Trải qua vài thập kỷ phát triển, bộ vi xử lý đã trải qua một chặng đường dài từ một đối tượng ứng dụng trong các lĩnh vực chuyên môn cao trở thành một sản phẩm có khả năng khai thác rộng rãi. Ngày nay, dưới hình thức này hay hình thức khác, các thiết bị này cùng với bộ điều khiển được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực sản xuất. Theo nghĩa rộng, công nghệ vi xử lý cung cấp các quy trình điều khiển và tự động hóa, nhưng theo hướng này, các lĩnh vực mới để phát triển các thiết bị công nghệ cao đang được hình thành và phê duyệt, cho đến khi xuất hiện các dấu hiệu của trí tuệ nhân tạo.
Tìm hiểu chung về vi xử lý
Quản lý hoặc kiểm soát các quy trình nhất định yêu cầu hỗ trợ phần mềm thích hợp trên cơ sở kỹ thuật thực tế. Với khả năng này, một hoặc một tập hợp các chip trên các tinh thể ma trận cơ bản sẽ hoạt động. Đối với nhu cầu thực tế, các mô-đun bộ chip hầu như luôn được sử dụng, tức là các chipset được kết nối bởi một hệ thống điện chung,tín hiệu, định dạng xử lý thông tin, v.v. Theo cách giải thích khoa học, như đã lưu ý trong cơ sở lý thuyết của công nghệ vi xử lý, các thiết bị như vậy là nơi (bộ nhớ chính) để lưu trữ các toán hạng và lệnh ở dạng mã hóa. Điều khiển trực tiếp được thực hiện ở cấp độ cao hơn, nhưng cũng thông qua các mạch tích hợp bộ vi xử lý. Bộ điều khiển được sử dụng cho việc này.
Người ta chỉ có thể nói về bộ điều khiển liên quan đến vi máy tính hoặc vi máy tính bao gồm bộ vi xử lý. Thực ra đây là một kỹ thuật làm việc, về nguyên tắc có khả năng thực hiện một số thao tác hoặc lệnh trong khuôn khổ của một thuật toán nhất định. Như đã lưu ý trong sách giáo khoa về công nghệ vi xử lý của S. N. Liventsov, vi điều khiển nên được hiểu là một máy tính tập trung vào việc thực hiện các hoạt động logic như một phần của điều khiển thiết bị. Nó dựa trên các sơ đồ giống nhau, nhưng với tài nguyên máy tính hạn chế. Nhiệm vụ của vi điều khiển ở một mức độ lớn hơn là thực hiện các thủ tục có trách nhiệm, nhưng đơn giản mà không có các mạch phức tạp. Tuy nhiên, những thiết bị như vậy cũng không thể được gọi là sơ khai về mặt công nghệ, vì trong các ngành công nghiệp hiện đại, vi điều khiển có thể điều khiển đồng thời hàng trăm, thậm chí hàng nghìn hoạt động cùng một lúc, có tính đến các tham số gián tiếp thực hiện của chúng. Nói chung, cấu trúc logic của bộ vi điều khiển được thiết kế chú trọng đến sức mạnh, tính linh hoạt và độ tin cậy.
Kiến trúc
Các nhà phát triển thiết bị vi xử lý đang xử lý một tập hợpcác thành phần chức năng, cuối cùng tạo thành một tổ hợp làm việc duy nhất. Ngay cả một mô hình máy tính vi mô đơn giản cũng cung cấp việc sử dụng một số yếu tố để đảm bảo hoàn thành các nhiệm vụ được giao cho máy. Cách thức tương tác giữa các thành phần này, cũng như phương tiện giao tiếp với các tín hiệu đầu vào và đầu ra, quyết định phần lớn đến kiến trúc của bộ vi xử lý. Đối với khái niệm kiến trúc, nó được thể hiện trong các định nghĩa khác nhau. Đây có thể là một tập hợp các thông số kỹ thuật, vật lý và hoạt động, bao gồm số lượng thanh ghi bộ nhớ, độ sâu bit, tốc độ, v.v. Nhưng, phù hợp với nền tảng lý thuyết của công nghệ vi xử lý, kiến trúc trong trường hợp này nên được hiểu là tổ chức hợp lý của các chức năng được thực hiện trong quá trình hoạt động liên kết giữa phần cứng và phần mềm. Cụ thể hơn, kiến trúc bộ vi xử lý phản ánh những điều sau:
- Tập hợp các phần tử vật lý tạo thành bộ vi xử lý, cũng như các kết nối giữa các khối chức năng của nó.
- Định dạng và cách cung cấp thông tin.
- Các kênh để truy cập các mô-đun cấu trúc có sẵn để sử dụng với các tham số để sử dụng thêm.
- Thao tác mà một bộ vi xử lý cụ thể có thể thực hiện.
- Đặc điểm của lệnh điều khiển mà thiết bị tạo hoặc nhận.
- Phản ứng với các tín hiệu từ bên ngoài.
Giao diện bên ngoài
Bộ vi xử lý hiếm khi được coi là một hệ thống cô lập đểthực hiện các lệnh một từ ở định dạng tĩnh. Có những thiết bị xử lý một tín hiệu theo một sơ đồ nhất định, nhưng thông thường công nghệ vi xử lý hoạt động với một số lượng lớn các liên kết giao tiếp từ các nguồn mà bản thân chúng không tuyến tính về các lệnh được xử lý. Để tổ chức tương tác với thiết bị và nguồn dữ liệu của bên thứ ba, các định dạng kết nối đặc biệt được cung cấp - giao diện. Nhưng trước tiên bạn cần xác định chính xác những gì đang được giao tiếp với. Theo quy định, các thiết bị được điều khiển hoạt động trong khả năng này, nghĩa là, một lệnh được gửi đến chúng từ bộ vi xử lý và ở chế độ phản hồi, dữ liệu về trạng thái của cơ quan điều hành có thể được nhận.
Đối với các giao diện bên ngoài, chúng không chỉ phục vụ cho khả năng tương tác của một cơ chế điều hành nhất định mà còn để tích hợp vào cấu trúc của tổ hợp điều khiển. Đối với công nghệ máy tính và vi xử lý phức tạp, đây có thể là một tập hợp toàn bộ các công cụ phần cứng và phần mềm liên quan chặt chẽ đến bộ điều khiển. Hơn nữa, vi điều khiển thường kết hợp các chức năng xử lý và ra lệnh với các nhiệm vụ cung cấp thông tin liên lạc giữa vi xử lý và các thiết bị bên ngoài.
Thông số kỹ thuật vi xử lý
Các đặc điểm chính của thiết bị vi xử lý bao gồm những đặc điểm sau:
- Tần số đồng hồ. Khoảng thời gian mà các thành phần máy tính được chuyển đổi.
- Chiều rộng. Số lượng tối đa có thể để xử lý đồng thời nhị phânchữ số.
- Kiến trúc. Cấu hình vị trí và cách thức tương tác của các phần tử làm việc của bộ vi xử lý.
Bản chất của quá trình hoạt động cũng có thể được đánh giá bằng các tiêu chí về tính thường xuyên với chính. Trong trường hợp đầu tiên, chúng ta đang nói về cách chúng ta thực hiện nguyên tắc lặp lại đều đặn trong một đơn vị cụ thể của công nghệ vi xử lý máy tính. Nói cách khác, tỷ lệ phần trăm có điều kiện của các liên kết và mục công việc trùng lặp nhau là bao nhiêu. Nói chung, tính thường xuyên có thể được áp dụng cho cấu trúc của tổ chức giản đồ trong cùng một hệ thống xử lý dữ liệu.
Đường trục chỉ ra phương thức trao đổi dữ liệu giữa các phân hệ bên trong hệ thống, cũng ảnh hưởng đến bản chất của thứ tự các liên kết. Kết hợp các nguyên tắc xương sống và tính thường xuyên, có thể phát triển một chiến lược tạo ra các bộ vi xử lý thống nhất theo một tiêu chuẩn nhất định. Cách tiếp cận này có ưu điểm là tạo điều kiện thuận lợi cho việc tổ chức truyền thông ở các cấp độ khác nhau về mặt tương tác thông qua các giao diện. Mặt khác, tiêu chuẩn hóa không cho phép mở rộng khả năng của hệ thống và tăng khả năng chống chịu tải bên ngoài.
Bộ nhớ trong công nghệ vi xử lý
Lưu trữ thông tin được tổ chức với sự trợ giúp của các thiết bị lưu trữ đặc biệt làm bằng chất bán dẫn. Điều này áp dụng cho bộ nhớ trong, nhưng cũng có thể sử dụng phương tiện quang học và từ tính bên ngoài. Ngoài ra, các phần tử lưu trữ dữ liệu dựa trên vật liệu bán dẫn có thể được biểu diễn dưới dạng các mạch tích hợp,có trong bộ vi xử lý. Các ô nhớ như vậy không chỉ được sử dụng để lưu trữ các chương trình mà còn được sử dụng để bảo dưỡng bộ nhớ của bộ xử lý trung tâm với các bộ điều khiển.
Nếu chúng ta tìm hiểu sâu hơn về cơ sở cấu trúc của các thiết bị lưu trữ, thì các mạch làm bằng kim loại, điện môi và chất bán dẫn silicon sẽ đi đầu. Các thành phần kim loại, oxit và bán dẫn được sử dụng làm chất điện môi. Mức độ tích hợp của thiết bị lưu trữ được xác định bởi các mục tiêu và đặc điểm của phần cứng. Trong công nghệ bộ vi xử lý kỹ thuật số với việc cung cấp chức năng bộ nhớ video, khả năng chống nhiễu, độ ổn định, tốc độ, v.v. cũng được thêm vào các yêu cầu chung về tích hợp đáng tin cậy và tuân thủ các thông số điện. Vi mạch kỹ thuật số lưỡng cực là giải pháp tối ưu về tiêu chí hiệu suất và tính linh hoạt trong tích hợp, tùy thuộc vào các tác vụ hiện tại, cũng có thể được sử dụng làm bộ kích hoạt, bộ xử lý hoặc biến tần.
Chức năng
Phạm vi chức năng chủ yếu dựa trên các tác vụ mà bộ vi xử lý sẽ giải quyết trong một quy trình cụ thể. Tập hợp các hàm phổ quát trong một phiên bản tổng quát có thể được biểu diễn như sau:
- Đọc dữ liệu.
- Xử lý dữ liệu.
- Trao đổi thông tin với bộ nhớ trong, mô-đun hoặc thiết bị kết nối bên ngoài.
- Ghi lại dữ liệu.
- Nhập và xuất dữ liệu.
Ý nghĩa của từng điều trênhoạt động được xác định bởi bối cảnh của hệ thống tổng thể mà thiết bị được sử dụng. Ví dụ, trong khuôn khổ của các phép toán số học-lôgic, công nghệ điện tử và vi xử lý, là kết quả của việc xử lý thông tin đầu vào, có thể trình bày thông tin mới, đến lượt nó, sẽ trở thành lý do cho một hoặc một tín hiệu lệnh khác. Cũng cần lưu ý đến chức năng bên trong, do đó các thông số hoạt động của chính bộ xử lý, bộ điều khiển, bộ nguồn, bộ truyền động và các mô-đun khác hoạt động trong hệ thống điều khiển được quy định.
Nhà sản xuất thiết bị
Nguồn gốc của việc tạo ra các thiết bị vi xử lý là các kỹ sư của Intel đã phát hành toàn bộ dòng vi điều khiển 8-bit dựa trên nền tảng MCS-51, vẫn được sử dụng trong một số lĩnh vực ngày nay. Ngoài ra, nhiều nhà sản xuất khác đã sử dụng họ x51 cho các dự án của riêng họ như một phần trong quá trình phát triển thế hệ công nghệ vi xử lý và điện tử mới, trong số đó có các đại diện là những phát triển trong nước như máy tính chip đơn K1816BE51.
Sau khi bước vào phân khúc vi xử lý phức tạp hơn, Intel đã nhường bước vi điều khiển cho các công ty khác, bao gồm Thiết bị Analog và Atmel. Zilog, Microchip, NEC và các hãng khác mang đến một cái nhìn mới về cơ bản về kiến trúc vi xử lý Ngày nay, trong bối cảnh công nghệ vi xử lý ngày càng phát triển thì các dòng x51, AVR và PIC có thể coi là thành công nhất. Nếu chúng ta nói về xu hướng phát triển, thì những ngày đầu tiênnơi được thay thế bởi các yêu cầu mở rộng phạm vi nhiệm vụ kiểm soát nội bộ, gọn nhẹ và tiêu thụ điện năng thấp. Nói cách khác, các bộ vi điều khiển ngày càng nhỏ hơn và thông minh hơn về mặt bảo trì, nhưng đồng thời tăng tiềm năng năng lượng của chúng.
Bảo dưỡng thiết bị sử dụng vi xử lý
Theo đúng quy định, hệ thống vi xử lý được bảo dưỡng bởi đội công nhân do thợ điện phụ trách. Các nhiệm vụ bảo trì chính trong khu vực này bao gồm:
- Khắc phục các lỗi trong quá trình vận hành hệ thống và phân tích chúng để xác định nguyên nhân vi phạm.
- Ngăn ngừa lỗi thiết bị và thành phần thông qua bảo trì theo lịch đã chỉ định.
- Sửa chữa các hư hỏng của thiết bị bằng cách sửa chữa các bộ phận bị hư hỏng hoặc thay thế chúng bằng các bộ phận tương tự có thể sửa chữa được.
- Sản xuất sửa chữa kịp thời các thành phần hệ thống.
Bảo trì trực tiếp công nghệ vi xử lý có thể phức tạp hoặc nhỏ. Trong trường hợp đầu tiên, một danh sách các hoạt động kỹ thuật được kết hợp, bất kể cường độ lao động và mức độ phức tạp của chúng. Với cách tiếp cận quy mô nhỏ, trọng tâm là cá thể hóa từng hoạt động, tức là các hoạt động sửa chữa hoặc bảo dưỡng riêng lẻ được thực hiện theo một định dạng riêng biệt theo quan điểm của tổ chức phù hợp với bản đồ công nghệ. Những nhược điểm của phương pháp này là liên quan đến chi phí quy trình làm việc cao, điều này có thể không hợp lý về mặt kinh tế trong một hệ thống quy mô lớn. Mặt khác, dịch vụ quy mô nhỏnâng cao chất lượng hỗ trợ kỹ thuật cho thiết bị, giảm thiểu nguy cơ hỏng hóc thêm cùng với các bộ phận riêng lẻ.
Sử dụng công nghệ vi xử lý
Trước sự ra đời rộng rãi của các bộ vi xử lý trong các lĩnh vực công nghiệp, trong nước và kinh tế quốc dân, ngày càng có ít rào cản hơn. Điều này một lần nữa là do sự tối ưu hóa của các thiết bị này, giảm chi phí của chúng và nhu cầu ngày càng tăng về các yếu tố tự động hóa. Một số cách sử dụng phổ biến nhất cho các thiết bị này bao gồm:
- Ngành. Bộ vi xử lý được sử dụng trong quản lý công việc, điều phối máy, hệ thống điều khiển và thu thập hiệu suất sản xuất.
- Thương mại. Trong lĩnh vực này, hoạt động của công nghệ vi xử lý không chỉ gắn liền với các hoạt động tính toán mà còn với việc duy trì các mô hình hậu cần trong việc quản lý hàng hóa, kho dự trữ và luồng thông tin.
- Hệ thống an ninh. Điện tử trong các tổ hợp báo động và an ninh hiện đại đặt ra yêu cầu cao về tự động hóa và điều khiển thông minh, cho phép chúng tôi cung cấp các bộ vi xử lý thế hệ mới.
- Giao tiếp. Tất nhiên, công nghệ truyền thông không thể thực hiện được nếu không có bộ điều khiển lập trình phục vụ bộ ghép kênh, thiết bị đầu cuối từ xa và mạch chuyển mạch.
Vài lời kết luận
Rất nhiều người tiêu dùng không thể hình dung đầy đủ ngay cả ngày hôm naykhả năng của công nghệ vi xử lý, nhưng các nhà sản xuất không đứng yên mà đã và đang xem xét những hướng đi đầy hứa hẹn cho sự phát triển của các sản phẩm này. Ví dụ, quy luật của ngành máy tính vẫn được duy trì tốt, theo đó cứ sau hai năm số lượng bóng bán dẫn trong các mạch vi xử lý sẽ giảm xuống. Nhưng các bộ vi xử lý hiện đại không chỉ có thể tự hào về việc tối ưu hóa cấu trúc. Các chuyên gia cũng dự đoán nhiều đổi mới về tổ chức mạch điện mới, điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho phương pháp tiếp cận công nghệ để phát triển bộ vi xử lý và giảm chi phí cơ bản của chúng.
