فهرست مطالب

1-1- مقدمه 4

2-1 اصطلاحات فني 7

3-1 واحد پردازش مركزي 8

4-1 حافظه نيمه رسانا: RAM ROM 10

5-1 گذرگاهها : آدرس،‌داده و كنترل 11

1-6-1 ابزارهاي ذخيره سازي انبوه 14

2-6-1 ابزارهاي رابط با انسان 15

3-6-1 ابزارهاي كنترل / نظارت 15

7-1 برنامه ها : بزرگ و كوچك 16

1-9-1 معماري سخت افزار 22

2-9-1 كاربردها 23

3-9-1 ويژگيهاي مجموعه دستور العمل ها 25

10-1 مفاهيم جديد 27

خلاصه سخت افزار 30

10-2-2 اتصالات تغذيه 38

1-3- موتور پله‌اي چيست و مشخصه هاي اساسي آن كدامند؟ 40

2-3- تاريخچه ابتدايي موتورهاي پله‌اي 42

3-3- فعاليتهاي دانشگاهي 45

1-4- سيستم هاي كنترل حلقه- باز 47

1-1-4- تركيب سيستم 48

4-1-6- درايوهاي ديسك سخت/ فلاپي 75

1-7- اساس طراحي و ساخت 77

1-1-7- فلسفه طراحي كارخانه 78

2-1-7- توليد انبوه و توليد گروهي 78

1-2-7- تعيين مشخصات نهايي 79

مشخصات الكتريكي 81

مشخصات مكانيكي 81

2-2-7- اهميت مشخصات گشتاور نگهدارنده 83

3-2-7- اهميت دقت تعيين موقعيت 84

صفحه كليد 86

1-1- مقدمه

گر چه كامپيوترها تنها چند دهه اي است كه با ما همراهند، با اين حال تأثير عميق آنها بر زندگي ما با تأثير تلفن ، اتومبيل و تلويزيون رقابت مي كند. همگي ما حضور آنها را احساس مي كنيم، چه برنامه نويسان كامپيوتر و چه دريافت كنندگان صورت حساب هاي ماهيانه كه توسط سيستم هاي كامپيوتري بزرگ چاپ شده و توسط پست تحويل داده مي شود. تصور ما از كامپيوتر معمولا داده پردازي است كه محاسبات عددي را بطور خستگي ناپذيري انجام مي دهد.

ما با انواع گوناگوني از كامپيوترها برخورد مي كنيم كه وظايفشان را زيركانه و بطرزي آرام، كارا و حتي فروتنانه انجام مي دهند و حتي حضور آنها اغلب احساس نمي شود. ما كامپيوترها را به عنوان جزء مركزي بسياري از فرآورده هاي صنعتي و مصرفي از جمله،‌در سوپرماركت ها داخل صندوق هاي پول و ترازوها؛ در خانه، در اجاق ها، ماشين هاي لباسشويي، ساعت هاي داراي سيستم خبردهنده و ترموستات ها؛ در وسايل سرگرمي همچون اسباب بازي ها، VCR ها، تجهيزات استريو و وسايل صوتي؛ در محل كار در ماشين هاي تايپ و فتوكپي؛ و در تجهيزات صنعتي مثل مته هاي فشاري و دستگاههاي حروفچيني نوري مي يابيم. در اين مجموعه ها كامپيوترها وظيفه «كنترل» را در ارتباط با “دنياي واقعي” ، براي روشن و خاموش كردن وسايل و نظارت بر وضعيت آنها انجام مي هند. ميكروكنترلرها (برخلاف ميكروكامپيوترها و ريزپردازنده ها ) اغلب در چنين كاربردهايي يافت مي شوند.

با وجود اين كه بيش از بيست سال از تولد ريزپردازنده نمي گذرد، تصور وسايل الكترونيكي و اسباب بازيهاي امروزي بدون آن كار مشكلي است. در 1971 شركت اينتل 8080 را به عنوان اولين ريزپردازنده موفق عرضه كرد. مدت كوتاهي پس از آن، موتورولا، RCA و سپس MOS Technology و zilog  انواع مشابهي را به ترتيب به نامهاي 6800 ، 1801 ، 6502 و Z80 عرضه كردند. گر چه اين مدارهاي مجتمع      IC) ها ) به خودي خود فايده چنداني نداشتند اما به عنوان بخشي از يك كامپيوتر تك بورد  (SBC) ، به جزء مركزي فرآورده هاي مفيدي براي آموزش طراحي با ريزپردازنده ها تبديل شدند.

از اين SBC ها كه بسرعت به آزمايشگاههاي طراحي در كالج ها،‌دانشگاهها و شركت هاي الكترونيك راه پيدا كردند مي توان براي نمونه از D2 موتورولا، KIM-1 ساخت MOS Technology و SDK-85 متعلق به شركت اينتل نام برد.

ميكروكنترلر قطعه اي شبيه به ريزپردازنده است. در 1976 اينتل 8748 را به عنوان اولين قطعه خانواده ميكروكنترلرهاي MCS-48TM معرفي كرد. 8748 با 17000 ترانزيستور در يك مدار مجتمع ،‌شامل يك CPU ،‌1 كيلوبايت EPROM ، 27 پايه I/O و يك تايمر 8 بيتي بود. اين IC و ديگر اعضاي MCS-48TM  كه پس از آن آمدند، خيلي زود به يك استاندارد صنعتي در كاربردهاي كنترل گرا تبديل شدند. جايگزين كردن اجزاء الكترومكانيكي در فرآورده هايي مثل ماشين هاي لباسشويي و چراغ هاي راهنمايي از ابتداي كار، يك كاربرد مورد توجه براي اين ميكروكنترلرها بودند و همين طور باقي ماندند. ديگر فرآورده هايي كه در آنها مي توان ميكروكنترلر را يافت عبارتند از اتومبيل ها،‌تجهيزات صنعتي، وسايل سرگرمي و ابزارهاي جانبي كامپيوتر(افرادي كه يك IBM PC دارند كافي است به داخل صفحه كليد نگاه كنند تا مثالي از يك ميكروكنترلر را در يك طراحي با كمترين اجزاء ممكن ببينند).

توان، ابعاد و پيچيدگي ميكروكنترلرها با اعلام ساخت 8051 ، يعني اولين عضو خانوادة‌ميكروكنترلرهاي MCS-51TM در 1980 توسط اينتل پيشرفت چشمگيري كرد. در مقايسه با 8048 اين قطعه شامل بيش از 60000 ترانزيستور ، K4 بايت ROM، 128 بايت RAM ،‌32 خط I/O ، يك درگاه سريال و دو تايمر 16 بيتي است. كه از لحاظ مدارات داخلي براي يك IC بسيار قابل ملاحظه است، امروزه انواع گوناگوني از اين IC وجوددارند كه به صورت مجازي اين مشخصات را دوبرابر كرده اند. شركت زيمنس كه دومين توليد كنندة‌قطعات MCS-51TM است SAB80515 را به عنوان يك 8051 توسعه يافته در يك بستة 68 پايه با شش درگاه I/O 8 بيتي، 13 منبع وقفه، و يك مبدل آنالوگ به ديجيتال با 8 كانال ورودي عرضه كرده است. خانواده 8051 به عنوان يكي از جامعترين و قدرتمندترين ميكروكنترلرهاي 8 بيتي شناخته شده و جايگاهش را به عنوان يك ميكروكنترلر مهم براي سالهاي آينده يافته است.

اين كتاب درباره خانواده ميكروكنترلرهاي MCS-51TM نوشته شده است فصل هاي بعدي معماري سخت افزار و نرم افزار خانواده MCS-51TM را معرفي مي كنند و از طريق مثالهاي طراحي متعدد نشان مي دهند كه چگونه اعضاي اين خانواده مي توانند در طراحي هاي الكترونيكي با كمترين اجزاء اضافي ممكن شركت داشته باشند.

در بخش هاي بعدي از طريق يك آشنايي مختصر با معماري كامپيوتر، يك واژگان كاري از اختصارات و كلمات فني كه در اين زمينه متداولند (و اغلب با هم اشتباه مي شوند) را ايجاد خواهيم كرد. از آنجا كه بسياري اصطلاحات در نتيجة تعصب شركت هاي بزرگ و سليقه مؤلفان مختلف دچار ابهام شده اند،‌روش كار ما در اين زمينه بيشتر عملي خواهد بود تا آكادميك. هر اصطلاح در متداولترين حالت با يك توضيح ساده معرفي شده است.

2-1 اصطلاحات فني

يك كامپيوتر توسط دو ويژگي كليدي تعريف مي شود: (1) داشتن قابليت برنامه ريزي براي كاركردن روي داده بدون مداخله انسان و (2) توانايي ذخيره و بازيابي داده . عموماً يك سيستم كامپيوتري شامل ابزارهاي جانبي  براي ارتباط با انسان ها به علاوه برنامه هايي براي پردازش داده نيز مي باشد. تجهيزات كامپيوتر و سخت افزار،‌و برنامه هاي آن نرم افزار نام دارند. در آغاز اجازه بدهيد كار خود را با سخت افزار كامپيوتر آغاز مي كنيم.

نبود جزئيات در شكل عمدي است و باعث شده تا شكل نشان دهنده كامپيوترهايي در تمامي اندازه ها باشد. همانطور كه نشان داده شده است، يك سيستم كامپيوتري شامل يك واحد پردازش مركزي  (CPU) است كه از طريق گذرگاه آدرس  ،‌گذرگاه داده  و گذرگاه كنترل  به حافظه قابل دستيابي تصادفي  (RAM) و حافظه فقط خواندني  (ROM) متصل مي باشد. مدارهاي واسطه  گذرگاههاي سيستم را به وسايل جانبي متصل مي كنند.

3-1 واحد پردازش مركزي

CPU ، به عنوان “مغز” سيستم كامپيوتري، تمامي فعاليت هاي سيستم را اداره كرده و همه عمليات روي داده را انجام مي دهد. انديشة اسرار آميز بودن CPU در اغلب موارد نادرست است زيرا اين تراشه فقط مجموعه اي از مدارهاي منطقي است كه بطور مداوم دو عمل را انجام مي دهند. واكشي  دستورالعمل ها، و اجراي آنها. CPU توانايي درك و اجراي دستورالعمل ها را براساس مجموعه اي از كدهاي دودويي دارد كه هر يك از اين كدها نشان دهنده يك عمل ساده است. اين دستورالعمل ها معمولا حسابي (جمع، تفريق، ضرب و تقسيم)، منطقي (NOT, OR, AND و غيره) انتقال داده يا عمليات انشعاب هستند و يا مجموعه اي از كدهاي دودويي با نام مجموعه دستورالعمل ها  نشان داده مي شوند.

مجموعه اي از ثباتها  را براي ذخيره سازي موقت اطلاعات، يك واحد عمليات حسابي و منطقي  (ALU) براي انجام عمليات روي اين اطلاعات،‌يك واحد كنترل و رمزگشايي دستورالعمل  (كه عملياتي را كه بايد انجام شود تعيين مي كند و اعمال لازم را براي انجام آنها شروع مي نمايد) و دو ثبات اضافي را هم دارد.

ثبات دستور العمل (IR) كد دودويي هر دستورالعمل را در حال اجرا نگه مي دارد و شمارنده برنامه (PC) آدرس حافظه دستورالعمل بعدي را كه بايد اجرا شود نشان مي‌دهد.

1- واكشي يك دستورالعمل از RAM سيستم يكي از اساسي ترين اعمالي است كه توسط CPU انجام مي شود و شامل اين مراحل است: (الف) محتويات شمارندة برنامه در گذرگاه آدرس قرار مي گيرد (ب) يك سيگنال كنترل READ فعال مي شود (پ) داده (كد عملياتي  دستورالعمل) از RAM خوانده مي شود و روي گذرگاه قرار مي گيرد (ت) كد عملياتي در ثبات داخلي دستورالعمل CPU ذخيره مي شود و (ث) شمارنده برنامه يك واحد افزايش مي يابد تا براي واكشي بعدي از حافظه آماده شود.

 2- مرحلة‌ اجرا مستلزم رمزگشايي كد عملياتي و ايجاد سيگنال هاي كنترلي براي گشودن ثبات هاي دروني به داخل و خارج از ALU است. همچنين بايد به ALU براي انجام عمليات مشخص شده فرمان داده شود. به علت تنوع زياد عمليات ممكن، اين توضيحات تا حدي سطحي مي باشند و در يك عمليات ساده مثل افزايش يك واحدي ثبات  مصداق دارند. دستورالعمل هاي پيچيده تر نياز به مراحل بيشتري مثل خواندن بايت دوم و سوم به عنوان داده براي عمليات دارند.

يك سري از دستورالعمل ها كه براي انجام يك وظيفه معنادار تركيب شوند برنامه يا نرم افزار ناميده مي شود، و نكته واقعاً‌اسرارآميز در همين جا نهفته است. معيار اندازه گيري براي انجام درست وظايف، بيشتر كيفيت نرم افزار است تا توانايي تحليل CPU سپس برنامه ها CPU را راه اندازي مي كنند و هنگام اين كار آنها گهگاه به تقليد از نقطه ضعف هاي نويسندگان خود، اشتباه هم مي كنند. عباراتي نظير “كامپيوتر اشتباه كرد “ گمراه كننده هستند. اگر چه خرابي تجهيزات غير قابل اجتناب است اما اشتباه در نتايج معمولا نشاني از برنامه هاي ضعيف يا خطاي كاربر مي باشد.

4-1 حافظه نيمه رسانا: RAM ROM

برنامه ها و داده در حافظه ذخيره مي شوند. حافظه هاي كامپيوتر بسيار متنوعند و اجراي همراه آنها بسيار، و تكنولوژي بطور دائم و پي در پي موانع را برطرف ميكند، بگونه اي كه اطلاع از جديدترين پيشرفت ها نياز به مطالعه جامع و مداوم دارد. حافظه هايي كه به طور مستقيم توسط CPU قابل دستيابي مي باشند،‌IC هاي (مدارهاي مجتمع) نيمه رسانايي هستند كه RAM و ROM ناميده مي شوند دو ويژگي RAM و ROM را از هم متمايز مي سازد: اول آن كه RAM حافظه خواندني / نوشتني است در حاليكه ROM حافظه فقط خواندني است و دوم آن كه RAM فرار است (يعني محتويات آن هنگام نبود ولتاژ تغذيه پاك مي شود) در حاليكه ROM غير فرار مي باشد.

اغلب سيستم هاي كامپيوتري يك ديسك درايو و مقدار اندكي ROM دارند كه براي نگهداري روال هاي نرم افزاري كوتاه كه دائم مورد استفاده قرار مي گيرند و عمليات ورودي / خروجي را انجام مي دهند كافي است. برنامه هاي كاربران و داده، روي ديسك ذخيره مي گردند و براي اجرا به داخل RAM بار مي شوند. با كاهش مداوم در قيمت هر بايت RAM ، سيستم هاي كامپيوتري كوچك اغلب شامل ميليون ها بايت RAM مي باشند.