ما المقصود بالمتحكم الدقيق؟

تحتوي هذه الدوائر المتكاملة المدمجة (ICs) على نواة (أو نوى) معالج وذاكرة وصول عشوائي (RAM) وذاكرة قراءة فقط قابلة للبرمجة والمسح كهربائيًا (EEPROM) لتخزين البرامج المخصصة التي تعمل على المتحكم الدقيق، حتى عندما تكون الوحدة مفصولة عن مصدر الطاقة.

على عكس المعالجات الدقيقة ذات الأغراض العامة، تدمج المتحكمات الدقيقة المعالجة والذاكرة وأجهزة الإدخال/الإخراج (I/O) الطرفية—بما في ذلك أجهزة التوقيت والعدادات والمحولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs—في وحدة واحدة مستقلة فعالة ومنخفضة التكلفة. ومن خلال الجمع بين عناصر متعددة في نظام واحد، تعد المتحكمات الدقيقة مناسبة تمامًا للتطبيقات التي تتطلب معالجة الإشارات في الوقت الفعلي، مثل التحكم في المحركات والمضاعفات والربط مع أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار والاتصالات.

فيما يأتي العناصر الرئيسية للمتحكم الدقيق:

• وحدة المعالجة المركزية (CPU): يشار إليها بالعامية باسم "عقل" الكمبيوتر، وتعمل وحدة المعالجة المركزية بمثابة المكون الأساسي المسؤول عن تنفيذ التعليمات والتحكم في العمليات.

• الذاكرة: تحتوي المتحكمات الدقيقة على كل من الذاكرة المتطايرة (RAM)—التي، على عكس ذاكرة البرنامج، تخزن البيانات المؤقتة التي قد تُفقد إذا فقد النظام الطاقة—والذاكرة الوميضية غير متطايرة لتخزين مجموعة تعليمات البرمجة الخاصة بالمتحكم الدقيق (البرامج الثابتة).
  
  
• الأجهزة الطرفية: اعتمادًا على التطبيق المقصود، قد يحتوي المتحكم الدقيق على عناصر مساعدة مختلفة، مثل واجهات الإدخال/الإخراج (I/O)—بما في ذلك المؤقتات والعدادات ومحولات الإشارات التناظرية إلى رقمية (ADC) والرقمية إلى التناظرية (DAC)—وبروتوكولات الاتصال (UART و SPI و I2C). وقد تتضمن العناصر المساعدة أيضًا عناصر مثل شاشات LCD أو منافذ اتصال إيثرنت أو واجهات لمثل هذه الأنواع من الوحدات.

تُعد المتحكمات الدقيقة مثالية للإلكترونيات الاستهلاكية التي تعمل بالبطاريات، مثل الهواتف الذكية والساعات الذكية وغيرها من الأجهزة القابلة للارتداء، لأنها خفيفة الوزن وصغيرة الحجم وتتطلب طاقة منخفضة نسبيًا.

تُعد المتحكمات الدقيقة ولوحات تطوير المتحكمات الدقيقة منخفضة التكلفة مثل تلك التي تصنعها Arduino و Adafruit، والمفضلة لدى هواة البرامج مفتوحة المصدر، سهلة التهيئة ضمن بيئة تطوير متكاملة (IDE) باستخدام لغات البرمجة الشائعة مثل C و C++ و Python. وعلى الرغم من سهولة الوصول إليها حتى بالنسبة للمطورين المبتدئين، فإن المتحكمات الدقيقة تُستخدم أيضًا بشكل متكرر للتحكم في الأنظمة في مجموعة واسعة من التطبيقات الاحترافية، بما في ذلك النماذج الأولية والتشغيل الآلي وأنظمة السيارات والأتمتة الصناعية وتطبيقات إنترنت الأشياء (IoT).

تشترك المتحكمات الدقيقة والمعالجات الدقيقة في العديد من أوجه التشابه. ويمكن وصف كليهما على أنهما معالجات أحادية الشريحة قادرة على تنفيذ منطق الحوسبة، وكلاهما ذو قيمة عالية في تطوير تقنية الحوسبة العامة وانتشارها. ومع ذلك، يختلف العنصران في كل من بنية الجهاز والتطبيق.

السمة المميزة للمتحكم الدقيق هي تجميع كل عناصر الحوسبة الضرورية في شريحة واحدة—لا تتطلب المتحكمات الدقيقة أي دوائر خارجية إضافية لتشغيلها. وعلى العكس من ذلك، تتكون المعالجات الدقيقة من وحدة معالجة مركزية والعديد من الشرائح الداعمة التي توفر الذاكرة والواجهة التسلسلية والإدخال/الإخراج وغيرها من الميزات الضرورية.

على الرغم من أن مصطلحي المعالج الدقيق ووحدة المعالجة المركزية يستخدمان أحيانًا بالتبادل، فإنه من الأدق وصف أشباه موصلات المعالجات الدقيقة بأنها دوائر متكاملة مفردة تحتوي على وحدة معالجة مركزية ويمكن توصيلها بعناصر مساعدة خارجية أخرى، مثل أجهزة الإدخال/الإخراج.

الفرق الرئيسي بين هذين النوعين من الشرائح الدقيقة هو أن المتحكمات الدقيقة مكتفية بذاتها، في حين أن المعالجات الدقيقة مصممة للتفاعل مع العناصر المساعدة الخارجية.

ونتيجة لذلك، فإن المهام العامة والمتطلبة التي قد تتطلب أجهزة متخصصة ذات قوة معالجة متزايدة هي الأنسب للمعالجات الدقيقة. تُعد المهام المحددة داخل الأنظمة المدمجة، مثل التحكم في المستشعرات أو المحركات، أمثلة جيدة لتطبيقات المتحكمات الدقيقة المناسبة.

عند المقارنة بين المتحكمات الدقيقة والمعالجات الدقيقة، من المفيد النظر في أربع سمات رئيسية:

1. عمليات التكامل:
   • تدمج المتحكمات الدقيقة وحدة المعالجة المركزية والذاكرة والعناصر المساعدة للإدخال/الإخراج في شريحة واحدة.
   • تتطلب المعالجات الدقيقة ذاكرة خارجية وعناصر مساعدة إضافية.
2. التطبيقات:
   • تعد المتحكمات الدقيقة أكثر ملاءمة للتطبيقات المحددة أو المنخفضة الطاقة أو المنخفضة الطاقة للغاية داخل الأنظمة المدمجة، مثل الأجهزة المنزلية أو أجهزة إنترنت الأشياء.
   • أما المعالجات الدقيقة فهي أكثر ملاءمة للتطبيقات ذات الأغراض العامة والأداء العالي التي تتطلب طاقة معالجة أكبر، مثل أجهزة الكمبيوتر الشخصية أو خوادم مراكز البيانات.
3. الأداء:
   • المتحكمات الدقيقة مُحسنة لتحقيق الكفاءة والمعالجة في الوقت الحقيقي وتعمل بسرعات ساعة أقل تصل إلى 200 ميجاهرتز.
   • أما المعالجات الدقيقة فهي مصممة لإجراء عمليات حسابية أكثر تطلبًا وتعقيدًا ويمكن أن تعمل بسرعات ساعة أعلى من 1 جيجاهرتز.
4. تكاليف التشغيل:
   • أجهزة المتحكمات الدقيقة غير مكلفة، ولأنها لا تتطلب معرفة متخصصة في البرمجة، فإنها تضيف القليل إلى ميزانيات المشروعات الإجمالية.
   • أما المعالجات الدقيقة فهي أكثر تكلفة وأكثر تعقيدًا. وقد يتطلب تكوين نظام متقدم قائم على المعالجات الدقيقة مهارات متخصصة.

نشأت الأنواع الأولى من المتحكمات الدقيقة من التطورات التي حدثت في تصنيع المعالجات الدقيقة حيث طور الباحثون تقنيات لدمج وحدة المعالجة المركزية والذاكرة والعناصر الطرفية في شريحة واحدة.

ويعود الفضل إلى مهندسي شركة Texas Instruments غاري بون ومايكل كوكران في ابتكار أول متحكم دقيق في عام 1971. وسرعان ما تبعهم المصنعون مثل Intel والعديد من موردي الإلكترونيات اليابانيين.

اليوم، هناك العشرات من الشركات المصنعة للمتحكمات الدقيقة المختلفة—مثل Intel و NXP و Arm—التي تقدم مئات الأصناف، بدءًا من خيارات الأغراض العامة للهواة إلى الحلول المتخصصة للغاية للتقنيين المحترفين وكل أنواع الصناعات.

فيما يأتي بعض الأنواع الأكثر شيوعًا من المتحكمات الدقيقة: