W ciągu kilkudziesięciu lat rozwoju mikroprocesor przeszedł długą drogę od celu zastosowania w wysoce wyspecjalizowanych obszarach do produktu o szerokim zastosowaniu. Dziś, w takiej czy innej formie, urządzenia te wraz ze sterownikami są wykorzystywane w prawie każdej dziedzinie produkcji. W szerokim sensie technologia mikroprocesorowa zapewnia procesy sterowania i automatyzacji, ale w tym kierunku powstają i zatwierdzane są nowe obszary rozwoju urządzeń high-tech, aż do pojawienia się oznak sztucznej inteligencji.
Ogólne zrozumienie mikroprocesorów
Zarządzanie lub kontrolowanie niektórych procesów wymaga odpowiedniego wsparcia oprogramowania na rzeczywistych podstawach technicznych. W tym charakterze działa jeden lub zestaw żetonów na podstawowych kryształach matrycy. Ze względów praktycznych prawie zawsze stosuje się moduły chipsetów, czyli chipsety połączone wspólnym systemem zasilania,sygnały, formaty przetwarzania informacji i tak dalej. W interpretacji naukowej, jak zauważa się w teoretycznych podstawach technologii mikroprocesorowej, takie urządzenia są miejscem (pamięcią główną) przechowywania operandów i poleceń w postaci zakodowanej. Sterowanie bezpośrednie realizowane jest na wyższym poziomie, ale także poprzez mikroprocesorowe układy scalone. Służą do tego kontrolery.
O kontrolerach można mówić tylko w odniesieniu do mikrokomputerów lub mikrokomputerów składających się z mikroprocesorów. Właściwie jest to technika pracy, w zasadzie zdolna do wykonywania określonych operacji lub poleceń w ramach danego algorytmu. Jak zauważono w podręczniku technologii mikroprocesorowej autorstwa S. N. Liventsova, przez mikrokontroler należy rozumieć komputer skoncentrowany na wykonywaniu operacji logicznych w ramach sterowania sprzętem. Opiera się na tych samych schematach, ale z ograniczonymi zasobami obliczeniowymi. Zadaniem mikrokontrolera w większym stopniu jest implementacja odpowiedzialnych, ale prostych procedur bez skomplikowanych obwodów. Jednak takich urządzeń nie można również nazwać prymitywnymi technologicznie, ponieważ we współczesnych branżach mikrokontrolery mogą jednocześnie sterować setkami, a nawet tysiącami operacji jednocześnie, uwzględniając pośrednie parametry ich wykonania. Ogólnie rzecz biorąc, logiczna struktura mikrokontrolera została zaprojektowana z myślą o mocy, wszechstronności i niezawodności.
Architektura
Twórcy urządzeń mikroprocesorowych mają do czynienia z zestawemelementy funkcjonalne, które ostatecznie tworzą jeden działający kompleks. Nawet prosty model mikrokomputera przewiduje zastosowanie szeregu elementów, które zapewniają wykonanie przydzielonych maszynie zadań. Sposób współdziałania tych elementów oraz sposób komunikacji z sygnałami wejściowymi i wyjściowymi w dużej mierze determinuje architekturę mikroprocesora. Jeśli chodzi o samo pojęcie architektury, wyraża się ono w różnych definicjach. Może to być zestaw parametrów technicznych, fizycznych i operacyjnych, w tym liczba rejestrów pamięci, głębia bitowa, szybkość i tak dalej. Jednak zgodnie z teoretycznymi podstawami technologii mikroprocesorowej architekturę w tym przypadku należy rozumieć jako logiczną organizację funkcji realizowanych w procesie połączonego działania upychania sprzętu i oprogramowania. Dokładniej, architektura mikroprocesora odzwierciedla następujące elementy:
- Zbiór fizycznych elementów tworzących mikroprocesor oraz połączenia między jego blokami funkcjonalnymi.
- Formaty i sposoby przekazywania informacji.
- Kanały dostępu do modułów struktury dostępne do użycia wraz z parametrami do ich dalszego wykorzystania.
- Operacje, które może wykonywać konkretny mikroprocesor.
- Charakterystyka poleceń sterujących generowanych lub odbieranych przez urządzenie.
- Reakcje na sygnały z zewnątrz.
Interfejsy zewnętrzne
Mikroprocesor jest rzadko postrzegany jako izolowany system dlawykonywanie poleceń jednowyrazowych w formacie statycznym. Są urządzenia, które przetwarzają jeden sygnał według zadanego schematu, ale najczęściej technologia mikroprocesorowa współpracuje z dużą liczbą łączy komunikacyjnych ze źródeł, które same w sobie nie są liniowe pod względem przetwarzanych poleceń. Aby zorganizować interakcję ze sprzętem i źródłami danych innych firm, dostępne są specjalne formaty połączeń - interfejsy. Ale najpierw musisz określić, z czym dokładnie się komunikujesz. Z reguły w tym charakterze działają sterowane urządzenia, to znaczy wysyłane jest do nich polecenie z mikroprocesora, a w trybie sprzężenia zwrotnego można odbierać dane o stanie organu wykonawczego.
Jeśli chodzi o interfejsy zewnętrzne, służą one nie tylko możliwości interakcji określonego mechanizmu wykonawczego, ale także jego integracji ze strukturą kompleksu sterującego. W odniesieniu do złożonej technologii komputerowej i mikroprocesorowej może to być cały zestaw narzędzi sprzętowych i programowych ściśle powiązanych ze sterownikiem. Ponadto mikrokontrolery często łączą funkcje przetwarzania i wydawania poleceń z zadaniami zapewnienia komunikacji między mikroprocesorami a urządzeniami zewnętrznymi.
Specyfikacje mikroprocesora
Główne cechy urządzeń mikroprocesorowych obejmują:
- Częstotliwość zegara. Okres czasu, w którym komponenty komputera są przełączane.
- Szerokość. Liczba maksymalnych możliwych do jednoczesnego przetwarzania binarnegocyfry.
- Architektura. Konfiguracja rozmieszczenia i sposoby współdziałania elementów roboczych mikroprocesora.
Charakter procesu operacyjnego można również ocenić na podstawie kryteriów prawidłowości z głównymi. W pierwszym przypadku mówimy o tym, jak realizujemy zasadę powtarzalności w określonej jednostce technologii mikroprocesorowej komputera. Innymi słowy, jaki jest warunkowy procent łączy i elementów pracy, które się nawzajem duplikują. Regularność można ogólnie zastosować do struktury organizacji schematu w ramach tego samego systemu przetwarzania danych.
Backbone wskazuje sposób wymiany danych między wewnętrznymi modułami systemu, wpływając również na charakter uporządkowania łączy. Łącząc zasady szkieletu i regularności, możliwe jest opracowanie strategii tworzenia mikroprocesorów zunifikowanych do określonego standardu. Takie podejście ma tę zaletę, że ułatwia organizację komunikacji na różnych poziomach w zakresie interakcji za pośrednictwem interfejsów. Z drugiej strony standaryzacja nie pozwala na rozszerzenie możliwości systemu i zwiększenie jego odporności na obciążenia zewnętrzne.
Pamięć w technologii mikroprocesorowej
Przechowywanie informacji jest zorganizowane za pomocą specjalnych urządzeń pamięci masowej wykonanych z półprzewodników. Dotyczy to pamięci wewnętrznej, ale można również używać zewnętrznych nośników optycznych i magnetycznych. Również elementy do przechowywania danych oparte na materiałach półprzewodnikowych mogą być reprezentowane jako układy scalone, które:zawarte w mikroprocesorze. Takie komórki pamięci służą nie tylko do przechowywania programów, ale także do obsługi pamięci procesora centralnego ze sterownikami.
Jeśli przyjrzymy się bliżej podstawom konstrukcyjnym urządzeń pamięci masowej, to na pierwszy plan wysuną się obwody wykonane z metalu, dielektryka i półprzewodnika krzemowego. Jako dielektryki stosowane są elementy metalowe, tlenkowe i półprzewodnikowe. Poziom integracji urządzenia pamięci masowej jest określony przez cele i cechy sprzętu. W cyfrowej technologii mikroprocesorowej z zapewnieniem funkcji pamięci wideo, odporność na zakłócenia, stabilność, szybkość itd. są również dodawane do uniwersalnych wymagań dotyczących niezawodnej integracji i zgodności z parametrami elektrycznymi. Bipolarne mikroukłady cyfrowe to optymalne rozwiązanie pod względem kryteriów wydajności i wszechstronności integracji, które w zależności od bieżących zadań mogą być również wykorzystywane jako wyzwalacz, procesor lub falownik.
Funkcje
Zakres funkcji jest w dużej mierze oparty na zadaniach, które mikroprocesor rozwiąże w ramach konkretnego procesu. Uniwersalny zestaw funkcji w wersji uogólnionej można przedstawić w następujący sposób:
- Odczyt danych.
- Przetwarzanie danych.
- Wymiana informacji z pamięcią wewnętrzną, modułami lub podłączonymi urządzeniami zewnętrznymi.
- Zapisz dane.
- Wprowadzanie i wyprowadzanie danych.
Znaczenie każdego z powyższychoperacje są określane przez kontekst całego systemu, w którym urządzenie jest używane. Na przykład w ramach operacji arytmetyczno-logicznych technologia elektroniczna i mikroprocesorowa, w wyniku przetwarzania informacji wejściowych, może przedstawić nowe informacje, które z kolei staną się przyczyną takiego lub innego sygnału sterującego. Warto również zwrócić uwagę na funkcjonalność wewnętrzną, dzięki której regulowane są parametry pracy samego procesora, sterownika, zasilacza, elementów wykonawczych i innych modułów pracujących w ramach systemu sterowania.
Producenci urządzeń
Początki tworzenia urządzeń mikroprocesorowych to inżynierowie Intela, którzy wydali całą linię 8-bitowych mikrokontrolerów opartych na platformie MCS-51, które są nadal używane w niektórych obszarach. Również wielu innych producentów wykorzystywało rodzinę x51 do własnych projektów w ramach rozwoju nowych generacji elektroniki i technologii mikroprocesorowej, wśród których przedstawicielami są krajowe rozwiązania, takie jak komputer jednoukładowy K1816BE51.
Po wejściu do segmentu bardziej złożonych procesorów Intel ustąpił miejsca mikrokontrolerom innym firmom, w tym Analog Device i Atmel. Zilog, Microchip, NEC i inne oferują całkowicie nowe spojrzenie na architekturę mikroprocesorową. Dzisiaj, w kontekście rozwoju technologii mikroprocesorowej, linie x51, AVR i PIC można uznać za najbardziej udane. Jeśli mówimy o trendach rozwojowych, to w dzisiejszych czasach pierwsimiejsce to zastępują wymagania dotyczące poszerzenia zakresu zadań kontroli wewnętrznej, kompaktowości i niskiego zużycia energii. Innymi słowy, mikrokontrolery stają się coraz mniejsze i inteligentniejsze pod względem konserwacji, ale jednocześnie zwiększają swój potencjał mocy.
Konserwacja sprzętu opartego na mikroprocesorach
Zgodnie z przepisami systemy mikroprocesorowe są obsługiwane przez zespoły pracowników kierowane przez elektryka. Główne zadania konserwacyjne w tym obszarze obejmują:
- Naprawianie awarii w procesie działania systemu i ich analiza w celu ustalenia przyczyn naruszenia.
- Zapobiegaj awariom urządzeń i komponentów poprzez przydzieloną zaplanowaną konserwację.
- Naprawiaj awarie urządzeń, naprawiając uszkodzone części lub wymieniając je na podobne, nadające się do serwisowania części.
- Produkcja terminowych napraw komponentów systemu.
Bezpośrednia konserwacja technologii mikroprocesorowej może być złożona lub niewielka. W pierwszym przypadku łączy się listę operacji technicznych, niezależnie od ich pracochłonności i poziomu złożoności. Przy podejściu na małą skalę kładzie się nacisk na indywidualizację każdej operacji, czyli poszczególne czynności naprawcze lub konserwacyjne wykonywane są w wydzielonym z punktu widzenia organizacji formacie, zgodnie z mapą technologiczną. Wady tej metody wiążą się z wysokimi kosztami przepływu pracy, które mogą być nieuzasadnione ekonomicznie w systemie wielkoskalowym. Z drugiej strony usługa na małą skalępoprawia jakość obsługi technicznej sprzętu, minimalizując ryzyko jego dalszej awarii wraz z poszczególnymi podzespołami.
Zastosowanie technologii mikroprocesorowej
Przed powszechnym wprowadzeniem mikroprocesorów w różnych dziedzinach przemysłu, gospodarki krajowej i narodowej pojawia się coraz mniej barier. Wynika to ponownie z optymalizacji tych urządzeń, ich redukcji kosztów oraz rosnącego zapotrzebowania na elementy automatyki. Niektóre z najczęstszych zastosowań tych urządzeń to:
- Przemysł. Mikroprocesory są wykorzystywane do zarządzania pracą, koordynacji maszyn, systemów sterowania i zbierania danych o wydajności produkcji.
- Handel. W tym obszarze działanie technologii mikroprocesorowej wiąże się nie tylko z operacjami obliczeniowymi, ale także z utrzymaniem modeli logistycznych w zarządzaniu towarami, zapasami i przepływami informacji.
- Systemy bezpieczeństwa. Elektronika w nowoczesnych kompleksach bezpieczeństwa i alarmowych stawia wysokie wymagania automatyzacji i inteligentnemu sterowaniu, co pozwala nam dostarczać mikroprocesory nowej generacji.
- Komunikacja. Oczywiście technologie komunikacyjne nie mogą obejść się bez sterowników programowalnych obsługujących multipleksery, zdalne terminale i obwody przełączające.
Kilka słów na zakończenie
Szeroka publiczność konsumentów nie może sobie w pełni wyobrazić nawet dzisiejszejmożliwości technologii mikroprocesorowej, ale producenci nie stoją w miejscu i już rozważają obiecujące kierunki rozwoju tych produktów. Na przykład nadal dobrze utrzymana jest zasada przemysłu komputerowego, zgodnie z którą co dwa lata liczba tranzystorów w obwodach procesora będzie się zmniejszać. Ale nowoczesne mikroprocesory mogą pochwalić się nie tylko optymalizacją strukturalną. Eksperci przewidują również wiele innowacji w zakresie organizacji nowych obwodów, które ułatwią technologiczne podejście do rozwoju procesorów i obniżą ich koszt bazowy.
