Σε πολλές δεκαετίες ανάπτυξης, ο μικροεπεξεργαστής έχει διανύσει πολύ δρόμο από ένα αντικείμενο εφαρμογής σε εξαιρετικά εξειδικευμένους τομείς σε ένα προϊόν ευρείας εκμετάλλευσης. Σήμερα, με τη μία ή την άλλη μορφή, αυτές οι συσκευές, μαζί με ελεγκτές, χρησιμοποιούνται σχεδόν σε κάθε τομέα παραγωγής. Με την ευρεία έννοια, η τεχνολογία μικροεπεξεργαστή παρέχει διαδικασίες ελέγχου και αυτοματισμού, αλλά προς αυτή την κατεύθυνση διαμορφώνονται και εγκρίνονται νέοι τομείς για την ανάπτυξη συσκευών υψηλής τεχνολογίας, μέχρι την εμφάνιση ενδείξεων τεχνητής νοημοσύνης.
Γενική κατανόηση των μικροεπεξεργαστών
Η διαχείριση ή ο έλεγχος ορισμένων διαδικασιών απαιτεί κατάλληλη υποστήριξη λογισμικού σε πραγματική τεχνική βάση. Με αυτή την ιδιότητα, ενεργεί ένα ή ένα σύνολο τσιπ σε βασικούς κρυστάλλους μήτρας. Για πρακτικές ανάγκες, σχεδόν πάντα χρησιμοποιούνται μονάδες chip-set, δηλαδή chipset που συνδέονται με ένα κοινό σύστημα ισχύος,σήματα, μορφές επεξεργασίας πληροφοριών και ούτω καθεξής. Στην επιστημονική ερμηνεία, όπως σημειώνεται στα θεωρητικά θεμέλια της τεχνολογίας μικροεπεξεργαστών, τέτοιες συσκευές αποτελούν ένα μέρος (κύρια μνήμη) για την αποθήκευση τελεστών και εντολών σε κωδικοποιημένη μορφή. Ο άμεσος έλεγχος εφαρμόζεται σε υψηλότερο επίπεδο, αλλά και μέσω ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μικροεπεξεργαστή. Για αυτό χρησιμοποιούνται ελεγκτές.
Μπορεί κανείς να μιλήσει μόνο για ελεγκτές σε σχέση με μικροϋπολογιστές ή μικροϋπολογιστές που αποτελούνται από μικροεπεξεργαστές. Στην πραγματικότητα, αυτή είναι μια τεχνική εργασίας, καταρχήν ικανή να εκτελέσει ορισμένες λειτουργίες ή εντολές στο πλαίσιο ενός δεδομένου αλγορίθμου. Όπως σημειώνεται στο εγχειρίδιο για την τεχνολογία μικροεπεξεργαστών από τον S. N. Liventsov, ένας μικροελεγκτής πρέπει να νοείται ως ένας υπολογιστής που επικεντρώνεται στην εκτέλεση λογικών λειτουργιών ως μέρος του ελέγχου εξοπλισμού. Βασίζεται στα ίδια σχήματα, αλλά με περιορισμένο υπολογιστικό πόρο. Το καθήκον του μικροελεγκτή σε μεγαλύτερο βαθμό είναι να εφαρμόζει υπεύθυνες, αλλά απλές διαδικασίες χωρίς πολύπλοκα κυκλώματα. Ωστόσο, τέτοιες συσκευές δεν μπορούν να ονομαστούν ούτε τεχνολογικά πρωτόγονες, καθώς στις σύγχρονες βιομηχανίες οι μικροελεγκτές μπορούν να ελέγχουν ταυτόχρονα εκατοντάδες ή ακόμη και χιλιάδες λειτουργίες ταυτόχρονα, λαμβάνοντας υπόψη τις έμμεσες παραμέτρους της εκτέλεσής τους. Γενικά, η λογική δομή του μικροελεγκτή έχει σχεδιαστεί με γνώμονα την ισχύ, την ευελιξία και την αξιοπιστία.
Αρχιτεκτονική
Οι προγραμματιστές συσκευών μικροεπεξεργαστή ασχολούνται με ένα σύνολολειτουργικά στοιχεία, τα οποία τελικά σχηματίζουν ένα ενιαίο συγκρότημα εργασίας. Ακόμη και ένα απλό μοντέλο μικροϋπολογιστή προβλέπει τη χρήση ορισμένων στοιχείων που διασφαλίζουν την εκπλήρωση των εργασιών που έχουν ανατεθεί στο μηχάνημα. Ο τρόπος αλληλεπίδρασης μεταξύ αυτών των στοιχείων, καθώς και τα μέσα επικοινωνίας με τα σήματα εισόδου και εξόδου, καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την αρχιτεκτονική του μικροεπεξεργαστή. Όσο για την ίδια την έννοια της αρχιτεκτονικής, εκφράζεται με διαφορετικούς ορισμούς. Αυτό μπορεί να είναι ένα σύνολο τεχνικών, φυσικών και λειτουργικών παραμέτρων, συμπεριλαμβανομένου του αριθμού των καταχωρητών μνήμης, του βάθους bit, της ταχύτητας και ούτω καθεξής. Αλλά, σύμφωνα με τα θεωρητικά θεμέλια της τεχνολογίας μικροεπεξεργαστών, η αρχιτεκτονική σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει να γίνει κατανοητή ως η λογική οργάνωση των λειτουργιών που υλοποιούνται στη διαδικασία της διασυνδεδεμένης λειτουργίας πλήρωσης υλικού και λογισμικού. Πιο συγκεκριμένα, η αρχιτεκτονική του μικροεπεξεργαστή αντικατοπτρίζει τα εξής:
- Το σύνολο των φυσικών στοιχείων που σχηματίζουν έναν μικροεπεξεργαστή, καθώς και οι συνδέσεις μεταξύ των λειτουργικών μπλοκ του.
- Μορφές και τρόποι παροχής πληροφοριών.
- Κανάλια για πρόσβαση σε μονάδες δομής που είναι διαθέσιμα για χρήση με παραμέτρους για περαιτέρω χρήση.
- Λειτουργίες που μπορεί να εκτελέσει ένας συγκεκριμένος μικροεπεξεργαστής.
- Χαρακτηριστικά των εντολών ελέγχου που δημιουργεί ή λαμβάνει η συσκευή.
- Αντιδράσεις σε σήματα από έξω.
Εξωτερικές διεπαφές
Ο μικροεπεξεργαστής σπάνια θεωρείται ως απομονωμένο σύστημα γιαεκτέλεση μονολεκτικών εντολών σε στατική μορφή. Υπάρχουν συσκευές που επεξεργάζονται ένα σήμα σύμφωνα με ένα δεδομένο σχήμα, αλλά τις περισσότερες φορές η τεχνολογία μικροεπεξεργαστή λειτουργεί με μεγάλο αριθμό συνδέσεων επικοινωνίας από πηγές που οι ίδιες δεν είναι γραμμικές όσον αφορά τις επεξεργασμένες εντολές. Για την οργάνωση της αλληλεπίδρασης με εξοπλισμό τρίτων και πηγές δεδομένων, παρέχονται ειδικές μορφές σύνδεσης - διεπαφές. Αλλά πρώτα πρέπει να προσδιορίσετε με τι ακριβώς επικοινωνείτε. Κατά κανόνα, οι ελεγχόμενες συσκευές ενεργούν με αυτήν την ιδιότητα, δηλαδή, τους αποστέλλεται μια εντολή από τον μικροεπεξεργαστή και στη λειτουργία ανάδρασης, μπορούν να ληφθούν δεδομένα σχετικά με την κατάσταση του εκτελεστικού οργάνου.
Όσον αφορά τις εξωτερικές διεπαφές, χρησιμεύουν όχι μόνο για τη δυνατότητα αλληλεπίδρασης ενός συγκεκριμένου εκτελεστικού μηχανισμού, αλλά και για την ενσωμάτωσή του στη δομή του συγκροτήματος ελέγχου. Όσον αφορά την πολύπλοκη τεχνολογία υπολογιστών και μικροεπεξεργαστών, αυτό μπορεί να είναι ένα ολόκληρο σύνολο εργαλείων υλικού και λογισμικού που σχετίζονται στενά με τον ελεγκτή. Επιπλέον, οι μικροελεγκτές συνδυάζουν συχνά τις λειτουργίες της επεξεργασίας και της έκδοσης εντολών με τις εργασίες παροχής επικοινωνίας μεταξύ μικροεπεξεργαστών και εξωτερικών συσκευών.
Προδιαγραφές μικροεπεξεργαστή
Τα κύρια χαρακτηριστικά των συσκευών μικροεπεξεργαστή περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:
- Συχνότητα ρολογιού. Χρονική περίοδος κατά την οποία γίνεται εναλλαγή των στοιχείων του υπολογιστή.
- Πλάτος. Ο αριθμός των μέγιστων δυνατών για ταυτόχρονη επεξεργασία του δυαδικούψηφία.
- Αρχιτεκτονική. Διαμόρφωση τοποθέτησης και τρόποι αλληλεπίδρασης των στοιχείων εργασίας του μικροεπεξεργαστή.
Η φύση της επιχειρησιακής διαδικασίας μπορεί επίσης να κριθεί με βάση τα κριτήρια κανονικότητας με την κύρια. Στην πρώτη περίπτωση, μιλάμε για το πώς εφαρμόζουμε την αρχή της τακτικής επαναληψιμότητας σε μια συγκεκριμένη μονάδα τεχνολογίας μικροεπεξεργαστή υπολογιστών. Με άλλα λόγια, ποιο είναι το υπό όρους ποσοστό συνδέσμων και στοιχείων εργασίας που αντιγράφουν το ένα το άλλο. Η κανονικότητα μπορεί να εφαρμοστεί γενικά στη δομή της οργάνωσης σχήματος εντός του ίδιου συστήματος επεξεργασίας δεδομένων.
Το Backbone υποδεικνύει τη μέθοδο ανταλλαγής δεδομένων μεταξύ των εσωτερικών μονάδων του συστήματος, επηρεάζοντας επίσης τη φύση της σειράς των συνδέσμων. Συνδυάζοντας τις αρχές της ραχοκοκαλιάς και της κανονικότητας, είναι δυνατό να αναπτυχθεί μια στρατηγική για τη δημιουργία μικροεπεξεργαστών ενοποιημένων σε ένα συγκεκριμένο πρότυπο. Αυτή η προσέγγιση έχει το πλεονέκτημα ότι διευκολύνει την οργάνωση της επικοινωνίας σε διαφορετικά επίπεδα όσον αφορά την αλληλεπίδραση μέσω διεπαφών. Από την άλλη πλευρά, η τυποποίηση δεν επιτρέπει την επέκταση των δυνατοτήτων του συστήματος και την αύξηση της αντοχής του σε εξωτερικά φορτία.
Μνήμη στην τεχνολογία μικροεπεξεργαστή
Η αποθήκευση πληροφοριών οργανώνεται με τη βοήθεια ειδικών συσκευών αποθήκευσης κατασκευασμένων από ημιαγωγούς. Αυτό ισχύει για την εσωτερική μνήμη, αλλά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν εξωτερικά οπτικά και μαγνητικά μέσα. Επίσης, στοιχεία αποθήκευσης δεδομένων που βασίζονται σε υλικά ημιαγωγών μπορούν να αναπαρασταθούν ως ολοκληρωμένα κυκλώματα, τα οποίαπεριλαμβάνονται στον μικροεπεξεργαστή. Τέτοια κελιά μνήμης χρησιμοποιούνται όχι μόνο για την αποθήκευση προγραμμάτων, αλλά και για την εξυπηρέτηση της μνήμης του κεντρικού επεξεργαστή με ελεγκτές.
Αν ρίξουμε μια πιο βαθιά ματιά στη δομική βάση των συσκευών αποθήκευσης, τότε κυκλώματα από μέταλλο, διηλεκτρικό και ημιαγωγό πυριτίου θα έρθουν στο προσκήνιο. Ως διηλεκτρικά χρησιμοποιούνται εξαρτήματα μετάλλου, οξειδίου και ημιαγωγών. Το επίπεδο ενοποίησης της συσκευής αποθήκευσης καθορίζεται από τους στόχους και τα χαρακτηριστικά του υλικού. Στην τεχνολογία ψηφιακού μικροεπεξεργαστή με την παροχή μιας λειτουργίας μνήμης βίντεο, η θόρυβος, η σταθερότητα, η ταχύτητα κ.λπ. προστίθενται επίσης στις καθολικές απαιτήσεις για αξιόπιστη ενσωμάτωση και συμμόρφωση με ηλεκτρικές παραμέτρους. Τα διπολικά ψηφιακά μικροκυκλώματα είναι η βέλτιστη λύση όσον αφορά τα κριτήρια απόδοσης και την ευελιξία ενσωμάτωσης, η οποία, ανάλογα με τις τρέχουσες εργασίες, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως ενεργοποίηση, επεξεργαστής ή μετατροπέας.
Λειτουργίες
Το εύρος των λειτουργιών βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στις εργασίες που θα επιλύσει ο μικροεπεξεργαστής σε μια συγκεκριμένη διαδικασία. Το καθολικό σύνολο συναρτήσεων σε μια γενικευμένη έκδοση μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:
- Ανάγνωση δεδομένων.
- Επεξεργασία δεδομένων.
- Ανταλλαγή πληροφοριών με εσωτερική μνήμη, μονάδες ή εξωτερικές συνδεδεμένες συσκευές.
- Εγγραφή δεδομένων.
- Είσοδος και έξοδος δεδομένων.
Η σημασία καθενός από τα παραπάνωοι λειτουργίες καθορίζονται από το πλαίσιο του συνολικού συστήματος στο οποίο χρησιμοποιείται η συσκευή. Για παράδειγμα, στο πλαίσιο των αριθμητικών-λογικών πράξεων, η ηλεκτρονική και η τεχνολογία μικροεπεξεργαστή, ως αποτέλεσμα της επεξεργασίας πληροφοριών εισόδου, μπορούν να παρουσιάσουν νέες πληροφορίες, οι οποίες, με τη σειρά τους, θα γίνουν ο λόγος για το ένα ή το άλλο σήμα εντολής. Αξίζει επίσης να σημειωθεί η εσωτερική λειτουργικότητα, λόγω της οποίας ρυθμίζονται οι παράμετροι λειτουργίας του ίδιου του επεξεργαστή, του ελεγκτή, του τροφοδοτικού, των ενεργοποιητών και άλλων μονάδων που λειτουργούν εντός του συστήματος ελέγχου.
Κατασκευαστές συσκευών
Η απαρχή της δημιουργίας συσκευών μικροεπεξεργαστή ήταν οι μηχανικοί της Intel που κυκλοφόρησαν μια ολόκληρη σειρά μικροελεγκτών 8-bit βασισμένων στην πλατφόρμα MCS-51, οι οποίοι χρησιμοποιούνται ακόμη σε ορισμένες περιοχές σήμερα. Επίσης, πολλοί άλλοι κατασκευαστές χρησιμοποίησαν την οικογένεια x51 για τα δικά τους έργα ως μέρος της ανάπτυξης νέων γενιών ηλεκτρονικών και τεχνολογίας μικροεπεξεργαστή, μεταξύ των εκπροσώπων των οποίων είναι εγχώριες εξελίξεις όπως ο υπολογιστής με ένα τσιπ K1816BE51.
Έχοντας εισέλθει στην κατηγορία των πιο περίπλοκων επεξεργαστών, η Intel έδωσε τη θέση της στους μικροελεγκτές σε άλλες εταιρείες, συμπεριλαμβανομένων των Analog Device και Atmel. Οι Zilog, Microchip, NEC και άλλοι προσφέρουν μια θεμελιωδώς νέα ματιά στην αρχιτεκτονική των μικροεπεξεργαστών. Σήμερα, στο πλαίσιο της ανάπτυξης της τεχνολογίας μικροεπεξεργαστών, οι γραμμές x51, AVR και PIC μπορούν να θεωρηθούν οι πιο επιτυχημένες. Αν μιλάμε για αναπτυξιακές τάσεις, τότε αυτές τις μέρες το πρώτοο χώρος αντικαθίσταται από απαιτήσεις για επέκταση του εύρους εργασιών εσωτερικού ελέγχου, συμπαγή και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Με άλλα λόγια, οι μικροελεγκτές γίνονται όλο και πιο έξυπνοι όσον αφορά τη συντήρηση, αλλά ταυτόχρονα αυξάνουν το δυναμικό ισχύος τους.
Συντήρηση εξοπλισμού που βασίζεται σε μικροεπεξεργαστή
Σύμφωνα με τους κανονισμούς, τα συστήματα μικροεπεξεργαστών εξυπηρετούνται από ομάδες εργαζομένων με επικεφαλής έναν ηλεκτρολόγο. Οι κύριες εργασίες συντήρησης σε αυτόν τον τομέα περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:
- Διόρθωση αστοχιών στη διαδικασία λειτουργίας του συστήματος και ανάλυσή τους για τον προσδιορισμό των αιτιών της παραβίασης.
- Αποτρέψτε αστοχίες συσκευής και εξαρτημάτων μέσω της εκχωρημένης προγραμματισμένης συντήρησης.
- Επισκευάστε βλάβες συσκευής επισκευάζοντας κατεστραμμένα εξαρτήματα ή αντικαθιστώντας τα με παρόμοια εξαρτήματα που μπορούν να επισκευαστούν.
- Παραγωγή έγκαιρης επισκευής εξαρτημάτων συστήματος.
Η άμεση συντήρηση της τεχνολογίας μικροεπεξεργαστή μπορεί να είναι πολύπλοκη ή ασήμαντη. Στην πρώτη περίπτωση, συνδυάζεται μια λίστα τεχνικών λειτουργιών, ανεξάρτητα από την ένταση εργασίας και το επίπεδο πολυπλοκότητάς τους. Με μια προσέγγιση μικρής κλίμακας, δίνεται έμφαση στην εξατομίκευση κάθε λειτουργίας, δηλαδή οι επιμέρους ενέργειες επισκευής ή συντήρησης εκτελούνται σε απομονωμένη μορφή από την πλευρά του οργανισμού σύμφωνα με τον τεχνολογικό χάρτη. Τα μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου συνδέονται με το υψηλό κόστος ροής εργασιών, το οποίο μπορεί να μην δικαιολογείται οικονομικά σε ένα σύστημα μεγάλης κλίμακας. Από την άλλη, μικρής κλίμακας υπηρεσίαβελτιώνει την ποιότητα της τεχνικής υποστήριξης του εξοπλισμού, ελαχιστοποιώντας τον κίνδυνο περαιτέρω αστοχίας του μαζί με μεμονωμένα εξαρτήματα.
Χρήση τεχνολογίας μικροεπεξεργαστή
Πριν από την ευρεία εισαγωγή των μικροεπεξεργαστών σε διάφορους τομείς της βιομηχανίας, της εγχώριας και εθνικής οικονομίας, υπάρχουν όλο και λιγότερα εμπόδια. Αυτό οφείλεται και πάλι στη βελτιστοποίηση αυτών των συσκευών, στη μείωση του κόστους τους και στην αυξανόμενη ανάγκη για στοιχεία αυτοματισμού. Μερικές από τις πιο κοινές χρήσεις για αυτές τις συσκευές περιλαμβάνουν:
- Βιομηχανία. Οι μικροεπεξεργαστές χρησιμοποιούνται στη διαχείριση εργασιών, στο συντονισμό μηχανών, στα συστήματα ελέγχου και στη συλλογή απόδοσης παραγωγής.
- Εμπόριο. Σε αυτόν τον τομέα, η λειτουργία της τεχνολογίας μικροεπεξεργαστή συνδέεται όχι μόνο με υπολογιστικές λειτουργίες, αλλά και με τη διατήρηση μοντέλων logistics στη διαχείριση αγαθών, αποθεμάτων και ροών πληροφοριών.
- Συστήματα ασφαλείας. Η ηλεκτρονική σε σύγχρονα συγκροτήματα ασφαλείας και συναγερμού θέτει υψηλές απαιτήσεις για αυτοματισμό και έξυπνο έλεγχο, που μας επιτρέπει να παρέχουμε μικροεπεξεργαστές νέων γενεών.
- Επικοινωνία. Φυσικά, οι τεχνολογίες επικοινωνίας δεν μπορούν να κάνουν χωρίς προγραμματιζόμενους ελεγκτές που εξυπηρετούν πολυπλέκτες, απομακρυσμένα τερματικά και κυκλώματα μεταγωγής.
Λίγα λόγια εν κατακλείδι
Ένα ευρύ κοινό καταναλωτών δεν μπορεί να φανταστεί πλήρως ούτε το σημερινόδυνατότητες της τεχνολογίας μικροεπεξεργαστών, αλλά οι κατασκευαστές δεν μένουν στάσιμοι και ήδη εξετάζουν υποσχόμενες κατευθύνσεις για την ανάπτυξη αυτών των προϊόντων. Για παράδειγμα, ο κανόνας της βιομηχανίας υπολογιστών εξακολουθεί να διατηρείται καλά, σύμφωνα με τον οποίο κάθε δύο χρόνια ο αριθμός των τρανζίστορ στα κυκλώματα των επεξεργαστών θα μειώνεται. Αλλά οι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές μπορούν να καυχηθούν όχι μόνο για δομική βελτιστοποίηση. Οι ειδικοί προβλέπουν επίσης πολλές καινοτομίες όσον αφορά την οργάνωση νέων κυκλωμάτων, που θα διευκολύνουν την τεχνολογική προσέγγιση για την ανάπτυξη επεξεργαστών και θα μειώσουν το βασικό κόστος τους.
