Мікропроцесорна техніка: характеристики, функції та застосування

Мікропроцесорна техніка: характеристики, функції та застосування

За кілька десятків років розвитку мікропроцесор виконав шлях від об 'єкта застосування у вузькоспеціалізованих областях до товару широкої експлуатації. Сьогодні в тому чи іншому вигляді дані пристрої 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 все нові області розвитку високотехнологічних пристроїв аж до появи ознак штучного інтелекту.

Загальне уявлення про мікропроцесорів

Для управління або контролю певними процесами потрібна відповідна підтримка програмного забезпечення на реальній технічній базі. В 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 харчування, сигналами, форматами інформаційної обробки тощо. У науковій інтерпретації, як наголошується в теоретичних основах 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 контролерів можна тільки стосовно мікрокомп 'ютерів або мікро-ЕВМ, що складаються з мікропроцесорів. Власне, це і є робоча техніка, в принципі здатна виконувати ті чи інші операції або команди в рамках заданого алгоритму. Як наголошується в підручнику з мікропроцесорної техніки Лівенцова С.М., 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, оскільки на сучасних виробництвах мікроконтролери можуть одночасно керувати сотнями і навіть тисячами операцій одночасно, враховуючи і непрямі параметри їх виконання. Загалом логічна структура мікроконтролера проектується з розрахунком на потужність, універсальність і надійність.

Архітектура

Розробники мікропроцесорних пристроїв мають справу з набором функціональних компонентів, які в підсумку 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 та 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 та експлуатаційних параметрів, серед яких число регістрів пам 'яті, розрядність, швидкодія і так далі. Але, відповідно до теоретичних основ мікропроцесорної техніки, під архітектурою в даному випадку слід розуміти логічну організацію функцій, що реалізуються в процесі взаємопов 'язаної роботи апаратної та програмної начинки. Більш конкретно архітектура мікропроцесора відображає наступне:

  • Сукупність фізичних елементів, які утворюють мікропроцесор, а також зв 'язки між його функціональними блоками.
  • Формати та способи надання інформації.
  • Канали звернення до доступних для використання додатків 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 дуже рідко розглядається як ізольована система для виконання односкладових команд у статичному форматі. Зустрічаються пристрої, що обробляють один сигнал за заданою схемою, але найчастіше мікропроцесорна техніка працює з великою кількістю комунікаційних зв 'язків від джерел, які і самі не є лінійними в плані оброблюваних команд. Для організації взаємодії зі сторонньою апаратурою і 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, а й для його інтеграції в структуру керуючого комплексу. Стосовно складної комп 'ютерної та 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 із 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. Кількість максимально можливих для одночасної обробки двійкових розрядів.
  • Архітектура. Налаштування розташування і способи взаємодії робочих елементів мікропроцесора.

Про характер експлуатаційного процесу можна судити і за критеріями регулярності з магістральністю. У першому випадку мова йде про те, наскільки в конкретній одиниці обчислювальної мікропроцесорної 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.

Магістральність же вказує на спосіб обміну даними між внутрішніми модулями системи, зачіпаючи також характер упорядкування зв 'язків. Об 'єднуючи принципи магістральності та регулярності, можна виробити стратегію створення уніфікованих під певний стандарт мікропроцесорів. Такий підхід має перевагу у вигляді полегшення комунікаційної організації на різних рівнях у 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 організовується за допомогою спеціальних запам 'ятовувальних 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 як інтегральні схеми, які включаються до складу мікропроцесора. Такі комірки пам 'яті використовуються не тільки для зберігання програм, а й для обслуговування пам' яті центрального процесора з контролерами.

Якщо глибше розглядати структурну основу запам 'ятовувальних пристроїв, то на перший план вийдуть схеми з металу, діелектрика і напівпровідника з кремнію. В якості діелектриків використовуються компоненти з металу, оксиду та напівпровідника. Рівень інтеграції запам 'ятовуючого пристрою визначається цільовими завданнями та характеристиками апаратної частини. У цифровій мікропроцесорній техніці із забезпеченням функції відеопам 'яті до універсальних вимог надійної інтеграції та відповідності електротехнічним параметрам також додається помехостійкість, стабільність роботи, швидкодія тощо. Оптимальним рішенням з точки зору критеріїв швидкодії та універсальності щодо інтеграції є біполярні цифрові мікросхеми, які залежно від поточних завдань можуть також використовуватися як тригер, процесор або інвертор.

Функції

Спектр функцій значною мірою ґрунтується на завданнях, які мікропроцесор буде вирішувати в рамках того чи іншого технологічного процесу. Універсальний набір функцій в узагальненому варіанті можна уявити так:

  • Читання даних.
  • Обробка даних.
  • Обмін інформацією з внутрішньою пам 'яттю, модулями або зовнішніми підключеними пристроями.
  • Запис даних.
  • Ввід і вивід даних.

Значення кожної з вищезгаданих операцій визначається контекстом загальної системи, в якій використовується пристрій. Наприклад, в рамках арифметично-логічних операцій електронна і 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 та інших модулів, що працюють в рамках керуючої системи.

Виробники пристроїв

Біля витоків створення мікропроцесорних пристроїв стояли інженери компанії Intel, які випустили цілу лінійку 8-розрядних мікроконтролерів на платформі MCS-51, які в деяких сферах застосовуються і сьогодні. Також багато інших виробників використовували сімейство x51 для власних проектів вже в рамках розвитку нових поколінь електроніки та мікропроцесорної техніки, в числі представників якої значаться і вітчизняні розробки на зразок однокристальної ЕВМ К1816ВЕ51.

Вийшовши в сегмент більш складних процесорів, фірма Intel поступилася місцем мікроконтролерів іншим компаніям, в числі яких опинилися Analog Device і Atmel. Принципово новий погляд на архітектуру мікропроцесорів пропонують фірми Zilog, Microchip, NEC та ін. На сьогоднішній день в 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 розширення спектру завдань внутрішнього управління, компактності та низького енергоспоживання. Іншими словами, мікроконтролери стають меншими і раціональнішими з точки зору обслуговування, але при цьому нарощують потужнісний потенціал.

Обслуговування техніки на базі мікропроцесора

Відповідно до нормативних положень, 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 та його компонентів за рахунок призначеного регламентного обслуговування.
  • Усунення відмов влаштування шляхом ремонту пошкоджених елементів або їх заміни на справні аналогічні деталі.
  • Виробництво своєчасного ремонту компонентів системи.

Безпосередньо обслуговування мікропроцесорної техніки може бути комплексним або дрібноопераційним. У першому випадку об 'єднується перелік технічних операцій незалежно від їх трудомісткості та рівня складності. При дрібноопераційному підході акцент робиться на індивідуалізації кожної операції, тобто окремі ремонтні або обслуговуючі дії проводяться в ізольованому з точки зору організації форматі відповідно до технологічної карти. Недоліки даного методу пов 'язані з високими витратами на робочий процес, що в рамках масштабної системи може бути економічно невиправданим. З іншого боку, дрібноопераційне обслуговування підвищує якість технічної підтримки апаратури, мінімізуючи ризики її подальшого виходу з ладу разом з окремими компонентами.

Застосування мікропроцесорної техніки

Перед широким впровадженням мікропроцесорів у різних сферах промисловості, побутового та народного господарства коштує 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 і схеми комутації.

Декілька слів на закінчення

Широка аудиторія споживачів не повною мірою може уявити собі навіть сьогоднішні можливості мікропроцесорної техніки, але виробники не стоять на місці і вже зараз продумують перспективні напрямки 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 конструкційною 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.