Mikroprosessori on useiden vuosikymmenten kehitystyön aikana kulkenut pitkän matkan erittäin erikoistuneiden alueiden käyttökohteesta laajasti hyödynnettäväksi tuotteeksi. Nykyään näitä laitteita, yhdessä ohjaimien kanssa, käytetään muodossa tai toisessa lähes kaikilla tuotantoalueilla. Laajassa mielessä mikroprosessoriteknologia tarjoaa ohjaus- ja automaatioprosesseja, mutta tässä suunnassa muodostuu ja hyväksytään uusia alueita huipputeknisten laitteiden kehittämiselle aina tekoälyn merkkien ilmaantumiseen asti.
Yleinen ymmärrys mikroprosessoreista
Tiettyjen prosessien hallinta vaatii asianmukaista ohjelmistotukea todellisella teknisellä pohjalla. Tässä ominaisuudessa yksi tai joukko siruja perusmatriisikiteillä toimii. Käytännön tarpeisiin käytetään lähes aina piirisarjamoduuleja, eli piirisarjoja, jotka on yhdistetty yhteisellä sähköjärjestelmällä,signaalit, tiedonkäsittelymuodot ja niin edelleen. Tieteellisessä tulkinnassa, kuten mikroprosessoriteknologian teoreettisissa perusteissa todetaan, tällaiset laitteet ovat paikka (päämuisti) operandien ja komentojen tallentamiseen koodatussa muodossa. Suora ohjaus toteutetaan korkeammalla tasolla, mutta myös mikroprosessoriintegroitujen piirien kautta. Tähän käytetään ohjaimia.
Ohjaimista voidaan puhua vain suhteessa mikrotietokoneisiin tai mikroprosessoreista koostuviin mikrotietokoneisiin. Itse asiassa tämä on työtekniikka, joka periaatteessa pystyy suorittamaan tiettyjä toimintoja tai komentoja tietyn algoritmin puitteissa. Kuten S. N. Liventsovin mikroprosessoriteknologian oppikirjassa todetaan, mikro-ohjain tulee ymmärtää tietokoneena, joka keskittyy suorittamaan loogisia toimintoja osana laitteiden ohjausta. Se perustuu samoihin skeemoihin, mutta rajoitetulla laskentaresurssilla. Mikrokontrollerin tehtävänä on suuremmassa määrin toteuttaa vastuullisia, mutta yksinkertaisia menettelyjä ilman monimutkaisia piirejä. Tällaisia laitteita ei kuitenkaan voida kutsua myöskään teknisesti primitiivisiksi, koska nykyaikaisilla teollisuudenaloilla mikro-ohjaimet voivat ohjata samanaikaisesti satoja ja jopa tuhansia toimintoja samanaikaisesti ottaen huomioon niiden suorituksen epäsuorat parametrit. Yleisesti ottaen mikro-ohjaimen looginen rakenne on suunniteltu tehoa, monipuolisuutta ja luotettavuutta ajatellen.
Arkkitehtuuri
Mikroprosessorilaitteiden kehittäjät käsittelevät sarjaatoiminnallisia komponentteja, jotka lopulta muodostavat yhden toimivan kokonaisuuden. Jopa yksinkertainen mikrotietokonemalli mahdollistaa useiden elementtien käytön, jotka varmistavat koneelle annettujen tehtävien suorittamisen. Näiden komponenttien välinen vuorovaikutus sekä tulo- ja lähtösignaalien viestintätavat määräävät suurelta osin mikroprosessorin arkkitehtuurin. Mitä tulee itse arkkitehtuurin käsitteeseen, se ilmaistaan erilaisissa määritelmissä. Tämä voi olla joukko teknisiä, fyysisiä ja toiminnallisia parametreja, mukaan lukien muistirekisterien lukumäärä, bittisyvyys, nopeus ja niin edelleen. Mutta mikroprosessoritekniikan teoreettisten perusteiden mukaisesti arkkitehtuuri tulisi tässä tapauksessa ymmärtää toimintojen loogisena organisointina, joka on toteutettu laitteiston ja ohjelmiston täytön yhteenkytketyn toiminnan prosessissa. Tarkemmin sanottuna mikroprosessorin arkkitehtuuri kuvastaa seuraavaa:
- Joukko fyysisiä elementtejä, jotka muodostavat mikroprosessorin, sekä sen toiminnallisten lohkojen väliset yhteydet.
- Tiedon muodot ja tavat.
- Kanavat rakennemoduuleihin pääsyä varten käytettävissä parametrien kanssa niiden myöhempää käyttöä varten.
- Toiminnot, joita tietty mikroprosessori voi suorittaa.
- Laitteen luomien tai vastaanottamien ohjauskomentojen ominaisuudet.
- Reaktiot ulkopuolelta tuleviin signaaleihin.
Ulkoiset liitännät
Mikroprosessoria nähdään harvoin erillisenä järjestelmänäyhden sanan komentojen suorittaminen staattisessa muodossa. On laitteita, jotka käsittelevät yhtä signaalia tietyn kaavion mukaisesti, mutta useimmiten mikroprosessoritekniikka toimii suurella määrällä viestintälinkkejä lähteistä, jotka eivät itse ole lineaarisia käsiteltyjen komentojen suhteen. Vuorovaikutuksen järjestämiseksi kolmannen osapuolen laitteiden ja tietolähteiden kanssa tarjotaan erityisiä yhteysmuotoja - rajapintoja. Mutta ensin sinun on määritettävä, minkä kanssa kommunikoidaan. Ohjatut laitteet toimivat pääsääntöisesti tässä ominaisuudessa, eli niille lähetetään komento mikroprosessorilta ja palautetilassa voidaan vastaanottaa tietoa toimeenpanoelimen tilasta.
Ulkoisten rajapintojen os alta ne eivät palvele vain tietyn toimeenpanomekanismin vuorovaikutuksen mahdollisuutta, vaan myös sen integroimista ohjauskompleksin rakenteeseen. Mitä tulee monimutkaiseen tietokone- ja mikroprosessoriteknologiaan, tämä voi olla koko joukko ohjaimeen läheisesti liittyviä laitteisto- ja ohjelmistotyökaluja. Lisäksi mikro-ohjaimet yhdistävät usein käsittely- ja komentojen antamisen tehtäviin mikroprosessorien ja ulkoisten laitteiden välisen viestinnän tarjoamiseen.
Mikroprosessorin tekniset tiedot
Mikroprosessorilaitteiden pääominaisuuksia ovat seuraavat:
- Kellotaajuus. Aikajakso, jonka aikana tietokoneen osia vaihdetaan.
- Leveys. Suurin mahdollinen määrä binäärien samanaikaiseen käsittelyynnumeroa.
- Arkkitehtuuri. Mikroprosessorin työelementtien sijoituskonfiguraatio ja vuorovaikutustavat.
Toimintaprosessin luonne voidaan arvioida myös säännöllisyyden kriteereillä pääasiallisen kanssa. Ensimmäisessä tapauksessa puhumme siitä, kuinka toteutamme säännöllisen toistettavuuden periaatetta tietyssä tietokoneen mikroprosessoriteknologian yksikössä. Toisin sanoen, mikä on toisiaan kopioivien linkkien ja työkohteiden ehdollinen prosenttiosuus. Säännöllisyyttä voidaan soveltaa yleisesti skeeman organisaation rakenteeseen saman tietojenkäsittelyjärjestelmän sisällä.
Backbone ilmaisee tiedonvaihtotavan järjestelmän sisäisten moduulien välillä, mikä vaikuttaa myös linkkien järjestyksen luonteeseen. Yhdistämällä rungon ja säännönmukaisuuden periaatteet on mahdollista kehittää strategia tiettyyn standardiin yhtenäisten mikroprosessorien luomiseksi. Tämän lähestymistavan etuna on se, että se mahdollistaa viestinnän organisoinnin eri tasoilla rajapintojen kautta tapahtuvan vuorovaikutuksen kann alta. Toisa alta standardisointi ei salli järjestelmän ominaisuuksien laajentamista ja sen vastustuskyvyn lisäämistä ulkoisille kuormituksille.
Muisti mikroprosessoritekniikassa
Tiedon tallennus on järjestetty puolijohteista valmistettujen erityisten tallennuslaitteiden avulla. Tämä koskee sisäistä muistia, mutta myös ulkoisia optisia ja magneettisia tietovälineitä voidaan käyttää. Myös puolijohdemateriaaliin pohjautuvat tiedontallennuselementit voidaan esittää integroituina piireinä, jotkamukana mikroprosessorissa. Tällaisia muistisoluja ei käytetä vain ohjelmien tallentamiseen, vaan myös keskusprosessorin muistin huoltoon ohjaimilla.
Jos tarkastellaan syvällisemmin tallennuslaitteiden rakenteellista perustaa, metallista, dielektristä ja piipuolijohteesta tehdyt piirit tulevat esiin. Eristeinä käytetään metalli-, oksidi- ja puolijohdekomponentteja. Tallennuslaitteen integrointitason määräävät laitteiston tavoitteet ja ominaisuudet. Digitaalisessa mikroprosessoritekniikassa, jossa on videomuistitoiminto, kohinansieto, vakaus, nopeus ja niin edelleen lisätään myös luotettavan integroinnin ja sähköisten parametrien noudattamisen yleisiin vaatimuksiin. Bipolaariset digitaaliset mikropiirit ovat suorituskykykriteerien ja integroinnin monipuolisuuden kann alta optimaalinen ratkaisu, jota voidaan nykyisten tehtävien mukaan käyttää myös liipaisimena, prosessorina tai invertterina.
Toiminnot
Toimintovalikoima perustuu suurelta osin tehtäviin, jotka mikroprosessori ratkaisee tietyssä prosessissa. Universaali funktioiden joukko yleistetyssä versiossa voidaan esittää seuraavasti:
- Luetaan tietoja.
- Tiedonkäsittely.
- Tietojen vaihto sisäisen muistin, moduulien tai ulkoisten liitettyjen laitteiden kanssa.
- Tallenna tiedot.
- Tietojen syöttö ja tulostus.
Jokaisen edellä mainitun merkitystoiminnot määräytyvät sen kokonaisjärjestelmän kontekstin mukaan, jossa laitetta käytetään. Esimerkiksi aritmeettis-loogisten operaatioiden puitteissa elektroniikka- ja mikroprosessoriteknologia voi syötetietojen käsittelyn seurauksena esittää uutta tietoa, joka puolestaan tulee syyksi jollekin toiselle komentosignaalille. Huomionarvoista on myös sisäinen toiminnallisuus, jonka ansiosta itse prosessorin, ohjaimen, virtalähteen, toimilaitteiden ja muiden ohjausjärjestelmässä toimivien moduulien toimintaparametreja säädellään.
Laitevalmistajat
Mikroprosessorilaitteiden luominen sai alkunsa Intelin insinööreistä, jotka julkaisivat koko sarjan 8-bittisiä MCS-51-alustaan perustuvia mikro-ohjaimia, joita käytetään edelleen joillakin alueilla. Myös monet muut valmistajat käyttivät x51-perhettä omiin projekteihinsa osana uuden sukupolven elektroniikka- ja mikroprosessoriteknologian kehitystä, jonka edustajien joukossa on kotimaisia tuotekehityksiä, kuten yksisiruinen tietokone K1816BE51.
Astuttuaan monimutkaisempien prosessorien segmenttiin Intel luovutti mikro-ohjainten tilalle muille yrityksille, mukaan lukien Analog Device ja Atmel. Zilog, Microchip, NEC ym. tarjoavat pohjimmiltaan uuden näkökulman mikroprosessoriarkkitehtuuriin. Tänään mikroprosessoriteknologian kehityksen yhteydessä x51-, AVR- ja PIC-linjoja voidaan pitää menestyneimpinä. Jos puhumme kehitystrendeistä, niin näinä päivinä ensimmäinenpaikkaa korvaavat vaatimukset sisäisen valvonnan tehtävien laajentamisesta, kompaktisuudesta ja alhaisesta virrankulutuksesta. Toisin sanoen mikro-ohjaimet ovat pienentyneet ja älykkäämpiä ylläpidon suhteen, mutta samalla lisäävät niiden tehopotentiaalia.
Mikroprosessoripohjaisten laitteiden huolto
Säännösten mukaisesti mikroprosessorijärjestelmiä huoltavat sähköasentajan johtamat työryhmät. Tärkeimmät huoltotehtävät tällä alueella ovat seuraavat:
- Järjestelmän toimintahäiriöiden korjaaminen ja niiden analysointi rikkomuksen syiden selvittämiseksi.
- Estä laite- ja komponenttiviat määrätyllä määräaikaisella huollolla.
- Korjaa laiteviat korjaamalla vaurioituneet osat tai vaihtamalla ne huollettaviin vastaaviin osiin.
- Järjestelmän komponenttien oikea-aikainen korjaus.
Mikroprosessoritekniikan suora ylläpito voi olla monimutkaista tai vähäistä. Ensimmäisessä tapauksessa teknisten toimintojen luettelo yhdistetään riippumatta niiden työvoimaintensiteetistä ja monimutkaisuudesta. Pienimuotoisella lähestymistavalla painotetaan kunkin toiminnan yksilöllistämistä, eli yksittäiset korjaus- tai huoltotoimenpiteet suoritetaan organisaation kann alta eristetyssä muodossa teknologiakartan mukaisesti. Tämän menetelmän haitat liittyvät korkeisiin työnkulkukustannuksiin, jotka eivät välttämättä ole taloudellisesti perusteltuja laajamittaisessa järjestelmässä. Toisa alta pienimuotoista palveluaparantaa laitteiden teknisen tuen laatua ja minimoi niiden uusien vikojen riskin yhdessä yksittäisten komponenttien kanssa.
Mikroprosessoritekniikan käyttö
Ennen mikroprosessorien laajaa käyttöönottoa teollisuuden, kotimaan ja kansantalouden eri aloilla on yhä vähemmän esteitä. Tämä johtuu jälleen näiden laitteiden optimoinnista, kustannusten alenemisesta ja automaatioelementtien kasvavasta tarpeesta. Jotkut näiden laitteiden yleisimmistä käyttötavoista ovat:
- Teollisuus. Mikroprosessoreita käytetään työnhallinnassa, konekoordinaatiossa, ohjausjärjestelmissä ja tuotannon suorituskyvyn keräämisessä.
- Kauppa. Tällä alueella mikroprosessoriteknologian toiminta ei liity pelkästään laskennallisiin toimintoihin, vaan myös logististen mallien ylläpitoon tavaroiden, varastojen ja tietovirtojen hallinnassa.
- Turvajärjestelmät. Nykyaikaisten turva- ja hälytyskompleksien elektroniikka asettaa korkeat vaatimukset automaatiolle ja älykkäälle ohjaukselle, minkä ansiosta voimme tarjota uusien sukupolvien mikroprosessoreja.
- Viestintä. Viestintätekniikat eivät tietenkään tule toimeen ilman ohjelmoitavia ohjaimia, jotka palvelevat multipleksereita, etäpäätteitä ja kytkentäpiirejä.
Muutama sana lopuksi
Laaja kuluttajayleisö ei voi täysin kuvitella edes tämän päivänmikroprosessoriteknologian ominaisuudet, mutta valmistajat eivät pysähdy paikoillaan ja harkitsevat jo lupaavia kehityssuuntia näiden tuotteiden kehittämiseen. Esimerkiksi tietokoneteollisuuden sääntö on edelleen hyvin ylläpidetty, jonka mukaan prosessoripiirien transistorien määrä vähenee joka toinen vuosi. Mutta nykyaikaiset mikroprosessorit voivat ylpeillä paitsi rakenteellisen optimoinnin kanssa. Asiantuntijat ennustavat myös monia innovaatioita uusien piirien organisoinnissa, mikä helpottaa teknologista lähestymistapaa prosessorien kehittämiseen ja alentaa niiden peruskustannuksia.
