2: โครงสร้างภายในของไมโครคอนโทรลเลอร์

โครงสร้างภายในของไมโครคอนโทรลเลอร์ (Internal Structure of Microcontrollers)

2.1 CPU (Central Processing Unit)

• หน้าที่: หัวใจหลักของการประมวลผล ทำหน้าที่อ่านคำสั่ง (Fetch), ถอดรหัสคำสั่ง (Decode), และประมวลผลคำสั่ง (Execute) ตามลำดับที่กำหนดในโปรแกรม
• ส่วนประกอบหลักภายใน CPU:
  • ALU (Arithmetic Logic Unit): หน่วยคำนวณและตรรกะ ทำหน้าที่บวก ลบ คูณ หาร เปรียบเทียบค่าทางตรรกะ (AND, OR, NOT)
  • Registers: หน่วยความจำขนาดเล็กและเร็วมากภายใน CPU ใช้เก็บข้อมูลที่กำลังประมวลผล หรือข้อมูลที่ใช้บ่อย
    • Accumulator (ACC): รีจิสเตอร์หลักที่ใช้ในการคำนวณ
    • Data Registers: รีจิสเตอร์สำหรับเก็บข้อมูลทั่วไป
    • Address Registers: รีจิสเตอร์สำหรับเก็บตำแหน่งในหน่วยความจำ
  • Program Counter (PC): รีจิสเตอร์ที่เก็บตำแหน่งของคำสั่งถัดไปที่จะถูกเรียกมาประมวลผล
  • Stack Pointer (SP): รีจิสเตอร์ที่ชี้ไปยังตำแหน่งบนสุดของ Stack (พื้นที่ในหน่วยความจำ RAM ที่ใช้เก็บข้อมูลชั่วคราวแบบ LIFO – Last In, First Out)
  • Instruction Register (IR): (อาจไม่แสดงใน Block Diagram บางแบบ) รีจิสเตอร์ที่เก็บคำสั่งปัจจุบันที่กำลังถูกถอดรหัส
  • Control Unit: ควบคุมการทำงานของส่วนต่างๆ ภายใน CPU และการติดต่อกับหน่วยความจำและ I/O
• ภาพประกอบ:
  • ALU: ค้นหา “ALU block diagram” จะพบภาพที่แสดงการทำงานภายใน
  • Registers: ค้นหา “CPU registers” หรือ “microcontroller registers”
  • Program Counter & Stack Pointer: ค้นหา “program counter stack pointer” จะมีภาพอธิบายการทำงาน

2.2 หน่วยความจำ (Memory)

• หน้าที่: เก็บโปรแกรม (Instructions) และข้อมูล (Data) ที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ใช้ในการทำงาน
• ประเภทของหน่วยความจำ:
  • ROM (Read-Only Memory):
    • ลักษณะ: เก็บข้อมูลแบบถาวร ไม่สามารถแก้ไขได้ (โดยทั่วไป) ใช้เก็บโปรแกรมหลัก (Firmware)
    • ประเภท:
      • Mask ROM: โปรแกรมถูกกำหนดมาจากโรงงาน ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้
      • PROM (Programmable ROM): สามารถโปรแกรมได้ครั้งเดียว
      • EPROM (Erasable Programmable ROM): ลบได้ด้วยแสง UV และโปรแกรมใหม่ได้
      • EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM): ลบและเขียนใหม่ได้ด้วยไฟฟ้า (จำนวนครั้งจำกัด)
      • Flash Memory: คล้าย EEPROM แต่ลบและเขียนได้เร็วกว่าและจำนวนครั้งมากกว่า (ใช้แทน ROM ได้)
  • RAM (Random Access Memory):
    • ลักษณะ: เก็บข้อมูลแบบชั่วคราว ข้อมูลจะหายไปเมื่อไม่มีไฟเลี้ยง ใช้เก็บข้อมูลระหว่างการประมวลผล
    • ประเภท:
      • SRAM (Static RAM): เร็ว แต่ใช้พลังงานมากกว่า และราคาแพงกว่า
      • DRAM (Dynamic RAM): ช้ากว่า SRAM แต่ใช้พลังงานน้อยกว่า และราคาถูกกว่า (ไม่ค่อยใช้ในไมโครคอนโทรลเลอร์)
• ภาพประกอบ:
  • Memory Map: ค้นหา “microcontroller memory map” จะพบภาพแสดงการจัดสรรพื้นที่หน่วยความจำ (สำคัญมากในการเขียนโปรแกรม)
  • ROM vs RAM: ค้นหา “ROM vs RAM” จะได้ภาพ Infographic เปรียบเทียบ
  • Flash Memory: ค้นหา “flash memory microcontroller”

2.3 I/O Ports (Input/Output Ports)

• หน้าที่: เป็นช่องทางสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ในการรับข้อมูลจากภายนอก (Input) และส่งข้อมูลออกไปควบคุมอุปกรณ์ภายนอก (Output)
• การทำงาน:
  • Digital Input: อ่านค่าสถานะทางดิจิทัล (0 หรือ 1, High หรือ Low) จากสวิตช์, เซ็นเซอร์ดิจิทัล
  • Digital Output: ส่งค่าสถานะทางดิจิทัล (0 หรือ 1) เพื่อเปิด/ปิด LED, รีเลย์, มอเตอร์
  • Analog Input (ผ่าน ADC): อ่านค่าแรงดันไฟฟ้า (Analog) จากเซ็นเซอร์อนาล็อก
  • Analog Output (ผ่าน DAC): ส่งค่าแรงดันไฟฟ้า (Analog) เพื่อควบคุมอุปกรณ์
• การกำหนดค่า (Configuration):
  • ต้องกำหนดว่าแต่ละพอร์ตจะใช้เป็น Input หรือ Output
  • อาจต้องกำหนดค่า Pull-up หรือ Pull-down Resistors (สำหรับ Input)
• ภาพประกอบ:
  • I/O Port Diagram: ค้นหา “[ชื่อไมโครคอนโทรลเลอร์] pinout” หรือ “[ชื่อไมโครคอนโทรลเลอร์] I/O port” (เช่น “Arduino Uno pinout”)
  • การต่อ LED, Switch กับ I/O Port: ค้นหา “connect LED to microcontroller”, “connect switch to microcontroller”

2.4 Timers/Counters

• หน้าที่:
  • Timer: สร้างสัญญาณเวลา (Delay) หรือจับเวลา
  • Counter: นับจำนวนเหตุการณ์ (Event) ที่เกิดขึ้นภายนอก
• โหมดการทำงาน:
  • Timer Mode: นับเวลาจากสัญญาณนาฬิกาภายใน (Internal Clock)
  • Counter Mode: นับสัญญาณพัลส์ (Pulse) จากภายนอก
• การประยุกต์ใช้:
  • สร้าง Delay
  • วัดความถี่
  • สร้างสัญญาณ PWM (Pulse Width Modulation) สำหรับควบคุมความเร็วมอเตอร์, ความสว่าง LED
  • สร้าง Real-Time Clock (RTC)
• ภาพประกอบ:
  • Timer/Counter Block Diagram: ค้นหา “microcontroller timer counter”
  • PWM Waveform: ค้นหา “PWM signal”

2.5 Interrupts

• หน้าที่: เป็นกลไกที่ทำให้อุปกรณ์ภายนอก (หรือ Timer ภายใน) สามารถขัดจังหวะการทำงานปกติของ CPU เพื่อให้ CPU หันมา 처리สิ่งที่สำคัญก่อน (Interrupt Service Routine – ISR)
• ประเภทของ Interrupts:
  • External Interrupt: เกิดจากสัญญาณภายนอก (เช่น กดสวิตช์)
  • Timer Interrupt: เกิดจาก Timer ครบตามเวลาที่กำหนด
  • Serial Communication Interrupt: เกิดเมื่อรับ/ส่งข้อมูลผ่าน Serial Port เสร็จ
  • ADC Interrupt: เกิดเมื่อ ADC แปลงสัญญาณเสร็จ
• การจัดการ Interrupts:
  • ต้องเปิดใช้งาน Interrupt (Enable)
  • กำหนด Priority (ลำดับความสำคัญ) ของ Interrupt
  • เขียน Interrupt Service Routine (ISR) ซึ่งเป็นโปรแกรมย่อยที่จะทำงานเมื่อเกิด Interrupt
• ภาพประกอบ:
  • Interrupt Flowchart/Diagram: ค้นหา “microcontroller interrupt flowchart” หรือ “interrupt handling process” จะมีภาพขั้นตอนการทำงาน

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม:

• Datasheet ของไมโครคอนโทรลเลอร์: เอกสารสำคัญที่สุด! จะมีรายละเอียดทั้งหมดเกี่ยวกับโครงสร้างภายใน, รีจิสเตอร์, การตั้งค่าต่างๆ (ดาวน์โหลดได้จากเว็บไซต์ผู้ผลิต)
• Application Notes: เอกสารจากผู้ผลิตที่อธิบายการใช้งานเฉพาะด้าน
• หนังสือ, บทความ, และเว็บไซต์: ค้นหาโดยใช้คำหลักที่เกี่ยวข้อง เช่น “microcontroller architecture”, “[ชื่อไมโครคอนโทรลเลอร์] tutorial”