از زمان ظهور مدار مجتمع، روش کار سیستم‌های تعبیه‌شده به طور کل متحول شده است. با ادغام مدارهای ترانزیستور روی یک تراشه، طراحان الکترونیک توانسته‌اند دستگاه‌های محاسباتی پیشرفته‌ای مانند لپ‌تاپ و تلفن‌های همراه بسازند. وقتی در مورد نحوه عملکرد سیستم‌های تعبیه شده صحبت می‌کنیم، اغلب در مورد مدارهای مجتمع و ریزپردازنده‌ها می‌شنویم. اما این مؤلفه‌ها دقیقاً چه هستند، چه تفاوتی با هم دارند و چه ارتباطی با سیستم‌های تعبیه شده دارند؟ در این مقاله، در مورد تفاوت بین مدار مجتمع و ریزپردازنده و رابطه آن‌ها با یکدیگر و نحوه‌ی مدرن‌سازی صنعت سیستم‌های تعبیه‌شده بیشتر یاد می‌گیریم.
مدار مجتمع چیست؟
در روزهای اولیه، کامپیوترها با لوله‌های خلاء که مدارهای منطقی را تشکیل می‌دادند ساخته می‌شدند. به دلیل اندازه‌ی بزرگ و ساخت گران‌قیمت، اولین کامپیوتر برای استفاده معمولی ایده‌آل نبود. اختراع ترانزیستور، که جریان یا ولتاژ را تنظیم می‌کند و به عنوان یک کلید برای سیگنال‌های الکترونیکی عمل می‌کند، به جبران این معایب کمک کرد، اما همچنان محدودیت‌های خاص خود را داشت.
اختراع مدار مجتمع (IC) به انقلابی در استفاده از سیگنال‌های الکترونیکی مانند ترانزیستورها در طراحی بسیار کوچک‌تر و سودآورتر کمک کرد. مدار مجتمع که گاهی به عنوان تراشه یا ریزتراشه نیز نامیده می‌شود، قالبی است که اغلب از سیلیکون ساخته می‌شود و مجموعه‌ای از مدارهای الکترونیکی شامل مقاومت‌ها، ترانزیستورها، خازن‌ها و دیودها را که برای انجام یک عملکرد خاص به هم متصل می‌شوند، یکپارچه می‌کند. بسته به قدرت محاسباتی، یک مدار مجتمع می‌تواند شامل هزاران تا میلیون‌ها مدار الکترونیکی باشد.
مدارهای مجتمع در طراحی سیستم‌های جاسازی شده بسیار مهم هستند. زیرا به ایجاد انقلاب و بهبود استفاده از مدارهای الکترونیکی کمک کرده‌اند. قبل از استفاده از آی‌سی، قطعاتی مانند ترانزیستورها و مقاومت‌ها روی یک برد مدار چاپی به هم متصل می‌شدند. اما با ظهور آی‌سی، این قطعات اکنون بر روی یک تراشه‌ی کوچک‌تر و منفرد شکل گرفته‌اند.
امروزه مدارهای مجتمع به طور گسترده‌ای در طراحی الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرند و می‌توانند آنالوگ، دیجیتال و یا ترکیبی از هر دو دسته‌بندی شوند. آی‌سی‌ها را می‌توان برای اهداف مختلفی از جمله تقویت‌کننده‌ها، پردازنده‌های ویدئویی، حافظه‌ی کامپیوتر، سوئیچ‌ها و ریزپردازنده‌ها استفاده کرد. همچنین می‌توان از آن در مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی استفاده کرد.
ریزپردازنده چیست؟
آیا می‌توانیم بگوییم ریزپردازنده یک مدار مجتمع است؟ پاسخ مثبت است و یکی از پیچیده‌ترین‌ها در نوع خود به حساب می‌آید. ریزپردازنده یک پردازنده‌ی کامپیوتری است که عملکردهای یک واحد پردازش مرکزی (CPU) را روی یک مدار مجتمع یا تراشه‌ی واحد ترکیب می‌کند. در یک سیستم کامپیوتری برای انجام وظایف منطقی و محاسباتی استفاده می‌شود تا به مدارهای خارجی دیگر، از جمله حافظه یا آی‌سی‌های جانبی، اجازه دهد تا عملکردهای مورد نظر خود را انجام دهند.
قبل از اختراع ریزپردازنده، واحد کنترل و پردازش کامپیوتر، یعنی CPU، از ترانزیستورها و در نهایت مدارهای مجتمع کوچک تشکیل شده بود که هر یک به طور جداگانه روی یک برد مدار چاپی نصب می‌شدند. اختراع ریزپردازنده امکان ادغام چنین اجزایی را بر روی یک تراشه واحد فراهم کرد و در نتیجه چنین فناوری‌هایی را کوچک کرد.
به طور کلی، ریزپردازنده‌ها در برنامه‌هایی استفاده می‌شوند که وظیفه‌ای از پیش تعریف نشده باشد، مانند بازی‌های ویدیویی، که در آن‌ها همه چیز به کاربر وابسته است. در این موارد، ریزپردازنده‌ها مناسب هستند. زیرا از انواع برنامه‌های محاسباتی پشتیبانی می‌کنند.
عملکرد وکنترل مدارهای مجتمع و ریزپردازنده‌ها در سیستم‌های تعبیه‌شده
مدارهای مجتمع راه را برای سیستم‌های تعبیه‌شده پیشرفته‌ای که امروزه می‌شناسیم و استفاده می‌کنیم هموار کردند. تراشه‌های نیمه‌هادی مورد استفاده در دستگاه‌هایی مانند گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها یا لپ‌تاپ‌ها همگی مدارهای مجتمعی هستند که مدارهای الکترونیکی مورد نیاز سیستم را برای انجام عملکرد مورد نظر خود فراهم می‌کنند.
ریزپردازنده‌ها، به ویژه، مدارهای مجتمع اساسی هستند که به طور گسترده در طراحی‌های تعبیه‌شده توسط مهندسان سیستم‌های جاسازی‌شده استفاده می‌شوند. ریزپردازنده برای کنترل عملکردهای یک سیستم تعبیه‌شده استفاده می‌شود که وظایفی مانند واکشی و رمزگشایی دستورالعمل‌ها را از حافظه اصلی و استفاده از آن دستورالعمل‌ها برای انجام عملیات حسابی و منطقی روی سایر دستگاه‌های ذخیره‌سازی یا ورودی / خروجی انجام می‌دهد.
عیب‌یابی و توسعه سیستم‌های تعبیه‌شده با مدارهای مجتمع
مدارهای مجتمع، مانند ریزپردازنده‌ها، به یک پروتکل ارتباطی برای “گفتگو” و تبادل داده با اجزای مختلف یا حتی سایر آی‌سی‌های درون یک سیستم نیاز دارند. ریزپردازنده‌ها اغلب از پروتکل‌هایی مانند I2C، SPI یا USB برای تبادل داده استفاده می‌کنند. بسیاری از قطعات به هم پیوسته، از جمله ریزپردازنده / میکروکنترلر، دستگاه‌های حافظه و لوازم جانبی ورودی / خروجی، توسعه و طراحی سیستم‌های تعبیه‌شده می‌تواند چالش‌برانگیز باشد. مهم است که اطمینان حاصل شود که هر یک از این اجزا با هم کار می‌کنند تا یک سیستم به درستی کار کند.
برای تعیین اینکه آیا هر جزء مطابق انتظار کار می‌کند، آداپتورهای میزبان و تحلیلگرهای پروتکل ابزارهای مفیدی هستند که مهندسان می‌توانند برای آزمایش و اشکال‌زدایی سیستم‌ها برای تأیید عملکرد آن‌ها استفاده کنند. با استفاده از چنین ابزارهایی، کاربران می‌توانند به راحتی از دستگاه‌های Master یا Slave تقلید کنند، حافظه را به سرعت برنامه‌ریزی کنند و گذرگاه را برای یافتن خطاهای ارتباطی زیر نظر بگیرند.
Total Phase طیف وسیعی از آداپتورهای میزبان و تحلیلگرهای پروتکل را برای پاسخ‌گویی به انواع نیازهای پروژه ارائه می‌دهد.
آداپتورهای میزبان Total Phase
آداپتورهای میزبان Total Phase، به توسعه‌دهندگان امکان بررسی اشکالات را به صورت آسان می‌دهد. از جمله آداپتور میزبان I2C/SPI، و( Cheetah SPI )و پلتفرم سریال (Promira)هستند که به کاربران اجازه می‌دهند با سیستم‌های( I2C )و/یا( SPI)خود ارتباط برقرار کنند و می‌توانند برای طیف گسترده‌ای از برنامه‌ها از جمله نمونه‌سازی استفاده شوند. شبیه‌سازی سیستم یا برنامه‌نویسی فلش با سرعت بالا.
آداپتور میزبان I2C/SPI Aardvark یک آداپتور میزبان همه منظوره است که از پروتکل‌های (I2C و SP)پشتیبانی می‌کند و تا 800 کیلوهرتز به عنوان master و slave، تا 8 مگاهرتز به عنوان اصلی و حداکثر تا 4 مگاهرتز به عنوان (SPI -Slave) می‌تواند کار کند.
آداپتور میزبان Cheetah SPI یک آداپتور SPI پرسرعت است که می‌تواند بر روی SPI تا حداکثر ۴۰ مگاهرتز ارتباط برقرار کند.
پلتفرم سریال Promira پیشرفته‌ترین دستگاه سریال توتال فاز است و مبتنی بر یک پلتفرم قابل ارتقا است که می‌تواند بسته به نیازهای پروژه I2C یا SPI کاربر، از جمله سرعت، GPIO و موارد دیگر، پیکربندی شود. بسته به کاربرد و سطح، این دستگاه می‌تواند تا 3.4 مگاهرتز به عنوان Master و Slave I2C و تا 80MHz به عنوان Master SPI و حداکثر تا 20MHz به عنوان SPI Slave پشتیبانی کند.
جمع‌بندی مقاله
هم مدارهای مجتمع و هم ریزپردازنده‌ها بخشی جدایی‌ناپذیر از ایجاد سیستم‌های تعبیه‌شده هستند. مدارهای مجتمع ما را قادر ساخته‌اند تا روش استفاده خود را مقیاس‌بندی کنیم و ترانزیستورها و سایر مدارهای الکترونیکی را در طرح‌های الکترونیکی بگنجانیم. بدون مدارهای مجتمع، هیچ ریزپردازنده‌ای وجود نخواهد داشت. ریزپردازنده‌ها به ما امکان می‌دهند عملکرد CPU را در دستگاه‌ها ایجاد کنیم و دستگاه‌های روزمره‌ی ما را قادر به انجام محاسبات و وظایف پیشرفته می‌کنند. در حالی که این اجزا زندگی ما را آسان‌تر می‌کنند، ساختن سیستم‌هایی که با موفقیت کار می‌کنند می‌تواند چالش‌برانگیز باشد.
