За няколко десетилетия на развитие, микропроцесорът измина дълъг път от обект на приложение във високоспециализирани области до продукт с широка експлоатация. Днес, под една или друга форма, тези устройства, заедно с контролери, се използват в почти всяка област на производство. В широк смисъл, микропроцесорната технология осигурява процесите за управление и автоматизация, но в рамките на тази насока се формират и утвърждават нови области за разработване на високотехнологични устройства, до появата на признаци на изкуствен интелект.
Общо разбиране на микропроцесорите
Управлението или контролирането на определени процеси изисква подходяща софтуерна поддръжка на реална техническа основа. В това качество действа един или набор от чипове върху основни матрични кристали. За практически нужди почти винаги се използват модули за набор от чипсети, тоест чипсети, които са свързани чрез обща захранваща система,сигнали, формати за обработка на информация и т.н. В научната интерпретация, както е отбелязано в теоретичните основи на микропроцесорната технология, такива устройства са място (основна памет) за съхранение на операнди и команди в кодирана форма. Директното управление е реализирано на по-високо ниво, но и чрез микропроцесорни интегрални схеми. За това се използват контролери.
Може да се говори само за контролери във връзка с микрокомпютри или микрокомпютри, състоящи се от микропроцесори. Всъщност това е работеща техника, която по принцип може да изпълнява определени операции или команди в рамките на даден алгоритъм. Както е отбелязано в учебника по микропроцесорна техника от С. Н. Ливенцов, микроконтролерът трябва да се разбира като компютър, фокусиран върху извършването на логически операции като част от управлението на оборудването. Той е базиран на същите схеми, но с ограничен изчислителен ресурс. Задачата на микроконтролера в по-голяма степен е да изпълнява отговорни, но прости процедури без сложни схеми. Такива устройства обаче не могат да се нарекат и технологично примитивни, тъй като в съвременните индустрии микроконтролерите могат едновременно да управляват стотици и дори хиляди операции едновременно, като се вземат предвид косвените параметри на тяхното изпълнение. Като цяло, логическата структура на микроконтролера е проектирана с мисъл за мощност, гъвкавост и надеждност.
Архитектура
Разработчиците на микропроцесорни устройства се занимават с наборфункционални компоненти, които в крайна сметка образуват единен работен комплекс. Дори обикновен модел на микрокомпютър предвижда използването на редица елементи, които осигуряват изпълнението на задачите, възложени на машината. Начинът на взаимодействие между тези компоненти, както и средствата за комуникация с входните и изходните сигнали до голяма степен определят архитектурата на микропроцесора. Що се отнася до самото понятие архитектура, то се изразява в различни определения. Това може да бъде набор от технически, физически и оперативни параметри, включително броя на регистрите на паметта, битовата дълбочина, скоростта и т.н. Но в съответствие с теоретичните основи на микропроцесорната технология, архитектурата в този случай трябва да се разбира като логическа организация на функциите, реализирани в процеса на взаимосвързана работа на хардуер и софтуер. По-конкретно, микропроцесорната архитектура отразява следното:
- Наборът от физически елементи, които образуват микропроцесор, както и връзките между неговите функционални блокове.
- Формати и начини за предоставяне на информация.
- Канали за достъп до структурни модули, налични за използване с параметри за тяхното по-нататъшно използване.
- Операции, които даден микропроцесор може да изпълнява.
- Характеристики на командите за управление, които устройството генерира или получава.
- Реакции на сигнали отвън.
Външни интерфейси
Микропроцесорът рядко се разглежда като изолирана система заизпълнение на команди с една дума в статичен формат. Има устройства, които обработват един сигнал по дадена схема, но най-често микропроцесорната технология работи с голям брой комуникационни връзки от източници, които сами по себе си не са линейни по отношение на обработваните команди. За организиране на взаимодействие с оборудване и източници на данни на трети страни се предоставят специални формати за връзка - интерфейси. Но първо трябва да определите с какво точно се комуникира. По правило управляваните устройства действат в това качество, тоест към тях се изпраща команда от микропроцесора, а в режим на обратна връзка могат да се получават данни за състоянието на изпълнителния орган.
Що се отнася до външните интерфейси, те служат не само за възможността за взаимодействие на определен изпълнителен механизъм, но и за интегрирането му в структурата на контролния комплекс. По отношение на сложната компютърна и микропроцесорна технология, това може да бъде цял набор от хардуерни и софтуерни инструменти, тясно свързани с контролера. Освен това микроконтролерите често комбинират функциите за обработка и издаване на команди със задачите за осигуряване на комуникация между микропроцесорите и външните устройства.
Спецификации на микропроцесора
Основните характеристики на микропроцесорните устройства включват следното:
- Честота на часовника. Период от време, през който компютърните компоненти се превключват.
- Ширина. Броят на максимално възможния за едновременна обработка на двоичен файлцифри.
- Архитектура. Конфигурация на разположение и начини на взаимодействие на работните елементи на микропроцесора.
За характера на оперативния процес може да се съди и по критериите за редовност с главния. В първия случай говорим за това как внедряваме принципа на редовна повторяемост в определена единица на компютърната микропроцесорна технология. С други думи, какъв е условният процент връзки и работни елементи, които се дублират взаимно. Правилността може да се приложи като цяло към структурата на организацията на схемата в рамките на същата система за обработка на данни.
Backbone указва метода на обмен на данни между вътрешните модули на системата, като също така влияе върху естеството на подреждането на връзките. Комбинирайки принципите на гръбнака и редовността, е възможно да се разработи стратегия за създаване на микропроцесори, унифицирани до определен стандарт. Този подход има предимството да улеснява организацията на комуникацията на различни нива по отношение на взаимодействието чрез интерфейси. От друга страна, стандартизацията не позволява разширяване на възможностите на системата и повишаване на нейната устойчивост на външни натоварвания.
Памет в микропроцесорната технология
Съхранението на информация се организира с помощта на специални устройства за съхранение, изработени от полупроводници. Това важи за вътрешната памет, но могат да се използват и външни оптични и магнитни носители. Също така елементите за съхранение на данни на базата на полупроводникови материали могат да бъдат представени като интегрални схеми, коитовключени в микропроцесора. Такива клетки на паметта се използват не само за съхранение на програми, но и за обслужване на паметта на централния процесор с контролери.
Ако разгледаме по-задълбочено структурната основа на устройствата за съхранение, тогава вериги, изработени от метал, диелектрик и силициев полупроводник, ще излязат на преден план. Като диелектрици се използват метални, оксидни и полупроводникови компоненти. Нивото на интеграция на устройството за съхранение се определя от целите и характеристиките на хардуера. В цифровата микропроцесорна технология с осигуряване на функция за видеопамет, устойчивост на шум, стабилност, скорост и т.н. също се добавят към универсалните изисквания за надеждна интеграция и съответствие с електрическите параметри. Биполярните цифрови микросхеми са оптималното решение по отношение на критериите за производителност и гъвкавостта на интеграцията, които в зависимост от текущите задачи могат да се използват и като тригер, процесор или инвертор.
Функции
Обхватът от функции до голяма степен се основава на задачите, които микропроцесорът ще реши в рамките на конкретен процес. Универсалният набор от функции в обобщена версия може да бъде представен по следния начин:
- Четене на данни.
- Обработка на данни.
- Обмен на информация с вътрешна памет, модули или външни свързани устройства.
- Запис на данни.
- Въвеждане и извеждане на данни.
Значението на всяко от горнитеоперациите се определя от контекста на цялостната система, в която се използва устройството. Например, в рамките на аритметико-логическите операции електронната и микропроцесорната технология в резултат на обработка на входната информация може да представи нова информация, която от своя страна ще стане причина за един или друг команден сигнал. Заслужава да се отбележи и вътрешната функционалност, поради която се регулират работните параметри на самия процесор, контролер, захранване, задвижващи механизми и други модули, работещи в системата за управление.
Производители на устройства
Произходът на създаването на микропроцесорни устройства са инженерите на Intel, които пуснаха цяла линия от 8-битови микроконтролери, базирани на платформата MCS-51, които все още се използват в някои области днес. Също така много други производители използваха семейството x51 за свои собствени проекти като част от развитието на нови поколения електроника и микропроцесорна технология, сред представителите на които са местни разработки като едночиповия компютър K1816BE51.
Навлизайки в сегмента на по-сложните процесори, Intel отстъпи място на микроконтролерите на други компании, включително Analog Device и Atmel. Zilog, Microchip, NEC и други предлагат принципно нов поглед върху микропроцесорната архитектура. Днес, в контекста на развитието на микропроцесорната технология, линиите x51, AVR и PIC могат да се считат за най-успешни. Ако говорим за тенденции на развитие, то тези дни първимястото се заменя с изисквания за разширяване на спектъра от задачи за вътрешен контрол, компактност и ниска консумация на енергия. С други думи, микроконтролерите стават все по-малки и по-умни по отношение на поддръжката, но в същото време увеличават своя потенциал за мощност.
Поддръжка на базирано на микропроцесор оборудване
Съгласно разпоредбите, микропроцесорните системи се обслужват от екипи от работници, водени от електротехник. Основните задачи за поддръжка в тази област включват следното:
- Отстраняване на неизправности в процеса на работа на системата и техният анализ за установяване на причините за нарушението.
- Предотвратяване на повреди на устройства и компоненти чрез назначена планирана поддръжка.
- Поправете неизправности на устройството, като поправите повредени части или ги замените с ремонтируеми подобни части.
- Производство на навременен ремонт на компонентите на системата.
Директната поддръжка на микропроцесорната технология може да бъде сложна или незначителна. В първия случай се комбинира списък с технически операции, независимо от тяхната интензивност на труда и ниво на сложност. При маломащабния подход акцентът е върху индивидуализацията на всяка операция, тоест индивидуалните ремонтни или поддържащи действия се извършват в изолиран формат от гледна точка на организацията в съответствие с технологичната карта. Недостатъците на този метод са свързани с високи разходи за работния процес, които може да не са икономически оправдани в рамките на широкомащабна система. От друга страна, дребномащабна услугаподобрява качеството на техническата поддръжка на оборудването, свеждайки до минимум риска от по-нататъшната му повреда заедно с отделните компоненти.
Използване на микропроцесорна технология
Преди широкото навлизане на микропроцесорите в различни области на индустрията, домашната и националната икономика има все по-малко бариери. Това отново се дължи на оптимизацията на тези устройства, намаляването им на разходите и нарастващата нужда от елементи за автоматизация. Някои от най-честите употреби на тези устройства включват:
- Индустрия. Микропроцесорите се използват в управлението на работата, координацията на машината, системите за управление и събирането на производствените резултати.
- Търгуване. В тази област работата на микропроцесорната технология е свързана не само с изчислителни операции, но и с поддържането на логистични модели при управлението на стоки, запаси и информационни потоци.
- Системи за сигурност. Електрониката в съвременните охранителни и алармени комплекси поставя високи изисквания за автоматизация и интелигентно управление, което ни позволява да предоставяме микропроцесори от нови поколения.
- Комуникация. Разбира се, комуникационните технологии не могат без програмируеми контролери, обслужващи мултиплексори, отдалечени терминали и комутационни вериги.
Няколко думи в заключение
Широка аудитория от потребители не може напълно да си представи дори днешнатавъзможности на микропроцесорната технология, но производителите не стоят на едно място и вече обмислят обещаващи насоки за развитието на тези продукти. Например, правилото в компютърната индустрия все още се поддържа добре, според което на всеки две години броят на транзисторите в процесорните вериги ще намалява. Но съвременните микропроцесори могат да се похвалят не само със структурна оптимизация. Експертите също така предвиждат много иновации по отношение на организацията на нови схеми, които ще улеснят технологичния подход към разработването на процесори и ще намалят базовата им цена.
