A Study of GPIO Expansion Through Multiplexers and Shift Registers

स्मार्ट थर्मोस्टेट से लेकर औद्योगिक सेंसर तक सब कुछ चलाने वाले छोटे कंप्यूटरों की दुनिया में, एक निरंतर बाधा बनी रहती है: कनेक्शन पॉइंट्स (जुड़ाव बिंदुओं) की कमी। ये उपकरण, जिन्हें माइक्रोकंट्रोलर कहा जाता है, आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स का मस्तिष्क हैं, लेकिन इनके साथ भौतिक पोर्ट या पिनों की एक निश्चित संख्या आती है, जो उन्हें बाहरी दुनिया से बात करने की अनुमति देती है। जब एक इंजीनियर एक ही चिप से दर्जनों लाइटों, कुछ तापमान सेंसरों और कुछ बटनों को जोड़ना चाहता है, तो अक्सर उसके पास उन्हें प्लग करने के लिए जगह खत्म हो जाती है। मानक समाधान बस अधिक पोर्ट वाला एक अधिक महंगा चिप खरीदना है, लेकिन इससे लागत और जटिलता बढ़ जाती है। एक अधिक सुरुचिपूर्ण दृष्टिकोण में सरल, सस्ते सहायक चिप्स का उपयोग करना शामिल है जो ट्रैफिक निर्देशकों के रूप में कार्य करते हैं, जिससे कई उपकरण एक ही कनेक्शन को साझा कर सकते हैं। ऐसे दो सहायक एनालॉग मल्टीप्लेक्सर (analog multiplexer) और शिफ्ट रजिस्टर (shift register) हैं; मल्टीप्लेक्सर एक स्विचबोर्ड ऑपरेटर की तरह कार्य करता है जो विभिन्न इनपुट लाइनों को एक एकल रिसीवर तक भेजता है, जबकि शिफ्ट रजिस्टर एक कन्वेयर बेल्ट की तरह कार्य करता है, जो डेटा को एक-एक करके लेता है और कई आउटपुट को नियंत्रित करने के लिए उसे एक साथ छोड़ देता है। चुनौती हमेशा यह रही है कि ये सहायक वास्तव में कितनी बचत करते हैं, वे कितनी तेजी से काम करते हैं, और क्या सिस्टम बड़ा होने पर वे बहुत अधिक बिजली की खपत करते हैं।

स्वतंत्र शोधकर्ता चंद्रमौली हलदार द्वारा किए गए एक हालिया अध्ययन ने इन ट्रेड-ऑफ्स (समझौतों) को सटीकता के साथ मापने के लिए एक प्रयास किया, जो केवल सिद्धांत से आगे बढ़कर यह देखने के लिए था कि ये घटक वास्तविक दुनिया की स्थितियों में कैसा प्रदर्शन करते हैं। शोध ने दो विशिष्ट सहायक चिप्स पर ध्यान केंद्रित किया: 74HC4051, जो इनपुट संकेतों को प्रबंधित करता है, और 74HC595, जो आउटपुट संकेतों को प्रबंधित करता है। शोधकर्ता ने इन घटकों का परीक्षण दो सामान्य प्रकार के माइक्रोकंट्रोलर बोर्डों का उपयोग करके किया, जो क्रमशः अरुडिनो यूनो (Arduino Uno) और ESP32 हैं, जिनका उपयोग शौकिया तौर पर और पेशेवरों द्वारा व्यापक रूप से किया जाता है। लक्ष्य यह निर्धारित करना था कि क्या ये सरल, कम लागत वाले भाग एक छोटे कंप्यूटर को धीमा किए बिना या बहुत अधिक ऊर्जा खर्च किए बिना उसकी क्षमताओं का विस्तार कर सकते हैं। इस अध्ययन ने नई तकनीक का आविष्कार नहीं किया, बल्कि इसके बजाय इस बात का गहन, तुलनात्मक विश्लेषण प्रदान किया कि ये स्थापित उपकरण सीमाओं तक पहुँचने पर कैसा प्रदर्शन करते हैं, जो उन लोगों के लिए एक स्पष्ट मार्गदर्शिका प्रदान करता है जो सीमित संसाधनों के साथ जटिल प्रणालियाँ बनाने की कोशिश कर रहे हैं।

प्रयोगों से पता चला कि ये सहायक चिप्स माइक्रोकंट्रोलर की क्षमताओं को बढ़ाने में उल्लेखनीय रूप से कुशल हैं। जब शोधकर्ता आठ एनालॉग सेंसर को सीधे कंप्यूटर से जोड़ता है, तो इसके लिए आठ अलग-अलग पिनों की आवश्यकता होती है। केवल एक 74HC4051 मल्टीप्लेक्सर का उपयोग करके, वही आठ सेंसर केवल चार पिनों का उपयोग करके पढ़े जा सकते हैं, जो हार्डवेयर की आवश्यकता को प्रभावी रूप से आधा कर देता है। डिजिटल आउटपुट के लिए परिणाम और भी प्रभावशाली थे, जैसे लाइटों या स्विचों को नियंत्रित करना। एक एकल 74HC595 शिफ्ट रजिस्टर केवल तीन पिनों का उपयोग करके आठ उपकरणों को नियंत्रित कर सकता है। जब शोधकर्ता ने इन चिप्स के चार को एक श्रृंखला में जोड़ा, तो वे उन्हीं तीन पिनों का उपयोग करके बत्तीस उपकरणों को नियंत्रित कर सके। आठ चिप्स को एक श्रृंखला में जोड़ने पर, सिस्टम बिना किसी अतिरिक्त कनेक्शन बिंदु के साठ-चार आउटपुट को प्रबंधित कर सकता था। इसने प्रदर्शित किया कि पिनों की एक छोटी, निश्चित संख्या बड़ी संख्या में उपकरणों को नियंत्रित कर सकती है, बशर्ते सिस्टम डेटा को एक साथ करने के बजाय क्रमिक रूप से प्रबंधित करने के लिए तैयार हो।

हालाँकि, इस विस्तार के साथ गति का एक मूल्य आता है, और अध्ययन ने सटीक रूप से मापा कि सिस्टम कितना धीमा हो जाता है। शोधकर्ता ने पाया कि इन चिप्स को नियंत्रित करने के लिए मानक सॉफ्टवेयर कमांड का उपयोग करना, सीधे कंप्यूटर के आंतरिक हार्डवेयर से बात करने वाले निम्न-स्तरीय (low-level) कमांड की तुलना में काफी धीमा था। अरुडिनो यूनो पर, एक सिंगल पिन को टॉगल करने के लिए एक मानक कमांड में लगभग 7.28 माइक्रोसेकंड का समय लगा, जबकि एक प्रत्यक्ष हार्डवेयर कमांड ने उस समय को घटाकर केवल 0.125 माइक्रोसेकंड कर दिया, जिससे ऑपरेशन लगभग साठ गुना तेज हो गया। यह अंतर बड़े समूहों की लाइटों को अपडेट करने के लिए और भी महत्वपूर्ण हो गया। बत्तीस आउटपुट को अपडेट करने के लिए मानक सॉफ्टवेयर को 1.7 मिलीसेकंड से अधिक समय लगा, जबकि प्रत्यक्ष विधि ने उसी कार्य को केवल 30 माइक्रोसेकंड में पूरा कर लिया। ESP32 बोर्ड, जो स्वभाव से तेज़ है, ने समान सुधार दिखाए, हालांकि मानक और प्रत्यक्ष नियंत्रण के बीच का अंतर अरुडिनो की तुलना में कम था। अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि जबकि हार्डवेयर विस्तार अच्छी तरह से काम करता है, इसे नियंत्रित करने वाले सॉफ्टवेयर की गति भी चिप्स जितनी ही महत्वपूर्ण है।

बिजली की खपत एक अन्य प्रमुख कारक थी, और यहाँ के परिणाम आश्वस्त करने वाले थे। शोधकर्ता ने विस्तार चिप्स के साथ और उनके बिना सिस्टम द्वारा उपयोग की जाने वाली बिजली को मापा। एक एकल मल्टीप्लेक्सर जोड़ने से बिजली की खपत एक प्रतिशत से भी कम बढ़ गई। यहाँ तक कि साठ-चार उपकरणों को नियंत्रित करने के लिए आठ शिफ्ट रजिस्टरों को जोड़ने पर भी, कुल बिजली में वृद्धि आठ प्रतिशत से कम थी। यह सुझाव देता है कि सहायक चिप्स स्वयं बहुत कुशल हैं और सिस्टम की बैटरी को महत्वपूर्ण रूप से कम नहीं करते हैं। अध्ययन ने यह भी नोट किया कि वास्तविक बिजली की खपत इस बात पर निर्भर करेगी कि उपकरण क्या कर रहे हैं; यदि सभी साठ-चार लाइटें पूरी चमक के साथ चालू हैं, तो लाइटों द्वारा आवश्यक बिजली नियंत्रण चिप्स के सूक्ष्म ओवरहेड से कहीं अधिक होगी। शोध ने पुष्टि की कि विस्तार विधि बैटरी से चलने वाले उपकरणों के लिए व्यवहार्य है, बशर्ते लोड का प्रबंधन सही ढंग से किया जाए।

अध्ययन ने यह भी देखा कि चिप्स की इस श्रृंखला को कितना लंबा बढ़ाया जा सकता है इससे पहले कि यह अविश्वसनीय हो जाए। शोधकर्ता ने आठ चिप्स की एक श्रृंखला का परीक्षण किया और पाया कि यह पूरी तरह से काम करती है, लेकिन उन्होंने यह भी गणना की कि और भी लंबी श्रृंखलाओं के साथ क्या होगा। उन्होंने निर्धारित किया कि जबकि जोड़े गए प्रत्येक चिप के साथ नियंत्रणीय उपकरणों की संख्या रैखिक रूप से बढ़ती है, श्रृंखला के अंत तक सिग्नल भेजने में लगने वाला समय भी बढ़ता जाता है। छत्तीस चिप्स की श्रृंखला के लिए, सिग्नल को पूरी लाइन के माध्यम से यात्रा करने में अधिक समय लगेगा, जो यह देरी कर सकता है कि लाइटें या स्विच कितनी जल्दी प्रतिक्रिया देते हैं। शोध ने दिखाया कि अधिकांश व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए, जैसे कि लाइटों की एक पंक्ति को नियंत्रित करना या सेंसर के बैंक को पढ़ना, ये विलंब नगण्य हैं। लेकिन उन प्रणालियों के लिए जिनमें सैकड़ों उपकरणों में तत्काल, एक साथ परिवर्तन की आवश्यकता होती है, शिफ्ट रजिस्टरों की क्रमिक प्रकृति एक सीमित कारक बन जाती है।

अंततः, यह कार्य उन इंजीनियरों और निर्माताओं के लिए एक स्पष्ट, डेटा-संचालित रोडमैप प्रदान करता है जिन्हें एक छोटे कंप्यूटर से कई उपकरणों को जोड़ने की आवश्यकता है। यह पुष्टि करता है कि मल्टीप्लेक्सर और शिफ्ट रजिस्टर का उपयोग करना माइक्रोकंट्रोलर पिनों की भौतिक सीमाओं को पार करने का एक अत्यधिक प्रभावी तरीका है, जो बिजली की बहुत कम लागत और गति के प्रबंधनीय समझौते के साथ क्षमता में भारी वृद्धि प्रदान करता है। अध्ययन इस बात पर जोर देता है कि सर्वोत्तम परिणाम उन सरल हार्डवेयर उपकरणों को अनुकूलित सॉफ्टवेयर के साथ जोड़ने से आते हैं जो सीधे कंप्यूटर के हार्डवेयर से बात करते हैं। इन विशिष्ट सीमाओं और लाभों को समझकर, निर्माता ऐसी प्रणालियाँ डिजाइन कर सकते हैं जो विस्तार योग्य और कुशल दोनों हों, जिससे एक छोटे चिप को, जिसमें कुछ ही पिन हैं, एक शक्तिशाली नियंत्रक में बदला जा सके जो सेंसर और उपकरणों के एक जटिल नेटवर्क को प्रबंधित करने में सक्षम हो।