در طی چندین دهه توسعه، ریزپردازنده راه طولانی را از یک هدف کاربردی در زمینه های بسیار تخصصی به محصولی با بهره برداری گسترده پیموده است. امروزه به هر شکلی از این دستگاه ها به همراه کنترلرها تقریباً در هر زمینه ای از تولید استفاده می شود. در یک مفهوم گسترده، فناوری ریزپردازنده فرآیندهای کنترل و اتوماسیون را فراهم می کند، اما در این مسیر، حوزه های جدیدی برای توسعه دستگاه های با فناوری پیشرفته شکل می گیرد و تا زمانی که نشانه هایی از هوش مصنوعی ظاهر می شود، مورد تایید قرار می گیرد.
درک عمومی ریزپردازنده
مدیریت یا کنترل فرآیندهای خاص نیاز به پشتیبانی نرم افزاری مناسب بر اساس فنی واقعی دارد. در این ظرفیت، یک یا مجموعه‌ای از تراشه‌ها روی بلورهای ماتریس اصلی عمل می‌کنند. برای نیازهای عملی، تقریباً همیشه از ماژول‌های چیپ‌ست استفاده می‌شود، یعنی چیپ‌ست‌هایی که توسط یک سیستم برق مشترک به هم متصل می‌شوند.سیگنال ها، فرمت های پردازش اطلاعات و غیره. در تفسیر علمی، همانطور که در مبانی نظری فناوری ریزپردازنده ذکر شد، چنین وسایلی مکانی (حافظه اصلی) برای ذخیره عملوندها و دستورات به صورت رمزگذاری شده هستند. کنترل مستقیم در سطح بالاتر، بلکه از طریق مدارهای مجتمع ریزپردازنده نیز اجرا می شود. برای این کار از کنترلرها استفاده می شود.
فقط می توان در مورد کنترلرها در رابطه با میکروکامپیوترها یا میکروکامپیوترهای متشکل از ریزپردازنده ها صحبت کرد. در واقع، این یک تکنیک کاری است که در اصل قادر به انجام عملیات یا دستورات خاصی در چارچوب یک الگوریتم معین است. همانطور که در کتاب درسی فناوری ریزپردازنده توسط S. N. Liventsov ذکر شده است، یک میکروکنترلر باید به عنوان رایانه ای شناخته شود که بر انجام عملیات منطقی به عنوان بخشی از کنترل تجهیزات متمرکز است. بر اساس همان طرح ها است، اما با یک منبع محاسباتی محدود. وظیفه میکروکنترلر تا حد زیادی پیاده سازی رویه های مسئول اما ساده بدون مدارهای پیچیده است. با این حال ، چنین دستگاه هایی را نمی توان از نظر فناوری اولیه نیز نامید ، زیرا در صنایع مدرن میکروکنترلرها می توانند همزمان صدها و حتی هزاران عملیات را با در نظر گرفتن پارامترهای غیر مستقیم اجرای آنها کنترل کنند. به طور کلی، ساختار منطقی میکروکنترلر با در نظر گرفتن قدرت، تطبیق پذیری و قابلیت اطمینان طراحی شده است.
معماری
توسعه دهندگان دستگاه های ریزپردازنده با مجموعه ای سروکار دارنداجزای عملکردی، که در نهایت یک مجموعه کاری واحد را تشکیل می دهند. حتی یک مدل میکروکامپیوتر ساده امکان استفاده از تعدادی عنصر را فراهم می کند که انجام وظایف محول شده به دستگاه را تضمین می کند. نحوه تعامل بین این اجزا و همچنین وسایل ارتباطی با سیگنال های ورودی و خروجی تا حد زیادی معماری ریزپردازنده را تعیین می کند. در مورد خود مفهوم معماری نیز در تعاریف مختلفی بیان شده است. این می تواند مجموعه ای از پارامترهای فنی، فیزیکی و عملیاتی از جمله تعداد رجیسترهای حافظه، عمق بیت، سرعت و غیره باشد. اما، مطابق با مبانی نظری فناوری ریزپردازنده، معماری در این مورد باید به عنوان سازماندهی منطقی توابع اجرا شده در فرآیند عملیات به هم پیوسته پر کردن سخت افزار و نرم افزار درک شود. به طور خاص، معماری ریزپردازنده موارد زیر را منعکس می کند:
- مجموعه عناصر فیزیکی که یک ریزپردازنده را تشکیل می دهند و همچنین اتصالات بین بلوک های عملکردی آن.
- فرمت ها و راه های ارائه اطلاعات.
- کانال‌هایی برای دسترسی به ماژول‌های ساختار در دسترس برای استفاده با پارامترهایی برای استفاده بیشتر.
- عملیاتی که یک ریزپردازنده خاص می تواند انجام دهد.
- ویژگی دستورات کنترلی که دستگاه تولید یا دریافت می کند.
- واکنش به سیگنال های خارج.
رابط های خارجی
ریزپردازنده به ندرت به عنوان یک سیستم ایزوله برای دیده می شوداجرای دستورات یک کلمه ای در قالب ایستا. دستگاه‌هایی وجود دارند که یک سیگنال را طبق یک طرح مشخص پردازش می‌کنند، اما اغلب فناوری ریزپردازنده با تعداد زیادی پیوند ارتباطی از منابعی کار می‌کند که خودشان از نظر دستورات پردازش‌شده خطی نیستند. برای سازماندهی تعامل با تجهیزات شخص ثالث و منابع داده، فرمت های اتصال ویژه - رابط ها ارائه شده است. اما ابتدا باید مشخص کنید که دقیقاً با چه چیزی در حال ارتباط است. قاعدتا دستگاه های کنترل شده با این ظرفیت عمل می کنند یعنی از ریزپردازنده فرمانی برای آنها ارسال می شود و در حالت بازخورد می توان داده های وضعیت دستگاه اجرایی را دریافت کرد.
در مورد رابط های خارجی، آنها نه تنها برای امکان تعامل یک مکانیسم اجرایی خاص، بلکه برای ادغام آن در ساختار مجموعه کنترل نیز خدمت می کنند. با توجه به فناوری پیچیده کامپیوتر و ریزپردازنده، این می تواند مجموعه کاملی از ابزارهای سخت افزاری و نرم افزاری باشد که نزدیک به کنترل کننده است. علاوه بر این، میکروکنترلرها اغلب عملکردهای پردازش و صدور دستورات را با وظایف برقراری ارتباط بین ریزپردازنده ها و دستگاه های خارجی ترکیب می کنند.
مشخصات ریزپردازنده
ویژگی های اصلی دستگاه های ریزپردازنده شامل موارد زیر است:
- فرکانس ساعت. دوره زمانی که در طی آن اجزای کامپیوتر تعویض می‌شوند.
- عرض. تعداد حداکثر ممکن برای پردازش همزمان باینریارقام.
- معماری. پیکربندی مکان و روش های تعامل عناصر کاری ریزپردازنده.
ماهیت فرآیند عملیاتی را نیز می توان با معیارهای منظم بودن با اصلی قضاوت کرد. در مورد اول، ما در مورد نحوه اجرای اصل تکرارپذیری منظم در یک واحد خاص از فناوری ریزپردازنده کامپیوتر صحبت می کنیم. به عبارت دیگر درصد مشروط لینک ها و موارد کاری که همدیگر را تکراری می کنند چقدر است. نظم را می توان به طور کلی در ساختار سازمان طرحواره در همان سیستم پردازش داده اعمال کرد.
Backbone روش تبادل داده بین ماژول های داخلی سیستم را نشان می دهد که بر ماهیت ترتیب پیوندها نیز تأثیر می گذارد. با ترکیب اصول ستون فقرات و نظم، می توان استراتژی ایجاد ریزپردازنده های یکپارچه با یک استاندارد خاص را توسعه داد. این رویکرد دارای مزیت تسهیل سازماندهی ارتباطات در سطوح مختلف از نظر تعامل از طریق واسط است. از سوی دیگر استانداردسازی اجازه گسترش قابلیت های سیستم و افزایش مقاومت آن در برابر بارهای خارجی را نمی دهد.
حافظه در فناوری ریزپردازنده
ذخیره سازی اطلاعات با کمک دستگاه های ذخیره سازی ویژه ساخته شده از نیمه هادی ها سازماندهی می شود. این در مورد حافظه داخلی صدق می کند، اما می توان از رسانه های نوری و مغناطیسی خارجی نیز استفاده کرد. همچنین عناصر ذخیره سازی داده ها بر اساس مواد نیمه هادی را می توان به صورت مدارهای مجتمع نشان داد کهدر ریزپردازنده گنجانده شده است. چنین سلول های حافظه نه تنها برای ذخیره برنامه ها، بلکه برای سرویس حافظه پردازنده مرکزی با کنترلرها نیز استفاده می شود.
اگر نگاهی عمیق تر به اساس ساختاری دستگاه های ذخیره سازی بیندازیم، مدارهای ساخته شده از فلز، دی الکتریک و نیمه هادی سیلیکونی به منصه ظهور می رسند. قطعات فلزی، اکسیدی و نیمه هادی به عنوان دی الکتریک استفاده می شود. سطح یکپارچگی دستگاه ذخیره سازی با توجه به اهداف و ویژگی های سخت افزار تعیین می شود. در فناوری ریزپردازنده دیجیتال با ارائه عملکرد حافظه ویدیویی، ایمنی نویز، پایداری، سرعت و غیره نیز به الزامات جهانی برای یکپارچگی قابل اعتماد و انطباق با پارامترهای الکتریکی اضافه شده است. ریز مدارهای دیجیتال دوقطبی راه حل بهینه از نظر معیارهای عملکرد و تطبیق پذیری هستند که بسته به وظایف فعلی، می توانند به عنوان یک ماشه، پردازنده یا اینورتر نیز استفاده شوند.
توابع
دامنه توابع عمدتاً بر اساس وظایفی است که ریزپردازنده در یک فرآیند خاص حل می کند. مجموعه جهانی توابع در یک نسخه تعمیم یافته را می توان به صورت زیر نشان داد:
- Reading data.
- پردازش داده.
- تبادل اطلاعات با حافظه داخلی، ماژول ها یا دستگاه های متصل خارجی.
- ثبت داده.
- ورودی و خروجی داده.
معنای هر یک از موارد فوقعملیات توسط زمینه سیستم کلی که دستگاه در آن استفاده می شود تعیین می شود. به عنوان مثال، در چارچوب عملیات حسابی-منطقی، فناوری الکترونیکی و ریزپردازنده، در نتیجه پردازش اطلاعات ورودی، می تواند اطلاعات جدیدی را ارائه دهد که به نوبه خود دلیلی برای یک یا آن سیگنال فرمان خواهد بود. همچنین شایان ذکر است عملکرد داخلی است که به دلیل آن پارامترهای عملکرد خود پردازنده، کنترل کننده، منبع تغذیه، محرک ها و سایر ماژول های فعال در سیستم کنترل تنظیم می شوند.
سازندگان دستگاه
منشاء ایجاد دستگاه های ریزپردازنده مهندسان اینتل بودند که خط کاملی از میکروکنترلرهای 8 بیتی را بر اساس پلت فرم MCS-51 منتشر کردند که امروزه هنوز در برخی مناطق استفاده می شود. همچنین بسیاری از تولیدکنندگان دیگر از خانواده x51 برای پروژه های خود به عنوان بخشی از توسعه نسل های جدید الکترونیک و فناوری ریزپردازنده استفاده کردند که از جمله نمایندگان آن می توان به پیشرفت های داخلی مانند کامپیوتر تک تراشه K1816BE51 اشاره کرد.
پس از ورود به بخش پردازنده های پیچیده تر، اینتل جای خود را به میکروکنترلرها به شرکت های دیگر، از جمله دستگاه آنالوگ و اتمل داد. Zilog، Microchip، NEC و دیگران نگاهی اساسی به معماری ریزپردازنده ارائه می دهند.امروزه در زمینه توسعه فناوری ریزپردازنده، خطوط x51، AVR و PIC را می توان موفق ترین آنها دانست. اگر در مورد روندهای توسعه صحبت کنیم، این روزها اولین مورد استاین مکان با الزاماتی برای گسترش دامنه وظایف کنترل داخلی، فشردگی و مصرف انرژی کم جایگزین شده است. به عبارت دیگر، میکروکنترلرها از نظر نگهداری کوچکتر و هوشمندتر می شوند، اما در عین حال پتانسیل توان خود را افزایش می دهند.
تعمیر و نگهداری تجهیزات مبتنی بر ریزپردازنده
مطابق با مقررات، سیستم های ریزپردازنده توسط تیم هایی از کارگران به رهبری یک برقکار سرویس می شوند. وظایف اصلی تعمیر و نگهداری در این زمینه شامل موارد زیر است:
- رفع خرابی ها در فرآیند عملکرد سیستم و تجزیه و تحلیل آنها برای تعیین دلایل نقض.
- جلوگیری از خرابی دستگاه و قطعات از طریق تعمیر و نگهداری برنامه ریزی شده اختصاص داده شده.
- ایرادات دستگاه را با تعمیر قطعات آسیب دیده یا تعویض آنها با قطعات مشابه قابل تعمیر تعمیر کنید.
- تولید تعمیر به موقع اجزای سیستم.
نگهداری مستقیم فناوری ریزپردازنده می تواند پیچیده یا جزئی باشد. در حالت اول، بدون توجه به شدت کار و سطح پیچیدگی، فهرستی از عملیات فنی ترکیب می شود. با رویکردی در مقیاس کوچک، تأکید بر شخصی سازی هر عملیات است، یعنی اقدامات تعمیر یا نگهداری فردی در قالبی مجزا از دیدگاه سازمان مطابق با نقشه فناوری انجام می شود. معایب این روش با هزینه های بالای گردش کار همراه است که ممکن است در یک سیستم در مقیاس بزرگ توجیه اقتصادی نداشته باشد. از سوی دیگر، خدمات در مقیاس کوچککیفیت پشتیبانی فنی تجهیزات را بهبود می بخشد و خطر خرابی بیشتر آن را همراه با اجزای جداگانه به حداقل می رساند.
استفاده از فناوری ریزپردازنده
قبل از معرفی گسترده ریزپردازنده ها در حوزه های مختلف صنعت، اقتصاد داخلی و ملی، موانع کمتر و کمتری وجود دارد. این نیز به دلیل بهینه سازی این دستگاه ها، کاهش هزینه آنها و نیاز روزافزون به عناصر اتوماسیون است. برخی از رایج ترین کاربردهای این دستگاه ها عبارتند از:
- صنعت. ریزپردازنده ها در مدیریت کار، هماهنگی ماشین، سیستم های کنترل و مجموعه عملکرد تولید استفاده می شوند.
- تجارت. در این زمینه، عملکرد فناوری ریزپردازنده نه تنها با عملیات محاسباتی، بلکه با حفظ مدل‌های لجستیک در مدیریت کالاها، سهام و جریان‌های اطلاعاتی مرتبط است.
- سیستم های امنیتی. الکترونیک در مجتمع‌های مدرن امنیتی و زنگ هشدار، الزامات بالایی را برای اتوماسیون و کنترل هوشمند تعیین می‌کند که به ما امکان می‌دهد ریزپردازنده‌های نسل‌های جدید را ارائه کنیم.
- ارتباطات. البته، فناوری‌های ارتباطی نمی‌توانند بدون کنترل‌کننده‌های قابل برنامه‌ریزی که مالتی پلکسرها، پایانه‌های راه دور و مدارهای سوئیچینگ را ارائه می‌کنند.
چند کلمه در پایان
مخاطبان گسترده ای از مصرف کنندگان نمی توانند حتی امروز را به طور کامل تصور کنندقابلیت‌های فناوری ریزپردازنده، اما سازندگان ثابت نمی‌مانند و در حال بررسی مسیرهای امیدوارکننده برای توسعه این محصولات هستند. به عنوان مثال، قانون صنعت کامپیوتر هنوز به خوبی حفظ شده است که بر اساس آن هر دو سال تعداد ترانزیستورها در مدارهای پردازنده کاهش می یابد. اما ریزپردازنده های مدرن نه تنها می توانند به بهینه سازی ساختاری ببالند. کارشناسان همچنین نوآوری‌های زیادی را در زمینه سازماندهی مدارهای جدید پیش‌بینی می‌کنند که رویکرد فناوری به توسعه پردازنده‌ها را تسهیل می‌کند و هزینه پایه آنها را کاهش می‌دهد.
