Mikroprotsessor on mitme aastakümne pikkuse arendustegevuse jooksul jõudnud kaugele kaugele spetsialiseeritud valdkondades kasutatavast objektist laialdase kasutusega tooteni. Tänapäeval kasutatakse neid seadmeid koos kontrolleritega ühel või teisel kujul peaaegu igas tootmisvaldkonnas. Laias laastus pakub mikroprotsessortehnoloogia juhtimis- ja automatiseerimisprotsesse, kuid selles suunas kujundatakse ja kinnitatakse uusi valdkondi kõrgtehnoloogiliste seadmete arendamiseks kuni tehisintellekti märkide ilmnemiseni.
Üldine arusaam mikroprotsessoritest
Teatud protsesside haldamine või juhtimine nõuab asjakohast tarkvara tuge tegelikul tehnilisel alusel. Selles funktsioonis toimib üks või põhimaatrikskristallide kiibid. Praktiliste vajaduste jaoks kasutatakse peaaegu alati kiibikomplekti mooduleid, st kiibikomplekte, mis on ühendatud ühise toitesüsteemiga,signaalid, teabetöötlusvormingud jne. Teaduslikus tõlgenduses, nagu märgitakse mikroprotsessortehnoloogia teoreetilistes alustes, on sellised seadmed koht (põhimälu) operandide ja käskude kodeeritud kujul salvestamiseks. Otsene juhtimine toimub kõrgemal tasemel, aga ka mikroprotsessori integraallülituste kaudu. Selleks kasutatakse kontrollereid.
Kontrolleritest saab rääkida ainult mikroarvutite või mikroprotsessoritest koosnevate mikroarvutite puhul. Tegelikult on see töötehnika, mis on põhimõtteliselt võimeline sooritama teatud toiminguid või käske antud algoritmi raames. Nagu S. N. Liventsovi mikroprotsessortehnoloogia õpikus märgib, tuleks mikrokontrolleri all mõista arvutit, mis on keskendunud seadmete juhtimise osana loogiliste toimingute sooritamisele. See põhineb samadel skeemidel, kuid piiratud arvutusressurssidega. Mikrokontrolleri ülesanne on suuremal määral rakendada vastutustundlikke, kuid lihtsaid protseduure ilma keerukate vooluahelateta. Kuid selliseid seadmeid ei saa nimetada ka tehnoloogiliselt primitiivseteks, kuna tänapäevastes tööstusharudes saavad mikrokontrollerid korraga juhtida sadu ja isegi tuhandeid toiminguid, võttes arvesse nende täitmise kaudseid parameetreid. Üldiselt on mikrokontrolleri loogiline struktuur loodud võimsust, mitmekülgsust ja töökindlust silmas pidades.
Arhitektuur
Mikroprotsessorseadmete arendajad tegelevad komplektigafunktsionaalsed komponendid, mis lõpuks moodustavad ühtse töökompleksi. Ka lihtne mikroarvuti mudel näeb ette mitme elemendi kasutamise, mis tagavad masinale pandud ülesannete täitmise. Mikroprotsessori arhitektuuri määravad suuresti nende komponentide vahelise interaktsiooni viis, samuti sisend- ja väljundsignaalidega sidevahendid. Mis puutub arhitektuuri mõistesse, siis see väljendub erinevates definitsioonides. See võib olla tehniliste, füüsiliste ja tööparameetrite kogum, sealhulgas mäluregistrite arv, bitisügavus, kiirus ja nii edasi. Kuid mikroprotsessortehnoloogia teoreetiliste aluste kohaselt tuleks arhitektuuri all mõista riist- ja tarkvara täidise omavahel ühendatud toimimise protsessis rakendatud funktsioonide loogilist korraldust. Täpsem alt peegeldab mikroprotsessori arhitektuur järgmist:
- Füüsiliste elementide kogum, mis moodustab mikroprotsessori, samuti selle funktsionaalplokkide vahelised ühendused.
- Teabe esitamise vormingud ja viisid.
- Struktuurimoodulitele juurdepääsu kanalid, mida saab kasutada koos parameetritega nende edasiseks kasutamiseks.
- Operatsioonid, mida konkreetne mikroprotsessor saab teha.
- Seadme genereeritavate või vastuvõetavate juhtkäskude omadused.
- Reaktsioon väljast tulevatele signaalidele.
Välised liidesed
Mikroprotsessorit nähakse harva isoleeritud süsteeminaühesõnaliste käskude täitmine staatilises vormingus. On seadmeid, mis töötlevad ühte signaali etteantud skeemi järgi, kuid enamasti töötab mikroprotsessortehnoloogia suure hulga sidelinkidega allikatest, mis ise ei ole töödeldud käskude osas lineaarsed. Kolmandate osapoolte seadmete ja andmeallikatega suhtlemise korraldamiseks on ette nähtud spetsiaalsed ühendusvormingud - liidesed. Kuid kõigepe alt peate kindlaks määrama, millega täpselt suheldakse. Reeglina toimivad juhitavad seadmed selles funktsioonis, st neile saadetakse mikroprotsessorist käsk ja tagasiside režiimis saab vastu võtta andmeid täitevorgani oleku kohta.
Väliste liideste puhul ei paku need mitte ainult teatud täitevmehhanismi interaktsiooni võimalust, vaid ka selle integreerimist juhtimiskompleksi struktuuri. Mis puutub keerukasse arvuti- ja mikroprotsessoritehnoloogiasse, siis see võib olla terve hulk kontrolleriga tihed alt seotud riist- ja tarkvaratööriistu. Lisaks ühendavad mikrokontrollerid sageli käskude töötlemise ja väljastamise funktsioonid mikroprotsessorite ja välisseadmete vahelise suhtluse pakkumisega.
Mikroprotsessori spetsifikatsioonid
Mikroprotsessorseadmete peamised omadused on järgmised:
- Kellasagedus. Ajavahemik, mille jooksul arvutikomponente vahetatakse.
- Laius. Maksimaalne arv, mis on võimalik kahendkoodi samaaegseks töötlemiseksnumbrit.
- Arhitektuur. Mikroprotsessori tööelementide paigutuse konfiguratsioon ja interaktsiooni viisid.
Tegevusprotsessi olemust saab hinnata ka regulaarsuse kriteeriumide alusel peamisega. Esimesel juhul räägime sellest, kuidas me rakendame regulaarse korratavuse põhimõtet arvuti mikroprotsessortehnoloogia konkreetses üksuses. Teisisõnu, kui suur on üksteist dubleerivate linkide ja tööüksuste tingimuslik protsent. Regulaarsust saab üldiselt rakendada sama andmetöötlussüsteemi skeemi organisatsiooni struktuurile.
Backbone näitab süsteemi sisemiste moodulite vahelise andmevahetuse meetodit, mis mõjutab ka linkide järjestamise olemust. Ühendades selgroo ja regulaarsuse põhimõtteid, on võimalik välja töötada strateegia teatud standardile ühtsete mikroprotsessorite loomiseks. Selle lähenemisviisi eeliseks on suhtluse korraldamise hõlbustamine erinevatel tasanditel liideste kaudu toimuva interaktsiooni osas. Teisest küljest ei võimalda standardimine laiendada süsteemi võimalusi ja suurendada selle vastupidavust välistele koormustele.
Mälu mikroprotsessortehnoloogias
Teabe salvestamine on korraldatud spetsiaalsete pooljuhtidest valmistatud salvestusseadmete abil. See kehtib sisemälu kohta, kuid kasutada saab ka väliseid optilisi ja magnetilisi andmekandjaid. Samuti saab integraallülitustena kujutada pooljuhtmaterjalidel põhinevaid andmesalvestuselemente, missisaldub mikroprotsessoris. Selliseid mälurakke ei kasutata mitte ainult programmide salvestamiseks, vaid ka kontrolleritega keskprotsessori mälu teenindamiseks.
Kui vaatame sügavam alt salvestusseadmete struktuurset alust, siis tulevad esiplaanile metallist, dielektrikust ja räni pooljuhist valmistatud ahelad. Dielektrikutena kasutatakse metalli, oksiidi ja pooljuhtkomponente. Salvestusseadme integreerimise taseme määravad riistvara eesmärgid ja omadused. Digitaalses mikroprotsessoritehnoloogias koos videomälu funktsiooniga lisatakse usaldusväärse integreerimise ja elektriliste parameetrite järgimise universaalsetele nõuetele ka mürakindlus, stabiilsus, kiirus ja nii edasi. Bipolaarsed digitaalsed mikroskeemid on jõudluskriteeriumide ja integreerimise mitmekülgsuse seisukoh alt optimaalne lahendus, mida saab olenev alt hetkeülesannetest kasutada ka trigeri, protsessori või inverterina.
Funktsioonid
Funktsioonide valik põhineb suuresti ülesannetel, mida mikroprotsessor konkreetse protsessi raames lahendab. Universaalset funktsioonide komplekti üldistatud versioonis saab esitada järgmiselt:
- Andmete lugemine.
- Andmetöötlus.
- Teabevahetus sisemälu, moodulite või väliste ühendatud seadmetega.
- Salvestage andmed.
- Andmete sisend ja väljund.
Iga ülalnimetatu tähendustoimingud määratakse selle üldise süsteemi kontekstis, milles seadet kasutatakse. Näiteks aritmeetika-loogiliste operatsioonide raames saab elektroonika- ja mikroprotsessortehnoloogia sisendinfo töötlemise tulemusena esitada uut teavet, mis omakorda saab ühe või teise käsusignaali põhjuseks. Tähelepanu väärib ka sisemine funktsionaalsus, tänu millele on reguleeritud protsessori enda, kontrolleri, toiteallika, ajamite ja muude juhtimissüsteemi sees töötavate moodulite tööparameetrid.
Seadmete tootjad
Mikroprotsessorseadmete loomise alguseks olid Inteli insenerid, kes andsid välja terve rea MCS-51 platvormil põhinevaid 8-bitiseid mikrokontrollereid, mida kasutatakse mõnes valdkonnas ka tänapäeval. Samuti kasutasid paljud teised tootjad x51 perekonda oma projektides osana uue põlvkonna elektroonika- ja mikroprotsessortehnoloogia arendusest, mille esindajate hulgas on kodumaised arendused nagu ühe kiibiga arvuti K1816BE51.
Keerulisemate protsessorite segmenti sisenedes andis Intel mikrokontrolleritele teed teistele ettevõtetele, sealhulgas Analog Device ja Atmel. Põhimõtteliselt uue pilgu mikroprotsessorite arhitektuurile pakuvad Zilog, Microchip, NEC jt. Tänapäeval võib mikroprotsessortehnoloogia arengu kontekstis pidada edukaimaks liine x51, AVR ja PIC. Kui rääkida arengusuundadest, siis nendel päevadel esimenekoht asendub sisekontrolliülesannete ulatuse laiendamise, kompaktsuse ja väikese energiatarbimise nõuetega. Teisisõnu muutuvad mikrokontrollerid hoolduse osas väiksemaks ja targemaks, kuid samal ajal suurendavad nende võimsust.
Mikroprotsessoripõhiste seadmete hooldus
Vastav alt eeskirjadele teenindavad mikroprotsessorsüsteeme elektriku juhitud töötajate meeskonnad. Peamised hooldustööd selles valdkonnas hõlmavad järgmist:
- Süsteemi tööprotsessis esinevate rikete parandamine ja nende analüüs rikkumise põhjuste väljaselgitamiseks.
- Ennetage seadme ja komponentide rikkeid määratud plaanilise hoolduse abil.
- Parandage seadme rikkeid, parandades kahjustatud osad või asendades need hooldatavate sarnaste osadega.
- Süsteemi komponentide õigeaegse remondi tootmine.
Mikroprotsessortehnoloogia otsene hooldus võib olla keeruline või väike. Esimesel juhul kombineeritakse tehniliste toimingute loend, olenemata nende töömahukusest ja keerukusastmest. Väikesemahulise lähenemise korral on rõhk iga toimingu individualiseerimisel, see tähendab, et üksikud remondi- või hooldustoimingud viiakse läbi organisatsiooni seisukohast isoleeritud formaadis vastav alt tehnoloogilisele kaardile. Selle meetodi puudused on seotud töövoo kõrgete kuludega, mis ei pruugi olla suuremahulise süsteemi puhul majanduslikult põhjendatud. Teisest küljest väikesemahuline teenusparandab seadmete tehnilise toe kvaliteeti, minimeerides selle edasise rikke riski koos üksikute komponentidega.
Mikroprotsessoritehnoloogia kasutamine
Enne mikroprotsessorite laialdast kasutuselevõttu erinevates tööstuse, kodu- ja rahvamajanduse valdkondades on takistusi järjest vähem. See on jällegi tingitud nende seadmete optimeerimisest, nende kulude vähenemisest ja kasvavast vajadusest automatiseerimiselementide järele. Nende seadmete kõige levinumad kasutusviisid on järgmised:
- Tööstus. Mikroprotsessoreid kasutatakse tööjuhtimisel, masinate koordineerimisel, juhtimissüsteemidel ja tootmistulemuste kogumisel.
- Kaubandus. Selles valdkonnas ei seostata mikroprotsessortehnoloogia tööd mitte ainult arvutusoperatsioonidega, vaid ka logistiliste mudelite hooldamisega kaupade, varude ja teabevoogude haldamisel.
- Turvasüsteemid. Kaasaegsete turva- ja häirekomplekside elektroonika seab kõrged nõuded automatiseerimisele ja intelligentsele juhtimisele, mis võimaldab meil pakkuda uute põlvkondade mikroprotsessoreid.
- Suhtlemine. Muidugi ei saa sidetehnoloogia hakkama ilma multipleksereid, kaugterminale ja lülitusahelaid teenindavate programmeeritavate kontrolleriteta.
Paar sõna lõpetuseks
Lai tarbijaskond ei suuda isegi tänapäeval täielikult ette kujutadamikroprotsessortehnoloogia võimalused, kuid tootjad ei seisa paigal ja kaaluvad juba paljulubavaid suundi nende toodete arendamiseks. Näiteks on endiselt hästi hoitud arvutitööstuse reegel, mille kohaselt iga kahe aasta järel väheneb transistoride arv protsessoriahelates. Kuid kaasaegsed mikroprotsessorid ei saa kiidelda mitte ainult struktuuri optimeerimisest. Eksperdid ennustavad ka palju uuendusi seoses uute vooluahelate korraldamisega, mis hõlbustab protsessorite arendamise tehnoloogilist lähenemist ja vähendab nende baaskulusid.
