما سنرى بالتفصيل ) ويمكن بعدد قليل منها كتابة برنامج يمكن استخدامه . كما أن كل حركة ( انتقال ) للبيانات تعتمد على مسجل واحد فقط يسمى مسجل العمل ‘W’ إختصارا لكلمة ‘working’ .

عائلة الميكروكونترولر PIC :
الاختصار PIC فى أغلب المراجع هو إختصار للعبارة Peripheral Interface Controllerأى المتحكم ذو الربط ( الاتصال ) بالمحيط الخارجى . وفى بعض المراجع هو إختصار للعبارة
“Programmable IntelligentComputer” أى الكومبيوتر الذكى القابل للبرمجة .
وفى البعض الآخر هو إختصار للعبارة “Programmable InterfaceController.”
أى المتحكم ذو الربط (الاتصال) والقابل للبرمجة .

على الرغم من تواجد المئات من الموديلات للميكروكونترولر PICإلا أنه يمكن تقسيم العائلة الى ثلاث مجموعات رئيسية وهى :
1- مجموعة تعمل بكلمة تعليمة بعرض (بسعة) 12-bit مثال PIC12C508 وتسمى عائلة خط الأساس ‘baseline’ أو العائلة الصغرى .
2- مجموعة تعمل بكلمة تعليمة بعرض 14 – bit مثل (PIC16F84 و PIC16F628 وPIC16F676 وPIC16F877 ) وتسمى العائلة الوسطى “mid-range” أو عائلة المدى الأوسط .
3- مجموعة تعمل بكلمة تعليمة بعرض 16 – bit ( PIC18 ) وتسمى عائلة الخصائص المرتفعة او ‘high-end’.

وسوف نتناول مجموعة العائلة الوسطى بالتفصيل والتى تسمى PICmicro X14 نسبة إلى عدد الخانات (البتات) فى كلمة التعليمة

ثانيا :التركيب البنائى للميكروكونترولر PIC ( العائلة الوسطى المسماه PICmicro x14 )

F.Abdelaziz · 29-09-2011, 02:53 AM

ثانيا :التركيب البنائى للميكروكونترولر PIC ( العائلة الوسطى المسماه PICmicro x14 )

الخصائص العامة للتركيب البنائى
1- يعتمد الميكروكونترولر PIC فى تركبيه البنائى على نظام الكومبيوتر ذو التعليمات المخفضة RISC .
2- يحقق أكبر قدر من الكفاءة نتيجة إعتماده على التركيب البنائى المسمى هارفارد Harvard حيث يوجد ممرات منفصلة لكل من البيانات والعناوين وكذلك حيزان منفصلان لكل من ذاكرة البرنامج وذاكرة البيانات .
3- تنفيذ التعليمة بما يعرف بطريقة خطوط النقل pipelining مما يعطى سرعة أعلا .
4- تعليمات ذو دورة واحدة : بما يسمح بسرعة عالية فى تنفيذ الكود واستخدام تعليمات ذو كلمة واحدة يحسن الاداء الانتاجى ويخفض من مساحة الذاكرة المطلوبة .
5- استخدام تعليمة بكلمة كبيرة : يعطى إمكانية حفظ البيانات من النوع الفورى أو المباشر immediate فى نفس سطر الكود كالتعليمة نفسها والذى يؤدى إلى تخفيض مجموعة التعليمات إلى أقل عدد .
6- التعليمات متعامدة ومتماثلة : وهذا يعنى أن لكل مجموعة من التعليمات هناك تعليمة مسح Clear ولكل تعليمة "تزايد" بواحد Increment يوجد تعليمة "تناقص" بواحد Decrement وهكذا .

يمكنك إجراء كل التعليمات مع أى من السجلات وبالتالى لا يوجد وظيفة خاصة أو تعليمة خاصة للتعامل مع مسجل بعينه . وسوف نتناول هذه الخصائص بشىء من التفصيل .

أولا :
مقارنة بين التركيب البنائى نوع هارفارد والتركيب البنائى نوع فون نيومان
التركيب البنائى نوع فون نيومان به حيز واحد فقط لحفظ كل من ذاكرة البرنامج وذاكرة البيانات . وهذا يعنى أنه من الضرورى جلب fetch التعليمات والبيانات من نفس حيز الذاكرات . مما يحدد مجال العمل لإنك تستطيع فقط إرسال إما قطعة من البيانات أو تعليمة واحدة فى نفس الوقت .
مع التركيب البنائى نوع هارفارد يوجد حيزان منفصلان للذاكرات . حيز للتعليمات ( ذاكرة البرنامج ) وحيز آخر للبيانات ( ذاكرة البيانات ) مما يمكنك من زيادة الطاقة الانتاجية لأنه أثناء جلب التعليمة التالية يمكنك فى نفس الوقت كتابة نتائج التعليمة السابقة . والميزة الاخرى هى :
حيث أن الميكروكونترولر نوع 8-bit فإن ذاكرة البيانات تكون بعرض 8-bit ولكن ذاكرة البرنامج يمكن أن تكون بأى عرض نختاره ( لانفصالهما عن بعضهما ) . فى التركيب البنائى الحالى ذاكرة البرنامج المستخدمة تكون بعرض12-bitأو 14-bitأو 16-bit . التركيب البنائى الذى سوف نناقشه يستخدم حيز ذاكرة البرنامج بعرض 14-bit .

ثانيا: عملية نقل التعليمات بطريقة خطوط النقل Pipelining

F.Abdelaziz · 29-09-2011, 02:55 AM

ثانيا: عملية نقل التعليمات بطريقة خطوط النقل Pipelining
أدى استخدام كل من نظام الكومبيوتر ذو التعليمات المخفضة RISC والتركيب البنائى للذاكرات بطريقة هارفارد فى الميكروكونترولر PIC إلى ميزة إضافية : هى إمكانية تداول التعليمات على شكل خطوط نقل متفرعة بما يعرف بأسم Pipelining.
كل تعليمة فى ذاكرة برنامج الكومبيوتر يجب أولا إحضارها (جلبها) ثم بعد ذلك تنفيذها . فى كثير من وحدات المعالجة المركزية تتم هاتان الخطوتان واحدة تلو الأخرى .
أولا تقوم وحدة المعالجة المركزية بجلب التعليمة ثم بعد ذلك تنفيذها . فإذا كان لذاكرة البرنامج عناوينها الخاصة بها ( فى حيز خاص بها ) ولها ممر (ناقل) بيانات خاص بها وهى مفصولة عن ذاكرة البيانات ( أى التركيب البنائى هارفارد ) فلا يوجد أى سبب يمنع من تصميم وحدة المعالج بحيث أنه أثناء تنفيذها أحد التعليمات تقوم فى نفس الوقت بإحضار (تجلب) التعليمة الأخرى وهو ما يعرف باسم Pipelining.
وهذه الطريقة تعمل بكفاءة إذا كان زمن دورة الجلب يساوى زمن دورة التنفيذ وهو المتوفر بواسطة التركيب البنائى للكومبيوتر ذو التعليمات المخفضة RISC . وهذا يؤدى إلى مضاعفة سرعة التنفيذ .
فكل تعليمة تجلب أثناء تنفيذ التعليمة السابقة لها . وتفشل طريقة Pipelining فقط للتعليمات التى تسبب تغيير قيمة عداد البرنامج مثل تفرع البرنامج أو القفز . فى هذه الحالة لا يتم جلب التعليمة فى دورة بل فى عدة دورات .
الشكل التالى يبين مخطط يمثل عملية خطوط النقل pipelining لعائلة الميكروكونترولر PIC الوسطى . وفيه نرى أنه أثناء تنفيذ التعليمة رقم 1 فإن التعليمة رقم 2 يتم جلبها ( إحضارها) . وبالمثل يحدث للتعليمة رقم 2 وهكذا .
مثال لتتابع التعليمات موضح على يسار المخطط . ليس مهما الآن أن تفهم معنى التعليمة ولكن المهم فهم المخطط حيث التعليمة CALL تسبب تفرع البرنامج ( القفز) . نجد أنه يتم جلب التعليمة رقم 4 بينما يتم تنفيذ التعليمة رقم 3 . نتيجة لتفرع البرنامج لانحتاج إلى التعليمة رقم 4 ويتم فقد دورة أثناء جلب التعليمة الجديدة .
فى معظم الميكروكونترولر ذات 8-bitيتم جلب ( احضار ) التعليمات وتنفيذها بالتعاقب ( على التوالى ) لأنه لا يوجدإلا ناقل (ممر) واحد للبيانات . طريقة pipelining أعطت إمكانية عمل حدثين فى نفس الوقت بين خطوات جلب التعليمة وتنفيذها لزيادة سرعة تنفيذ التعليمة .
الآن ماذا يحدث للتعليمات بعد وضعها فى حيز ذاكرة البرنامج سوف نوضح ذلك بمثال يبين كيف نحصل على دورة تنفيذ واحدة وعمل تراكب (حدثين فى آن واحد ) overlap بين كل من عملية الجلب وعملية التنفيذ .
فى هذا المثال سوف ننفذ 4 تعليمات وسوف نلاحظ كيف أن التعليمات تم جلبها وتنفيذها من خلال خمس دورات من دورة التعليمات . دورات التعليمات موضحة بالرموز Tcy0 إلى Tcy4 . سوف ترى أن كل من الأربعة تعليمات يجب أولا جلبها ثم تنفيذها خلال دورة التعليمات التالية .
كل تعليمة تأخذ دورة تعليمة واحدة فيما عدا التعليمات التى تعدل من عداد البرنامج . وهذا التعديل يحدث مع تعليمات القفز والقفز الى برنامج فرعى sub-routine أو أى تعليمة تكتب مباشرة على عداد البرنامج . هذة التعليمات سوف تأخذ دورتين من دورات التعليمة كما سنرى فى المثال .

الدورة الأولى Tcy0 :
التعليمة الاولى : MOVLW 55h :
حيث أنها التعليمة الأولى التى سوف تنفذ فلا يوجد شىء فى خطوط النقل pipeline للتجهيز للجلب المسبق لذلك سوف نقوم بعملية "الجلب" Fetch1 لنضع التعليمة فى "سجل التعليمة" instruction register خلال الدورة الأولى Tcy0 .
التعليمة MOVLW تعنى "وضع القيمة المباشرة الثابتة literal للتعليمة ( فى هذه الحالة 55h ) بسجل العمل " W .

الدورة الثانية Tcy1 :
يتم "تنفيذ" التعليمة الأولى Execute1خلال الدورة الثانية "Tcy1 وأيضا يتم "التجهيز لجلب التعليمة التالية" Fetch2.
التعليمة الثانية : هى نقل ( نسخ) محتويات السجل W إلى ملف (سجل عام) وتكتب بالصيغة (MOVWF) وهى سوف تقوم فى حالتنا بنقل ( نسخ) محتويات السجل W إلى السجل المسمى PORTB وهو منفذ دخل وخرج .
فى نهاية الدورة الثانية Tcy1 فإن المسجل W يكون به القيمة 55h والتى تم تحميلها عند تنفيذ التعليمة الأولى .

الدورة الثالثةTcy2 :
يتم "تنفيذ" Execute2التعليمة MOVWF ويكون نتيجتها نسخ محتويات السجل W إلى السجل PORTB .
خلال نفس الدورة يتم "التجهيز لجلب التعليمة التالية" Fetch3 وهى التعليمة رقم 3 .
لاحظ أنه بنهاية الدورة الثالثة Tcy2 فإن السجل W لازال يحتوى على 55hوالسجل PORTB أيضا يحتوى على 55h . أى أن التعليمة MOVWF تحافظ على القيمة الأصلية فى السجل W .
التعليمة التالية التى تم جلبها فى الدورة الثالثة Tcy2 هى التعليمة CALL SUB_1 والتى تخبر البرنامج بالقفز إلى البرنامج الفرعى حيث يوجد عنوانه وهو SUB_1 .

الدورة الرابعة : Tcy3
يتم تنفيذ تعليمة القفز إلى عنوان البرنامج الفرعى وفى نفس الوقت نجهز لجلب التعليمة التالية .
التعليمة التالية هى BSF Port A, Bit 3 . وهى تعنى "جعل الخانة المسماة Bit 3 للسجل PORTA فى الحالة المنطقية المرتفعة set" .
أثناء جلب هذه التعليمة نكون قد أنهينا تنفيذ التعليمة CALLSUB _1 والتى بدأت من قبل ( تأخد دورتين من دورات التعليمة ) .

الدورة الخامسة : Tcy4
نبدأ فى ترتيب جديد للتعليمات (نتيجة القفز) والذى يعنى اننا نزيل أو نغسل flush التعليمة الرابعة التى جلبناها وهى BSF PORT A, BIT3 . بعمل ذلك نكون قد أوقفنا تنفيذ التعليمة BSF بوحدة الحساب والمنطق وأثناء ذلك تم جلب التعليمة التى بالعنوان SUB_1 .
وهذا يوضح أنه حيثما وجد أى شىء يؤدى إلى تعديل عداد البرنامج سواء أكان قفز إلى برنامج فرعى أو حتى قفز عادى فإن وحدة الحساب والمنطق تلقائيا سوف تقوم بعمل غسيل للتعليمة التى تم جلبها وتتخلص منها ( تستبعدها) . عند استخدام برنامج فرعى فان التعليمة RETURN سوف تسبب فى رجوع البرنامج الى الترتيب الاصلى للبرنامج من عند التعليمة التى تلى التعليمة CALL فى هذه الحالة هى التعليمة BSF PORTA, BIT3 .

ثالثا كلمة تعليمة طويلة :

F.Abdelaziz · 29-09-2011, 02:57 AM

ثالثا كلمة تعليمة طويلة :
الآن دعنا نلقى نظرة على معنى "كلمة التعليمة طويلة" .
كان من نتيجة استخدام ممرات منفصلة لكل من التعليمات والبيانات السماح باستخدام كلمة تعليمة طويلة . ففى حالتنا فإن كل تعليمة تمثل بكلمة واحدة تسمى كلمة التعليمة بطول 14 بت وتنفذ فى دورة تعليمة واحدة .
أدى كون التعليمة فى كلمة واحدة إلى قوة التعليمة نفسها ,كما أن التنفيذ فى دورة واحدة أدى إلى سرعة عالية فى تنفيذ البرنامج دون استخدام حيز كبير من الذاكرة .
مثال لكلمة التعليمة الطويلة :
نوضح هنا مثال لتعليمة بكلمة طويلة فالتعليمة MOVLW #IMM والتى تحمل المسجل Wبالقيمة الفورية الثابتة التى نرمز لها بالرمز #IMM . فى التركيب البنائى الخاص بنا هذه القيمة دائما عدد ذو 8 بتات 8-bit ومن ثم يمكن أن نخزن هذه القيمة فى التعليمة بعرض 14-bit . فى هذه الحالة تخصص أربعة خانات لكود العملية op-code وهو فى هذه الحالة MOVLW .