За кілька десятків років розвитку мікропроцесор пройшов шлях від об’єкта застосування у вузькоспеціалізованих областях до товару широкої експлуатації. Сьогодні в тому чи іншому вигляді дані пристрою разом з контролерами застосовуються практично в будь-якій сфері виробництва. У широкому сенсі мікропроцесорна техніка забезпечує процеси управління та автоматизації, але в рамках цього напрямку формуються і затверджуються нові галузі розвитку високотехнологічних пристроїв аж до появи ознак штучного інтелекту.
Загальне уявлення про мікропроцесори
Для управління або контролю певними процесами потрібна відповідна підтримка програмного забезпечення на реальній технічній базі. У цій якості виступає одна або набір мікросхем на базових матричних кристалах. Для практичних потреб майже завжди використовуються модулі chip-set, тобто набори мікросхем, які пов’язані загальною системою живлення, сигналами, форматами інформаційної обробки і так далі. У науковій інтерпретації, як зазначається в теоретичні основи мікропроцесорної техніки, такі пристрої являють собою місце (основна пам’ять) для зберігання операндів і команд в закодованому вигляді. Безпосереднє управління реалізується на більш високому рівні, але також через інтегральні схеми мікропроцесора. Для цього використовують контролери.
Говорити про контролерах можна тільки стосовно до микрокомпьютерам або мікро-ЕОМ, що складається з мікропроцесорів. Власне, це і є робоча техніка, в принципі здатна виконувати ті чи інші операції або команди в рамках заданого алгоритму. Як зазначається у підручнику з мікропроцесорної техніки Ливенцова С. Н., під мікроконтролером слід розуміти комп’ютер, орієнтований на виконання логічних операцій в рамках управління обладнанням. Він базується на тих же схемах, але з обмеженим обчислювальним ресурсом. Завдання мікроконтролера більшою мірою полягає в реалізації відповідальних, але простих процедур без складних схем. Втім, технологічно примітивними такі пристрої теж не можна назвати, так як на сучасних виробництвах мікроконтролери можуть одночасно керувати сотнями і навіть тисячами операцій одночасно, враховуючи і непрямі параметри їх виконання. В цілому логічна структура мікроконтролера проектується з розрахунком на потужність, універсальність і надійність.
Архітектура
Розробники мікропроцесорних пристроїв мають справу з набором функціональних компонентів, які в результаті утворюють єдиний робочий комплекс. Навіть проста модель мікрокомп’ютера передбачає використання цілого ряду елементів, що забезпечують виконання поставлених перед машиною завдань. Спосіб взаємодії між цими компонентами, а також засоби комунікації з вхідними і вихідними сигналами багато в чому і визначають архітектуру мікропроцесора. Що стосується самого поняття архітектури, то воно виражається різними визначеннями. Це може бути набір техніко-фізичних і експлуатаційних параметрів, серед яких число регістрів пам’яті, розрядність, швидкодія і так далі. Але, у відповідності з теоретичними основами мікропроцесорної техніки, під архітектурою в даному випадку слід розуміти логічну організацію функцій, що реалізуються в процесі взаємозалежної роботи апаратної і програмної начинки. Більш конкретно архітектура мікропроцесора відображає наступне:
- Сукупність фізичних елементів, які утворюють мікропроцесор, а також зв’язку між його функціональними блоками.
- Формати і способи подання інформації.
- Канали звернення до доступними для використання модулів структури з параметрами їх подальшого застосування.
- Операції, які може виконувати конкретний мікропроцесор.
- Характеристики керуючих команд, які виробляє або приймає пристрій.
- Реакції на сигнали ззовні.
Зовнішні інтерфейси
Мікропроцесор вкрай рідко розглядається як ізольована система для виконання односкладових команд в статичному форматі. Зустрічаються пристрої, які обробляють один сигнал по заданій схемі, але найчастіше мікропроцесорна техніка працює з великою кількістю комунікаційних зв’язків від джерел, які і самі не є лінійними у плані оброблюваних команд. Для організації взаємодії зі сторонньою апаратурою та джерелами даних передбачаються спеціальні формати з’єднання – інтерфейси. Але для початку слід визначити, з чим саме виконується комунікація. Як правило, в цій якості виступають керовані пристрої, тобто на них від мікропроцесора подається команда, а в режимі зворотного зв’язку можуть надходити дані про статус виконавчого органу.
Що стосується зовнішніх інтерфейсів, то вони служать не просто для можливості взаємодії певного виконавчого механізму, але і для його інтеграції в структуру керуючого комплексу. Стосовно до складної комп’ютерної і мікропроцесорної техніки це може бути ціла сукупність апаратно-програмних засобів, тісно пов’язаних з контролером. Більш того, мікроконтролери часто і об’єднують в собі функції обробки і подачі команд з завданнями забезпечення комунікації між мікропроцесорами і зовнішніми пристроями.
Характеристики мікропроцесора
До основних характеристик мікропроцесорних пристроїв можна віднести такі:
- Тактова частота. Часовий період, протягом якого відбувається перемикання компонентів обчислювальної машини.
- Розрядність. Число максимально можливих для одночасної обробки двійкових розрядів.
- Архітектура. Конфігурація розміщення і способи взаємодії робочих елементів мікропроцесора.
Про характер експлуатаційного процесу можна судити і за критеріями регулярності з магистральностью. У першому випадку мова йде про те, наскільки в конкретній одиниці мікропроцесорної обчислювальної техніки реалізуємо принцип закономірної повторюваності. Іншими словами, який умовний відсоток дублюючих один одного зв’язків і робочих елементів. Регулярність може застосовуватися і в цілому до структури організації схеми в рамках однієї системи обробки даних.
Магистральность ж вказує на спосіб обміну даними між внутрішніми модулями системи, зачіпаючи також характер впорядкування зв’язків. Поєднуючи принципи магистральности і регулярності, можна виробити стратегію створення уніфікованих під певний стандарт мікропроцесорів. Такий підхід має перевагу у вигляді полегшення комунікаційної організації на різних рівнях в плані взаємодії через інтерфейси. З іншого боку, стандартизація не дозволяє розширювати можливості системи і підвищувати її стійкість перед зовнішніми навантаженнями.
Пам’ять у мікропроцесорній техніці
Зберігання інформації організується з допомогою спеціальних пристроїв, виконаних з напівпровідників. Це стосується внутрішньої пам’яті, але також можуть застосовуватися зовнішні оптичні та магнітні носії. Також елементи зберігання даних на основі напівпровідникових матеріалів можна представити в якості інтегральних схем, які включаються до складу мікропроцесора. Такі комірки пам’яті використовуються не тільки для зберігання програм, але і для обслуговування пам’яті центрального процесора з контролерами.
Якщо глибше розглядати структурну основу запам’ятовуючих пристроїв, то на перший план вийдуть схеми з металу, діелектрика і напівпровідника з кремнію. В якості діелектриків використовуються компоненти з металу, оксиду і напівпровідника. Рівень інтеграції запам’ятовуючого пристрою визначається цільовими завданнями і характеристиками апаратної частини. В цифровий мікропроцесорної техніки з забезпеченням функції відеопам’яті до універсальним вимогам надійної інтеграції та відповідності електротехнічним параметрами також додається стійкість, стабільність роботи, швидкодія і так далі. Оптимальним рішенням з точки зору критеріїв швидкодії, універсальності щодо інтеграції є біполярні цифрові мікросхеми, які в залежності від поточних завдань можуть також використовуватися в якості тригера, процесора або інвертора.
Функції
Спектр функцій в значній мірі ґрунтується на завданнях, які мікропроцесор буде вирішувати в рамках того чи іншого технологічного процесу. Універсальний набір функцій в узагальненому варіанті можна представити так:
- Читання даних.
- Обробка даних.
- Обмін інформацією з внутрішньою пам’яттю, модулями або зовнішніми підключеними пристроями.
- Запис даних.
- Введення й виведення даних.
Значення кожної з вищеназваних операцій визначається контекстом загальної системи, в якій використовується пристрій. Приміром, у рамках арифметично-логічних операцій електронна та мікропроцесорна техніка в результаті обробки вхідної інформації може представляти нову інформацію, яка, в свою чергу, стане приводом для того чи іншого командного сигналу. Також варто відзначити внутрішній функціонал, за рахунок якого регулюються робочі параметри самого процесора, контролера, харчування, виконавчих пристроїв і інших модулів, що працюють в рамках керуючої системи.
Виробники пристроїв
Біля витоків створення мікропроцесорних пристроїв стояли інженери компанії Intel, що випустили цілу лінійку 8-розрядних мікроконтролерів на платформі MCS-51, які в деяких сферах застосовуються і сьогодні. Також багато інші виробники використовували сімейство x51 для власних проектів вже в рамках розвитку нових поколінь електроніки і мікропроцесорної техніки, серед представників якої є і вітчизняні розробки зразок однокристальних ЕОМ К1816ВЕ51.
Вийшовши в сегмент більш складних процесорів, фірма Intel поступилася місцем мікроконтролерів іншим компаніям, у числі яких опинилися Analog Device і Atmel. Принципово новий погляд на архітектуру мікропроцесорів пропонують фірми Zilog, Microchip, NEC і ін На сьогоднішній день у контексті розвитку мікропроцесорної техніки можна розглядати лінійки x51, AVR і PIC як найбільш успішні. Якщо ж говорити про тенденції розробки, то в наші дні на перше місце виходять вимоги до розширенню спектра завдань внутрішнього управління, компактності і низькому енергоспоживанню. Іншими словами, мікроконтролери стають менше і раціональнішим з точки зору обслуговування, але при цьому нарощують мощностный потенціал.
Обслуговування техніки на базі мікропроцесора
У відповідності з нормативними положеннями, мікропроцесорні системи обслуговуються бригадами робітників на чолі з електромеханіком. Серед основних завдань техобслуговування в даній сфері можна назвати наступні:
- Фіксація збоїв у процесі роботи системи та їх аналіз з визначенням причин порушення.
- Попередження відмов пристрою і його компонентів за рахунок призначеного регламентного обслуговування.
- Усунення відмов пристрою шляхом ремонту пошкоджених елементів або їх заміни на аналогічні справні деталі.
- Виробництво своєчасного ремонту компонентів системи.
Безпосередньо обслуговування мікропроцесорної техніки може бути комплексним або мелкооперационным. У першому випадку об’єднується перелік технічних операцій незалежно від їх трудомісткості і рівня складності. При мелкооперационном підході акцент робиться на індивідуалізації кожної операції, тобто окремі ремонтні або обслуговуючі дії проводяться в ізольованому з точки зору організації форматі у відповідності з технологічною картою. Недоліки цього методу пов’язані з високими витратами на робочий процес, що у рамках масштабної системи може бути економічно невиправданим. З іншого боку, мелкооперационное обслуговування підвищує якість технічної підтримки апаратури, мінімізуючи ризики її подальшого виходу з ладу разом з окремими компонентами.
Застосування мікропроцесорної техніки
Перед широким впровадженням мікропроцесорів в різних сферах промисловості, побутового і народного господарства варто все менше бар’єрів. Це знову обумовлюється оптимізацією даних пристроїв, їх здешевленням і зростанням потреби в елементах автоматизації. До областей найбільш поширеного використання таких пристроїв можна віднести:
- Промисловість. Мікропроцесори використовуються в управлінні робочими операціями, координації машин, систем контролю і збору виробничих показників.
- Торгівля. У даній сфері експлуатація мікропроцесорної техніки пов’язана не тільки з обчислювальними операціями, але і з обслуговуванням логістичних моделей при управлінні товарами, запасами, а також інформаційними потоками.
- Системи безпеки. Електроніка в сучасних комплексах охорони та сигналізації задає високі вимоги до автоматизації та інтелектуального контролю, що і дозволяють забезпечувати мікропроцесори нових поколінь.
- Зв’язок. Зрозуміло, і комунікаційні технології не можуть обходитися без програмованих контролерів, які обслуговують мультиплексори, дистанційні термінали та схеми комутації.
Кілька слів на закінчення
Широка аудиторія споживачів не може повною мірою уявити собі навіть сьогоднішні можливості мікропроцесорної техніки, але виробники не стоять на місці і вже зараз продумують перспективні напрями розвитку даної продукції. Наприклад, все ще справно підтримується правило комп’ютерної індустрії, згідно з яким кожні два роки в схемах процесорів буде зменшуватися кількість транзисторів. Але не тільки конструкційної оптимізацією можуть похвалитися сучасні мікропроцесори. Фахівці також прогнозують безліч інновацій в частині організації нової схемотехніки, яка полегшить технологічний підхід до розробки процесорів і знизить їх базову вартість.
