Vairāku gadu desmitu laikā mikroprocesors ir nogājis garu ceļu no pielietojuma objekta ļoti specializētās jomās līdz plašai izmantošanai. Mūsdienās vienā vai otrā veidā šīs ierīces kopā ar kontrolieriem tiek izmantotas gandrīz jebkurā ražošanas jomā. Plašā nozīmē mikroprocesoru tehnoloģija nodrošina vadības un automatizācijas procesus, taču šajā virzienā tiek veidotas un apstiprinātas jaunas augsto tehnoloģiju ierīču attīstības jomas līdz pat mākslīgā intelekta pazīmju parādīšanās.
Vispārīga izpratne par mikroprocesoriem
Lai pārvaldītu vai kontrolētu noteiktus procesus, ir nepieciešams atbilstošs programmatūras atbalsts uz reāla tehniskā pamata. Šajā statusā darbojas viena vai mikroshēmu komplekts uz pamata matricas kristāliem. Praktiskām vajadzībām gandrīz vienmēr tiek izmantoti mikroshēmu komplekti, tas ir, mikroshēmu komplekti, kurus savieno kopēja energosistēma,signāli, informācijas apstrādes formāti utt. Zinātniskajā interpretācijā, kā norādīts mikroprocesoru tehnoloģijas teorētiskajos pamatos, šādas ierīces ir vieta (galvenā atmiņa) operandu un komandu glabāšanai kodētā formā. Tiešā vadība tiek īstenota augstākā līmenī, bet arī izmantojot mikroprocesoru integrālās shēmas. Šim nolūkam tiek izmantoti kontrolleri.
Par kontrolieriem var runāt tikai saistībā ar mikrodatoriem vai mikrodatoriem, kas sastāv no mikroprocesoriem. Faktiski šī ir darba tehnika, kas principā spēj veikt noteiktas darbības vai komandas noteiktā algoritma ietvaros. Kā norādīts S. N. Liventsova mācību grāmatā par mikroprocesoru tehnoloģiju, mikrokontrolleris ir jāsaprot kā dators, kas ir vērsts uz loģisku darbību veikšanu kā daļu no aprīkojuma vadības. Tas ir balstīts uz tām pašām shēmām, bet ar ierobežotu skaitļošanas resursu. Mikrokontrollera uzdevums lielākā mērā ir īstenot atbildīgas, bet vienkāršas procedūras bez sarežģītām shēmām. Tomēr šādas ierīces nevar saukt arī par tehnoloģiski primitīvām, jo mūsdienu nozarēs mikrokontrolleri var vienlaikus vadīt simtiem un pat tūkstošiem darbību vienlaikus, ņemot vērā to izpildes netiešos parametrus. Kopumā mikrokontrollera loģiskā struktūra ir izstrādāta, ņemot vērā jaudu, daudzpusību un uzticamību.
Arhitektūra
Mikroprocesoru ierīču izstrādātāji nodarbojas ar komplektufunkcionālās sastāvdaļas, kas galu galā veido vienotu darba kompleksu. Pat vienkāršs mikrodatora modelis paredz izmantot vairākus elementus, kas nodrošina iekārtai noteikto uzdevumu izpildi. Šo komponentu mijiedarbības veids, kā arī saziņas līdzekļi ar ieejas un izejas signāliem lielā mērā nosaka mikroprocesora arhitektūru. Kas attiecas uz pašu arhitektūras jēdzienu, tas ir izteikts dažādās definīcijās. Tas var būt tehnisko, fizisko un darbības parametru kopums, tostarp atmiņas reģistru skaits, bitu dziļums, ātrums un tā tālāk. Bet, saskaņā ar mikroprocesoru tehnoloģijas teorētiskajiem pamatiem, arhitektūra šajā gadījumā ir jāsaprot kā loģiska funkciju organizācija, kas tiek īstenota aparatūras un programmatūras pildījuma savstarpēji saistītās darbības procesā. Konkrētāk, mikroprocesora arhitektūra atspoguļo sekojošo:
- Fizikālo elementu kopa, kas veido mikroprocesoru, kā arī savienojumi starp tā funkcionālajiem blokiem.
- Informācijas sniegšanas formāti un veidi.
- Kanāli piekļuvei struktūras moduļiem, kas pieejami lietošanai ar parametriem to turpmākai izmantošanai.
- Darbības, ko var veikt konkrēts mikroprocesors.
- Ierīces ģenerēto vai saņemto vadības komandu raksturojums.
- Reakcijas uz signāliem no ārpuses.
Ārējās saskarnes
Mikroprocesors reti tiek uzskatīts par izolētu sistēmuviena vārda komandu izpilde statiskā formātā. Ir ierīces, kas apstrādā vienu signālu pēc noteiktas shēmas, bet visbiežāk mikroprocesoru tehnoloģija strādā ar lielu skaitu sakaru saišu no avotiem, kas paši nav lineāri apstrādāto komandu ziņā. Lai organizētu mijiedarbību ar trešo pušu aprīkojumu un datu avotiem, tiek nodrošināti īpaši savienojuma formāti - saskarnes. Bet vispirms jums ir jānosaka, ar ko tieši tiek sazināties. Parasti vadāmās ierīces darbojas šajā kvalitātē, tas ir, tām tiek nosūtīta komanda no mikroprocesora, un atgriezeniskās saites režīmā var saņemt datus par izpildinstitūcijas statusu.
Kas attiecas uz ārējām saskarnēm, tās kalpo ne tikai noteikta izpildmehānisma mijiedarbības iespējai, bet arī tā integrācijai vadības kompleksa struktūrā. Attiecībā uz sarežģītu datoru un mikroprocesoru tehnoloģiju tas var būt vesels aparatūras un programmatūras rīku komplekts, kas ir cieši saistīts ar kontrolieri. Turklāt mikrokontrolleri bieži vien apvieno apstrādes un komandu izdošanas funkcijas ar uzdevumiem nodrošināt sakarus starp mikroprocesoriem un ārējām ierīcēm.
Mikroprocesora specifikācijas
Mikroprocesoru ierīču galvenie raksturlielumi ir šādi:
- Pulksteņa frekvence. Laika periods, kurā tiek pārslēgti datora komponenti.
- Platums. Maksimālais iespējamais skaits vienlaicīgai bināro datu apstrādeicipari.
- Arhitektūra. Mikroprocesora darba elementu izvietojuma konfigurācija un mijiedarbības veidi.
Par darbības procesa raksturu var spriest arī pēc regularitātes kritērijiem ar galveno. Pirmajā gadījumā mēs runājam par to, kā mēs ieviešam regulāras atkārtojamības principu konkrētā datora mikroprocesoru tehnoloģijas vienībā. Citiem vārdiem sakot, kāda ir saišu un darba vienumu nosacītā procentuālā daļa, kas dublē viens otru. Regularitāti var vispārīgi attiecināt uz shēmas organizācijas struktūru vienā datu apstrādes sistēmā.
Backbone norāda datu apmaiņas metodi starp sistēmas iekšējiem moduļiem, ietekmējot arī saišu secības raksturu. Apvienojot mugurkaula un regularitātes principus, iespējams izstrādāt līdz noteiktam standartam vienotu mikroprocesoru izveides stratēģiju. Šīs pieejas priekšrocība ir saziņas organizēšanas atvieglošana dažādos līmeņos attiecībā uz mijiedarbību, izmantojot saskarnes. No otras puses, standartizācija neļauj paplašināt sistēmas iespējas un palielināt tās izturību pret ārējām slodzēm.
Atmiņa mikroprocesoru tehnoloģijā
Informācijas glabāšana tiek organizēta ar speciālu pusvadītāju glabāšanas ierīču palīdzību. Tas attiecas uz iekšējo atmiņu, taču var izmantot arī ārējos optiskos un magnētiskos datu nesējus. Tāpat kā integrālās shēmas var attēlot uz pusvadītāju materiāliem balstītus datu uzglabāšanas elementus, kasiekļauts mikroprocesorā. Šādas atmiņas šūnas tiek izmantotas ne tikai programmu glabāšanai, bet arī centrālā procesora ar kontrolleriem atmiņas apkalpošanai.
Ja padziļināti aplūkosim atmiņas ierīču strukturālo pamatu, tad priekšplānā izvirzīsies shēmas, kas izgatavotas no metāla, dielektriķa un silīcija pusvadītāja. Kā dielektriķi tiek izmantoti metāla, oksīda un pusvadītāju komponenti. Uzglabāšanas ierīces integrācijas līmeni nosaka aparatūras mērķi un raksturlielumi. Digitālo mikroprocesoru tehnoloģijā ar video atmiņas funkcijas nodrošināšanu trokšņu noturība, stabilitāte, ātrums un tā tālāk tiek pievienotas arī universālajām prasībām par uzticamu integrāciju un atbilstību elektriskajiem parametriem. Bipolārās digitālās mikroshēmas ir optimāls risinājums veiktspējas kritēriju un integrācijas daudzpusības ziņā, kuras atkarībā no aktuālajiem uzdevumiem var izmantot arī kā trigeri, procesoru vai invertoru.
Funkcijas
Funkciju klāsts lielā mērā ir balstīts uz uzdevumiem, ko mikroprocesors atrisinās konkrēta procesa ietvaros. Universālo funkciju kopu vispārinātā versijā var attēlot šādi:
- Datu lasīšana.
- Datu apstrāde.
- Informācijas apmaiņa ar iekšējo atmiņu, moduļiem vai ārējām pievienotajām ierīcēm.
- Ierakstīt datus.
- Datu ievade un izvade.
Katra iepriekš minētā nozīmedarbības nosaka kopējās sistēmas konteksts, kurā ierīce tiek izmantota. Piemēram, aritmētiski loģisko operāciju ietvaros elektroniskā un mikroprocesoru tehnoloģija ievades informācijas apstrādes rezultātā var uzrādīt jaunu informāciju, kas savukārt kļūs par cēloni vienam vai otram komandas signālam. Jāatzīmē arī iekšējā funkcionalitāte, kuras dēļ tiek regulēti paša procesora, kontrollera, barošanas avota, izpildmehānismu un citu vadības sistēmas ietvaros strādājošo moduļu darbības parametri.
Ierīču ražotāji
Mikroprocesoru ierīču izveides aizsākumi bija Intel inženieri, kuri izlaida veselu 8 bitu mikrokontrolleru līniju, kuras pamatā ir MCS-51 platforma, un kurus dažās jomās izmanto arī mūsdienās. Arī daudzi citi ražotāji izmantoja x51 saimi saviem projektiem, izstrādājot jaunas paaudzes elektronikas un mikroprocesoru tehnoloģiju, kuru pārstāvju vidū ir tādi pašmāju izstrādes kā vienas mikroshēmas dators K1816BE51.
Ienācis sarežģītāku procesoru segmentā, Intel atdeva vietu mikrokontrolleriem citiem uzņēmumiem, tostarp Analog Device un Atmel. Principiāli jaunu skatījumu uz mikroprocesoru arhitektūru piedāvā Zilog, Microchip, NEC un citi. Šodien mikroprocesoru tehnoloģijas attīstības kontekstā par veiksmīgākajām var uzskatīt x51, AVR un PIC līnijas. Ja runājam par attīstības tendencēm, tad šajās dienās pirmaisvietu aizstāj prasības iekšējās kontroles uzdevumu loka paplašināšanai, kompaktumam un zemam elektroenerģijas patēriņam. Citiem vārdiem sakot, mikrokontrolleri kļūst mazāki un viedāki apkopes ziņā, bet tajā pašā laikā palielina to jaudas potenciālu.
Uz mikroprocesoru bāzes iekārtu apkope
Atbilstoši noteikumiem mikroprocesoru sistēmas apkalpo strādnieku brigādes elektriķa vadībā. Galvenie apkopes uzdevumi šajā jomā ir šādi:
- Kļūmju novēršana sistēmas darbības procesā un to analīze, lai noteiktu pārkāpuma cēloņus.
- Novērsiet ierīces un komponentu kļūmes, veicot piešķirto plānoto apkopi.
- Labojiet ierīces kļūmes, salabojot bojātās daļas vai nomainot tās ar līdzīgām detaļām, kuras var apkopt.
- Sistēmas komponentu savlaicīga remonta izgatavošana.
Tiešā mikroprocesoru tehnoloģijas apkope var būt sarežģīta vai neliela. Pirmajā gadījumā tiek apvienots tehnisko darbību saraksts neatkarīgi no to darbietilpības un sarežģītības pakāpes. Ar maza mēroga pieeju uzsvars tiek likts uz katras darbības individualizāciju, tas ir, atsevišķas remonta vai apkopes darbības tiek veiktas izolētā formātā no organizācijas viedokļa atbilstoši tehnoloģiskajai kartei. Šīs metodes trūkumi ir saistīti ar augstām darbplūsmas izmaksām, kas liela mēroga sistēmā var nebūt ekonomiski pamatotas. No otras puses, maza mēroga servissuzlabo aprīkojuma tehniskā atbalsta kvalitāti, līdz minimumam samazinot tā turpmākas atteices risku kopā ar atsevišķiem komponentiem.
Mikroprocesoru tehnoloģijas izmantošana
Pirms mikroprocesoru plašās ieviešanas dažādās rūpniecības, iekšzemes un tautsaimniecības jomās šķēršļu paliek arvien mazāk. Tas atkal ir saistīts ar šo ierīču optimizāciju, to izmaksu samazinājumu un pieaugošo nepieciešamību pēc automatizācijas elementiem. Dažas no visbiežāk izmantotajām šīm ierīcēm ir:
- Nozare. Mikroprocesori tiek izmantoti darba vadībā, mašīnu koordinācijā, vadības sistēmās un ražošanas veiktspējas apkopošanā.
- Tirdzniecība. Šajā jomā mikroprocesoru tehnoloģiju darbība ir saistīta ne tikai ar skaitļošanas operācijām, bet arī ar loģistikas modeļu uzturēšanu preču, krājumu un informācijas plūsmu pārvaldībā.
- Drošības sistēmas. Elektronika mūsdienu apsardzes un signalizācijas kompleksos izvirza augstas prasības automatizācijai un inteliģentai vadībai, kas ļauj nodrošināt jaunu paaudžu mikroprocesorus.
- Saziņa. Protams, sakaru tehnoloģijas nevar iztikt bez programmējamiem kontrolleriem, kas apkalpo multipleksorus, attālās termināļus un komutācijas shēmas.
Daži vārdi noslēgumā
Plaša patērētāju auditorija pat šodien nevar pilnībā iedomātiesmikroprocesoru tehnoloģijas iespējas, taču ražotāji nestāv uz vietas un jau apsver daudzsološus virzienus šo produktu attīstībai. Piemēram, joprojām labi tiek uzturēts datorrūpniecības noteikums, saskaņā ar kuru ik pēc diviem gadiem tranzistoru skaits procesoru shēmās samazināsies. Bet mūsdienu mikroprocesori var lepoties ne tikai ar struktūras optimizāciju. Eksperti arī prognozē daudzus jauninājumus jaunu shēmu organizēšanā, kas atvieglos tehnoloģisko pieeju procesoru izstrādei un samazinās to bāzes izmaksas.
