Za niekoľko desaťročí vývoja prešiel mikroprocesor dlhú cestu od objektu aplikácie vo vysoko špecializovaných oblastiach k produktu so širokým využitím. Dnes sa tieto zariadenia v tej či onej podobe spolu s ovládačmi používajú takmer v každej oblasti výroby. V širšom zmysle mikroprocesorová technológia zabezpečuje riadiace a automatizačné procesy, no v tomto smere sa formujú a schvaľujú nové oblasti pre vývoj high-tech zariadení až do objavenia sa známok umelej inteligencie.
Všeobecné chápanie mikroprocesorov
Správa alebo kontrola určitých procesov si vyžaduje vhodnú softvérovú podporu na reálnej technickej báze. V tejto funkcii pôsobí jeden alebo súprava čipov na kryštáloch základnej matrice. Pre praktické potreby sa takmer vždy používajú moduly čipovej sady, teda čipové sady, ktoré sú spojené spoločným napájacím systémom,signály, formáty spracovania informácií atď. Vo vedeckej interpretácii, ako je uvedené v teoretických základoch mikroprocesorovej technológie, sú takéto zariadenia miestom (hlavnou pamäťou) na ukladanie operandov a príkazov v zakódovanej forme. Priame riadenie je realizované na vyššej úrovni, ale aj prostredníctvom mikroprocesorových integrovaných obvodov. Používajú sa na to ovládače.
O ovládačoch sa dá hovoriť len vo vzťahu k mikropočítačom alebo mikropočítačom pozostávajúcim z mikroprocesorov. V skutočnosti ide o pracovnú techniku, ktorá je v princípe schopná vykonávať určité operácie alebo príkazy v rámci daného algoritmu. Ako sa uvádza v učebnici mikroprocesorovej techniky od S. N. Liventsova, pod mikrokontrolérom treba rozumieť počítač zameraný na vykonávanie logických operácií v rámci riadenia zariadení. Je založený na rovnakých schémach, ale s obmedzeným výpočtovým zdrojom. Úlohou mikrokontroléra je vo väčšej miere implementovať zodpovedné, ale jednoduché postupy bez zložitých obvodov. Takéto zariadenia však nemožno nazvať ani technologicky primitívne, pretože v moderných priemyselných odvetviach môžu mikrokontroléry súčasne riadiť stovky a dokonca tisíce operácií súčasne, berúc do úvahy nepriame parametre ich vykonávania. Vo všeobecnosti je logická štruktúra mikrokontroléra navrhnutá s ohľadom na výkon, všestrannosť a spoľahlivosť.
Architektúra
Vývojári mikroprocesorových zariadení sa zaoberajú súpravoufunkčné komponenty, ktoré v konečnom dôsledku tvoria jeden pracovný komplex. Aj jednoduchý model mikropočítača počíta s využitím množstva prvkov, ktoré zabezpečujú plnenie úloh zadaných stroju. Spôsob interakcie medzi týmito komponentmi, ako aj prostriedky komunikácie so vstupnými a výstupnými signálmi do značnej miery určujú architektúru mikroprocesora. Pokiaľ ide o samotný pojem architektúry, je vyjadrený v rôznych definíciách. Môže to byť súbor technických, fyzických a prevádzkových parametrov vrátane počtu pamäťových registrov, bitovej hĺbky, rýchlosti atď. V súlade s teoretickými základmi mikroprocesorovej technológie by sa však architektúra mala v tomto prípade chápať ako logická organizácia funkcií implementovaných v procese vzájomne prepojenej prevádzky hardvéru a softvéru. Presnejšie povedané, architektúra mikroprocesora odráža nasledovné:
- Súbor fyzických prvkov, ktoré tvoria mikroprocesor, ako aj spojenia medzi jeho funkčnými blokmi.
- Formáty a spôsoby poskytovania informácií.
- Kanály pre prístup k modulom štruktúry, ktoré sú k dispozícii na použitie s parametrami na ich ďalšie použitie.
- Operácie, ktoré môže vykonávať konkrétny mikroprocesor.
- Charakteristiky ovládacích príkazov, ktoré zariadenie generuje alebo prijíma.
- Reakcie na signály zvonku.
Externé rozhrania
Mikroprocesor je zriedka vnímaný ako izolovaný systémvykonávanie jednoslovných príkazov v statickom formáte. Existujú zariadenia, ktoré spracúvajú jeden signál podľa danej schémy, no najčastejšie mikroprocesorová technika pracuje s veľkým počtom komunikačných liniek zo zdrojov, ktoré samy o sebe nie sú lineárne z hľadiska spracovávaných príkazov. Na organizáciu interakcie so zariadeniami a zdrojmi údajov tretích strán sú k dispozícii špeciálne formáty pripojenia - rozhrania. Najprv však musíte určiť, s čím presne sa komunikuje. Riadené zariadenia spravidla konajú v tejto funkcii, to znamená, že sa k nim odošle príkaz z mikroprocesora a v režime spätnej väzby je možné prijímať údaje o stave výkonného orgánu.
Pokiaľ ide o externé rozhrania, slúžia nielen na možnosť interakcie určitého výkonného mechanizmu, ale aj na jeho integráciu do štruktúry riadiaceho komplexu. S ohľadom na komplexnú počítačovú a mikroprocesorovú techniku to môže byť celý súbor hardvérových a softvérových nástrojov úzko súvisiacich s kontrolérom. Okrem toho mikrokontroléry často kombinujú funkcie spracovania a vydávania príkazov s úlohami poskytovania komunikácie medzi mikroprocesormi a externými zariadeniami.
Špecifikácie mikroprocesora
Hlavné charakteristiky mikroprocesorových zariadení zahŕňajú nasledovné:
- Frekvencia hodín. Časové obdobie, počas ktorého sa vymenia komponenty počítača.
- Šírka. Maximálny možný počet pre simultánne spracovanie binárneho kódučíslice.
- Architektúra. Konfigurácia umiestnenia a spôsoby interakcie pracovných prvkov mikroprocesora.
Charakter operačného procesu možno posudzovať aj podľa kritérií pravidelnosti s hlavným. V prvom prípade hovoríme o tom, ako implementujeme princíp pravidelnej opakovateľnosti v konkrétnej jednotke počítačovej mikroprocesorovej techniky. Inými slovami, aké je podmienené percento odkazov a pracovných položiek, ktoré sa navzájom duplikujú. Na štruktúru organizácie schémy v rámci toho istého systému spracovania údajov možno vo všeobecnosti aplikovať pravidelnosť.
Backbone označuje spôsob výmeny dát medzi internými modulmi systému, čo ovplyvňuje aj charakter zoradenia odkazov. Spojením princípov chrbtice a pravidelnosti je možné vypracovať stratégiu tvorby mikroprocesorov zjednotených na určitý štandard. Tento prístup má výhodu v tom, že uľahčuje organizáciu komunikácie na rôznych úrovniach z hľadiska interakcie prostredníctvom rozhraní. Na druhej strane štandardizácia neumožňuje rozširovať možnosti systému a zvyšovať jeho odolnosť voči externej záťaži.
Pamäť v mikroprocesorovej technológii
Ukladanie informácií je organizované pomocou špeciálnych pamäťových zariadení vyrobených z polovodičov. Týka sa to vnútornej pamäte, ale možno použiť aj externé optické a magnetické médiá. Prvky na ukladanie údajov na báze polovodičových materiálov môžu byť tiež reprezentované ako integrované obvody, ktorésúčasťou mikroprocesora. Takéto pamäťové bunky sa používajú nielen na ukladanie programov, ale aj na obsluhu pamäte centrálneho procesora s radičmi.
Ak sa hlbšie pozrieme na štrukturálny základ pamäťových zariadení, potom sa do popredia dostanú obvody vyrobené z kovu, dielektrika a kremíkového polovodiča. Ako dielektrika sa používajú kovové, oxidové a polovodičové komponenty. Úroveň integrácie úložného zariadenia je určená cieľmi a vlastnosťami hardvéru. V digitálnej mikroprocesorovej technike so zabezpečením funkcie videopamäte sa k univerzálnym požiadavkám na spoľahlivú integráciu a súlad s elektrickými parametrami pridáva aj odolnosť proti šumu, stabilita, rýchlosť a pod. Bipolárne digitálne mikroobvody sú optimálnym riešením z hľadiska výkonnostných kritérií a všestrannosti integrácie, ktoré v závislosti od aktuálnych úloh možno použiť aj ako spúšťač, procesor alebo menič.
Funkcie
Rozsah funkcií je z veľkej časti založený na úlohách, ktoré bude mikroprocesor riešiť v rámci konkrétneho procesu. Univerzálnu sadu funkcií v zovšeobecnenej verzii možno znázorniť takto:
- Čítanie údajov.
- Spracovanie údajov.
- Výmena informácií s internou pamäťou, modulmi alebo externými pripojenými zariadeniami.
- Zaznamenajte údaje.
- Vstup a výstup údajov.
Význam každého z vyššie uvedenéhooperácie je určené kontextom celkového systému, v ktorom sa zariadenie používa. Napríklad v rámci aritmeticko-logických operácií môže elektronická a mikroprocesorová technika v dôsledku spracovania vstupných informácií prezentovať nové informácie, ktoré sa zase stanú dôvodom jedného alebo druhého príkazového signálu. Za povšimnutie stojí aj interná funkcionalita, vďaka ktorej sú regulované prevádzkové parametre samotného procesora, ovládača, zdroja, akčných členov a ďalších modulov pracujúcich v rámci riadiaceho systému.
Výrobcovia zariadení
Počiatkom vytvorenia mikroprocesorových zariadení boli inžinieri spoločnosti Intel, ktorí vydali celý rad 8-bitových mikrokontrolérov založených na platforme MCS-51, ktoré sa v niektorých oblastiach používajú dodnes. Aj mnohí ďalší výrobcovia použili rodinu x51 pre svoje vlastné projekty v rámci vývoja nových generácií elektroniky a mikroprocesorovej technológie, medzi ktorých predstaviteľov patrí domáci vývoj ako jednočipový počítač K1816BE51.
Po vstupe do segmentu zložitejších procesorov Intel ustúpil mikrokontrolérom iným spoločnostiam, vrátane Analog Device a Atmel. Zásadne nový pohľad na architektúru mikroprocesorov ponúkajú Zilog, Microchip, NEC a ďalšie, dnes v kontexte rozvoja mikroprocesorovej techniky možno za najúspešnejšie považovať rady x51, AVR a PIC. Ak hovoríme o vývojových trendoch, tak v týchto dňoch prvémiesto suplujú požiadavky na rozšírenie rozsahu úloh vnútornej kontroly, kompaktnosť a nízku spotrebu energie. Inými slovami, mikrokontroléry sú čoraz menšie a inteligentnejšie z hľadiska údržby, no zároveň sa zvyšuje ich energetický potenciál.
Údržba zariadení na báze mikroprocesora
V súlade s predpismi obsluhujú mikroprocesorové systémy tímy pracovníkov pod vedením elektrikára. Medzi hlavné úlohy údržby v tejto oblasti patria:
- Oprava porúch v procese prevádzky systému a ich analýza na určenie príčin porušenia.
- Predchádzajte poruchám zariadenia a komponentov prostredníctvom pridelenej plánovanej údržby.
- Opravte poruchy zariadenia opravou poškodených dielov alebo ich výmenou za opraviteľné podobné diely.
- Produkcia včasnej opravy komponentov systému.
Priama údržba mikroprocesorovej technológie môže byť zložitá alebo menšia. V prvom prípade sa kombinuje zoznam technických operácií bez ohľadu na ich náročnosť na prácu a úroveň zložitosti. Pri malorozmerovom prístupe sa kladie dôraz na individualizáciu každej prevádzky, to znamená, že jednotlivé opravárenské alebo údržbárske úkony sa z pohľadu organizácie vykonávajú v izolovanom formáte v súlade s technologickou mapou. Nevýhody tejto metódy sú spojené s vysokými nákladmi na pracovný postup, ktoré nemusia byť v rámci rozsiahleho systému ekonomicky opodstatnené. Na druhej strane služby malého rozsahuzlepšuje kvalitu technickej podpory zariadenia, minimalizuje riziko jeho ďalšieho zlyhania spolu s jednotlivými komponentmi.
Používanie mikroprocesorovej technológie
Pred rozsiahlym zavedením mikroprocesorov v rôznych oblastiach priemyslu, domáceho a národného hospodárstva existuje stále menej prekážok. Je to opäť spôsobené optimalizáciou týchto zariadení, ich znižovaním nákladov a rastúcou potrebou automatizačných prvkov. Niektoré z najbežnejších použití týchto zariadení zahŕňajú:
- Priemysel. Mikroprocesory sa používajú pri riadení práce, koordinácii strojov, riadiacich systémoch a zbere výrobného výkonu.
- Obchod. V tejto oblasti je prevádzka mikroprocesorovej techniky spojená nielen s výpočtovými operáciami, ale aj s údržbou logistických modelov pri riadení tovarov, zásob a informačných tokov.
- Bezpečnostné systémy. Elektronika v moderných bezpečnostných a alarmových komplexoch kladie vysoké požiadavky na automatizáciu a inteligentné riadenie, čo nám umožňuje poskytovať mikroprocesory nových generácií.
- Komunikácia. Komunikačné technológie sa samozrejme nezaobídu bez programovateľných ovládačov obsluhujúcich multiplexory, vzdialené terminály a spínacie obvody.
Pár slov na záver
Široké publikum spotrebiteľov si nevie úplne predstaviť ani ten dnešnýschopnosti mikroprocesorovej techniky, no výrobcovia nezostávajú stáť a už zvažujú sľubné smery vývoja týchto produktov. Stále je napríklad dobre udržiavané pravidlo počítačového priemyslu, podľa ktorého sa každé dva roky zníži počet tranzistorov v obvodoch procesorov. Moderné mikroprocesory sa však môžu pochváliť nielen štrukturálnou optimalizáciou. Odborníci tiež predpovedajú mnohé inovácie v oblasti organizácie nových obvodov, ktoré uľahčia technologický prístup k vývoju procesorov a znížia ich základné náklady.
