V več desetletjih razvoja je mikroprocesor prehodil dolgo pot od predmeta uporabe na visoko specializiranih področjih do produkta širokega izkoriščanja. Danes se te naprave v takšni ali drugačni obliki skupaj s krmilniki uporabljajo na skoraj vseh področjih proizvodnje. V širšem smislu mikroprocesorska tehnologija zagotavlja procese krmiljenja in avtomatizacije, v tej smeri pa se oblikujejo in odobravajo nova področja razvoja visokotehnoloških naprav, vse do pojava znakov umetne inteligence.
Splošno razumevanje mikroprocesorjev
Upravljanje ali nadzor nekaterih procesov zahteva ustrezno programsko podporo na resnični tehnični podlagi. V tej vlogi deluje en ali niz čipov na osnovnih matričnih kristalih. Za praktične potrebe se skoraj vedno uporabljajo moduli nabora čipov, torej nabori čipov, ki so povezani s skupnim napajalnim sistemom,signali, formati za obdelavo informacij itd. V znanstveni interpretaciji, kot je navedeno v teoretičnih osnovah mikroprocesorske tehnologije, so takšne naprave prostor (glavni pomnilnik) za shranjevanje operandov in ukazov v kodirani obliki. Neposredno krmiljenje je izvedeno na višjem nivoju, a tudi preko mikroprocesorskih integriranih vezij. Za to se uporabljajo krmilniki.
O krmilnikih lahko govorimo le v povezavi z mikroračunalniki ali mikroračunalniki, sestavljenimi iz mikroprocesorjev. Pravzaprav je to delovna tehnika, ki načeloma lahko izvaja določene operacije ali ukaze v okviru danega algoritma. Kot je navedeno v učbeniku o mikroprocesorski tehnologiji S. N. Liventsova, je treba mikrokrmilnik razumeti kot računalnik, osredotočen na izvajanje logičnih operacij kot del nadzora opreme. Temelji na istih shemah, vendar z omejenim računalniškim virom. Naloga mikrokrmilnika je v večji meri izvajanje odgovornih, a preprostih postopkov brez zapletenih vezij. Vendar pa takšnih naprav tudi ne moremo imenovati tehnološko primitivnih, saj lahko v sodobnih industrijah mikrokrmilniki hkrati nadzorujejo na stotine in celo tisoče operacij hkrati, ob upoštevanju posrednih parametrov njihovega izvajanja. Na splošno je logična struktura mikrokrmilnika zasnovana z mislijo na moč, vsestranskost in zanesljivost.
Arhitektura
Razvijalci mikroprocesorskih naprav se ukvarjajo s kompletomfunkcionalne komponente, ki sčasoma tvorijo en sam delovni kompleks. Celo preprost model mikroračunalnika predvideva uporabo številnih elementov, ki zagotavljajo izpolnjevanje nalog, dodeljenih stroju. Način interakcije med temi komponentami, pa tudi komunikacijska sredstva z vhodnimi in izhodnimi signali, v veliki meri določajo arhitekturo mikroprocesorja. Kar zadeva sam pojem arhitekture, je izražen v različnih definicijah. To je lahko niz tehničnih, fizičnih in operativnih parametrov, vključno s številom pomnilniških registrov, bitno globino, hitrostjo itd. Toda v skladu s teoretičnimi osnovami mikroprocesorske tehnologije je treba arhitekturo v tem primeru razumeti kot logično organizacijo funkcij, ki se izvajajo v procesu medsebojno povezanega delovanja strojne in programske opreme. Natančneje, arhitektura mikroprocesorja odraža naslednje:
- Nabor fizičnih elementov, ki tvorijo mikroprocesor, kot tudi povezav med njegovimi funkcionalnimi bloki.
- Oblike in načini posredovanja informacij.
- Kanali za dostop do strukturnih modulov so na voljo za uporabo s parametri za njihovo nadaljnjo uporabo.
- Operacije, ki jih lahko izvaja določen mikroprocesor.
- Lastnosti nadzornih ukazov, ki jih naprava generira ali prejme.
- Reakcije na signale od zunaj.
Zunanji vmesniki
Mikroprocesor je redko viden kot izoliran sistem zaizvajanje enobesednih ukazov v statičnem formatu. Obstajajo naprave, ki obdelujejo en signal po dani shemi, vendar najpogosteje mikroprocesorska tehnologija deluje z velikim številom komunikacijskih povezav iz virov, ki sami po obdelanih ukazih niso linearni. Za organizacijo interakcije z opremo in viri podatkov tretjih oseb so na voljo posebni formati povezav - vmesniki. Toda najprej morate ugotoviti, s čim točno se komunicira. Nadzorovane naprave praviloma delujejo v tej vlogi, to pomeni, da se jim iz mikroprocesorja pošlje ukaz, v povratnem načinu pa se lahko sprejemajo podatki o statusu izvršilnega organa.
Pri zunanjih vmesnikih služijo ne le za možnost interakcije določenega izvršilnega mehanizma, temveč tudi za njegovo integracijo v strukturo nadzornega kompleksa. V zvezi s kompleksno računalniško in mikroprocesorsko tehnologijo je to lahko cel sklop strojnih in programskih orodij, ki so tesno povezana s krmilnikom. Poleg tega mikrokrmilniki pogosto združujejo funkcije obdelave in izdajanja ukazov z nalogami zagotavljanja komunikacije med mikroprocesorji in zunanjimi napravami.
specifikacije mikroprocesorja
Glavne značilnosti mikroprocesorskih naprav vključujejo naslednje:
- Frekvenca ure. Časovno obdobje, v katerem se računalniške komponente zamenjajo.
- Širina. Največje število možnih za hkratno obdelavo binarnega zapisaštevk.
- Arhitektura. Konfiguracija umestitve in načini interakcije delovnih elementov mikroprocesorja.
Naravo operativnega procesa lahko presojamo tudi po kriterijih pravilnosti z glavnim. V prvem primeru govorimo o tem, kako v določeni enoti računalniške mikroprocesorske tehnologije implementiramo načelo redne ponovljivosti. Z drugimi besedami, kolikšen je pogojni odstotek povezav in delovnih elementov, ki se med seboj podvajajo. Pravilnost se lahko na splošno uporablja za strukturo organizacije sheme znotraj istega sistema obdelave podatkov.
Backbone označuje način izmenjave podatkov med notranjimi moduli sistema, kar vpliva tudi na naravo vrstnega reda povezav. Z združevanjem načel hrbtenice in pravilnosti je mogoče razviti strategijo za ustvarjanje mikroprocesorjev, poenotenih po določenem standardu. Prednost tega pristopa je, da olajša organizacijo komunikacije na različnih ravneh v smislu interakcije prek vmesnikov. Po drugi strani pa standardizacija ne omogoča razširitve zmogljivosti sistema in povečanja njegove odpornosti na zunanje obremenitve.
Pomnilnik v mikroprocesorski tehnologiji
Shranjevanje informacij je organizirano s pomočjo posebnih naprav za shranjevanje iz polprevodnikov. To velja za notranji pomnilnik, lahko pa uporabite tudi zunanje optične in magnetne medije. Prav tako lahko elemente za shranjevanje podatkov na osnovi polprevodniških materialov predstavimo kot integrirana vezja, kivključen v mikroprocesor. Takšne pomnilniške celice se ne uporabljajo samo za shranjevanje programov, ampak tudi za servisiranje pomnilnika centralnega procesorja s krmilniki.
Če globlje pogledamo strukturno osnovo pomnilniških naprav, potem bodo v ospredje prišla vezja iz kovine, dielektrika in silicijevega polprevodnika. Kot dielektriki se uporabljajo kovinske, oksidne in polprevodniške komponente. Stopnjo integracije pomnilniške naprave določajo cilji in značilnosti strojne opreme. V digitalni mikroprocesorski tehnologiji z zagotavljanjem funkcije video pomnilnika se univerzalnim zahtevam po zanesljivi integraciji in skladnosti z električnimi parametri dodaja odpornost proti hrupu, stabilnost, hitrost itd. Bipolarna digitalna mikrovezja so optimalna rešitev glede meril zmogljivosti in integracijske vsestranskosti, ki jih glede na trenutne naloge lahko uporabimo tudi kot sprožilec, procesor ali inverter.
Funkcije
Nabor funkcij v veliki meri temelji na nalogah, ki jih bo mikroprocesor rešil v določenem procesu. Univerzalni nabor funkcij v posplošeni različici je mogoče predstaviti na naslednji način:
- Branje podatkov.
- Obdelava podatkov.
- Izmenjava informacij z notranjim pomnilnikom, moduli ali zunanjimi povezanimi napravami.
- Zapis podatkov.
- Vnos in izhod podatkov.
Pomen vsakega od zgornjihdelovanje je določeno s kontekstom celotnega sistema, v katerem se naprava uporablja. Na primer, v okviru aritmetično-logičnih operacij lahko elektronska in mikroprocesorska tehnologija kot rezultat obdelave vhodnih informacij predstavi nove informacije, ki bodo posledično postale razlog za en ali drug ukazni signal. Omeniti velja tudi notranjo funkcionalnost, zaradi katere se regulirajo parametri delovanja samega procesorja, krmilnika, napajalnika, aktuatorjev in drugih modulov, ki delujejo v krmilnem sistemu.
Proizvajalci naprav
Izvor ustvarjanja mikroprocesorskih naprav so bili Intelovi inženirji, ki so izdali celotno linijo 8-bitnih mikrokrmilnikov, ki temeljijo na platformi MCS-51, ki se na nekaterih področjih še danes uporabljajo. Tudi številni drugi proizvajalci so družino x51 uporabljali za lastne projekte v okviru razvoja novih generacij elektronike in mikroprocesorske tehnologije, med predstavniki katerih so domači razvoj, kot je enočipni računalnik K1816BE51.
Ko je Intel vstopil v segment bolj zapletenih procesorjev, je prestopil mesto mikrokrmilnikom drugim podjetjem, vključno z Analog Device in Atmelom. Zilog, Microchip, NEC in drugi ponujajo bistveno nov pogled na mikroprocesorsko arhitekturo. Danes lahko v kontekstu razvoja mikroprocesorske tehnologije štejemo linije x51, AVR in PIC za najuspešnejše. Če govorimo o razvojnih trendih, potem te dni prvimesto nadomestijo zahteve po razširitvi obsega nalog notranjega nadzora, kompaktnosti in nizke porabe energije. Z drugimi besedami, mikrokrmilniki postajajo vse manjši in pametnejši v smislu vzdrževanja, a hkrati povečujejo svoj potencial moči.
Vzdrževanje opreme, ki temelji na mikroprocesorju
Mikroprocesorske sisteme v skladu s predpisi servisirajo ekipe delavcev, ki jih vodi električar. Glavne vzdrževalne naloge na tem področju vključujejo naslednje:
- Odpravljanje napak v procesu delovanja sistema in njihova analiza za ugotavljanje vzrokov za kršitev.
- Preprečite okvare naprave in komponent z dodeljenim načrtovanim vzdrževanjem.
- Popravite okvare naprave tako, da popravite poškodovane dele ali jih zamenjate s podobnimi deli, ki jih je mogoče servisirati.
- Izdelava pravočasnih popravil sistemskih komponent.
Neposredno vzdrževanje mikroprocesorske tehnologije je lahko zapleteno ali manjše. V prvem primeru se združi seznam tehničnih operacij, ne glede na njihovo delovno intenzivnost in stopnjo zahtevnosti. Pri pristopu majhnega obsega je poudarek na individualizaciji vsake operacije, to pomeni, da se posamezna popravila ali vzdrževalna dejanja izvajajo v izoliranem formatu z vidika organizacije v skladu s tehnološkim zemljevidom. Slabosti te metode so povezane z visokimi stroški poteka dela, ki v obsežnem sistemu morda niso ekonomsko upravičeni. Po drugi strani pa manjše storitveizboljšuje kakovost tehnične podpore za opremo, kar zmanjšuje tveganje njene nadaljnje okvare skupaj s posameznimi komponentami.
Uporaba mikroprocesorske tehnologije
Pred široko uvedbo mikroprocesorjev na različna področja industrije, domačega in nacionalnega gospodarstva je vedno manj ovir. To je spet posledica optimizacije teh naprav, njihovega znižanja stroškov in vse večje potrebe po elementih avtomatizacije. Nekatere najpogostejše uporabe teh naprav vključujejo:
- Industrija. Mikroprocesorji se uporabljajo pri upravljanju dela, koordinaciji strojev, nadzornih sistemih in zbiranju proizvodnih zmogljivosti.
- Trgovina. Na tem področju je delovanje mikroprocesorske tehnologije povezano ne le z računskimi operacijami, ampak tudi z vzdrževanjem logističnih modelov pri upravljanju blaga, zalog in informacijskih tokov.
- Varnostni sistemi. Elektronika v sodobnih varnostno-alarmnih kompleksih postavlja visoke zahteve za avtomatizacijo in inteligentno krmiljenje, kar nam omogoča zagotavljanje mikroprocesorjev novih generacij.
- Komunikacija. Seveda komunikacijske tehnologije ne morejo brez programabilnih krmilnikov, ki služijo multiplekserjem, oddaljenim terminalom in stikalnim vezjem.
Nekaj besed za zaključek
Široko občinstvo potrošnikov si niti današnjega ne more v celoti predstavljatizmogljivosti mikroprocesorske tehnologije, vendar proizvajalci ne mirujejo in že razmišljajo o obetavnih smereh razvoja teh izdelkov. Še vedno velja na primer pravilo računalniške industrije, po katerem se bo vsaki dve leti zmanjšalo število tranzistorjev v procesorskih vezjih. Toda sodobni mikroprocesorji se lahko pohvalijo ne le s strukturno optimizacijo. Strokovnjaki napovedujejo tudi številne novosti na področju organizacije novih vezij, ki bodo olajšale tehnološki pristop k razvoju procesorjev in znižale njihove osnovne stroške.
