Za několik desetiletí vývoje ušel mikroprocesor dlouhou cestu od předmětu použití ve vysoce specializovaných oblastech k produktu s širokým využitím. Dnes se tato zařízení v té či oné podobě spolu s ovladači používají téměř v jakékoli oblasti výroby. V širokém slova smyslu mikroprocesorová technologie zajišťuje řídicí a automatizační procesy, ale v tomto směru se formují a schvalují nové oblasti pro vývoj high-tech zařízení, až se objevují známky umělé inteligence.
Obecné chápání mikroprocesorů
Správa nebo řízení určitých procesů vyžaduje odpovídající softwarovou podporu na reálném technickém základě. V této funkci působí jeden nebo sada čipů na základní matricové krystaly. Pro praktické potřeby se téměř vždy používají čipové moduly, tedy čipové sady, které jsou propojeny společným napájecím systémem,signály, formáty zpracování informací a tak dále. Ve vědecké interpretaci, jak je uvedeno v teoretických základech mikroprocesorové technologie, jsou taková zařízení místem (hlavní pamětí) pro ukládání operandů a příkazů v zakódované podobě. Přímé řízení je realizováno na vyšší úrovni, ale také prostřednictvím mikroprocesorových integrovaných obvodů. K tomu slouží ovladače.
O řadičích lze mluvit pouze ve vztahu k mikropočítačům nebo mikropočítačům sestávajícím z mikroprocesorů. Ve skutečnosti se jedná o pracovní techniku, která je v principu schopná provádět určité operace nebo příkazy v rámci daného algoritmu. Jak je uvedeno v učebnici mikroprocesorové techniky od S. N. Liventsova, pod mikrokontrolérem je třeba rozumět počítač zaměřený na provádění logických operací v rámci řízení zařízení. Je založen na stejných schématech, ale s omezeným výpočetním zdrojem. Úkolem mikrokontroléru je ve větší míře implementovat odpovědné, ale jednoduché postupy bez složitých obvodů. Taková zařízení však nelze nazvat ani technologicky primitivními, protože v moderních průmyslových odvětvích mohou mikrokontroléry současně řídit stovky a dokonce tisíce operací současně, s přihlédnutím k nepřímým parametrům jejich provádění. Obecně platí, že logická struktura mikrokontroléru je navržena s ohledem na výkon, všestrannost a spolehlivost.
Architektura
Vývojáři mikroprocesorových zařízení se zabývají sadoufunkční komponenty, které nakonec tvoří jeden pracovní komplex. I jednoduchý model mikropočítače počítá s využitím řady prvků, které zajišťují plnění úkolů zadaných stroji. Způsob interakce mezi těmito součástmi a také způsoby komunikace se vstupními a výstupními signály do značné míry určují architekturu mikroprocesoru. Pokud jde o samotný pojem architektury, je vyjádřen v různých definicích. Může se jednat o soubor technických, fyzických a provozních parametrů, včetně počtu paměťových registrů, bitové hloubky, rychlosti a tak dále. Ale v souladu s teoretickými základy mikroprocesorové technologie by architektura v tomto případě měla být chápána jako logická organizace funkcí implementovaných v procesu propojeného provozu hardwaru a softwaru. Přesněji řečeno, architektura mikroprocesoru odráží následující:
- Sada fyzických prvků, které tvoří mikroprocesor, a také spojení mezi jeho funkčními bloky.
- Formáty a způsoby poskytování informací.
- Kanály pro přístup k modulům struktury dostupné pro použití s parametry pro jejich další použití.
- Operace, které může provádět konkrétní mikroprocesor.
- Charakteristiky ovládacích příkazů, které zařízení generuje nebo přijímá.
- Reakce na signály zvenčí.
Externí rozhraní
Mikroprocesor je zřídka viděn jako izolovaný systémprovádění jednoslovných příkazů ve statickém formátu. Existují zařízení, která zpracovávají jeden signál podle daného schématu, ale nejčastěji mikroprocesorová technika pracuje s velkým množstvím komunikačních spojů ze zdrojů, které samy nejsou lineární z hlediska zpracovávaných příkazů. Pro organizaci interakce se zařízeními a zdroji dat třetích stran jsou poskytovány speciální formáty připojení - rozhraní. Nejprve ale musíte určit, s čím přesně se komunikuje. Řízená zařízení zpravidla jednají v této funkci, to znamená, že je na ně vyslán příkaz z mikroprocesoru a v režimu zpětné vazby lze přijímat data o stavu výkonného orgánu.
Pokud jde o externí rozhraní, slouží nejen k možnosti interakce určitého výkonného mechanismu, ale také k jeho integraci do struktury řídicího komplexu. S ohledem na složitou počítačovou a mikroprocesorovou techniku se může jednat o celou sadu hardwarových a softwarových nástrojů úzce souvisejících s regulátorem. Mikrokontroléry navíc často kombinují funkce zpracování a vydávání příkazů s úkoly zajišťování komunikace mezi mikroprocesory a externími zařízeními.
Specifikace mikroprocesoru
Mezi hlavní charakteristiky mikroprocesorových zařízení patří následující:
- Frekvence hodin. Časové období, během kterého se přepínají komponenty počítače.
- Šířka. Maximální možný počet pro současné zpracování binárního kódučíslice.
- Architektura. Konfigurace umístění a způsoby interakce pracovních prvků mikroprocesoru.
Charakter operačního procesu lze také posuzovat podle kritérií pravidelnosti s hlavním. V prvním případě mluvíme o tom, jak implementujeme princip pravidelné opakovatelnosti v konkrétní jednotce počítačové mikroprocesorové techniky. Jinými slovy, jaké je podmíněné procento odkazů a pracovních položek, které se navzájem duplikují. Na strukturu organizace schématu v rámci stejného systému zpracování dat lze obecně aplikovat pravidelnost.
Backbone udává způsob výměny dat mezi vnitřními moduly systému, ovlivňující také charakter řazení spojů. Spojením principů páteře a pravidelnosti je možné vyvinout strategii tvorby mikroprocesorů sjednocených na určitý standard. Tento přístup má výhodu v tom, že usnadňuje organizaci komunikace na různých úrovních z hlediska interakce prostřednictvím rozhraní. Na druhou stranu standardizace neumožňuje rozšířit možnosti systému a zvýšit jeho odolnost vůči vnější zátěži.
Paměť v mikroprocesorové technologii
Ukládání informací je organizováno pomocí speciálních paměťových zařízení vyrobených z polovodičů. To platí pro vnitřní paměť, ale lze použít i externí optická a magnetická média. Také prvky pro ukládání dat na bázi polovodičových materiálů mohou být reprezentovány jako integrované obvody, kterésoučástí mikroprocesoru. Tyto paměťové buňky se používají nejen pro ukládání programů, ale také pro obsluhu paměti centrálního procesoru s řadiči.
Pokud se hlouběji podíváme na konstrukční základ paměťových zařízení, pak se do popředí dostanou obvody vyrobené z kovu, dielektrika a křemíkového polovodiče. Jako dielektrika se používají kovové, oxidové a polovodičové součástky. Úroveň integrace úložného zařízení je určena cíli a charakteristikami hardwaru. V digitální mikroprocesorové technice se zajištěním funkce video paměti se k univerzálním požadavkům na spolehlivou integraci a soulad s elektrickými parametry přidává také odolnost proti rušení, stabilita, rychlost atd. Bipolární digitální mikroobvody jsou optimálním řešením z hlediska výkonnostních kritérií a všestrannosti integrace, které lze v závislosti na aktuálních úlohách použít také jako spoušť, procesor nebo invertor.
Funkce
Spektrum funkcí je z velké části založeno na úkolech, které bude mikroprocesor řešit v rámci konkrétního procesu. Univerzální sadu funkcí v zobecněné verzi lze reprezentovat takto:
- Čtení dat.
- Zpracování dat.
- Výměna informací s interní pamětí, moduly nebo externími připojenými zařízeními.
- Zaznamenejte data.
- Vstup a výstup dat.
Význam každého z výše uvedenýchoperace je určena kontextem celkového systému, ve kterém se zařízení používá. Například v rámci aritmeticko-logických operací může elektronická a mikroprocesorová technika v důsledku zpracování vstupních informací prezentovat nové informace, které se zase stanou důvodem toho či onoho příkazového signálu. Za povšimnutí také stojí vnitřní funkcionalita, díky které jsou regulovány provozní parametry samotného procesoru, regulátoru, zdroje, akčních členů a dalších modulů pracujících v rámci řídicího systému.
Výrobci zařízení
Počátky vytvoření mikroprocesorových zařízení byli inženýři společnosti Intel, kteří vydali celou řadu 8bitových mikrokontrolérů založených na platformě MCS-51, které se v některých oblastech používají dodnes. Také mnoho dalších výrobců použilo rodinu x51 pro své vlastní projekty v rámci vývoje nových generací elektroniky a mikroprocesorové technologie, mezi jejichž zástupce patří domácí vývoj, jako je jednočipový počítač K1816BE51.
Po vstupu do segmentu složitějších procesorů Intel ustoupil mikrokontrolérům jiným společnostem, včetně Analog Device a Atmel. Zásadně nový pohled na architekturu mikroprocesorů nabízí Zilog, Microchip, NEC a další, dnes v kontextu rozvoje mikroprocesorové techniky lze za nejúspěšnější považovat řady x51, AVR a PIC. Pokud mluvíme o vývojových trendech, tak v dnešní době prvnímísto suplují požadavky na rozšíření nabídky vnitřních kontrolních úkolů, kompaktnost a nízkou spotřebu energie. Jinými slovy, mikrokontroléry jsou čím dál menší a chytřejší z hlediska údržby, ale zároveň se zvyšuje jejich energetický potenciál.
Údržba zařízení na bázi mikroprocesoru
V souladu s předpisy obsluhují mikroprocesorové systémy týmy pracovníků pod vedením elektrikáře. Mezi hlavní úkoly údržby v této oblasti patří následující:
- Oprava poruch v procesu provozu systému a jejich analýza za účelem zjištění příčin porušení.
- Zabraňte selhání zařízení a součástí prostřednictvím přidělené plánované údržby.
- Opravte poruchy zařízení opravou poškozených dílů nebo jejich výměnou za opravitelné podobné díly.
- Výroba včasných oprav systémových komponent.
Přímá údržba mikroprocesorové technologie může být složitá nebo drobná. V prvním případě se kombinuje seznam technických operací bez ohledu na jejich pracnost a úroveň složitosti. Při maloplošném přístupu je kladen důraz na individualizaci každého provozu, to znamená, že jednotlivé opravy nebo údržbové úkony jsou z pohledu organizace prováděny v izolovaném formátu v souladu s technologickou mapou. Nevýhody této metody jsou spojeny s vysokými náklady na pracovní postup, které nemusí být v rámci rozsáhlého systému ekonomicky opodstatněné. Na druhou stranu služba malého rozsahuzlepšuje kvalitu technické podpory zařízení a minimalizuje riziko jeho dalšího selhání spolu s jednotlivými komponenty.
Použití mikroprocesorové technologie
Před širokým zavedením mikroprocesorů v různých oblastech průmyslu, domácího a národního hospodářství existuje stále méně překážek. Je to opět dáno optimalizací těchto zařízení, jejich zlevňováním a rostoucí potřebou automatizačních prvků. Mezi nejčastější použití těchto zařízení patří:
- Průmysl. Mikroprocesory se používají při řízení práce, koordinaci strojů, řídicích systémech a sběru výkonu výroby.
- Obchod. V této oblasti je provoz mikroprocesorové techniky spojen nejen s výpočetními operacemi, ale také s údržbou logistických modelů při řízení zboží, zásob a informačních toků.
- Bezpečnostní systémy. Elektronika v moderních zabezpečovacích a poplachových komplexech klade vysoké požadavky na automatizaci a inteligentní řízení, což nám umožňuje poskytovat mikroprocesory nových generací.
- Komunikace. Komunikační technologie se samozřejmě neobejdou bez programovatelných ovladačů obsluhujících multiplexory, vzdálené terminály a spínací obvody.
Pár slov na závěr
Široké publikum spotřebitelů si nedokáže plně představit ani to dnešníschopnosti mikroprocesorové techniky, ale výrobci nezůstávají stát na místě a již zvažují slibné směry vývoje těchto produktů. Stále se dobře udržuje například pravidlo počítačového průmyslu, podle kterého se každé dva roky sníží počet tranzistorů v obvodech procesorů. Moderní mikroprocesory se ale mohou pochlubit nejen strukturální optimalizací. Odborníci také předpovídají mnoho inovací v oblasti organizace nových obvodů, které usnadní technologický přístup k vývoji procesorů a sníží jejich základní náklady.
