Մի քանի տասնամյակների զարգացման ընթացքում միկրոպրոցեսորը երկար ճանապարհ է անցել բարձր մասնագիտացված ոլորտներում կիրառման օբյեկտից մինչև լայն շահագործման արդյունք: Այսօր այս կամ այն ձևով այս սարքերը կարգավորիչների հետ միասին օգտագործվում են արտադրության գրեթե ցանկացած ոլորտում։ Լայն իմաստով միկրոպրոցեսորային տեխնոլոգիան ապահովում է կառավարման և ավտոմատացման գործընթացներ, սակայն այս ուղղությամբ ձևավորվում և հաստատվում են բարձր տեխնոլոգիական սարքերի մշակման նոր տարածքներ՝ ընդհուպ մինչև արհեստական ինտելեկտի նշանների ի հայտ գալը։
Միկրոպրոցեսորների ընդհանուր պատկերացում
Որոշ գործընթացների կառավարումը կամ վերահսկումը պահանջում է համապատասխան ծրագրային աջակցություն իրական տեխնիկական հիմունքներով: Այս հզորությամբ գործում է հիմնական մատրիցային բյուրեղների վրա մեկ կամ մի շարք չիպեր: Գործնական կարիքների համար գրեթե միշտ օգտագործվում են չիպային մոդուլներ, այսինքն՝ չիպսեթներ, որոնք միացված են ընդհանուր էներգահամակարգով,ազդանշաններ, տեղեկատվության մշակման ձևաչափեր և այլն: Գիտական մեկնաբանության մեջ, ինչպես նշվում է միկրոպրոցեսորային տեխնոլոգիայի տեսական հիմունքներում, նման սարքերը օպերանդների և հրամանների կոդավորված ձևով պահելու տեղ են (հիմնական հիշողություն): Ուղղակի կառավարումն իրականացվում է ավելի բարձր մակարդակով, բայց նաև միկրոպրոցեսորային ինտեգրալ սխեմաների միջոցով: Դրա համար օգտագործվում են կարգավորիչներ։
Կարելի է խոսել միայն կարգավորիչների մասին՝ կապված միկրոհամակարգիչների կամ միկրոպրոցեսորներից բաղկացած միկրոհամակարգիչների հետ: Իրականում սա աշխատանքային տեխնիկա է, որը սկզբունքորեն կարող է որոշակի գործողություններ կամ հրամաններ կատարել տվյալ ալգորիթմի շրջանակներում։ Ինչպես նշված է Ս. Ն. Լիվենսովի կողմից միկրոպրոցեսորային տեխնոլոգիայի դասագրքում, միկրոկառավարիչը պետք է հասկանալ որպես համակարգիչ, որը կենտրոնացած է տրամաբանական գործողություններ կատարելու վրա, որպես սարքավորումների կառավարման մաս: Այն հիմնված է նույն սխեմաների վրա, բայց սահմանափակ հաշվողական ռեսուրսով: Միկրոկարգավորիչի խնդիրն ավելի մեծ չափով պատասխանատու, բայց պարզ ընթացակարգեր իրականացնելն է առանց բարդ սխեմաների: Այնուամենայնիվ, նման սարքերը չեն կարող կոչվել նաև տեխնոլոգիական պարզունակ, քանի որ ժամանակակից արդյունաբերություններում միկրոկառավարիչները կարող են միաժամանակ կառավարել հարյուրավոր և նույնիսկ հազարավոր գործողություններ, հաշվի առնելով դրանց կատարման անուղղակի պարամետրերը: Ընդհանուր առմամբ, միկրոկոնտրոլերի տրամաբանական կառուցվածքը նախագծված է՝ հաշվի առնելով հզորությունը, բազմակողմանիությունը և հուսալիությունը:
Ճարտարապետություն
Միկրոպրոցեսորային սարքերի մշակողները գործ ունեն հավաքածուի հետֆունկցիոնալ բաղադրիչներ, որոնք ի վերջո կազմում են մեկ աշխատանքային համալիր։ Նույնիսկ պարզ միկրոհամակարգչի մոդելը նախատեսում է մի շարք տարրերի օգտագործում, որոնք ապահովում են մեքենային տրված առաջադրանքների կատարումը: Այս բաղադրիչների փոխազդեցության ձևը, ինչպես նաև մուտքային և ելքային ազդանշանների հետ կապի միջոցները մեծապես որոշում են միկրոպրոցեսորի ճարտարապետությունը։ Ինչ վերաբերում է հենց ճարտարապետության հայեցակարգին, ապա այն արտահայտվում է տարբեր սահմանումներով։ Սա կարող է լինել տեխնիկական, ֆիզիկական և գործառնական պարամետրերի մի շարք, ներառյալ հիշողության ռեգիստրների քանակը, բիթերի խորությունը, արագությունը և այլն: Բայց, միկրոպրոցեսորային տեխնոլոգիայի տեսական հիմունքներին համապատասխան, ճարտարապետությունն այս դեպքում պետք է հասկանալ որպես ապարատային և ծրագրային լցոնման փոխկապակցված շահագործման գործընթացում իրականացվող գործառույթների տրամաբանական կազմակերպում: Ավելի կոնկրետ, միկրոպրոցեսորային ճարտարապետությունն արտացոլում է հետևյալը.
- Միկրոպրոցեսոր ձևավորող ֆիզիկական տարրերի ամբողջություն, ինչպես նաև նրա ֆունկցիոնալ բլոկների միջև կապերը։
- Տեղեկատվության տրամադրման ձևաչափեր և եղանակներ.
- Կառուցվածքային մոդուլներ մուտք գործելու ալիքներ, որոնք հասանելի են օգտագործման համար՝ դրանց հետագա օգտագործման պարամետրերով:
- Օպերացիաներ, որոնք կարող է կատարել որոշակի միկրոպրոցեսոր:
- Կառավարման հրամանների բնութագրերը, որոնք սարքը ստեղծում կամ ստանում է:
- Արձագանքները դրսից եկող ազդանշաններին:
Արտաքին ինտերֆեյս
Միկրոպրոցեսորը հազվադեպ է դիտվում որպես մեկուսացված համակարգստատիկ ձևաչափով մեկ բառով հրամանների կատարում: Կան սարքեր, որոնք մշակում են մեկ ազդանշան տվյալ սխեմայի համաձայն, բայց ամենից հաճախ միկրոպրոցեսորային տեխնոլոգիան աշխատում է մեծ թվով հաղորդակցման կապերով աղբյուրներից, որոնք իրենք գծային չեն մշակված հրամանների առումով: Երրորդ կողմի սարքավորումների և տվյալների աղբյուրների հետ փոխգործակցություն կազմակերպելու համար տրամադրվում են կապի հատուկ ձևաչափեր՝ միջերեսներ: Բայց նախ դուք պետք է որոշեք, թե կոնկրետ ինչի հետ է շփվում: Որպես կանոն, կառավարվող սարքերը գործում են այս հզորությամբ, այսինքն՝ նրանց միկրոպրոցեսորից հրահանգ է ուղարկվում, և հետադարձ կապի ռեժիմում կարող են ստացվել տվյալներ գործադիր մարմնի կարգավիճակի մասին։
Ինչ վերաբերում է արտաքին ինտերֆեյսներին, ապա դրանք ծառայում են ոչ միայն որոշակի գործադիր մեխանիզմի փոխազդեցության հնարավորությանը, այլև կառավարման համալիրի կառուցվածքում դրա ինտեգրմանը։ Ինչ վերաբերում է բարդ համակարգչային և միկրոպրոցեսորային տեխնոլոգիային, սա կարող է լինել ապարատային և ծրագրային գործիքների մի ամբողջ շարք, որոնք սերտորեն կապված են վերահսկիչի հետ: Ավելին, միկրոկոնտրոլերները հաճախ համատեղում են մշակման և հրամանների թողարկման գործառույթները միկրոպրոցեսորների և արտաքին սարքերի միջև հաղորդակցություն ապահովելու խնդիրների հետ:
Միկրոպրոցեսորի բնութագրեր
Միկրոպրոցեսորային սարքերի հիմնական բնութագրերը ներառում են հետևյալը.
- Ժամացույցի հաճախականություն. Ժամանակահատվածը, որի ընթացքում համակարգչի բաղադրիչները փոխվում են:
- Լայնություն. Երկուականի միաժամանակյա մշակման համար հնարավոր առավելագույն քանակըթվանշաններ։
- Ճարտարապետություն. Տեղադրման կոնֆիգուրացիան և միկրոպրոցեսորի աշխատանքային տարրերի փոխազդեցության եղանակները:
Գործառնական գործընթացի բնույթի մասին կարելի է դատել նաև հիմնականի հետ օրինաչափության չափանիշներով։ Առաջին դեպքում մենք խոսում ենք այն մասին, թե ինչպես ենք մենք իրականացնում կանոնավոր կրկնելիության սկզբունքը համակարգչային միկրոպրոցեսորային տեխնոլոգիայի որոշակի միավորում: Այսինքն, որքա՞ն է միմյանց կրկնօրինակող հղումների և աշխատանքային տարրերի պայմանական տոկոսը։ Կանոնավորությունը կարող է կիրառվել ընդհանուր առմամբ նույն տվյալների մշակման համակարգի շրջանակներում սխեմայի կազմակերպության կառուցվածքում:
Backbone-ը ցույց է տալիս համակարգի ներքին մոդուլների միջև տվյալների փոխանակման եղանակը՝ ազդելով նաև հղումների դասակարգման բնույթի վրա: Համատեղելով ողնաշարի և կանոնավորության սկզբունքները` հնարավոր է մշակել որոշակի ստանդարտով միավորված միկրոպրոցեսորների ստեղծման ռազմավարություն: Այս մոտեցումն առավելություն ունի՝ հեշտացնելով հաղորդակցության կազմակերպումը տարբեր մակարդակներում՝ ինտերֆեյսների միջոցով փոխգործակցության առումով: Մյուս կողմից, ստանդարտացումը թույլ չի տալիս ընդլայնել համակարգի հնարավորությունները և մեծացնել դրա դիմադրությունը արտաքին բեռների նկատմամբ։
Հիշողությունը միկրոպրոցեսորային տեխնոլոգիայի մեջ
Տեղեկատվության պահպանումը կազմակերպվում է կիսահաղորդչներից պատրաստված հատուկ պահպանման սարքերի միջոցով։ Սա վերաբերում է ներքին հիշողությանը, սակայն կարող են օգտագործվել նաև արտաքին օպտիկական և մագնիսական կրիչներ: Նաև կիսահաղորդչային նյութերի վրա հիմնված տվյալների պահպանման տարրերը կարող են ներկայացվել որպես ինտեգրալ սխեմաներ, որոնքներառված է միկրոպրոցեսորում: Նման հիշողության բջիջները օգտագործվում են ոչ միայն ծրագրերը պահելու, այլ նաև կենտրոնական պրոցեսորի հիշողությունը կարգավորիչներով սպասարկելու համար։
Եթե ավելի խորը նայենք պահեստավորման սարքերի կառուցվածքային հիմքերին, ապա առաջին պլան դուրս կգան մետաղից, դիէլեկտրիկից և սիլիցիումի կիսահաղորդչից պատրաստված սխեմաները: Որպես դիէլեկտրիկներ օգտագործվում են մետաղ, օքսիդ և կիսահաղորդչային բաղադրիչներ։ Պահպանման սարքի ինտեգրման մակարդակը որոշվում է սարքավորման թիրախներով և բնութագրերով: Թվային միկրոպրոցեսորային տեխնոլոգիայում՝ վիդեո հիշողության ֆունկցիայի ապահովմամբ, աղմուկի անձեռնմխելիությունը, կայունությունը, արագությունը և այլն նույնպես ավելացվում են հուսալի ինտեգրման և էլեկտրական պարամետրերի համապատասխանության համընդհանուր պահանջներին: Երկբևեռ թվային միկրոսխեմաները կատարման չափանիշների և ինտեգրման բազմակողմանիության տեսանկյունից օպտիմալ լուծում են, որոնք, կախված ընթացիկ խնդիրներից, կարող են օգտագործվել նաև որպես ձգան, պրոցեսոր կամ ինվերտոր:
Functions
Ֆունկցիաների շրջանակը հիմնականում հիմնված է այն խնդիրների վրա, որոնք միկրոպրոցեսորը կլուծի որոշակի գործընթացում: Գործառույթների համընդհանուր հավաքածուն ընդհանրացված տարբերակում կարող է ներկայացվել հետևյալ կերպ՝
- Տվյալների ընթերցում։
- Տվյալների մշակում։
- Տեղեկատվության փոխանակում ներքին հիշողության, մոդուլների կամ արտաքին միացված սարքերի հետ:
- Գրանցեք տվյալներ։
- Տվյալների մուտքագրում և ելք։
Վերոնշյալներից յուրաքանչյուրի նշանակությունըգործողությունները որոշվում են ընդհանուր համակարգի համատեքստով, որում օգտագործվում է սարքը: Օրինակ, թվաբանական-տրամաբանական գործողությունների շրջանակներում էլեկտրոնային և միկրոպրոցեսորային տեխնոլոգիան մուտքային տեղեկատվության մշակման արդյունքում կարող է ներկայացնել նոր տեղեկատվություն, որն էլ իր հերթին կդառնա այս կամ այն հրամանի ազդանշանի պատճառ։ Հարկ է նշել նաև ներքին ֆունկցիոնալությունը, որի շնորհիվ կարգավորվում են հենց պրոցեսորի, կարգավորիչի, սնուցման, ակտուատորների և կառավարման համակարգում գործող այլ մոդուլների գործառնական պարամետրերը։
Սարքերի արտադրողներ
Միկրոպրոցեսորային սարքերի ստեղծման ակունքները Intel-ի ինժեներներն էին, ովքեր թողարկեցին MCS-51 պլատֆորմի վրա հիմնված 8-բիթանոց միկրոկոնտրոլերների մի ամբողջ շարք, որոնք մինչ օրս օգտագործվում են որոշ ոլորտներում: Նաև շատ այլ արտադրողներ օգտագործել են x51 ընտանիքը իրենց նախագծերի համար՝ որպես էլեկտրոնիկայի և միկրոպրոցեսորային նոր սերունդների տեխնոլոգիայի մշակման մաս, որոնց ներկայացուցիչների թվում են ներքին մշակումները, ինչպիսիք են K1816BE51 մեկ չիպային համակարգիչը::
Մտնելով ավելի բարդ պրոցեսորների հատված՝ Intel-ը իր տեղը զիջեց միկրոկոնտրոլերներին այլ ընկերությունների, այդ թվում՝ Analog Device-ին և Atmel-ին։ Zilog-ը, Microchip-ը, NEC-ը և այլն առաջարկում են սկզբունքորեն նոր հայացք միկրոպրոցեսորային ճարտարապետության մեջ:Այսօր միկրոպրոցեսորային տեխնոլոգիայի զարգացման համատեքստում x51, AVR և PIC գծերը կարելի է համարել ամենահաջողվածը: Եթե խոսենք զարգացման միտումների մասին, ապա այս օրերին առաջինըտեղը փոխարինվում է ներքին հսկողության խնդիրների շրջանակի ընդլայնման, կոմպակտության և էներգիայի ցածր սպառման պահանջներով: Այլ կերպ ասած, միկրոկոնտրոլերները դառնում են ավելի փոքր ու խելացի պահպանման առումով, բայց միևնույն ժամանակ մեծացնում են իրենց հզորության ներուժը։
Միկրոպրոցեսորի վրա հիմնված սարքավորումների սպասարկում
Կանոնակարգերի համաձայն՝ միկրոպրոցեսորային համակարգերը սպասարկվում են աշխատողների թիմերի կողմից՝ էլեկտրիկի գլխավորությամբ: Այս ոլորտում պահպանման հիմնական առաջադրանքները ներառում են հետևյալը՝
- Համակարգի շահագործման գործընթացում խափանումների վերացում և դրանց վերլուծություն՝ խախտման պատճառները պարզելու համար:
- Կանխեք սարքերի և բաղադրիչների խափանումները նշանակված պլանավորված սպասարկման միջոցով:
- Վերանորոգեք սարքի խափանումները՝ վերանորոգելով վնասված մասերը կամ փոխարինելով դրանք սպասարկվող նմանատիպ մասերով:
- Համակարգի բաղադրիչների ժամանակին վերանորոգման արտադրություն.
Միկրոպրոցեսորային տեխնոլոգիայի ուղղակի սպասարկումը կարող է լինել բարդ կամ աննշան: Առաջին դեպքում տեխնիկական գործողությունների ցանկը համակցված է, անկախ դրանց աշխատանքի ինտենսիվությունից և բարդության աստիճանից: Փոքրամասշտաբ մոտեցմամբ շեշտը դրվում է յուրաքանչյուր գործողության անհատականացման վրա, այսինքն՝ անհատական վերանորոգման կամ պահպանման գործողությունները կատարվում են կազմակերպության տեսանկյունից՝ տեխնոլոգիական քարտեզին համապատասխան, մեկուսացված ձևաչափով։ Այս մեթոդի թերությունները կապված են աշխատանքի հոսքի բարձր ծախսերի հետ, որոնք չեն կարող տնտեսապես հիմնավորված լինել լայնածավալ համակարգում: Մյուս կողմից՝ փոքրածավալ սպասարկումբարելավում է սարքավորումների տեխնիկական աջակցության որակը՝ նվազագույնի հասցնելով դրա հետագա ձախողման ռիսկը առանձին բաղադրիչների հետ միասին։
Միկրոպրոցեսորային տեխնոլոգիայի օգտագործում
Մինչև արդյունաբերության, ներքին և ազգային տնտեսության տարբեր ոլորտներում միկրոպրոցեսորների համատարած ներդրումը, ավելի ու ավելի քիչ խոչընդոտներ կան: Սա կրկին պայմանավորված է այս սարքերի օպտիմալացմամբ, դրանց արժեքի նվազմամբ և ավտոմատացման տարրերի աճող անհրաժեշտությամբ: Այս սարքերի ամենատարածված կիրառություններից մի քանիսը ներառում են՝
- Արդյունաբերություն. Միկրոպրոցեսորներն օգտագործվում են աշխատանքի կառավարման, մեքենաների համակարգման, կառավարման համակարգերի և արտադրության արդյունավետության հավաքագրման մեջ:
- Առևտուր. Այս ոլորտում միկրոպրոցեսորային տեխնոլոգիայի շահագործումը կապված է ոչ միայն հաշվողական գործողությունների, այլ նաև ապրանքների, պաշարների և տեղեկատվական հոսքերի կառավարման լոգիստիկ մոդելների պահպանման հետ:
- Անվտանգության համակարգեր. Ժամանակակից անվտանգության և ազդանշանային համալիրներում էլեկտրոնիկան բարձր պահանջներ է դնում ավտոմատացման և խելացի կառավարման համար, ինչը մեզ թույլ է տալիս նոր սերունդների միկրոպրոցեսորներ տրամադրել:
- Հաղորդակցություն. Իհարկե, կապի տեխնոլոգիաները չեն կարող անել առանց ծրագրավորվող կարգավորիչների, որոնք սպասարկում են մուլտիպլեքսորներ, հեռավոր տերմինալներ և անջատիչ սխեմաներ:
Մի քանի խոսք վերջում
Սպառողների լայն լսարանը չի կարող լիովին պատկերացնել նույնիսկ այսօրվամիկրոպրոցեսորային տեխնոլոգիայի հնարավորությունները, սակայն արտադրողները տեղում չեն կանգնում և արդեն դիտարկում են այդ արտադրանքի զարգացման հեռանկարային ուղղությունները: Օրինակ, համակարգչային արդյունաբերության կանոնը դեռ լավ է պահպանվում, ըստ որի երկու տարին մեկ պրոցեսորային սխեմաներում տրանզիստորների թիվը կնվազի։ Սակայն ժամանակակից միկրոպրոցեսորները կարող են պարծենալ ոչ միայն կառուցվածքային օպտիմալացումով: Փորձագետները նաև բազմաթիվ նորամուծություններ են կանխատեսում նոր սխեմաների կազմակերպման առումով, ինչը կհեշտացնի պրոցեսորների մշակման տեխնոլոգիական մոտեցումը և կնվազեցնի դրանց բազային արժեքը։
