माइक्रोकंट्रोलर्स (पुराना सुंदर नाम सिंगल-क्रिस्टल माइक्रो-कंप्यूटर है) वर्तमान में अविश्वसनीय रूप से कई एप्लिकेशन हैं। औद्योगिक स्वचालन से घरेलू उपकरणों तक, परमाणु स्टेशनों के प्रबंधन से लेकर बच्चों के खिलौनों तक, गुप्त सैन्य प्रणालियों से लेकर आपके रेडियो में चैनल स्विच करने तक। एक शब्द में, यह सूचीबद्ध करना आसान है जहां वे लागू नहीं होते हैं।

माइक्रोकंट्रोलर्स के आविष्कार और आगे के विकास ने डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स में क्रांति ला दी है। न केवल सर्किटरी और तत्व आधार बदल गया है, बल्कि निर्माण प्रणालियों के सिद्धांत भी हैं। विकास चक्र में महत्वपूर्ण परिवर्तन हुए हैं। उपकरणों की पूरी कक्षाएं दिखाई दीं, जिनका अस्तित्व बिना नियंत्रकों के असंभव था।

लेकिन किसी भी तकनीक, लेकिन यह अच्छा हो सकता है, हमेशा एक नकारात्मक पहलू है। इनमें वे कठिनाइयाँ शामिल हैं जो पहली नज़र में अपरिहार्य हैं; नए दृष्टिकोण से उत्पन्न समस्याएं; सीमाओं के साथ माना जाता है। नए अवसर जो प्रौद्योगिकी प्रदान करते हैं, सबसे अप्रत्याशित अनुप्रयोगों को पा सकते हैं, और हमेशा लाभ के उद्देश्य से नहीं।

इस लेख का उद्देश्य माइक्रोकंट्रोलर्स के व्यापक उपयोग के सकारात्मक और नकारात्मक दोनों पहलुओं का अवलोकन प्रदान करना है।

उज्जवल पक्ष

सरलीकरण का सरलीकरण

यदि हम सख्त तर्क और नियंत्रकों के साथ उपकरणों के सर्किट्री की तुलना करते हैं, तो बाद वाला बहुत सरल है। विकास के दौरान, केवल यह निर्धारित करना आवश्यक है कि उपकरण किस कार्यात्मक ब्लॉक को समाहित करता है, जो उन्हें संयोजित करने के लिए इंटरफेस करता है, और किस तत्व को चुनना है। व्यक्तिगत भागों से भविष्य के उपकरण का आरेख तैयार करने के बजाय, ब्लॉक डिज़ाइन अब लागू किया गया है। माइक्रोकंट्रोलर आपको एक चिप या कई पर एक पूरी यूनिट बनाने की अनुमति देता है।

सभी कार्य एल्गोरिदम का कार्यान्वयन अब नियंत्रक कार्यक्रम का कार्य है, और एक प्रोग्राम लिखना एक डिजिटल सर्किट को संश्लेषित करने की तुलना में बहुत कम समय लेने वाला है। कार्यों की बढ़ती जटिलता के साथ, यह लाभ अधिक से अधिक स्पष्ट हो जाता है। प्रोग्राम कोड का बढ़ता आकार इसकी संरचित प्रकृति, साथ ही साथ अमूर्तता के अतिरिक्त स्तरों की शुरूआत से ऑफसेट है। एंबेडेड ओएस और मानक पुस्तकालयों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, जो हार्डवेयर और कोड के साथ काम करने वाले कोड को अलग करना संभव बनाता है जो व्यवहार और एल्गोरिदम को परिभाषित करता है।

एकीकरण

सॉफ्टवेयर और हार्डवेयर का पृथक्करण तत्व आधार को एकजुट करने की अनुमति देता है। एक ही नियंत्रक का उपयोग कई अलग-अलग डिवाइस बनाने के लिए किया जा सकता है। एकीकरण से उत्पादन लागत कम होती है। तर्क सर्किट की सैकड़ों किस्मों (और हजारों विशिष्ट) के बजाय कई दर्जन प्रकार के नियंत्रकों का उत्पादन करना आर्थिक रूप से संभव है।

विभिन्न कार्यक्षमता वाले कई उपकरणों में एक ही सर्किट हो सकता है, लेकिन केवल कार्यक्रम में भिन्न होता है। सबसे महत्वपूर्ण उदाहरण औद्योगिक PLC (प्रोग्रामेबल लॉजिक कंट्रोलर) हैं। उन्हें मानक मॉड्यूल से इकट्ठा किया जाता है: इनपुट डिवाइस, आउटपुट डिवाइस, कंप्यूटिंग और इंटरफ़ेस मॉड्यूल। सॉफ्टवेयर भाग एक दूसरे के साथ मॉड्यूल की बातचीत और पूरे सिस्टम के एल्गोरिदम के लिए जिम्मेदार है। इस प्रकार, इमारत ब्लॉकों के एक छोटे से सेट से, आप किसी भी आवश्यक प्रणाली का निर्माण कर सकते हैं।

बदलाव करने में आसान

कठोर तर्क पर योजना के संचालन के एल्गोरिथ्म को बदलने के लिए, इसके तत्वों को एक अलग क्रम में जोड़ना आवश्यक है, उनमें से कुछ को हटा दें या नए जोड़ें। अक्सर यह केवल प्रोटोटाइप की प्रक्रिया में किया जा सकता है, और जब डिवाइस तैयार हो जाता है, तो बदलाव करने का एकमात्र तरीका एक नया संस्करण जारी करना है।

इस संबंध में माइक्रोकंट्रोलर बहुत अधिक लचीलापन प्रदान करता है। डिवाइस के एल्गोरिथ्म में परिवर्तन करने के लिए, बस नया फर्मवेयर डाउनलोड करें। अधिकांश आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स एक सेवा केंद्र में चमकती समर्थन करते हैं, और अक्सर उपयोगकर्ता द्वारा भी। आजकल, आप अपने फोन, प्रिंटर, या कैमरा के सॉफ्टवेयर को आसानी से अपडेट कर सकते हैं। निकट भविष्य में, आप वॉशिंग मशीन या कॉफी मेकर के साथ भी ऐसा ही कह सकते हैं। जैसे-जैसे अधिक डिवाइस नेटवर्क तक पहुंच प्राप्त करते हैं, कंप्यूटर प्रोग्राम के लिए आज के समान ऑटो-अपडेट तंत्र के प्रसार की उम्मीद करना तर्कसंगत है।

अंधेरा पक्ष

यदि माइक्रोकंट्रोलर्स के व्यापक उपयोग के सकारात्मक पहलू स्पष्ट हैं और विस्तृत विचार की आवश्यकता नहीं है, तो इससे जुड़ी समस्याएं पहली नज़र में गहरी और अदृश्य छिपी हुई हैं।

विश्वसनीयता में कमी

विश्वसनीयता सिद्धांत में कई अलग-अलग पहलू शामिल हैं, लेकिन "रोजमर्रा की" भावना में, जब प्रौद्योगिकी की विश्वसनीयता के बारे में बात की जाती है, तो उनका मतलब आमतौर पर विफलताओं और खराबी के लिए प्रतिरोध होता है। विफलता एक घातक खराबी है, उदाहरण के लिए, एक उड़ा हुआ बल्ब। विफलता एक उल्लंघन है जिसे अपने दम पर या न्यूनतम ऑपरेटर जोखिम के साथ हल किया जाता है। एक पुराना टीवी जिसे मुट्ठी से मरम्मत किया जा रहा है, यह एक खराबी प्रणाली का एक उदाहरण है।

सिस्टम में जितने बड़े तत्व होते हैं, उनमें से किसी की भी विफलता की संभावना अधिक होती है। इस संबंध में, नियंत्रक के एकीकृत सर्किट, जिसमें लाखों ट्रांजिस्टर होते हैं, पहली नज़र में कठिन तर्क से हार जाते हैं, जहां प्रति चिप केवल कुछ सौ ट्रांजिस्टर होते हैं। हालांकि, आज माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में विश्वसनीयता का स्तर काफी अधिक है। सभी संदिग्ध क्रिस्टल उत्पादन स्तर पर खारिज कर दिए गए थे। कमजोर क्षेत्र मुद्रित सर्किट बोर्ड, इंटरकनेक्टिंग माइक्रोचिप्स और निष्क्रिय तत्व हैं। इस प्रकार, आंतरिक कारणों से उत्पन्न विफलता दर में, माइक्रोकंट्रोलर सर्किट भी जीत जाते हैं।

वे विफलता सहिष्णुता में खो देते हैं। विफलताएं, एक नियम के रूप में, बाहरी प्रभावों के कारण होती हैं: तापमान, विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप, विकिरण। नियंत्रक विशेष रूप से विद्युत चुम्बकीय प्रभावों के प्रति संवेदनशील हैं, जो जमा देता है और सहज रीबूट होता है। माइक्रोकंट्रोलर सर्किट की शोर प्रतिरक्षा को सुनिश्चित करने के लिए, विशेष उपायों की आवश्यकता होती है: पावर बसों का पृथक्करण, वॉचडॉग टाइमर, बोर्ड पर अतिरिक्त धातुकरण परतें, आदि। विवरण देखें [1] में ।

अक्सर एक बुरी तरह से डिबग्ड फर्मवेयर विफलताओं का एक स्रोत बन जाता है। या अविश्वसनीय काम का कारण सॉफ्टवेयर और हार्डवेयर के जंक्शन पर है। उदाहरण के लिए, एक ही फ्लैश मेमोरी में कई बार जल्दी या बाद में लिखने से सेल के संसाधन की थकावट हो जाती है, और डेटा दूषित होने लगता है। माइक्रोकंट्रोलर अधिकांश कार्यों के लिए आवश्यक विश्वसनीयता का स्तर प्रदान कर सकता है, लेकिन केवल डिजाइन के लिए एक सक्षम दृष्टिकोण के साथ। वैसे, यह अलग से ध्यान देने योग्य है।

विकास में आसानी

इलेक्ट्रॉनिक्स विकसित करने से पहले, ज्ञान की एक महत्वपूर्ण राशि जमा होनी चाहिए। डिजिटल उपकरणों का सर्किट्री एक बड़ा अस्थिर संस्थान है। साथ ही, इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग, एनालॉग सर्किटरी की मूल बातें और असतत गणित को जानना वांछनीय है। संक्षेप में, इलेक्ट्रॉनिक सर्किट के विकास के लिए प्रवेश सीमा काफी अधिक है।

प्रोग्रामिंग के लिए प्रवेश सीमा बहुत कम है। आप किसी भी शाम को किसी भी भाषा की मूल बातें सीख सकते हैं और हैलो वर्ल्ड लिखना सीख सकते हैं। यह स्पष्ट है कि "प्रोग्रामर" और "अच्छे प्रोग्रामर" के बीच एक बड़ा अंतर है, लेकिन जिस सहजता से आप लिखना शुरू कर सकते हैं वह मनोरम है।

इसी तरह, नियंत्रकों पर विकासशील उपकरणों के लिए प्रवेश सीमा कम है। अब यह उत्कृष्ट Arduino जैसी किटों से भरा है, उनके लिए परिधीय मॉड्यूल का एक विशाल चयन, यह उस शाम को आईडीई (विकास पर्यावरण) के विकास पर खर्च करने के लिए रहता है - और आप अपनी पहली परियोजना शुरू कर सकते हैं।

तो एक अच्छा एम्बेडेड प्रोग्रामर एक तुलनात्मक दुर्लभता क्यों है? तथ्य यह है कि सीधे लेखन कोड के अलावा, उसे अपनी वास्तुकला की सभी विशेषताओं को जानना चाहिए। उसे यह कल्पना करने की आवश्यकता है कि सिग्नल कोडिंग को समझने के लिए डिजिटल डिवाइस कैसे काम करते हैं, यह जानने के लिए कि डिवाइस किसी भी गैर-मानक परिस्थितियों में कैसे व्यवहार करेगा। कंट्रोलर के साथ काम करने वाला प्रोग्रामर एक एप्लीकेशन प्रोग्रामर की तुलना में हार्डवेयर के ज्यादा करीब होता है। तदनुसार, वह इस लोहे के संचालन के सिद्धांतों के ज्ञान के बिना नहीं कर सकता।

यह पता चला है कि नियंत्रकों के लिए विकास में आसानी महज एक भ्रम है। "बड़े" कंप्यूटरों की तुलना में एक माइक्रोकंट्रोलर प्रोग्रामर त्रुटियों के लिए बहुत अधिक संवेदनशील है। सीमित मात्रा में मेमोरी, गति के लिए आवश्यकताएं "चरणों द्वारा" और "फुलप्रूफ" की लगभग पूर्ण अनुपस्थिति में अत्यधिक कुशल डेवलपर्स की आवश्यकता होती है।

कार्यात्मक भीड़ और असुविधाजनक इंटरफेस

- सही इंटरफ़ेस कैसा दिखता है? एक बटन जो कहता है "मुझे अच्छा करो।"
- नहीं, कोई बटन नहीं, सिर्फ शिलालेख "आप पहले से ही ठीक हैं।"

कुछ सच्चाई के साथ एक मजाक।

किसी विशेष समस्या को हल करने के लिए, माइक्रोकंट्रोलर को हमेशा मापदंडों के मार्जिन के साथ चुना जाता है। तदनुसार, नियंत्रक के संसाधनों का हिस्सा (कभी-कभी 90% तक) मुक्त रहता है। यह इस तथ्य की ओर जाता है कि आप फर्मवेयर कोड में कई दर्जन लाइनों को जोड़कर कई अतिरिक्त कार्यों को लगभग "स्वतंत्र" जोड़ सकते हैं। और इस अवसर का अक्सर दुरुपयोग किया जाता है। एक परिणाम के सिद्धांत का उल्लंघन करता है के रूप में KISS , प्रणाली की सादगी डिजाइन में एक प्रमुख प्राथमिकता की घोषणा की। यह डिवाइस को चालू करता है, जिनमें से अधिकांश क्षमताओं का उपयोग कभी नहीं किया जाता है, और उनमें से लगभग आधे उपयोगकर्ता को भी नहीं पता है।

अनावश्यक विशेषताओं का होना हिमखंड का सिरा है। ऐसा लगता है कि इसका उपयोग नहीं किया गया है - और ठीक है, यह किसी दिन काम आ सकता है ... लेकिन कार्यात्मक जटिलता उपयोगकर्ता इंटरफेस की जटिलता की ओर ले जाती है। दो संभावित तरीके हैं। आप इनपुट-आउटपुट तत्वों के एक सीमित सेट में सभी कार्यों के नियंत्रण को "निचोड़ने" की कोशिश कर सकते हैं। तो एन-ग्यारह स्तर के साथ मेनू हैं, या दर्जनों वैकल्पिक क्रियाओं के साथ बटन। इस दिशा में गोधूलि इंजीनियरिंग प्रतिभा के एक उदाहरण के रूप में, कोई व्यक्ति टेलीफोन-कॉलर आईडी "रुस" कह सकता है। जिसके पास भी यह इकाई थी वह जानता है कि इसका सेटअप मशीन कोड में प्रोग्रामिंग के समान है।

दूसरा तरीका इंटरफ़ेस को एक बड़ी रंग स्क्रीन (अधिमानतः एक टच स्क्रीन) लगाकर या प्रत्येक फ़ंक्शन के लिए अपना स्वयं का बटन जोड़कर इंटरफ़ेस को उपयोगकर्ता के अनुकूल बनाना है। यह विकल्प पहले से बेहतर है, लेकिन आयाम बढ़ रहे हैं, बैटरी का जीवन कम हो गया है, डिवाइस की विश्वसनीयता कम हो गई है। और कीमत के बारे में मत भूलना। भले ही उत्पादन लागत थोड़ी बढ़ जाए, लेकिन 5,000,000 रंगों के साथ "सुपर-डुपर स्क्रीन" की उपस्थिति आपको किसी भी पछतावा के बिना डिवाइस की अंतिम लागत का 250% ... 50% तक हवा देने की अनुमति देती है।

अनैच्छिक कार्य

एक बड़े शॉपिंग मॉल में, बिना किसी कारण के लिए, धूम्रपान निकास ट्रांज़िशन (बड़ी इलेक्ट्रिक खिड़कियां) खुली और नियंत्रण रिले में खराबी जारी करती हैं। रात में उन्होंने बारिश का वादा किया; इसे ठीक न करें - यह परिसर के आधे हिस्से को बाढ़ देगा।
मैं उस कंपनी के एक विशेषज्ञ को बुला रहा हूं जिसने इस रिले को प्रोग्राम किया है। वह शहर में अकेला है, एक संक्रमण है, वह बेचता है और सब कुछ डालता है। एक समस्या का वर्णन; उसने उत्तर दिया, वे कहते हैं, सब कुछ स्पष्ट है, अब मैं आऊंगा और करूंगा।
एक आश्वस्त चाल के साथ आता है, रिले में जाता है, इससे चार्ज हटाता है, एडॉप्टर में चुटकी लेता है। किसी तरह का संपादक खुलता है - सब कुछ हेक्साडेसिमल कोड में है, समझने के लिए कोई बहुत बड़ी बात नहीं। मुझे क्या लगता है, क्या वह करेगा? मैं निचले दाएं कोने में माउस के एक यादृच्छिक आंदोलन का निरीक्षण करता हूं - मैंने इसे इंगित किया, कनालिया ने तारीख को देखा, कनवर्टर को खोला, कुछ नंबरों को हेक्स में अनुवादित किया, उन्हें कोड में खोजा और उन्हें दूसरों के साथ बदल दिया। "क्या," मैं पूछता हूं, "टाइमर काम करता है?"

IThappens.ru

कठोर तर्क पर डिवाइस की योजना का विश्लेषण करने के बाद, आप इसके संचालन के पूरे एल्गोरिथ्म को पुनर्स्थापित कर सकते हैं। एक माइक्रोकंट्रोलर डिवाइस के साथ ऐसा करना बहुत अधिक कठिन है। सबसे पहले, आपको फ़र्मवेयर को हटाने की आवश्यकता है, जो हमेशा संभव नहीं है, आधुनिक नियंत्रकों के पास अच्छी सुरक्षा है। परिणामी फ़ाइल को तब डिसेबल्ड, डीओफ़सकेटेड और केवल तब विश्लेषण किया जाना चाहिए।

क्या संभावना है कि मुख्य कार्यों के अलावा, फर्मवेयर में कोई अतिरिक्त विशेषताएं नहीं हैं? यह निर्माता को आंकड़े भेज सकता है, जानबूझकर की गई गलती, डेटा अवरोधन मॉड्यूल, पिछले दरवाजे - कुछ भी। इसके अलावा, विकास के दौरान "बुकमार्क" जोड़ना आवश्यक नहीं है, आप किसी भी मौजूदा डिवाइस के फर्मवेयर में बदलाव कर सकते हैं। एक उदाहरण है स्टक्सनेट वर्म, जिसने अपने कोड को परमाणु संवर्धन संयंत्रों [2] के पीएलसी में पेश किया। यदि आप यूरेनियम को समृद्ध नहीं करते हैं, तो इसका मतलब यह नहीं है कि आप खतरे में नहीं हैं। पहले से ही प्रिंटर [3] और राउटर [4] पर हमला तंत्र विकसित किया है जो एक फर्मवेयर परिवर्तन का उपयोग करते हैं। उस आसानी को देखते हुए जिसके साथ अधिकांश डिवाइस फ्लैश किए जाते हैं, निकट भविष्य में हमें नए "सॉफ़्टवेयर और हार्डवेयर" वायरस और हमलों की किस्मों के उद्भव की उम्मीद करनी चाहिए।

क्या आपको यकीन है कि अभी आपका माइक्रोवेव आपको नहीं देख रहा है? :)

निष्कर्ष

इस लेख के पढ़ने के दौरान, विशेष रूप से दूसरा भाग, ऐसा लग सकता है कि मैं नियंत्रकों के व्यापक उपयोग को छोड़ने का आग्रह करता हूं। यह मामला नहीं है। सबसे पहले, तकनीकी प्रगति को उलट नहीं किया जा सकता है। दूसरे, कई कार्यों के लिए, नियंत्रक एकमात्र विकल्प है, और उन्हें बदलने के लिए कुछ भी नहीं है। और अंत में, तीसरे, किसी भी तरह से वर्णित नकारात्मक पहलुओं ने माइक्रोकंट्रोलर के लाभों को पछाड़ दिया।

मुख्य निष्कर्ष जो मैं आकर्षित करना चाहूंगा - और यह किसी भी तकनीक के लिए उपयुक्त है - कुशलता से उन लाभों का उपयोग करना है जो यह तकनीक प्रदान करती है, लेकिन उनके फ्लिप पक्ष के बारे में नहीं भूलना। आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, और बल आपके साथ हो सकता है!

साहित्य

[१] - जी। गोर्युनोव "कुछ माइक्रोकंट्रोलर दूसरों की तुलना में अधिक विश्वसनीय क्यों हैं।"
[२] - "कैसे सिमेंटेक हैक किए गए स्टक्सनेट।" Habrahabr।
[३] - "लाखों एचपी लेजरजेट प्रिंटर असुरक्षित हैं।" हैकर।
[४] - "राउटर में ट्रोजन: घर पर डी-लिंक ५०० टी संक्रमण।" हैकर नंबर 7/10