میکروکنترلر ARM به میکروکنترلرهایی گفته میشود که از پردازندههای ARM در ساخت آن استفاده شده باشد، از این میکروکنترلرها در ساخت تجهیزات الکترونیکی و لوازم برقی مثل لپ تاپ، گوشیهای تلفن همراه و لوازم الکترونیک خانگی و همچنین در پروژه های صنعتی استفاده میشود. این میکروکنترلرها توسط شرکت ARM(Advanced RISC Machine) توسعه داده شدهاند. نسل اول پردازندههای ARM در سال 1985 ساخته شد و پس از آن انواع دیگر این پردازندهها توسط این شرکت توسعه پیدا کرد. میکروکنترلر ARM یک خانواده از میکروکنترلرهاست که بر پایه معماری RICS توسعه پیدا کرده است، در این طراحی اساس کار بر ساده سازی و بهینه کردن مجموعه دستورات پردازشی استوار است که سبب افزایش کارایی و بهینگی عملکرد پردازنده میشود. در این مطلب قصد داریم شما را با میکروکنترلر ARM یا همان ماشین های پیشرفته RISC آشنا کنیم که شکل بسیار بهینه و حداقلی از مجموعه دستورالعمل ها را در خود دارند. با ما همراه باشید.
ARM مخفف Advanced RISC Machines است. پردازنده ARM متعلق به خانوادهای از CPUهاست که اساساً مبتنی بر طراحی RISC هستند. این پردازنده ها میتوانند 32 بیتی یا 64 بیتی باشند. پردازنده های RISC سرعت بالایی دارند، زیرا تعداد کمی دستورالعمل اجرایی بهینه دارند. همچنین این پردازندهها تعداد ترانزیستور کمتری نسبت به پردازندههای با توان پردازشی مشابه دارند زیرا از معماری RISC بهره میبرند و به همین دلیل دارای مصرف توان کمتر و اندازه کوچکتر هستند، به همین دلیل به صورت گسترده و روز افزون در اکثر دستگاه های الکترونیکی مانند تبلت، موبایل، تلفن های هوشمند و سایر لوازم الکترونیکی استفاده میشوند ترکیب یک ریزپردازنده ARM با RAM، ROM و سایر لوازم جانبی در یک تراشه، یک میکروکنترلر ARM را بوجود میآورد.
شرکتهای مختلف تولید کننده تراشه با خرید لایسنس حق تولید از شرکت ARM اقدام به تولید انواع میکروکنترلر ARM میکنند.
پردازندههای ARM به گونه ای طراحی شده اند که می توان از آنها در مواردی از سیستم های چند پردازشی که به بیش از یک پردازنده برای پردازش اطلاعات نیاز است، استفاده کرد.
حافظه کَش در پردازندههای ARM به طور محکم و سریعی به پردازنده متصل شده و این باعث پدید آمدن زمان پاسخگویی بسیار سریعی شده است.
پردازنده ARM دارای بخش مدیریت سیستم است. این قسمت شامل واحد مدیریت حافظه و واحد حفاظت حافظه است. این سیستم های مدیریتی در مدیریت کارآمد حافظه بسیار مهم هستند.
فناوری Thumb-2 در سال 2003 معرفی شد و از آن برای ایجاد مجموعه دستورالعمل با طول متغیر استفاده شد. این فناوری، دستورالعمل های 16 بیتی فناوری اولیه Thumb را به دستورالعمل های 32 بیتی گسترش میدهد و عملکرد بهتری نسبت به فناوری قبل از خود دارد.
دستورالعملهای پردازنده ARM برای اجرا بر روی این CPU بهینه شده است. همه دستورالعمل دارای طول ثابتی هستند و این امر باعث میشود که زمان واکشی دستور بعدی، قبل از اجرای دستور فعلی مهیا گردد. پردازندههای ARM دارای CPI یک چرخهای هستند.
پردازش دستورالعمل ها به صورت موازی با استفاده از روش خطوط لوله انجام می شود. دستورالعمل ها در مرحله اول خط لوله شکسته و رمزگشایی می شوند تا بتوانند در یک سیکل پردازش شوند.
به منظور کمتر کردن تعامل با حافظه در میکرو کنترلرهای ARM از تعداد زیادی رجیستر استفاده می شود. هر رجیستر حاوی داده و آدرس هست. رجیسترها به عنوان حافظه محلی برای همه عملیاتها استفاده میشوند.
میکروکنترلرهای ARM براساس نوع هسته پردازشی به چندین نوع تقسیم می شوند. برخی از معروف ترین انواع میکروکنترلرهای ARM عبارتند از ARM7، ARM9، ARM10 و ARM11 که بر اساس نوع هسته استفاده شده در آن نام گذاری شدهاند.
برای نامگذاری پردازندههای ARM از یک شیوه نامگذاری استفاده میکنند که به شرح زیر است:
ARMxyzTDMIEJF-S
اما این شیوه نامگذاری به چه معناست و براساس آن انواع میکروکنترلر ARM را چگونه می توان توضیح داد. بعد از ARM یکسری حروف و کلمات آمده اند که هر یک معنای خاصی دارند به عنوان مثال:
میکروکنترلرهای ARM براساس نوع پردازنده تقسیم بندی می شوند. پردازنده های ARM به طور کلی در سه دسته کلاسیک (ARM Classic Processor)، امبدد (ARM Embedded Processor) و کاربردی یا اپلیکیشن (ARM Application Processor) قرار می گیرند.
در دسته بندی دیگر، میکروکنترلر ARM را براساس انواع پردازنده به 5 دسته تقسیم می کنند و در نتیجه خرید میکروکنترلر ARM با در نظر گرفتن نوع پردازنده انجام می پذیرد:
این نوع میکروکنترلرها در دستگاه هایی با سیستم لینوکس و اندروید استفاده می شوند که از جمله آنها می توان به ساعت های هوشمند، تبلت و تجهیزات شبکه اشاره کرد. پردازنده های Cortex-A که در ساخت میکروکنترلر ARM به کار می روند شامل انواع A5، A7، A15، A17 و A50 هستند که به نوبه خود انواع میکروکنترلرها را می سازند.
این نوع میکروکنترلرها برای پروژه های Real Time کاربرد دارند که از جمله آنها می توان به کنترلرها، تجهیزات شبکه، مدیا پلیرها، هدست های موبایل، تجهیزات ذخیره سازی داده، دوربین ها و سایر دستگاه های مشابه و همچنین صنایع خودروسازی اشاره کرد. میکروکنترلرهایی که بسیار پیشرفته هستند و باید تسک های بسیار وسیعی انجام دهند با این نوع پردازنده ها ساخته می شوند. پردازنده های Cortex-R که در ساخت میکروکنترلر ARM به کار می روند در سه دسته R4، R5 و R7 قرار می گیرند و بر همین اساس میکروکنترلرها سه نوع می شوند.
از این نوع میکروکنترلرها در بازار MCU استفاده می شود که اولین مدل از این میکروکنترلرهای ARM حدود 13 سال پیش تولید شدند. امروزه در بخش های مختلفی از صنایع از این نوع میکروکنترلرها استفاده می کنند. از جمله کاربردهای آن میتوان به حافظههای داخلی، دستگاههای موشن سنسور، سیستمهای نورپردازی هوشمند، صنایع خودروسازی، صنایع مراقبت بهداشتی، شبکه های ذخیره کننده انرژی، ساعت ها و غیره اشاره کرد. هر کدام از میکروکنترلرهای ARM این دسته ویژگی های خاص خود را دارند که بخاطر نوع پردازنده Cortex-M به کار رفته در آنهاست. به عنون مثال برخی از آنها راندمان عملکردی بالایی دارند و برخی نیز از لحاظ مصرف انرژی مقرون به صرفه هستند.
از انواع پردازنده های سری Cortex-M که در ساخت میکروکنترلرهای ARM استفاده می شوند عبارتند از پردازنده های M0+، M3 و M4 هستند. بر همین اساس هر یک از میکروکنترلرهای ARM با سری پردازنده Cortex-M به سه دسته تقسیم می شوند.
امروزه دستگاه های هوشمند و سیستم های اسمارت به همراه اینترنت اشیاء تمامی جنبه های زندگی ما را گرفته اند و زندگی بدون آنها امکان پذیر نیست. خرید میکروکنترلر ARM بسته به نیاز صنایع و کاربرد آنها انجام می گیرد. صنایع مختلف بسته به نیازی که از میکروکنترلرهای ARM دارند، نمونه هایی را انتخاب می کنند که با پردازنده و مدل مناسب ساخته شده باشد که انواع آنها را همراه با ذکر کاربرد مثال زدیم.
منابع:
https://sirinsoftware.com/blog/the-arm-processor-a-r-and-m-categories-and-their-specifics/
https://www.watelectronics.com/arm-processor-architecture-working/
https://hardwarebee.com/arm-microcontroller-overview/
https://www.theengineeringknowledge.com/introduction-to-arm-microcontroller/