414 lines
45 KiB
Typst
414 lines
45 KiB
Typst
#import "../PageTemplate.typ": *
|
|
|
|
ในบริบทของ Internet of Things (IoT) ไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นวิธีการรวบรวมข้อมูล การตรวจจับ
|
|
และการกระตุ้นโลกทางกายภาพในฐานะอุปกรณ์ปลายทางที่มีราคาประหยัดและเป็นที่นิยม
|
|
|
|
#i ไมโครคอนโทรลเลอร์บางตัวอาจใช้คำแบบสี่บิตและทำงานที่ความถี่ต่ำถึง 4 kHz เพื่อการใช้พลังงานต่ำ
|
|
(มิลลิวัตต์หรือไมโครวัตต์หลักเดียว) โดยทั่วไปแล้ว
|
|
ไมโครคอนโทรลเลอร์เหล่านี้สามารถคงการทำงานไว้ได้ในขณะที่รอเหตุการณ์ เช่น
|
|
การกดปุ่มหรือการขัดจังหวะอื่นๆ การใช้พลังงานขณะอยู่ในโหมดสลีป (โดยที่นาฬิกา CPU
|
|
และอุปกรณ์ต่อพ่วงส่วนใหญ่ปิดอยู่) อาจอยู่ที่ระดับนาโนวัตต์เท่านั้น#jb
|
|
ทำให้หลายตัวเหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่ใช้แบตเตอรี่ได้นาน ส่วนไมโครคอนโทรลเลอร์อื่นๆ
|
|
อาจทำหน้าที่ในบทบาทที่สำคัญต่อประสิทธิภาพ ซึ่งอาจต้องทำงานคล้ายกับตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (Digital
|
|
Signal Processor; DSP) โดยมีความเร็วสัญญาณนาฬิกาและการใช้พลังงานที่สูงกว่า
|
|
|
|
== ประวัติ
|
|
|
|
#iii ไมโครโปรเซสเซอร์แบบหลายชิปตัวแรก ได้แก่ Four-Phase Systems AL1 ในปี 1969 และ#jb
|
|
Garrett AiResearch MP944 ในปี 1970 ซึ่งถูกพัฒนาขึ้นโดยใช้ชิป MOS LSI หลายตัว
|
|
ส่วนไมโครโปรเซสเซอร์แบบชิปเดี่ยวตัวแรกคือ Intel 4004 ซึ่งวางจำหน่ายในปี 1971 โดยใช้ชิป MOS
|
|
LSI เพียงตัวเดียว พัฒนาโดย Federico Faggin โดยใช้เทคโนโลยี MOS แบบซิลิคอนเกต
|
|
ร่วมกับวิศวกรของ#jb Intel คือ Marcian Hoff และ Stan Mazor และวิศวกรของ Busicom คือ
|
|
Masatoshi Shima ต่อมาก็มี Intel 4040 แบบ 4 บิต, Intel 8008 แบบ 8 บิต, และ Intel 8080
|
|
แบบ 8 บิต โปรเซสเซอร์เหล่านี้ทั้งหมดต้องการชิปภายนอกหลายตัวเพื่อสร้างระบบที่ใช้งานได้
|
|
รวมถึงชิปหน่วยความจำและชิปอินเทอร์เฟซอุปกรณ์ต่อพ่วง
|
|
ส่งผลให้ต้นทุนของระบบโดยรวมสูงถึงหลายร้อยดอลลาร์สหรัฐ (ในทศวรรษ 1970)
|
|
ทำให้การนำคอมพิวเตอร์มาใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็กนั้นไม่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ
|
|
|
|
#iii บริษัท MOS Technology เปิดตัวไมโครโปรเซสเซอร์ราคาต่ำกว่า 100 ดอลลาร์ในปี 1975 ได้แก่รุ่น
|
|
6501 และ 6502 จุดประสงค์หลักคือการลดอุปสรรคด้านราคา
|
|
แต่ไมโครโปรเซสเซอร์เหล่านี้ยังคงต้องการการสนับสนุนจากภายนอก หน่วยความจำ และชิปอุปกรณ์ต่อพ่วง
|
|
ซึ่งทำให้ต้นทุนรวมของระบบยังคงอยู่ในระดับหลายร้อยดอลลาร์
|
|
|
|
=== การพัฒนา
|
|
|
|
#iiii หนังสือเล่มหนึ่งระบุว่า Gary Boone และ Michael Cochran วิศวกรของบริษัท TI
|
|
ประสบความสำเร็จในการสร้างไมโครคอนโทรลเลอร์ตัวแรกในปี 1971 ผลงานของพวกเขาคือ TMS 1000
|
|
ซึ่งวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในปี 1974 ไมโครคอนโทรลเลอร์นี้รวมหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว
|
|
หน่วยความจำแบบทั้งอ่านและเขียน โปรเซสเซอร์ และนาฬิกาไว้ในชิปเดียว และมุ่งเป้าไปที่ระบบฝังตัว
|
|
|
|
#iiii ในช่วงต้นถึงกลางทศวรรษ 1970
|
|
ผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของญี่ปุ่นเริ่มผลิตไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับรถยนต์ ซึ่งรวมถึง MCU 4
|
|
บิตสำหรับระบบความบันเทิงในรถยนต์ ที่ปัดน้ำฝนอัตโนมัติ ระบบล็อคอิเล็กทรอนิกส์ และแผงหน้าปัด ตลอดจน
|
|
MCU 8 บิตสำหรับควบคุมเครื่องยนต์
|
|
|
|
#iiii ส่วนหนึ่งเพื่อตอบสนองต่อการมีอยู่ของชิป TMS 1000 แบบชิปเดี่ยว Intel
|
|
จึงพัฒนาชิปประมวลผลระบบคอมพิวเตอร์บนชิปที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานด้านการควบคุม นั่นคือ#jb
|
|
Intel 8048 โดยเริ่มจัดส่งชิ้นส่วนเชิงพาณิชย์ครั้งแรกในปี 1977 ชิปนี้รวม RAM และ ROM
|
|
ไว้ในชิปเดียวกันกับไมโครโปรเซสเซอร์ ในบรรดาแอปพลิเคชันมากมาย
|
|
ชิปนี้ได้ถูกนำไปใช้ในแป้นพิมพ์พีซีมากกว่าหนึ่งพันล้านเครื่องในที่สุด ในเวลานั้น Luke J. Valenter
|
|
ประธานของ Intel
|
|
กล่าวว่าไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์ที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดในประวัติศาสตร์ของบริษัท
|
|
และเขาได้ขยายงบประมาณของแผนกไมโครคอนโทรลเลอร์เพิ่มขึ้นกว่า 25%
|
|
|
|
#iiii ไมโครคอนโทรลเลอร์ส่วนใหญ่ในเวลานั้นมีหลายรุ่นที่ใช้งานพร้อมกัน รุ่นหนึ่งใช้หน่วยความจำโปรแกรม
|
|
EPROM
|
|
โดยมีหน้าต่างควอตซ์โปร่งใสอยู่ที่ฝาปิดของตัวชิปเพื่อให้สามารถลบข้อมูลได้โดยการฉายแสงอัลตราไวโอเลต
|
|
ชิปที่ลบได้เหล่านี้มักใช้สำหรับการสร้างต้นแบบ อีกรุ่นหนึ่งคือ ROM ที่ตั้งโปรแกรมด้วยมาสก์ หรือ PROM
|
|
ที่ตั้งโปรแกรมได้เพียงครั้งเดียว สำหรับรุ่นหลัง บางครั้งจะใช้คำว่า#jb OTP ซึ่งย่อมาจาก "one-time
|
|
programmable" (ตั้งโปรแกรมได้ครั้งเดียว) ในไมโครคอนโทรลเลอร์#jb OTP นั้น PROM
|
|
มักจะเป็นชนิดเดียวกับ EPROM แต่ตัวชิปไม่มีหน้าต่างควอตซ์
|
|
เนื่องจากไม่มีวิธีใดที่จะฉายแสงอัลตราไวโอเลตไปยัง EPROM ได้ จึงไม่สามารถลบข้อมูลได้
|
|
เนื่องจากรุ่นที่ลบได้ต้องใช้ตัวชิปเซรามิกที่มีหน้าต่างควอตซ์ จึงมีราคาแพงกว่ารุ่น OTP อย่างมาก
|
|
ซึ่งสามารถผลิตได้ในตัวชิปพลาสติกทึบแสงที่มีราคาถูกกว่า สำหรับรุ่นที่สามารถลบได้นั้น
|
|
จำเป็นต้องใช้ควอตซ์แทนกระจกที่มีราคาถูกกว่า#jb เนื่องจากมีความโปร่งใสต่อแสงอัลตราไวโอเลต
|
|
ซึ่งกระจกส่วนใหญ่ทึบแสง แต่ปัจจัยหลักที่ทำให้ต้นทุนแตกต่างกันคือตัวบรรจุภัณฑ์เซรามิกเอง
|
|
นอกจากนี้ยังมีการใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์แบบ Piggyback ด้วย
|
|
|
|
#afigure(
|
|
image("Microcontroller/PIC16CxxxWIN.jpg", height: 2.5in),
|
|
attr: [Camillo - Own work, CC BY 2.5,
|
|
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=569240],
|
|
alt: "ไมโครคอนโทรลเลอร์ 4 ชิ้นที่ขนาดต่างกัน แต่มีช่องให้เห็น EPROM ภายใน",
|
|
caption: "ไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC ต่าง ๆ ที่มี EPROM ภายใน",
|
|
)
|
|
|
|
#v(1em)
|
|
|
|
#afigure(
|
|
image(
|
|
"Microcontroller/Microcomputer_with_EPROM_(piggyback).jpg",
|
|
height: 2in,
|
|
),
|
|
attr: [Medvedev - Own work, CC BY-SA 3.0,
|
|
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=33161178],
|
|
alt: "thing",
|
|
caption: [ไมโครคอนโทรลเลอร์ Piggyback จาก MOSTEK],
|
|
)
|
|
|
|
#iiii ในปี พ.ศ. 2536 การเปิดตัวหน่วยความจำ EEPROM ทำให้ไมโครคอนโทรลเลอร์ (เริ่มต้นด้วย
|
|
Microchip PIC16C84)
|
|
สามารถลบข้อมูลด้วยไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องใช้แพ็คเกจราคาแพงอย่างที่จำเป็นสำหรับ EPROM
|
|
ซึ่งช่วยให้สามารถสร้างต้นแบบได้อย่างรวดเร็วและตั้งโปรแกรมในระบบได้ (เทคโนโลยี EEPROM
|
|
มีมาก่อนหน้านี้ แต่ EEPROM รุ่นก่อนหน้านี้มีราคาแพงกว่าและทนทานน้อยกว่า
|
|
ทำให้ไม่เหมาะสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ผลิตจำนวนมากในราคาประหยัด) ในปีเดียวกันนั้น Atmel
|
|
ได้เปิดตัวไมโครคอนโทรลเลอร์ตัวแรกที่ใช้หน่วยความจำ Flash ซึ่งเป็น EEPROM ชนิดพิเศษ บริษัทอื่น ๆ
|
|
ก็ได้ดำเนินการตามมาอย่างรวดเร็ว โดยมีทั้งหน่วยความจำทั้งสองประเภท
|
|
|
|
#iiii ปัจจุบันไมโครคอนโทรลเลอร์มีราคาถูกและหาซื้อได้ง่ายสำหรับผู้ที่ชื่นชอบงานอดิเรก
|
|
โดยมีชุมชนออนไลน์ขนาดใหญ่ที่ให้ความสนใจกับโปรเซสเซอร์บางประเภท
|
|
|
|
=== ปริมาณและค่าใช้จ่าย
|
|
|
|
#iiii ในปี 2002 ประมาณ 55% ของ CPU
|
|
ทั้งหมดที่จำหน่ายในโลกเป็นไมโครคอนโทรลเลอร์และไมโครโปรเซสเซอร์ 8 บิต
|
|
|
|
#iiii มีการขายไมโครคอนโทรลเลอร์ 8 บิตมากกว่าสองพันล้านตัวในปี 1997 และจากข้อมูลของ Semico
|
|
พบว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ 8 บิตมากกว่าสี่พันล้านถูกจำหน่ายในปี 2006 ล่าสุด Semico อ้างว่าตลาด MCU
|
|
เติบโตขึ้น 36.5% ในปี 2010 และ 12% ในปี 2011
|
|
|
|
#iiii บ้านทั่วไปในประเทศที่พัฒนาแล้วมีแนวโน้มที่จะมีไมโครโปรเซสเซอร์อเนกประสงค์เพียงสี่ตัว
|
|
แต่มีไมโครคอนโทรลเลอร์ประมาณสามโหล รถยนต์ระดับกลางทั่วไปมีไมโครคอนโทรลเลอร์ประมาณ 30 ตัว
|
|
นอกจากนี้ยังสามารถพบได้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าหลายชนิด เช่น เครื่องซักผ้า เตาไมโครเวฟ และโทรศัพท์
|
|
|
|
#iiii ต้นทุนในการผลิตอาจต่ำกว่า 0.10 เหรียญสหรัฐต่อหน่วย
|
|
|
|
#iiii ค่าใช้จ่ายลดลงเมื่อเวลาผ่านไป โดยไมโครคอนโทรลเลอร์ 8 บิตที่ถูกที่สุดมีจำหน่ายในราคาต่ำกว่า
|
|
0.03 ดอลลาร์สหรัฐฯ ในปี 2018 และไมโครคอนโทรลเลอร์ 32 บิตบางรุ่นมีราคาประมาณ 1
|
|
ดอลลาร์สหรัฐฯ สำหรับปริมาณที่ใกล้เคียงกัน
|
|
|
|
#iiii ในปี 2012 หลังเกิดวิกฤติทั่วโลก ยอดขายลดลงและการฟื้นตัวต่อปีที่เลวร้ายที่สุดเท่าที่เคยมีมา
|
|
และราคาขายเฉลี่ยเมื่อเทียบเป็นรายปีลดลง 17% ซึ่งถือเป็นการลดลงครั้งใหญ่ที่สุดนับตั้งแต่ทศวรรษ 1980
|
|
ราคาเฉลี่ยสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์อยู่ที่ 0.88 เหรียญสหรัฐฯ (0.69 เหรียญสหรัฐฯ สำหรับ 4/8 บิต,
|
|
0.59 เหรียญสหรัฐฯ สำหรับ 16 บิต, 1.76 เหรียญสหรัฐฯ สำหรับ 32 บิต)
|
|
|
|
#iiii ในปี 2012 ยอดขายไมโครคอนโทรลเลอร์ 8 บิตทั่วโลกมีมูลค่าประมาณ 4 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ
|
|
ในขณะที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ 4 บิตก็มียอดขายที่สำคัญเช่นกัน
|
|
|
|
#iiii ในปี 2015 ไมโครคอนโทรลเลอร์ 8 บิตสามารถซื้อได้ในราคา 0.311 ดอลลาร์สหรัฐฯ#jb (1,000
|
|
หน่วย) 16 บิตราคา 0.385 ดอลลาร์สหรัฐฯ (1,000 หน่วย) และ 32 บิตในราคา 0.378 ดอลลาร์สหรัฐฯ
|
|
(1,000 หน่วย แต่อยู่ที่ 0.35 ดอลลาร์สหรัฐฯ สำหรับ 5,000)
|
|
|
|
#iiii ในปี 2018 ไมโครคอนโทรลเลอร์ 8 บิตสามารถซื้อได้ในราคา 0.03 ดอลลาร์สหรัฐฯ#jb 16
|
|
บิตในราคา 0.393 ดอลลาร์สหรัฐฯ (1,000 หน่วย แต่ราคา 0.563 ดอลลาร์สหรัฐฯ สำหรับ 100
|
|
หน่วยหรือ 0.349 ดอลลาร์สหรัฐฯ สำหรับม้วนเต็ม 2,000 หน่วย) และ 32 บิตในราคา 0.503
|
|
ดอลลาร์#jb สหรัฐฯ (1,000 หน่วย แต่ที่ 0.466 ดอลลาร์สหรัฐสำหรับ 5,000 หน่วย)
|
|
|
|
#iiii ในปี 2018 ไมโครคอนโทรลเลอร์ราคาถูกที่สูงกว่าปี 2015 ทั้งหมดมีราคาแพงกว่า
|
|
(โดยคำนวณอัตราเงินเฟ้อระหว่างราคาปี 2018 ถึง 2015 สำหรับหน่วยเฉพาะเหล่านั้น)
|
|
โดยไมโครคอนโทรลเลอร์ 8 บิตสามารถซื้อได้ในราคา 0.319 ดอลลาร์สหรัฐฯ (1,000 หน่วย) หรือสูงกว่า
|
|
2.6%
|
|
|
|
#iiii ไมโครคอนโทรลเลอร์ 16 บิตมีราคา 0.464 ดอลลาร์สหรัฐฯ (1,000 หน่วย) หรือ 21% สูงกว่า
|
|
|
|
#iiii แบบ 32 บิตในราคา 0.503 ดอลลาร์สหรัฐฯ (1,000 หน่วย แต่อยู่ที่ 0.466 ดอลลาร์สหรัฐฯ
|
|
สำหรับ 5,000) หรือสูงกว่า 33%
|
|
|
|
=== คอมพิวเตอร์ที่เล็กที่สุด
|
|
|
|
#iiii เมื่อวันที่ 21 มิถุนายน 2018 มหาวิทยาลัยมิชิแกนได้ประกาศ "คอมพิวเตอร์ที่เล็กที่สุดในโลก"
|
|
อุปกรณ์ดังกล่าวเป็น "ระบบเซ็นเซอร์ไร้สายและไร้แบตเตอรี่ขนาด 0.04 ลบ.มม. 16 nW
|
|
พร้อมด้วยโปรเซสเซอร์ Cortex-M0+ ในตัวและการสื่อสารแบบออปติกสำหรับการวัดอุณหภูมิของเซลล์"#jb
|
|
"วัดด้านข้างเพียง 0.3 มม. ประมาณขนาดเมล็ดข้าว [...] นอกเหนือจาก RAM
|
|
และเซลล์แสงอาทิตย์แล้ว#jb อุปกรณ์
|
|
คอมพิวเตอร์รุ่นใหม่ยังมีโปรเซสเซอร์และเครื่องส่งและตัวรับสัญญาณไร้สาย
|
|
เนื่องจากมีขนาดเล็กเกินไปที่จะมีเสาอากาศวิทยุแบบธรรมดา อุปกรณ์จึงรับและส่งข้อมูลด้วยแสงที่มองเห็นได้
|
|
สถานีฐานให้แสงสำหรับพลังงานและการเขียนโปรแกรม และรับข้อมูล" อุปกรณ์นี้มีขนาด 1/10 ของขนาดที่
|
|
IBM อ้างสิทธิ์ก่อนหน้านี้ คอมพิวเตอร์ที่มีขนาดเป็นสถิติโลกเมื่อหลายเดือนก่อนในเดือนมีนาคม 2018 ซึ่ง#jb
|
|
"เล็กกว่าเม็ดเกลือ" มีทรานซิสเตอร์หนึ่งล้านตัว ต้นทุนการผลิตน้อยกว่า 0.10 ดอลลาร์
|
|
และเมื่อรวมกับเทคโนโลยีบล็อกเชนแล้ว มีไว้สำหรับการขนส่งและ "จุดยึดเข้ารหัสลับ"
|
|
ซึ่งเป็นแอปพลิเคชันลายนิ้วมือดิจิทัล
|
|
|
|
== ประเภท
|
|
|
|
#iii ณ ปี 2008 มีผู้ขายและสถาปัตยกรรมไมโครคอนโทรลเลอร์จำนวนมาก รวมไปถึง:#jb
|
|
|
|
#[
|
|
#set enum(indent: 5.5em)
|
|
1. หน่วยประมวลผล ARM core โดยเฉพาะคอร์ประเภท ARM Cortex-M
|
|
2. Microchip Technology Atmel AVR (8 บิต), AVR32 (32 บิต), และ AT91SAM (32 บิต)
|
|
3. คอร์ M8C ของ Cypress Semiconductor's ที่ถูกใช้ใน Cypress PSoC ของพวกเขา
|
|
4. Freescale ColdFire (32 บิต) และ S08 (8 บิต)
|
|
5. Freescale 68HC11 (8 บิต) และอื่น ๆ ที่มีรากฐานมาจากครอบครัว Motorola 6800
|
|
6. Intel 8051, ซึ่งนอกจาก Intel ก็ถูกผลิตโดย NXP Semiconductors, Infineon, และอื่น ๆ
|
|
หลายรายการ
|
|
7. Infineon: 8 บิต XC800, 16 บิต XE166, 32 บิต XMC4000 (ARM based Cortex M4F), 32
|
|
บิต TriCore, และ 32 บิต Aurix Tricore Bit microcontrollers
|
|
8. Maxim Integrated MAX32600, MAX32620, MAX32625, MAX32630, MAX32650, MAX32640
|
|
9. MIPS
|
|
10. Microchip Technology PIC, (8 บิต PIC16, PIC18, 16 บิต dsPIC33 / PIC24), (32
|
|
บิต PIC32)
|
|
11. NXP Semiconductors LPC1000, LPC2000, LPC3000, LPC4000 (32 บิต), LPC900,
|
|
LPC700 (8 บิต)
|
|
12. Parallax Propeller
|
|
13. PowerPC ISE
|
|
14. Rabbit 2000 (8 บิต)
|
|
15. Renesas Electronics: RL78 16 บิต MCU; RX 32 บิต MCU; SuperH; V850 32 บิต MCU;
|
|
H8; R8C 16 บิต MCU
|
|
16. Silicon Laboratories ไมโครคอนโทรลเลอร์ Pipelined 8 บิต 8051
|
|
และไมโครคอนโทรลเลอร์แบบ ARM-based 32 บิต สัญญาณผสม
|
|
17. STMicroelectronics STM8 (8 บิต), ST10 (16 บิต), STM32 (32 บิต), SPC5
|
|
(automotive 32 บิต)
|
|
18. Texas Instruments TI MSP430 (16 บิต), MSP432 (32 บิต), C2000 (32 บิต)
|
|
19. Toshiba TLCS-870 (8 บิต/16 บิต)
|
|
]
|
|
|
|
#iiii และยังมีอีกมากมาย โดยบางอย่างนั้นถูกใช้ในแอปพลิเคชันที่เจาะจงมาก
|
|
หรือเหมือนกับหน่วยประมวลผลเฉพาะแอปพลิเคชันมากกว่าไมโครคอนโทรลเลอร์
|
|
ตลาดไมโครคอนโทรลเลอร์นั้นกระจัดกระจายเป็นอย่างมาก และมีผู้ขาย เทคโนโลยี และตลาดมากมาย
|
|
และผู้ขายจำนวนมากขายหลายสถาปัตยกรรม
|
|
|
|
== ESP32
|
|
|
|
#iii ESP32 คือกลุ่มไมโครคอนโทรลเลอร์ราคาประหยัดและประหยัดพลังงานที่ผสานรวมความสามารถทั้ง
|
|
Wi-Fi และบลูทูธ ชิปเหล่านี้มีตัวเลือกการประมวลผลที่หลากหลาย รวมถึงไมโครโปรเซสเซอร์ Tensilica
|
|
Xtensa LX6 ที่มีให้เลือกทั้งแบบ dual-core และ single-core, โปรเซสเซอร์#jb Xtensa LX7
|
|
dual-core หรือไมโครโปรเซสเซอร์ RISC-V แบบ single-core นอกจากนี้ ESP32
|
|
ยังรวมส่วนประกอบที่จำเป็นสำหรับการสื่อสารข้อมูลไร้สาย เช่น สวิตช์เสาอากาศในตัว บาลัน RF
|
|
เครื่องขยายกำลัง เครื่องรับสัญญาณรบกวนต่ำ ตัวกรอง และโมดูลการจัดการพลังงาน
|
|
|
|
#afigure(
|
|
image("Microcontroller/ESP32-C3_RISC-V_NodeMCU_board.jpg", width: 2in),
|
|
alt: "บอร์ดสีดำ มีพิน GPIO ด้านข้างและมีชิพอยู่บริเวณด้านบนบอร์ด",
|
|
attr: [Popolon, CC BY-SA 4.0,
|
|
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=112634884],
|
|
caption: [บอร์ด NodeMCU ที่มี ESP32-C3-32S],
|
|
)
|
|
|
|
#v(0.5em)
|
|
|
|
#iii โดยทั่วไปแล้ว ESP32
|
|
จะถูกฝังอยู่บนแผงวงจรพิมพ์เฉพาะอุปกรณ์หรือนำเสนอเป็นส่วนหนึ่งของชุดการพัฒนาที่มีพินและตัวเชื่อมต่อ GPIO
|
|
ที่หลากหลาย โดยมีการกำหนดค่าที่แตกต่างกันไปตามรุ่นและผู้ผลิต ESP32 ได้รับการออกแบบโดย Espressif
|
|
Systems และผลิตโดย TSMC โดยใช้กระบวนการ 40 นาโนเมตร มันเป็นผู้สืบทอดของไมโครคอนโทรลเลอร์
|
|
ESP8266
|
|
|
|
=== Espressif Systems
|
|
|
|
#iiii บริษัท Espressif Systems (Shanghai) จำกัด (เอสเพรสซิฟ)
|
|
เป็นบริษัทเซมิคอนดักเตอร์สัญชาติจีนที่จดทะเบียนในตลาดหลักทรัพย์ มีสำนักงานใหญ่ตั้งอยู่ที่เซี่ยงไฮ้
|
|
บริษัทมุ่งเน้นการพัฒนาและจำหน่ายชิปและโมดูลสื่อสารไมโครคอนโทรลเลอร์ไร้สายที่ใช้ใน Internet of
|
|
things (IoT)
|
|
|
|
#iiii ผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดสองอย่างของ Espressif คือ ESP8266 และ ESP32
|
|
ซึ่งเป็นรุ่นต่อจาก ESP8266 ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ถูกนำไปใช้ในผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น เครื่องชงกาแฟและหลอดไฟ
|
|
รวมถึงผู้ให้บริการโซลูชันเมืองอัจฉริยะและระบบอัตโนมัติ นอกจากนี้ยังถูกใช้โดยผู้ที่ชื่นชอบงาน DIY
|
|
ด้านเทคโนโลยีอีกด้วย
|
|
|
|
== ตารางพาร์ทิชัน (Partition Table)
|
|
|
|
#iii ตารางพาร์ทิชันคือสิ่งที่กำหนดการจัดการรูปแบบหน่วยความจำแฟลชและข้อมูลต่าง ๆ
|
|
จะถูกเก็บไว้ในแต่ละพาร์ทิชัน
|
|
โดยผู้พัฒนาสามารถใช้รูปแบบตารางพาร์ทิชันที่ถูกกำหนดมาไว้แล้วหรือสามารถกำหนดรูปแบบตารางพาร์ทิชันเองก็ได้
|
|
โดยตารางพาร์ทัชันที่ถูกใช้ในโครงงานนี้มีรูปแบบดังนี้
|
|
|
|
#let partition-table = csv("PartitionTable.csv")
|
|
|
|
#figure(
|
|
table(
|
|
columns: 6,
|
|
align: left,
|
|
table.header([Name], [Type], [SubType], [Offset], [Size], [Flags]),
|
|
..partition-table.flatten().slice(6),
|
|
),
|
|
caption: [รายการพาร์ทิชัน],
|
|
)
|
|
|
|
#iii ซึ่งคือตารางค่าเริ่มต้นของ ESP32 ใน Arduino platform
|
|
อย่างไรก็ตามมีการเปลี่ยนแปลงระบบเก็บไฟล์จาก SPIFFS เป็น LittleFS โดยที่
|
|
|
|
=== Name
|
|
|
|
#iiii Name คือ ชื่อของพาร์ทิชัน ห้ามซ้ำกัน ชื่อนั้นไม่สำคัญต่อระบบและต้องขนาดไม่เกิน 16 ตัวอักษร
|
|
(ไม่มีอักขระพิเศษ)
|
|
|
|
=== Type
|
|
|
|
#iiii Type คือ ประเภทของพาร์ทิชัน สามารถเป็น data หรือ app ได้
|
|
|
|
#[
|
|
#set enum(indent: 9.25em)
|
|
+ app คือพาร์ทิชันที่ใช้ในการเก็บแอปพลิเคชัน
|
|
+ data คือพาร์ทิชันที่ใช้ในการเก็บข้อมูลทั่วไป
|
|
]
|
|
|
|
=== SubType
|
|
|
|
#iiii SubType คือ ประเภทย่อย ระบุการใช้งานของพาร์ทิชัน data และ app
|
|
|
|
#[
|
|
#set enum(indent: 9.25em)
|
|
1. data
|
|
#listy(
|
|
indent: 10.75em,
|
|
numbering: thai-numbering,
|
|
[ota คือ พาร์ทัชันเก็บข้อมูล OTA (สำหรับการอัพเดททางอากาศ, Over-the-air update)
|
|
โดยหากไม่ใช้งาน OTA สามารถนำออกได้ โดยขนาดของพาร์ทิชันนี้ควรจะมีขนาดที่แน่นอนอยู่ที่ 8 KiB
|
|
(0x2000 ไบต์)],
|
|
[nvs คือ 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 คือ ประเภทพาร์ทิชันย่อยนี้มีหน้าที่ในการเก็บข้อมูล core dump บนหน่วยความจำแฟลช
|
|
โดย core dump
|
|
นั้นคือข้อมูลที่ถูกใช้งานสำหรับการตรวจสอบข้อผิด-พลาดร้ายแรงเช่นการแครชและแพนิค
|
|
โดยฟังก์ชันนี้จะต้องถูกเปิดในการตั้งค่าโปรเจกต์และตั้งที่หมายในการแฟลช
|
|
และพาร์ทิชันนี้มีขนาดที่แนะนำอยู่ที่ 64 KiB (0x10000)],
|
|
[nvs_keys คือ พาร์ทิชันที่เป็นประเภทย่อยนี้เก็บคีย์การเข้ารหัสของพาร์ทัชัน NVS
|
|
เมื่อการเข้ารหัสถูกใช้งาน โดยมีขนาดอยู่ที่ 4 KiB (0x1000)],
|
|
[fat คือ กำหนดพาร์ทิชันสำหรับระบบไฟล์ FAT โดยที่จะเหมาะสมสำหรับข้อมูลใหญ่ ๆ
|
|
และหากข้อมูลนั้นถูกเปลี่ยนแปลงบ่อย โดยระบบไฟล์ FAT สามารถใช้ฟีเจอร์ wear leveling
|
|
และการเข้ารหัสได้],
|
|
[spiffs คือ กำหนดพาร์ทิชันสำหรับระบบไฟล์ SPIFFS เหมาะสำหรับไฟล์ใหญ่เช่นกันและรองรับ wear
|
|
leveling อย่างไรก็ตาม ระบบไฟล์นี้ไม่รองรับการเข้ารหัส],
|
|
)
|
|
2. app
|
|
#listy(
|
|
indent: 10.75em,
|
|
numbering: thai-numbering,
|
|
[factory คือ พาร์ทิชันเก็บแอปพลิเคชันเริ่มต้น
|
|
โปรแกรมบูตโหลดเดอร์จะเลือกพาร์ทิชันนี้เป็นแอปพลิเคชันเริ่มต้นหากไม่มีพาร์ทิชัน OTA หรือพาร์ทิชัน
|
|
OTA นั้นว่างเปล่า หากมีการใช้พาร์ทิชัน OTA พาร์ทิชัน ota_0
|
|
สามารถถูกใช้เป็นแอปพลิเคชันเริ่มต้นได้และพาร์ทิชัน factory สามารถถูกนำออกได้],
|
|
[ota_0 ถึง ota_15 คือ 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 คือ ใช้สำหรับการทดสอบในโรงงาน],
|
|
)
|
|
]
|
|
|
|
=== Offset
|
|
|
|
#iiii Offset คือ กำหนดพื้นที่ที่พาร์ทิชันนั้น ๆ เริ่มต้น โดย Offset นั้นถูกกำหนดโดยการรวมค่า Offset
|
|
และขนาดของพาร์ทิชันก่อนหน้า 0 อย่างไรก็ตาม Offset จะต้องเป็นทวีคูณของ 4 KiB (0x1000)
|
|
และพาร์ทิชันแอพจะต้องจัดตำแหน่งให้มีขนาด 64 KiB (0x10000) โดยหากปล่อยให้ว่าง ค่า Offset
|
|
จะถูกคำนวนโดยอัตโนมัติตามตำแหน่งท้ายของพาร์ทิชันก่อนหน้า รวมถึงการจัดตำแหน่งใด ๆ ที่จำเป็น
|
|
อย่างไรก็ตาม Offset ของพาร์ทิชันแรกนั้นจะต้องเป็น 0x9000 และ 0x10000
|
|
สำหรับพาร์ทิชันแอปพลิเคชันแรก
|
|
|
|
=== Size
|
|
|
|
#iiii Size คือ ขนาดของพาร์ทิชัน โดยค่านี้สามารถเป็นเลขทศนิยม, ตัวเลข Hex (นำหน้าด้วย 0x),
|
|
หรือใช้ตัวอักษรต่อท้ายเพื่อบ่งบอกหน่วย K (กิโล) หรือ M (เมกา) เช่น 4096 = 4K = 0x1000
|
|
|
|
=== Flags
|
|
|
|
#iiii Flags คือ ในปัจจุบันคอลัมน์นี้ใช้เพียงแค่เพื่อบ่งบอกว่าพาร์ทิชันนั้น ๆ ถูกเข้ารหัสหรือไม่
|
|
|
|
|
|
== littlefs
|
|
#iii littlefs คือระบบไฟล์ขนาดเล็กที่ปลอดภัยต่อความล้มเหลวที่ออกแบบมาสำหรับ#jb
|
|
ไมโครคอนโทรลเลอร์
|
|
|
|
#iii ความยืดหยุ่นในการป้องกันการสูญเสียพลังงาน littlefs ออกแบบมาเพื่อรับมือกับปัญหาไฟฟ้าดับแบบสุ่ม
|
|
การดำเนินการไฟล์ทั้งหมดมีการรับประกันการคัดลอกข้อมูลเมื่อเขียนข้อมูล (copy-on-write) ที่แข็งแกร่ง
|
|
และหากไฟฟ้าดับ ระบบไฟล์จะกลับสู่สถานะปกติล่าสุดที่ทราบ
|
|
|
|
#iii การปรับระดับการสึกหรอแบบไดนามิก littlefs ออกแบบมาเพื่อแฟลชโดยเฉพาะ
|
|
และมอบการปรับระดับการสึกหรอบนบล็อกแบบไดนามิก นอกจากนี้ littlefs
|
|
ยังสามารถตรวจจับบล็อกเสียและแก้ไขปัญหาได้
|
|
|
|
#iii RAM/ROM แบบมีขอบเขต littlefs ออกแบบมาเพื่อทำงานกับหน่วยความจำขนาดเล็ก#jb การใช้งาน
|
|
RAM ถูกจำกัดอย่างเข้มงวด ซึ่งหมายความว่าการใช้ RAM จะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อระบบไฟล์เติบโตขึ้น
|
|
ระบบไฟล์ไม่มีการเรียกซ้ำแบบไม่มีขอบเขต
|
|
และหน่วยความจำแบบไดนามิกถูกจำกัดให้อยู่ในบัฟเฟอร์ที่กำหนดค่าได้ซึ่งสามารถจัดเตรียมแบบคงที่ได้
|
|
|
|
== ออกแบบ
|
|
|
|
#iii ในระดับสูง littlefs
|
|
เป็นระบบไฟล์แบบบล็อกที่ใช้ไฟล์บันทึกขนาดเล็กในการจัดเก็บข้อมูลเมตาและโครงสร้าง copy-on-write
|
|
(COW) ขนาดใหญ่ในการจัดเก็บข้อมูลไฟล์
|
|
|
|
#iii ใน littlefs ส่วนผสมเหล่านี้ก่อตัวเป็นเค้กสองชั้น โดยที่ท่อนไม้ขนาดเล็ก
|
|
(เรียกว่าคู่เมตาเดตา)#jb จะให้การอัปเดตเมตาเดตาอย่างรวดเร็วในทุกที่ในที่เก็บข้อมูล
|
|
ในขณะที่โครงสร้าง COW จะจัดเก็บข้อมูลไฟล์อย่างกะทัดรัดและไม่มีค่าใช้จ่ายในการขยายการสึกหรอใด ๆ
|
|
|
|
#iii โครงสร้างข้อมูลทั้งสองนี้สร้างขึ้นจากบล็อก ซึ่งถูกป้อนโดยตัวจัดสรรบล็อกร่วม
|
|
โดยการจำกัดจำนวนการลบข้อมูลที่อนุญาตบนบล็อกต่อการจัดสรรแต่ละครั้ง ตัวจัดสรรจะปรับระดับการ#jb
|
|
สึกหรอแบบไดนามิกทั่วทั้งระบบไฟล์
|
|
|
|
#show raw: set par(leading: 0.35em)
|
|
#show raw: set text(size: 6pt)
|
|
|
|
#afigure(
|
|
```
|
|
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 |
|
|
| | | | | |
|
|
| | | | | |
|
|
'--------' '--------' '--------'
|
|
```,
|
|
kind: image,
|
|
attr: [เจ้าของ LittleFS (ภายใต้สัญญาอนุญาต BSD-3-Clause)],
|
|
supplement: "รูปที่",
|
|
caption: [แสดงการทำงานเบื้องต้นของ LittleFS],
|
|
)
|