לאורך כמה עשורים של פיתוח, המיקרו-מעבד עבר דרך ארוכה מאובייקט של יישום בתחומים מאוד מיוחדים לתוצר של ניצול רחב. כיום, בצורה כזו או אחרת, מכשירים אלו, יחד עם בקרים, משמשים כמעט בכל תחום ייצור. במובן הרחב, טכנולוגיית המיקרו-מעבד מספקת תהליכי בקרה ואוטומציה, אך במסגרת הכיוון הזה מתגבשים ומאושרים תחומים חדשים לפיתוח מכשירי היי-טק, עד להופעת סימנים של בינה מלאכותית.
הבנה כללית של מיקרו-מעבדים
ניהול או שליטה בתהליכים מסוימים מצריך תמיכת תוכנה מתאימה על בסיס טכני אמיתי. בתפקיד זה, פועל אחד או קבוצה של שבבים על גבישי מטריצה בסיסיים. לצרכים מעשיים, כמעט תמיד נעשה שימוש במודולים של ערכת שבבים, כלומר, ערכות שבבים המחוברות באמצעות מערכת חשמל משותפת,אותות, פורמטים של עיבוד מידע וכן הלאה. בפרשנות המדעית, כפי שצוין ביסודות התיאורטיים של טכנולוגיית המיקרו-מעבד, מכשירים כאלה הם מקום (זיכרון ראשי) לאחסון אופרנדים ופקודות בצורה מקודדת. בקרה ישירה מיושמת ברמה גבוהה יותר, אך גם באמצעות מעגלים משולבים במיקרו-מעבד. לשם כך משתמשים בבקרים.
אפשר לדבר רק על בקרים ביחס למיקרו-מחשבים או מיקרו-מחשבים המורכבים ממיקרו-מעבדים. למעשה, זוהי טכניקת עבודה, שעקרונית מסוגלת לבצע פעולות או פקודות מסוימות במסגרת אלגוריתם נתון. כפי שצוין בספר הלימוד על טכנולוגיית המיקרו-מעבד מאת S. N. Liventsov, יש להבין מיקרו-בקר כמחשב המתמקד בביצוע פעולות לוגיות כחלק מבקרת ציוד. הוא מבוסס על אותן סכמות, אך עם משאב מחשוב מוגבל. המשימה של המיקרו-בקר במידה רבה יותר היא ליישם נהלים אחראיים אך פשוטים ללא מעגלים מורכבים. עם זאת, מכשירים כאלה אינם יכולים להיקרא פרימיטיביים מבחינה טכנולוגית, שכן בתעשיות מודרניות מיקרו-בקרים יכולים לשלוט בו זמנית במאות ואף אלפי פעולות בו זמנית, תוך התחשבות בפרמטרים העקיפים של ביצועם. באופן כללי, המבנה הלוגי של המיקרו-בקר מתוכנן מתוך מחשבה על כוח, צדדיות ואמינות.
אדריכלות
מפתחים של התקני מיקרו-מעבד מתמודדים עם סטרכיבים פונקציונליים, שבסופו של דבר יוצרים קומפלקס עבודה אחד. אפילו מודל מיקרו-מחשב פשוט מספק שימוש במספר אלמנטים המבטיחים את מילוי המשימות המוטלות על המכונה. דרך האינטראקציה בין רכיבים אלה, כמו גם אמצעי התקשורת עם אותות קלט ופלט, קובעים במידה רבה את הארכיטקטורה של המיקרו-מעבד. באשר לעצם המושג אדריכלות, הוא מתבטא בהגדרות שונות. זה יכול להיות קבוצה של פרמטרים טכניים, פיזיים ותפעוליים, כולל מספר אוגרי זיכרון, עומק סיביות, מהירות וכן הלאה. אבל, בהתאם ליסודות התיאורטיים של טכנולוגיית המיקרו-מעבד, יש להבין את הארכיטקטורה במקרה זה כארגון לוגי של פונקציות המיושמות בתהליך של פעולה מקושרת של מילוי חומרה ותוכנה. ליתר דיוק, ארכיטקטורת המיקרו-מעבד משקפת את הדברים הבאים:
- קבוצת האלמנטים הפיזיים היוצרים מיקרו-מעבד, כמו גם החיבורים בין הבלוקים הפונקציונליים שלו.
- פורמטים ודרכי אספקת מידע.
- ערוצים לגישה למודולי מבנה זמינים לשימוש עם פרמטרים לשימוש נוסף שלהם.
- פעולות שמיקרו-מעבד מסוים יכול לבצע.
- מאפיינים של פקודות שליטה שהמכשיר יוצר או מקבל.
- תגובות לאותות מבחוץ.
ממשקים חיצוניים
המיקרו-מעבד נתפס רק לעתים רחוקות כמערכת מבודדת עבורביצוע פקודות של מילה אחת בפורמט סטטי. ישנם מכשירים המעבדים אות אחד לפי סכימה נתונה, אך לרוב טכנולוגיית המיקרו-מעבד עובדת עם מספר רב של קישורי תקשורת ממקורות שהם עצמם אינם ליניאריים מבחינת פקודות מעובדות. כדי לארגן אינטראקציה עם ציוד ומקורות נתונים של צד שלישי, מסופקים פורמטי חיבור מיוחדים - ממשקים. אבל תחילה עליך לקבוע עם מה בדיוק מתקשרים. ככלל, מכשירים מבוקרים פועלים בתפקיד זה, כלומר נשלחת אליהם פקודה מהמיקרו-מעבד, ובמצב המשוב ניתן לקבל נתונים על מצב הגוף המבצע.
באשר לממשקים חיצוניים, הם משמשים לא רק לאפשרות של אינטראקציה של מנגנון ביצוע מסוים, אלא גם לשילוב שלו במבנה של מתחם הבקרה. לגבי טכנולוגיית מחשב ומיקרו-מעבד מורכבים, זו יכולה להיות קבוצה שלמה של כלי חומרה ותוכנה הקשורים בקשר הדוק לבקר. יתרה מכך, מיקרו-בקרים משלבים לעתים קרובות את הפונקציות של עיבוד והנפקת פקודות עם המשימות של אספקת תקשורת בין מיקרו-מעבדים והתקנים חיצוניים.
מפרטי מיקרו-מעבד
המאפיינים העיקריים של התקני מיקרו-מעבד כוללים את הדברים הבאים:
- תדר שעון. פרק זמן שבמהלכו מחליפים רכיבי מחשב.
- רוחב. מספר המקסימום האפשרי לעיבוד סימולטני של בינאריספרות.
- אדריכלות. תצורת מיקום ודרכי אינטראקציה של רכיבי עבודה של המיקרו-מעבד.
ניתן לשפוט את אופי התהליך המבצעי גם לפי הקריטריונים של סדירות עם העיקר. במקרה הראשון, אנחנו מדברים על איך אנחנו מיישמים את העיקרון של חזרה קבועה ביחידה מסוימת של טכנולוגיית מיקרו-מעבד מחשב. במילים אחרות, מהו האחוז המותנה של קישורים ופריטי עבודה שמשכפלים זה את זה. ניתן להחיל סדירות באופן כללי על מבנה ארגון הסכימה בתוך אותה מערכת עיבוד נתונים.
Backbone מציינת את שיטת חילופי הנתונים בין המודולים הפנימיים של המערכת, ומשפיעה גם על אופי סידור הקישורים. בשילוב עקרונות עמוד השדרה והסדירות, ניתן לפתח אסטרטגיה ליצירת מיקרו-מעבדים מאוחדים לתקן מסוים. לגישה זו יתרון בכך שהיא מאפשרת ארגון תקשורת ברמות שונות מבחינת אינטראקציה באמצעות ממשקים. מצד שני, התקינה אינה מאפשרת הרחבת יכולות המערכת והגברת עמידותה לעומסים חיצוניים.
זיכרון בטכנולוגיית מיקרו-מעבד
אחסון המידע מאורגן בעזרת התקני אחסון מיוחדים העשויים ממוליכים למחצה. זה חל על זיכרון פנימי, אך ניתן להשתמש גם במדיה אופטית ומגנטית חיצונית. כמו כן, רכיבי אחסון נתונים המבוססים על חומרים מוליכים למחצה יכולים להיות מיוצגים כמעגלים משולבים, אשרכלול במיקרו-מעבד. תאי זיכרון כאלה משמשים לא רק לאחסון תוכניות, אלא גם לשירות הזיכרון של המעבד המרכזי עם בקרים.
אם נסתכל יותר לעומק על הבסיס המבני של התקני אחסון, אז מעגלים העשויים מתכת, דיאלקטרי ומוליכים למחצה סיליקון יבואו לידי ביטוי. רכיבי מתכת, תחמוצת ומוליכים למחצה משמשים כדיאלקטריים. רמת האינטגרציה של התקן האחסון נקבעת על פי המטרות והמאפיינים של החומרה. בטכנולוגיית מיקרו-מעבד דיגיטלי עם אספקת פונקציית זיכרון וידאו, מתווספות חסינות רעשים, יציבות, מהירות וכן הלאה לדרישות האוניברסליות לאינטגרציה אמינה ועמידה בפרמטרים חשמליים. מיקרו-מעגלים דיגיטליים דו-קוטביים הם הפתרון האופטימלי מבחינת קריטריוני ביצועים ורב-גוניות אינטגרציה, אשר, בהתאם למשימות הנוכחיות, יכולים לשמש גם כטריגר, מעבד או מהפך.
פונקציות
מגוון הפונקציות מבוסס במידה רבה על המשימות שהמיקרו-מעבד יפתור בתהליך מסוים. ניתן לייצג את קבוצת הפונקציות האוניברסלית בגרסה מוכללת באופן הבא:
- קריאת נתונים.
- עיבוד נתונים.
- החלפת מידע עם זיכרון פנימי, מודולים או התקנים מחוברים חיצוניים.
- שיא נתונים.
- קלט ופלט נתונים.
המשמעות של כל אחד מהאמור לעילהפעולות נקבעות על פי ההקשר של המערכת הכוללת שבה נעשה שימוש במכשיר. לדוגמה, במסגרת פעולות אריתמטיות-לוגיות, טכנולוגיית אלקטרונית ומיקרו-מעבד, כתוצאה מעיבוד מידע קלט, יכולה להציג מידע חדש, אשר, בתורו, יהפוך לסיבה לאות פקודה זה או אחר. ראוי לציין גם את הפונקציונליות הפנימית, שבגללה מוסדרים פרמטרי ההפעלה של המעבד עצמו, הבקר, ספק הכוח, המפעילים ומודולים אחרים הפועלים בתוך מערכת הבקרה.
יצרני מכשירים
המקורות ליצירת התקני מיקרו-מעבד היו מהנדסי אינטל שהוציאו ליין שלם של מיקרו-בקרים של 8 סיביות המבוססים על פלטפורמת MCS-51, שעדיין נמצאים בשימוש באזורים מסוימים כיום. כמו כן, יצרנים רבים אחרים השתמשו במשפחת x51 לפרויקטים משלהם כחלק מפיתוח דורות חדשים של טכנולוגיית אלקטרוניקה ומיקרו-מעבדים, בין נציגיהם פיתוחים מקומיים כמו מחשב עם שבב יחיד K1816BE51.
לאחר שנכנסה לקטע של מעבדים מורכבים יותר, אינטל פינתה את מקומה למיקרו-בקרים לחברות אחרות, כולל Analog Device ו-Atmel. Zilog, Microchip, NEC ואחרים מציעים מבט חדש ביסודו של ארכיטקטורת המיקרו-מעבדים, כיום, בהקשר של פיתוח טכנולוגיית המיקרו-מעבד, קווי ה-x51, AVR ו-PIC יכולים להיחשב למצליחים ביותר. אם אנחנו מדברים על מגמות התפתחות, אז בימים אלה הראשוןהמקום מוחלף בדרישות להרחבת מגוון משימות הבקרה הפנימית, קומפקטיות וצריכת חשמל נמוכה. במילים אחרות, המיקרו-בקרים נעשים קטנים יותר וחכמים יותר מבחינת תחזוקה, אך במקביל מגדילים את פוטנציאל ההספק שלהם.
תחזוקה של ציוד מבוסס מיקרו-מעבד
בהתאם לתקנות, מערכות המיקרו-מעבד מטופלות על ידי צוותי עובדים בראשות חשמלאי. משימות התחזוקה העיקריות באזור זה כוללות את הדברים הבאים:
- תיקון כשלים בתהליך פעולת המערכת וניתוחם לקביעת הגורמים להפרה.
- מניעת תקלות במכשירים וברכיבים באמצעות תחזוקה מתוזמנת.
- תקן כשלים במכשיר על ידי תיקון חלקים פגומים או החלפתם בחלקים דומים שניתנים לשירות.
- ייצור של תיקון בזמן של רכיבי מערכת.
תחזוקה ישירה של טכנולוגיית המיקרו-מעבד יכולה להיות מורכבת או מינורית. במקרה הראשון, משולבת רשימה של פעולות טכניות, ללא קשר לעוצמת העבודה ורמת המורכבות שלהן. בגישה בקנה מידה קטן, הדגש הוא על אינדיבידואליזציה של כל פעולה, כלומר פעולות תיקון או תחזוקה פרטניות מבוצעות במתכונת מבודדת מנקודת מבטו של הארגון בהתאם למפה הטכנולוגית. החסרונות של שיטה זו קשורים בעלויות זרימת עבודה גבוהות, שאולי אינן מוצדקות כלכלית בתוך מערכת בקנה מידה גדול. מצד שני, שירות בקנה מידה קטןמשפר את איכות התמיכה הטכנית לציוד, ומצמצם את הסיכון לכשל נוסף שלו יחד עם רכיבים בודדים.
שימוש בטכנולוגיית מיקרו-מעבד
לפני ההשקה הנרחבת של מיקרו-מעבדים בתחומים שונים של התעשייה, הכלכלה המקומית והלאומית, יש פחות ופחות חסמים. זה שוב נובע מהאופטימיזציה של מכשירים אלה, הפחתה בעלויות שלהם והצורך הגובר באלמנטים אוטומציה. חלק מהשימושים הנפוצים ביותר במכשירים אלה כוללים:
- תעשייה. מיקרו-מעבדים משמשים בניהול עבודה, תיאום מכונה, מערכות בקרה ואיסוף ביצועי ייצור.
- טרייד. בתחום זה, פעולת טכנולוגיית המיקרו-מעבד קשורה לא רק לפעולות חישוביות, אלא גם לתחזוקת מודלים לוגיסטיים בניהול סחורות, מלאי ותזרימי מידע.
- מערכות אבטחה. אלקטרוניקה במתחמי אבטחה ואזעקה מודרניים מציבה דרישות גבוהות לאוטומציה ובקרה חכמה, המאפשרת לנו לספק מיקרו-מעבדים של דורות חדשים.
- תקשורת. כמובן, טכנולוגיות תקשורת אינן יכולות להסתדר בלי בקרים ניתנים לתכנות המשרתים מרבים, מסופים מרוחקים ומעגלי מיתוג.
כמה מילים לסיכום
קהל רחב של צרכנים לא יכול לדמיין לגמרי אפילו את זה של היוםהיכולות של טכנולוגיית המיקרו-מעבד, אך היצרנים אינם עומדים במקום וכבר שוקלים כיוונים מבטיחים לפיתוח מוצרים אלה. כך למשל, כלל תעשיית המחשבים עדיין נשמר היטב, לפיו מדי שנתיים יקטן מספר הטרנזיסטורים במעגלי המעבד. אבל מעבדי מיקרו מודרניים יכולים להתפאר לא רק באופטימיזציה מבנית. מומחים גם חוזים חידושים רבים במונחים של ארגון מעגלים חדשים, שיקלו על הגישה הטכנולוגית לפיתוח מעבדים ויפחית את עלות הבסיס שלהם.
