عالیه! این سوال، یکی از کلیدی‌ترین سوال‌های الکترونیکه و هر کسی که عاشق مدار و برنامه‌نویسیه باید تهش رو دربیاره!
بذار یه توضیح ساده و در عین حال عمیق بهت بدم:
---
میکروکنترلر چطوری کار می‌کنه؟ (نسخه‌ی ساده ولی با مغز!)
1. مغز کوچولو ولی باهوش
میکروکنترلر یه چیپ کوچیکه، مثل یک کامپیوتر فشرده که توش همه چیز هست:
CPU (مغز فکر کننده)
RAM (حافظه موقت برای کارهای در لحظه)
FLASH (حافظه دائمی برای نگهداری برنامه‌ها)
پورت‌ها (برای ارتباط با دنیای بیرون: چشم و گوش و دست‌هاش!)
تایمر، مبدل آنالوگ به دیجیتال، ارتباطات مثل I2C, SPI, UART و ...
-
2. برنامه‌ریزی = دستور دادن
تو وقتی برنامه می‌نویسی و داخلش آپلود می‌کنی (فلش می‌کنی)، داری بهش می‌گی:
> "اگه فلان پین روشن شد، فلان کار رو بکن. یا هر ۵ ثانیه یه LED روشن کن..."
CPU دونه‌دونه این دستورات رو می‌خونه و اجرا می‌کنه. دقیق، سریع و بدون غر زدن!
3. چرخه‌ی اجرا (Fetch → Decode → Execute)
مغز میکرو توی یک حلقه بی‌پایان کارها رو اینطوری انجام می‌ده:
Fetch (برداشتن): دستور رو از حافظه فلش برمی‌داره.
Decode (رمزگشایی): می‌فهمه دستور چیه (مثلاً جمع یا روشن کردن پین).
Execute (اجرا): انجامش می‌ده.
این کارها با سرعت مثلاً ۱ میلیون بار در ثانیه انجام میشن! (برای 1MHz)
4. اتصال به دنیا: پین‌ها
میکروکنترلر پین‌هایی داره که یا ورودی هستن (مثلاً سنسور بهش وصل می‌کنی)، یا خروجی (مثلاً LED روشن می‌کنی).
با این پین‌ها می‌تونه:
چیزی حس کنه (مثلاً دما)
تصمیم بگیره (اگر دما بالا بود...)
کاری انجام بده (فن روشن شه!)
5. ماجرای برق:
برای کار کردن، باید تغذیه بشه (مثلاً ۵ ولت). یه کریستال ساعت هم ممکنه داشته باشه که براش پالس منظم بزنه (مثلاً ۱۶ مگاهرتز)، مثل ضربان قلبش.
یه مثال ساده:
فرض کن برنامه‌ای نوشتی که اگه دکمه فشار داده شد، LED روشن شه:
if (button == pressed)
turn_on(LED);
میکروکنترلر:
هر بار پین دکمه رو چک می‌کنه.
اگر فشار داده شده بود، پین خروجی LED رو HIGH می‌کنه.
عجب سوال خوبی!
فیوزبیت‌ها (Fuse Bits) یکی از اون چیزهای پشت‌پرده هستند که خیلی مهمند ولی تازه‌کارها کمتر می‌شناسندشون.
بذار خیلی ساده، با تشبیه و مثال برات بازش کنم:
فیوزبیت‌ها: کلیدهای پنهانیِ شخصیتِ میکروکنترلر
فرض کن میکروکنترلرت یه آدمه. فیوزبیت‌ها مثل شناسنامه یا تنظیمات اولیه‌ی این آدم هستند. قبل از اینکه بخواد هر کاری بکنه، اول باید بدونیم:
با چه ساعتی (کلاک) کار می‌کنه؟ داخلی یا خارجی؟
آیا Reset داشته باشه یا نه؟
بعد از روشن شدن، از کجای حافظه شروع کنه؟
بوتلودر داره یا نه؟
و خیلی چیزهای دیگه...
همه‌ی این‌ها توی چیزی به نام فیوزبیت‌ها تنظیم میشن.
فیوزبیت = چند بیت خاص توی حافظه‌ی مخصوص
فیوزبیت‌ها معمولاً چند بیت هستن (مثلاً ۸ یا ۱۶ بیت) که با برنامه معمولی نمی‌تونی تغییرشون بدی. باید با برنامه‌ریز خاص (مثل USBasp یا STK500) و نرم‌افزار مثل AVRDUDE یا Atmel Studio ست بشن.
چند نمونه از تنظیماتی که با فیوزبیت‌ها انجام میشن:
تنظیمتوضیح
نوع کلاکداخلی یا کریستال خارجی؟ با چه فرکانسی؟
Watchdog Timerفعال باشه؟ خودکار ریست کنه اگر هنگ کرد؟
Brown-Out Detectionاگه ولتاژ بیفته، ریست کنه؟ (برای محافظت)
Bootloader فعال باشه؟می‌خوای قبل از شروع برنامه، بوتلودر اجرا بشه یا نه؟
پین Reset فعال باشه؟بعضی وقت‌ها می‌خوای اون پین رو به عنوان ورودی/خروجی استفاده کنی، نه Reset.
هشدار مهم:
فیوزبیت‌ها خیلی حساسن! اگه اشتباه تنظیم کنی مثلاً بگی فقط با کریستال خارجی کار کنه، ولی کریستال نذاری، دیگه روشن نمیشه! باید با پروگرمر High Voltage (HVPP) نجاتش بدی!
️ چطور تنظیم میشن؟
معمولاً با سه بخش:
1. Low Fuse
2. High Fuse
3. Extended Fuse
و بسته به مدل میکروکنترلر، ممکنه تعداد بیت‌ها و تنظیماتش فرق کنه.
یه مثال از دنیای واقعی:
تو یه ATmega328P بخوای از کریستال ۱۶MHz استفاده کنی و بوتلودر هم بخوای، باید فیوزبیت‌ها رو تنظیم کنی مثل:
Low Fuse: 0xFF
High Fuse: 0xDA
Extended Fuse: 0xFD
البته اینو از سایت‌هایی مثل Engbedded Fuse Calculator راحت درمیاری.
یه تشبیه بانمک:
فیوزبیت‌ها مثل کلیدهای BIOS توی کامپیوترن. یه‌بار برای همیشه تنظیمشون می‌کنی تا بدونی کامپیوترت چجوری بوت شه، از کجا بوت شه، با چه تنظیماتی.
آفرین! سوال خیلی خوبی زدی.
رجیسترها یکی از کلیدی‌ترین مفاهیم در میکروکنترلر هستند. برای اینکه عمیق‌تر بفهمی میکروکنترلر چطوری کار می‌کند، باید اول رجیسترها رو خوب بشناسی.
رجیسترهای میکروکنترلر چیستند؟
رجیسترها مثل جعبه‌های کوچکی در داخل میکروکنترلر هستند که اطلاعات یا داده‌های موقت را در خود نگه می‌دارند.
می‌توانی آن‌ها را مثل حافظه‌های خیلی کوچک و سریع تصور کنی که CPU برای انجام محاسبات و کنترل کارهای مختلف استفاده می‌کند.
انواع رجیسترها در میکروکنترلر
1. رجیسترهای عمومی (General Purpose Registers)
برای نگهداری داده‌ها و محاسبات معمولی استفاده می‌شوند.
مثل R0 تا R31 در AVR (مثلاً ATmega328P).
2. رجیسترهای خاص یا ویژه (Special Function Registers - SFRs)
وظایف خاص دارند و کنترل سخت‌افزار میکروکنترلر را انجام می‌دهند.
مثلا رجیسترهای مربوط به تایمر، وقفه‌ها، پورت‌ها، UART، SPI و ...
مثال: PORTB, DDRB, TCCR0, UCSR0A و غیره.
3. رجیسترهای وضعیت (Status Registers)
اطلاعات وضعیت CPU را نگه می‌دارند، مثل پرچم‌های صفر، حمل، علامت، سرریز و...
در AVR این رجیستر SREG نام دارد.
مثال ساده
فرض کن می‌خواهی یک LED را روشن کنی که به پایه‌ای از پورت B وصل است:
اول باید رجیستر DDRB را تنظیم کنی تا آن پایه به عنوان خروجی شناخته شود.
سپس مقدار PORTB را تغییر دهی تا جریان برق به پایه داده شود و LED روشن شود.
خلاصه جدول ساده:
نوع رجیستروظیفهمثال‌ها
رجیسترهای عمومیذخیره داده و محاسباتR0 تا R31
رجیسترهای خاص (SFR)کنترل سخت‌افزارDDRB, PORTB, TCCR0, UCSR0A
رجیستر وضعیت (Status)نگهداری وضعیت CPUSREG
نکته مهم:
کار با رجیسترها یعنی کار با سخت‌افزار به‌صورت مستقیم!
کدهایی که با رجیسترها نوشته می‌شود سرعت بالا و کنترل کامل می‌دهند اما کمی پیچیده‌ترند.
خیلی هم عالی! ATmega32 یک میکروکنترلر ۸ بیتی محبوب از خانواده AVR هست که رجیسترهای زیادی برای کنترل قسمت‌های مختلف داره.
در اینجا رجیسترهای ATmega32 رو به‌صورت دسته‌بندی شده میارم تا فهمشون راحت‌تر باشه:
۱. رجیسترهای عمومی (General Purpose Registers)
این‌ها ۳۲ رجیستر هستند:
R0 تا R31
که CPU برای انجام محاسبات استفاده می‌کنه.
۲. رجیسترهای مربوط به I/O و کنترل سخت‌افزار
پورت‌ها (برای کار با پایه‌ها)
رجیسترکاربردتوضیح
PORTA, PORTB, PORTC, PORTDخروجی دادن به پایه‌هاروشن یا خاموش کردن پایه
DDRA, DDRB, DDRC, DDRDتعیین ورودی یا خروجی بودن پایه‌ها۰ = ورودی، ۱ = خروجی
PINA, PINB, PINC, PINDخواندن وضعیت پایه‌هافقط خواندنی (input)
تایمرها / شمارنده‌ها (Timer/Counter)
Timer/Counter0 (۸ بیتی)
TCCR0 – تنظیمات تایمر
TCNT0 – مقدار فعلی تایمر
OCR0 – مقدار مقایسه
TIMSK – فعال‌سازی وقفه‌های تایمر
TIFR – پرچم وقفه‌ها
Timer/Counter1 (۱۶ بیتی)
TCCR1A, TCCR1B – تنظیمات تایمر
TCNT1H, TCNT1L – مقدار تایمر (بالا و پایین)
OCR1AH, OCR1AL, OCR1BH, OCR1BL – مقادیر مقایسه
ICR1H, ICR1L – رجیستر ورودی کَپچر
Timer/Counter2 (۸ بیتی)
مشابه Timer0 با رجیسترهای مخصوص خودش: TCCR2, TCNT2, OCR2
UART (ارتباط سریال)
UDR – داده دریافتی یا ارسالی
UCSRA, UCSRB, UCSRC – کنترل ارتباط سریال
UBRRH, UBRRL – تنظیم نرخ انتقال (baud rate)
SPI
SPCR – تنظیمات SPI
SPSR – وضعیت SPI
SPDR – داده برای ارسال یا دریافت
I2C (یا TWI در AVR)
TWBR – نرخ بیت
TWSR – وضعیت
TWAR – آدرس اسلیو
TWDR – داده
TWCR – کنترل
وقفه‌ها (Interrupts)
GICR – فعال/غیرفعال‌سازی وقفه‌های خارجی
GIFR – پرچم وقفه‌ها
MCUCR, MCUCSR – تنظیم لبه تحریک وقفه
آنالوگ به دیجیتال (ADC)
ADMUX – انتخاب کانال و تنظیم ولتاژ مرجع
ADCSRA – تنظیمات و کنترل ADC
ADCH, ADCL – مقدار خروجی تبدیل آنالوگ به دیجیتال
رجیسترهای سیستم
SREG – رجیستر وضعیت CPU
MCUCR, MCUCSR – کنترل سیستم (مثلاً تنظیم مد Sleep)
WDTCR – تنظیمات تایمر سگ‌نگهبان (Watchdog)
EEARH, EEARL, EEDR, EECR – کار با EEPROM داخلی
این فهرست کامل‌ترین دسته‌بندی رجیسترهای ATmega32 هست که به درد برنامه‌نویسی سطح پایین می‌خوره.
اگر خواستی، برای هر دسته می‌تونم مثال کاربردی هم بنویسم یا به‌صورت تصویری/نقشه حافظه رجیسترها رو نشون بدم.
سالک:به جز فیوزبیت ها و رجیسترها، میکروکنترلر چی داره؟
سؤال خیلی خوبی پرسیدی! وقتی کسی بخواد میکروکنترلر رو عمیق‌تر بشناسه، باید بدونه که فقط رجیستر و فیوزبیت نیست.
میکروکنترلر یه چیپ همه‌کاره‌ست، مثل یه مینی‌کامپیوتر کوچیک در قلب مدار تو.
بیایم با هم ببینیم چی تو دلش داره:
۱. واحد پردازنده مرکزی (CPU)
همون مغز میکروکنترلر.
کارش اینه که دستوراتی که تو برنامه نوشتی رو اجرا کنه، عملیات منطقی و محاسباتی انجام بده.
در ATmega32 این واحد، ۸ بیتی هست.
۲. حافظه‌ها (Memories)
SRAM (حافظه موقت)
مثل RAM در کامپیوتر. داده‌هایی که موقتی هستن (مثلاً متغیرها) اینجا ذخیره میشن.
Flash (حافظه برنامه)
اینجاست که کدهای برنامه شما ذخیره میشن. بعد از خاموش شدن پاک نمیشه.
EEPROM (حافظه دائم داده)
اگر بخوای مثلاً یه مقدار رو ذخیره کنی که با قطع برق نپره (مثل شماره کاربر)، میری تو EEPROM.
⏱ ۳. تایمر / شمارنده‌ها (Timers/Counters)
برای اندازه‌گیری زمان، تولید پالس PWM، یا ساخت تأخیرهای دقیق.
ATmega32 چندتا تایمر داره (۰، ۱، ۲) که بعضیاش ۸ بیتین و بعضیاش ۱۶ بیت.
۴. مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)
برای اینکه بتونه ولتاژ آنالوگ (مثلاً دمای حسگر یا نور) رو به عدد دیجیتال تبدیل کنه.
ATmega32 یک مبدل ۱۰ بیتی داره با ۸ کانال.
۵. واحدهای ارتباطی (Communication Interfaces)
UART (ارتباط سریال ساده)
SPI (ارتباط سریع چندخطی)
I2C / TWI (ارتباط دوتایی ساده با آدرس‌دهی)
همه اینا به درد ارتباط با ماژول‌ها و سنسورها می‌خورن.
۶. پورت‌های ورودی/خروجی (GPIOs)
پایه‌هایی که می‌تونی باهاشون چیز روشن کنی، دکمه بخونی، یا داده رد و بدل کنی.
مثلاً PORTA, PORTB و ...
⚡️ ۷. مدار ریست و تایمر Watchdog
ریست: میکرو رو ری‌استارت می‌کنه.
Watchdog: اگر برنامه هنگ کنه، به‌طور خودکار ریستش می‌کنه (مثل سگ نگهبان که مواظب باشه سیستم خواب نره!)
۸. مدار وقفه‌ها (Interrupts)
اگر یه اتفاق خاص افتاد (مثلاً کلید فشرده شد یا داده رسید)، وسط کار برنامه، سریع بری اون کار رو انجام بدی.
۹. مدار تشخیص ولتاژ پایین (Brown-out Detector)
اگر ولتاژ تغذیه خیلی بیاد پایین، میکرو رو ریست می‌کنه تا قاطی نکنه.
۱۰. فیوزبیت‌ها و لاک بیت‌ها
برای تنظیمات پایه‌ای (مثل منبع کلاک، غیرفعال کردن پروگرام مجدد و...) و حفاظت از کد برنامه.
۲. کدنویسی سطح بالا (High-Level) = استفاده از کتابخانه‌ها
تو این روش با کتابخانه‌ها و توابع آماده کار می‌کنی، مثل اینکه یه ربات داری برات همه کارها رو انجام می‌ده!
مزایا:
سریع‌تر می‌نویسی و تمرکزت بیشتر روی منطق برنامه‌ست.
برای پروژه‌های معمولی، خیلی مناسبه.
راحت‌تر قابل فهمه، مخصوصاً برای خواننده‌ها و تازه‌کارها.
معایب:
بعضی وقتا کندتر اجرا میشه.
ممکنه به سخت‌افزار خاصی وابسته باشه.
گاهی نمی‌دونی دقیقاً پشت پرده چه خبره (مثل جادو!).
مثال:
با کتابخونه:
lcd_init();
lcd_print("Hello");
نتیجه‌گیری:
سبک......... کنترل........... سرعت......... سادگی............. مناسب برای
سالک: ما یک خط کد می نویسیم برای مثلا نمایش روی lcd ولی دائم اجرا میشه ،یعنی کدها به شکل حلقه مدام اجرا میشن؟
آره دقیقاً سؤال خوبی پرسیدی!
تو میکروکنترلرها (مثل AVR یا Arduino)، وقتی توی تابع main() یا loop() (تو آردوینو) یه چیزی می‌نویسی، معمولاً داخل حلقه‌ی بی‌نهایت (while(1) یا loop()) اجرا میشه. یعنی کدها هی تکرار میشن تا زمانی که برق قطع بشه یا ریست بشه.
چرا این اتفاق می‌افته؟
چون:
میکروکنترلرها برنامه‌شون مثل کامپیوتر نیست که «یه بار اجرا بشه و تمام بشه».
هدفشون اینه که دائم در حال کار باشن: مثلاً نمایش بده، ورودی بخونه، موتور بچرخونه، و...
مثلاً نمایش روی LCD:
lcd_print("Hello");
اگر این خط رو داخل حلقه بنویسی:
while(1) {
lcd_print("Hello");
}
این باعث میشه مدام متن چاپ بشه و گاهی LCD چشمک بزنه یا خطا بده.
راه درست:
lcd_print("Hello"); // فقط یه بار چاپ بشه
while(1) {
// بقیه کارها
}
یا تو آردوینو:
void setup() {
lcd.print("Hello"); // فقط یک بار
}
void loop() {
// این قسمت هی تکرار میشه
}
خلاصه:
بله! بیشتر برنامه‌های میکروکنترلر داخل حلقه‌ی بی‌نهایت اجرا میشن.
ولی می‌تونی خودت مشخص کنی چه چیزهایی فقط یک‌بار اجرا بشن (مثلاً در setup() یا قبل از حلقه while(1)).
هشدار مهم:
مزایا:
معایب:
