Update Chapter 2 contents

2025-12-10 15:56:04 +07:00
parent 08c98cb94f
commit 61e7fe16cb
13 changed files with 904 additions and 74 deletions
@@ -1,20 +1,112 @@
 #import "../PageTemplate.typ": i
-#counter(heading).update((2, 0))

-= ไมโครคอนโทรเลอร์ (Microcontroller)
+เชื่อมต่อ Wi-Fi และ Bluetooth ในตัว เป็นชิปไมโครคอนโทรลเลอร์แบบ 32 บิต ที่มีความสามารถสูง พัฒนาและผลิตโดย บริษัท Espressif Systems จากประเทศจีน ส่วนประกอบหลักของบอร์ด ESP32

-#i ความรู้เกี่ยวกับไมโครคอนโทรลเลอร์เบื้องต้น ไมโครคอนโทรลเลอร์ (มักย่อว่า uC หรือMCU) คือ อุปกรณ์ควบคุมขนาดเล็ก ซึ่งบรรจุความสามารถที่คล้ายคลึงกับระบบคอมพิวเตอร์ โดยใน ไมโครคอนโทรลเลอร์ได้รวม เอาซีพียูหน่วยความจำและพอร์ต ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักสำคัญของ ระบบคอมพิวเตอร์เข้าไว้ด้วยกัน โดยทำการบรรจุเข้าไว้ในตัวถังเดียวกัน ไมโครคอนโทรลเลอร์ถ้าแปล ความหมายแบบตรงตัวก็คือ ระบบคอนโทรลขนาดเล็กเรียกอีกอย่างหนึ่งคือเป็นระบบคอมพิวเตอร์ ขนาดเล็ก ที่สามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย โดยผ่านการออกแบบวงจรให้เหมาะกับงาน ต่างๆ และยังสามารถเขียนโปรแกรมคำสั่งเพื่อควบคุมขา Input / Output เพื่อสั่งงานให้ไป ควบคุม อุปกรณ์ต่างๆ ได้อีกด้วย ซึ่งก็นับว่าเป็นระบบที่สามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย ทั้ง ทางด้าน Digital และ Analog ยกตัวอย่างเช่น ระบบสัญญาณตอบรับอัตโนมัติ, ระบบบัตรคิว, ระบบ ตอกบัตรพนักงาน และอื่นๆ ยิ่งระบบไมโครคอนโทรลเลอร์ในยุคปัจจุบันนั้นสามารถทำการเชื่อต่อกับ ระบบ Network ของคอมพิวเตอร์ทั่วไปได้อีกด้วย ดังนั้นการสั่งงานจึงไม่ใช่แค่หน้าแผงวงจร แต่ อาจจะเป็นการสั่งงานอยู่คนละ ซีกโลกผ่านเครือข่ายอินเตอร์เน็ตก็ได้โครงสร้างโดยทั่วไปของไมโครคอนโทรลเลอร์นั้น สามารถแบ่งออกมาได้เป็น 5 ส่วนใหญ่ๆ ได้แก่ หน่วยประมวลผลกลาง หรือ ซีพียู, หน่วยความจ า, ส่วนติดต่อกับอุปกรณ์ภายนอก หรือพอร์ต, ช่องทางเดินของสัญญาณ หรือบัส และ วงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกา หน่วยความจำนั้น สามารถแบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือ หน่วยความจำที่มีไว้สำหรับเก็บ โปรแกรมหลัก เปรียบเสมือนฮาร์ดดิสก์และหน่วยความจำข้อมูล ใช้เป็นเหมือนกับ กระดาษทดในการ คำนวณของซีพียู โดย ESP32 เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์แบบ
+#i ESP32 คือ ไมโครคอนโทรลเลอร์ราคาประหยัดและประหยัดพลังงานที่ผสานรวมความสามารถทั้งWi-FiและBluetoothชิปเหล่านี้มีตัวเลือกการประมวลผลที่หลากหลาย รวมถึง ไมโครโปรเซสเซอร์ Tensilica Xtensa LX6 ที่มีทั้งแบบดูอัลคอร์และแบบซิงเกิลคอร์ โปรเซสเซอร์ดูอัลคอร์ Xtensa LX7 หรือ ไมโครโปรเซสเซอร์ RISC-V แบบซิงเกิลคอ ร์ นอกจากนี้ ESP32 ยังมีส่วนประกอบที่จำเป็นสำหรับการสื่อสารข้อมูลไร้สาย เช่น สวิตช์เสาอากาศในตัว บาลัน RF เครื่องขยายสัญญาณ ตัวรับสัญญาณเสียงรบกวนต่ำ ตัวกรอง และโมดูลจัดการพลังงาน

-#i System-on-a-Chip (SoC) ที่มีการรวมส่วนประกอบทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการประมวลผลและการสื่อสารไร้สายไว้ในชิปเดียว ที่มีคุณสมบัติเด่นด้านการเชื่อมต่อ Wi-Fi และ Bluetooth ในตัว เป็นชิปไมโครคอนโทรลเลอร์แบบ 32 บิต ที่มีความสามารถสูง พัฒนาและผลิตโดย บริษัท Espressif Systems จากประเทศจีน ส่วนประกอบหลักของบอร์ด ESP32
+โดยทั่วไป ESP32 จะถูกฝังอยู่บนแผงวงจรพิมพ์เฉพาะอุปกรณ์ หรือนำเสนอเป็นส่วนหนึ่งของชุดพัฒนาที่มี พินและขั้วต่อ GPIO หลากหลายรูป แบบ โดยมีการกำหนดค่าแตกต่างกันไปตามรุ่นและผู้ผลิต ESP32 ออกแบบโดย Espressif Systems และผลิตโดย TSMC โดยใช้กระบวนการ 40 นาโนเมตรเป็นรุ่นต่อยอดจากไมโครคอนโทรลเลอร์ ESP8266
+
+#i นับตั้งแต่เปิดตัว ESP32 รุ่นดั้งเดิม มีการเปิดตัวและประกาศรุ่นต่างๆ มากมาย พวกมันรวมกันเป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล ESP32 ชิปเหล่านี้มี CPU และความสามารถที่แตกต่างกัน แต่ทั้งหมดใช้ SDK เดียวกันและส่วนใหญ่เข้ากันได้กับโค้ด นอกจากนี้ ESP32 รุ่นดั้งเดิมยังได้รับการปรับปรุง
+
+#i และส่วนประกอบหลักของบอร์ด ESP32 คือ
+ไมโครโปรเซสเซอร์ LX6 32 บิตแบบคอร์เดี่ยว/คู่ Xtensa
+รองรับหน่วยจุดลอยตัวความแม่นยำเดี่ยว (FPU)
+ไวไฟ: 802.11b/g/n
+บลูทูธ: v4.2 BR/EDR และ BLE (แชร์วิทยุกับ Wi-Fi) GPIO จำนวน 34 ตัว
+ADC SAR #math.equation($2 times 12$, alt: "2 คูณ 12") บิต สูงสุด 18 ช่องและ #math.equation($2 times 8$, alt: "2 คูณ 8") บิต DAC

 == ตารางพาร์ทิชัน (Partition Table)

+#i ตารางพาร์ทิชันคือสิ่งที่กำหนดการจัดการรูปแบบหน่วยความจำแฟลชและข้อมูลต่าง ๆ จะถูกเก็บไว้ในแต่ละพาร์ทิชัน โดยผู้พัฒนาสามารถใช้รูปแบบตารางพาร์ทิชันที่ถูกกำหนดมาไว้แล้วหรือสามารถกำหนดรูปแบบตารางพาร์ทิชันเองก็ได้
+
+#i โดยตารางพาร์ทัชันที่ถูกใช้ในโครงงานนี้มีรูปแบบดังนี้
+
 #let partition-table = csv("PartitionTable.csv")

 #table(
  columns: 6,
-  table.header([*Name*], [*Type*], [*SubType*], [*Offset*], [*Size*], [*Flags*]),
+  table.header([Name], [Type], [SubType], [Offset], [Size], [Flags]),
  ..partition-table.flatten().slice(6),
 )

+ซึ่งคือตารางค่าเริ่มต้นของ ESP32 ใน Arduino platform อย่างไรก็ตามมีการเปลี่ยนแปลงระบบเก็บไฟล์จาก SPIFFS เป็น LittleFS โดยที่:
+
+ *Name:* ชื่อของพาร์ทิชัน ห้ามซ้ำกัน ชื่อนั้นไม่สำคัญต่อระบบและต้องขนาดไม่เกิน 16 ตัวอักษร (และไม่มีอักขระพิเศษ)
+ *Type:* ประเภทของพาร์ทัชัน สามารถเป็น `data` หรือ `app` ได้
+  - `app` คือพาร์ทิชันที่ใช้ในการเก็บแอพลิเคชัน
+  - `data` คือพาร์ทิชันที่ใช้ในการเก็บข้อมูลทั่วไป
+ *SubType:* ประเภทย่อย ระบุการใช้งานของพาร์ทิชัน `app` และ `data`
+  - `data`
+    - `ota`: พาร์ทัชันเก็บข้อมูล OTA (สำหรับการอัพเดททางอากาศ, Over-the-air update) โดยหากไม่ใช้งาน OTA สามารถนำออกได้ โดยขนาดของพาร์ทิชันนี้ควรจะมีขนาดที่แน่นอนอยู่ที่ 8 KiB (0x2000 ไบต์)
+    - `nvs`: พาร์ทิชันเก็บข้อมูลทั่วไปเช่น ข้อมูล Wi-Fi, ข้อมูลการสอบเทียบ PHY ของอุปกรณ์, และข้อมูลอื่น ๆ ที่ต้องถูกเก็บบนหน่วยความจำถาวร (Non-volatile memory) โดยพาร์ทิชันประเภทนี้เหมาะสมสำหรับการเก็บข้อมูลการตั้งค่าเล็กน้อย ใบรองรับคลาวด์ ฯลฯ และการใช้งาน NVS อีกอย่างคือการเก็บข้อมูลที่ละเอียดอ่อน เนื่องจาก NVS รองรับการเข้ารหัส และเป็นสิ่งที่แนะนำอย่างมากที่จะมีพาร์ทิชัน NVS ขนาดขั้นต่ำ 12 KiB (0x3000 ไบต์) และหากจำเป็น คุณสามารถขยายขนาดเพิ่มได้ โดยขนาดที่แนะนำนั้นอยู่ระหว่าง 12 KiB และ 64 KiB ถึงแม้ว่าคุณจะสามารถขยายให้มันใหญ่กว่านี้ได้ การใช้งานระบบไฟล์เช่น FAT หรือ SPIFFS นั้นจะเหมาะสมสำหรับข้อมูลที่ใหญ่กว่า
+    - `coredump`: ประเภทพาร์ทิชันย่อยนี้มีหน้าที่ในการเก็บข้อมูล core dump บนหน่วยความจำแฟลช โดย core dump นั้นคือข้อมูลที่ถูกใช้งานสำหรับการตรวจสอบข้อผิดพลาดร้ายแรงเช่นการแครชและแพนิค โดยฟังก์ชันนี้จะต้องถูกเปิดในการตั้งค่าโปรเจกต์และตั้งที่หมายในการแฟลช และพาร์ทิชันนี้มีขนาดที่แนะนำอยู่ที่ 64 KiB (0x10000)
+    - `nvs_keys`: พาร์ทิชันที่เป็นประเภทย่อยนี้เก็บคีย์การเข้ารหัสของพาร์ทัชัน NVS เมื่อการเข้ารหัสถูกใช้งาน โดยมีขนาดอยู่ที่ 4 KiB (0x1000)
+    - `fat`: กำหนดพาร์ทิชันสำหรับระบบไฟล์ FAT โดยที่จะเหมาะสมสำหรับข้อมูลใหญ่ ๆ และหากข้อมูลนั้นถูกเปลี่ยนแปลงบ่อย โดยระบบไฟล์ FAT สามารถใช้ฟีเจอร์ wear leveling และการเข้ารหัสได้
+    - `spiffs`: กำหนดพาร์ทิชันสำหรับระบบไฟล์ SPIFFS เหมาะสำหรับไฟล์ใหญ่เช่นกันและรองรับ wear leveling อย่างไรก็ตาม ระบบไฟล์นี้ไม่รองรับการเข้ารหัส
+  - `app`
+    - `factory`: พาร์ทิชันเก็บแอพลิเคชันเริ่มต้น โปรแกรมบูตโหลดเดอร์จะเลือกพาร์ทิชันนี้เป็นแอพลิเคชันเริ่มต้นหากไม่มีพาร์ทิชัน OTA หรือพาร์ทิชัน OTA นั้นว่างเปล่า หากมีการใช้พาร์ทิชัน OTA พาร์ทิชัน `ota_0` สามารถถูกใช้เป็นแอพลิเคชันเริ่มต้นได้และพาร์ทิชัน `factory` สามารถถูกนำออกได้
+    - `ota_0` ถึง `ota_15`: พาร์ทิชัน ota_x นั้นถูกใช้สำหรับอัพเดท OTA โดยฟีเจอร์ OTA นั้นจำเป็นต้องใช้พาร์ทิชัน OTA อย่างน้อย 2 พาร์ทิชัน (โดยปกติคือ ota_0 และ ota_1) และจำเป็นต้องใช้พาร์ทิชัน ota ด้วยเช่นกันในการเก็บข้อมูลเกี่ยวกับ OTA โดยสามารถมีพาร์ทิชัน OTA ได้สูงสุด 16 พาร์ทิชัน แต่ 2 พาร์ทิชันคือจำนวนขั้นต่ำที่ต้องใช้สำหรับฟีเจอร์ OTA แบบเบสิค
+    - `test`: ใช้สำหรับการทดสอบในโรงงาน
+ *Offset:* กำหนดพื้นที่ที่พาร์ทิชันนั้น ๆ เริ่มต้น โดย Offset นั้นถูกกำหนดโดยการรวมค่า Offset และขนาดของพาร์ทิชันก่อนหน้า \
+  *หมายเหตุ:* Offset จะต้องเป็นทวีคูณของ 4 KiB (0x1000) และพาร์ทิชันแอพจะต้องจัดตำแหน่งให้มีขนาด 64 KiB (0x10000) โดยหากปล่อยให้ว่าง ค่า Offset จะถูกคำนวนโดยอัตโนมัติตามตำแหน่งท้ายของพาร์ทิชันก่อนหน้า รวมถึงการจัดตำแหน่งใด ๆ ที่จำเป็น อย่างไรก็ตาม Offset ของพาร์ทิชันแรกนั้นจะต้องเป็น *0x9000* และ *0x10000* สำหรับพาร์ทิชันแอพลิเคชันแรก
+ *Size:* ขนาดของพาร์ทิชัน โดยค่านี้สามารถเป็นเลขทศนิยม, ตัวเลข Hex (นำหน้าด้วย `0x`), หรือใช้ตัวอักษรต่อท้ายเพื่อบ่งบอกหน่วย K (กิโล) หรือ M (เมกา) เช่น 4096 = 4K = 0x1000
+ *Flags:* ในปัจจุบันคอลัมน์นี้ใช้เพียงแค่เพื่อบ่งบอกว่าพาร์ทิชันนั้น ๆ ถูกเข้ารหัสหรือไม่
+
 == LittleFS
+#i LittleFS คือระบบไฟล์ขนาดเล็กที่ปลอดภัยต่อความล้มเหลวที่ออกแบบมาสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์
+
+#show raw: set par(leading: 0.5em)
+
+```
+   | | |     .---._____
+  .-----.   |          |
+--|o    |---| littlefs |
+--|     |---|          |
+  '-----'   '----------'
+   | | |
+```
+
+*ความยืดหยุ่นในการป้องกันการสูญเสียพลังงาน* littlefs ออกแบบมาเพื่อรับมือกับปัญหาไฟฟ้าดับแบบสุ่ม การดำเนินการไฟล์ทั้งหมดมีการรับประกันการคัดลอกข้อมูลเมื่อเขียนข้อมูล (copy-on-write) ที่แข็งแกร่ง และหากไฟฟ้าดับ ระบบไฟล์จะกลับสู่สถานะปกติล่าสุดที่ทราบ
+
+*การปรับระดับการสึกหรอแบบไดนามิก* littlefs ออกแบบมาเพื่อแฟลชโดยเฉพาะ และมอบการปรับระดับการสึกหรอบนบล็อกแบบไดนามิก นอกจากนี้ littlefs ยังสามารถตรวจจับบล็อกเสียและแก้ไขปัญหาได้
+
+*RAM/ROM แบบมีขอบเขต* ittlefs ออกแบบมาเพื่อทำงานกับหน่วยความจำขนาดเล็ก การใช้งาน RAM ถูกจำกัดอย่างเข้มงวด ซึ่งหมายความว่าการใช้ RAM จะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อระบบไฟล์เติบโตขึ้น ระบบไฟล์ไม่มีการเรียกซ้ำแบบไม่มีขอบเขต และหน่วยความจำแบบไดนามิกถูกจำกัดให้อยู่ในบัฟเฟอร์ที่กำหนดค่าได้ซึ่งสามารถจัดเตรียมแบบคงที่ได้
+
+== ออกแบบ
+
+#i ในระดับสูง littlefs เป็นระบบไฟล์แบบบล็อกที่ใช้ไฟล์บันทึกขนาดเล็กในการจัดเก็บข้อมูลเมตาและโครงสร้าง copy-on-write (COW) ขนาดใหญ่ในการจัดเก็บข้อมูลไฟล์
+
+#i ใน littlefs ส่วนผสมเหล่านี้ก่อตัวเป็นเค้กสองชั้น โดยที่ท่อนไม้ขนาดเล็ก (เรียกว่าคู่เมตาเดตา) จะให้การอัปเดตเมตาเดตาอย่างรวดเร็วในทุกที่ในที่เก็บข้อมูล ในขณะที่โครงสร้าง COW จะจัดเก็บข้อมูลไฟล์อย่างกะทัดรัดและไม่มีค่าใช้จ่ายในการขยายการสึกหรอใดๆ
+
+#i โครงสร้างข้อมูลทั้งสองนี้สร้างขึ้นจากบล็อก ซึ่งถูกป้อนโดยตัวจัดสรรบล็อกร่วม โดยการจำกัดจำนวนการลบข้อมูลที่อนุญาตบนบล็อกต่อการจัดสรรแต่ละครั้ง ตัวจัดสรรจะปรับระดับการสึกหรอแบบไดนามิกทั่วทั้งระบบไฟล์
+
+```
+ root
+                   .--------.--------.
+                   | A'| B'|         |
+                   |   |   |->       |
+                   |   |   |         |
+                   '--------'--------'
+                .----'   '--------------.
+       A       v                 B       v
+      .--------.--------.       .--------.--------.
+      | C'| D'|         |       | E'|new|         |
+      |   |   |->       |       |   | E'|->       |
+      |   |   |         |       |   |   |         |
+      '--------'--------'       '--------'--------'
+      .-'   '--.                  |   '------------------.
+     v          v              .-'                        v
+.--------.  .--------.        v                       .--------.
+|   C    |  |   D    |   .--------.       write       | new E  |
+|        |  |        |   |   E    |        ==>        |        |
+|        |  |        |   |        |                   |        |
+'--------'  '--------'   |        |                   '--------'
+                         '--------'                   .-'    |
+                         .-'    '-.    .-------------|------'
+                        v          v  v              v
+                   .--------.  .--------.       .--------.
+                   |   F    |  |   G    |       | new F  |
+                   |        |  |        |       |        |
+                   |        |  |        |       |        |
+                   '--------'  '--------'       '--------'
+```