على مدى عدة عقود من التطوير ، قطع المعالج الدقيق شوطًا طويلاً من موضوع للتطبيق في مجالات عالية التخصص إلى منتج واسع الاستغلال. اليوم ، بشكل أو بآخر ، تُستخدم هذه الأجهزة ، جنبًا إلى جنب مع وحدات التحكم ، في أي مجال من مجالات الإنتاج تقريبًا. بمعنى واسع ، توفر تقنية المعالجات الدقيقة عمليات التحكم والأتمتة ، ولكن في هذا الاتجاه ، يتم تشكيل مجالات جديدة لتطوير الأجهزة عالية التقنية والموافقة عليها ، حتى ظهور علامات الذكاء الاصطناعي.
فهم عام للمعالجات الدقيقة
تتطلب إدارة عمليات معينة أو التحكم فيها دعمًا برمجيًا مناسبًا على أساس تقني حقيقي. بهذه الصفة ، تعمل واحدة أو مجموعة من الرقائق على بلورات المصفوفة الأساسية. للاحتياجات العملية ، يتم استخدام وحدات مجموعة الشرائح دائمًا تقريبًا ، أي شرائح متصلة بواسطة نظام طاقة مشترك ،الإشارات وتنسيقات معالجة المعلومات وما إلى ذلك. في التفسير العلمي ، كما هو مذكور في الأسس النظرية لتقنية المعالجات الدقيقة ، تعتبر هذه الأجهزة مكانًا (الذاكرة الرئيسية) لتخزين العمليات والأوامر في شكل مشفر. يتم تنفيذ التحكم المباشر على مستوى أعلى ، ولكن أيضًا من خلال الدوائر المتكاملة للمعالج الدقيق. تستخدم وحدات التحكم لهذا.
يمكن للمرء أن يتحدث فقط عن وحدات التحكم فيما يتعلق بالحواسيب الصغيرة أو الحواسيب الصغيرة التي تتكون من معالجات دقيقة. في الواقع ، هذه تقنية عمل ، قادرة من حيث المبدأ على تنفيذ عمليات أو أوامر معينة في إطار خوارزمية معينة. كما هو مذكور في الكتاب المدرسي عن تكنولوجيا المعالجات الدقيقة بواسطة S. N. ليفينتسوف ، يجب فهم المتحكم الدقيق على أنه جهاز كمبيوتر يركز على أداء العمليات المنطقية كجزء من التحكم في المعدات. يعتمد على نفس المخططات ، ولكن مع مورد حوسبة محدود. تتمثل مهمة المتحكم الدقيق إلى حد كبير في تنفيذ إجراءات مسؤولة ولكن بسيطة بدون دوائر معقدة. ومع ذلك ، لا يمكن تسمية هذه الأجهزة بدائية من الناحية التكنولوجية أيضًا ، حيث يمكن للميكروكونترولر في الصناعات الحديثة التحكم في المئات وحتى الآلاف من العمليات في نفس الوقت ، مع مراعاة المعلمات غير المباشرة لتنفيذها. بشكل عام ، تم تصميم الهيكل المنطقي للميكروكونترولر مع وضع القوة والتنوع والموثوقية في الاعتبار.
العمارة
مطورو أجهزة المعالجات الدقيقة يتعاملون مع مجموعةالمكونات الوظيفية ، والتي تشكل في النهاية مجمع عمل واحد. حتى نموذج الحواسيب الصغيرة البسيط يوفر استخدام عدد من العناصر التي تضمن إنجاز المهام المخصصة للجهاز. إن طريقة التفاعل بين هذه المكونات ، وكذلك وسائل الاتصال بإشارات الإدخال والإخراج ، تحدد إلى حد كبير بنية المعالج الدقيق. أما بالنسبة لمفهوم العمارة ذاته ، فيتم التعبير عنه بتعريفات مختلفة. يمكن أن تكون هذه مجموعة من المعلمات التقنية والفيزيائية والتشغيلية ، بما في ذلك عدد سجلات الذاكرة وعمق البت والسرعة وما إلى ذلك. ولكن ، وفقًا للأسس النظرية لتكنولوجيا المعالجات الدقيقة ، يجب فهم الهندسة المعمارية في هذه الحالة على أنها التنظيم المنطقي للوظائف المنفذة في عملية التشغيل المترابط لتعبئة الأجهزة والبرامج. وبشكل أكثر تحديدًا ، تعكس بنية المعالج الدقيق ما يلي:
- مجموعة العناصر الفيزيائية التي تشكل معالجًا دقيقًا ، وكذلك الوصلات بين كتلته الوظيفية.
- تنسيقات وطرق توفير المعلومات
- قنوات للوصول إلى وحدات الهيكل المتاحة للاستخدام مع المعلمات لاستخدامها الإضافي.
- العمليات التي يمكن لمعالج دقيق معين القيام بها.
- خصائص أوامر التحكم التي يولدها الجهاز أو يستقبلها.
- ردود الفعل على الإشارات من الخارج.
واجهات خارجية
نادرًا ما يُنظر إلى المعالج الدقيق على أنه نظام معزول لـتنفيذ أوامر من كلمة واحدة بتنسيق ثابت. هناك أجهزة تعالج إشارة واحدة وفقًا لمخطط معين ، ولكن غالبًا ما تعمل تقنية المعالجات الدقيقة مع عدد كبير من روابط الاتصال من مصادر ليست هي نفسها خطية من حيث الأوامر المعالجة. لتنظيم التفاعل مع معدات ومصادر بيانات تابعة لجهات خارجية ، يتم توفير تنسيقات اتصال خاصة - واجهات. لكن عليك أولاً تحديد ما الذي يتم التواصل معه بالضبط. كقاعدة عامة ، تعمل الأجهزة التي يتم التحكم فيها بهذه الصفة ، أي يتم إرسال أمر إليها من المعالج الدقيق ، وفي وضع الملاحظات ، يمكن تلقي البيانات المتعلقة بحالة الهيئة التنفيذية.
أما بالنسبة للواجهات الخارجية ، فهي لا تخدم فقط إمكانية تفاعل آلية تنفيذية معينة ، ولكن أيضًا لتكاملها في هيكل مجمع التحكم. فيما يتعلق بتكنولوجيا الكمبيوتر والمعالجات الدقيقة المعقدة ، يمكن أن تكون هذه مجموعة كاملة من أدوات الأجهزة والبرامج المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بوحدة التحكم. علاوة على ذلك ، غالبًا ما تجمع المتحكمات الدقيقة بين وظائف المعالجة وإصدار الأوامر مع مهام توفير الاتصال بين المعالجات الدقيقة والأجهزة الخارجية.
مواصفات المعالج الدقيق
تشمل الخصائص الرئيسية لأجهزة المعالجات الدقيقة ما يلي:
- تردد على مدار الساعة. الفترة الزمنية التي يتم خلالها تبديل مكونات الكمبيوتر.
- العرض. أقصى عدد ممكن للمعالجة المتزامنة للثنائيأرقام.
- العمارة. تكوين الموضع وطرق تفاعل عناصر العمل للمعالج الدقيق.
يمكن أيضًا الحكم على طبيعة العملية التشغيلية من خلال معايير الانتظام مع الرئيسي. في الحالة الأولى ، نتحدث عن كيفية تطبيقنا لمبدأ التكرار المنتظم في وحدة معينة من تكنولوجيا المعالجات الدقيقة للكمبيوتر. بمعنى آخر ، ما هي النسبة المئوية المشروطة للروابط وعناصر العمل التي تكرر بعضها البعض. يمكن تطبيق الانتظام بشكل عام على هيكل تنظيم المخطط داخل نفس نظام معالجة البيانات.
العمود الفقري يشير إلى طريقة تبادل البيانات بين الوحدات الداخلية للنظام ، كما يؤثر على طبيعة ترتيب الروابط. من خلال الجمع بين مبادئ العمود الفقري والانتظام ، من الممكن تطوير استراتيجية لإنشاء معالجات دقيقة موحدة وفقًا لمعيار معين. يتمتع هذا النهج بميزة تسهيل تنظيم الاتصالات على مستويات مختلفة من حيث التفاعل من خلال الواجهات. من ناحية أخرى ، لا يسمح التوحيد بتوسيع إمكانيات النظام وزيادة مقاومته للأحمال الخارجية.
الذاكرة في تكنولوجيا المعالجات الدقيقة
يتم تنظيم تخزين المعلومات بمساعدة أجهزة تخزين خاصة مصنوعة من أشباه الموصلات. ينطبق هذا على الذاكرة الداخلية ، ولكن يمكن أيضًا استخدام الوسائط البصرية والمغناطيسية الخارجية. أيضًا ، يمكن تمثيل عناصر تخزين البيانات بناءً على مواد أشباه الموصلات كدوائر متكاملة ، والتيالمدرجة في المعالج الدقيق. تستخدم خلايا الذاكرة هذه ليس فقط لتخزين البرامج ، ولكن أيضًا لخدمة ذاكرة المعالج المركزي بوحدات التحكم.
إذا ألقينا نظرة أعمق على الأساس الهيكلي لأجهزة التخزين ، فإن الدوائر المصنوعة من المعدن والعزل الكهربائي وأشباه الموصلات السيليكونية ستظهر في المقدمة. تستخدم المكونات المعدنية والأكسيد وأشباه الموصلات كعوازل كهربائية. يتم تحديد مستوى تكامل جهاز التخزين من خلال أهداف وخصائص الجهاز. في تكنولوجيا المعالجات الدقيقة الرقمية مع توفير وظيفة ذاكرة الفيديو ، تمت إضافة مناعة الضوضاء ، والاستقرار ، والسرعة ، وما إلى ذلك أيضًا إلى المتطلبات العالمية للتكامل والامتثال الموثوقين للمعلمات الكهربائية. الدوائر الدقيقة الرقمية ثنائية القطب هي الحل الأمثل من حيث معايير الأداء وتنوع التكامل ، والتي ، اعتمادًا على المهام الحالية ، يمكن أيضًا استخدامها كمحفز أو معالج أو عاكس.
وظائف
يعتمد نطاق الوظائف إلى حد كبير على المهام التي سيحلها المعالج الدقيق في عملية معينة. يمكن تمثيل مجموعة الوظائف العالمية في إصدار معمم على النحو التالي:
- قراءة البيانات.
- معالجة البيانات.
- تبادل المعلومات مع الذاكرة الداخلية أو الوحدات أو الأجهزة الخارجية المتصلة.
- تسجيل البيانات.
- إدخال البيانات والمخرجات.
معنى كل مما سبقيتم تحديد العمليات من خلال سياق النظام العام الذي يستخدم فيه الجهاز. على سبيل المثال ، في إطار العمليات الحسابية المنطقية ، يمكن لتقنية المعالجات الإلكترونية والمعالجات الدقيقة ، نتيجة معالجة معلومات الإدخال ، تقديم معلومات جديدة ، والتي بدورها ستصبح سببًا لإشارة أوامر واحدة أو أخرى. تجدر الإشارة أيضًا إلى الوظيفة الداخلية ، والتي يتم من خلالها تنظيم معلمات تشغيل المعالج نفسه ، ووحدة التحكم ، ومصدر الطاقة ، والمشغلات والوحدات النمطية الأخرى التي تعمل داخل نظام التحكم.
الشركات المصنعة للأجهزة
نشأ إنشاء أجهزة المعالجات الدقيقة من مهندسي Intel الذين أطلقوا مجموعة كاملة من وحدات التحكم الدقيقة 8 بت استنادًا إلى النظام الأساسي MCS-51 ، والتي لا تزال مستخدمة في بعض المناطق حتى اليوم. أيضًا ، استخدم العديد من المصنّعين الآخرين عائلة x51 لمشاريعهم الخاصة كجزء من تطوير أجيال جديدة من الإلكترونيات وتكنولوجيا المعالجات الدقيقة ، ومن بين ممثليها التطورات المحلية مثل الكمبيوتر أحادي الشريحة K1816BE51.
بعد دخولها قطاع المعالجات الأكثر تعقيدًا ، أفسحت إنتل الطريق أمام المتحكمات الدقيقة لشركات أخرى ، بما في ذلك الأجهزة التناظرية و Atmel. تقدم Zilog و Microchip و NEC وغيرها نظرة جديدة تمامًا على بنية المعالجات الدقيقة. اليوم ، في سياق تطوير تقنية المعالجات الدقيقة ، يمكن اعتبار خطوط x51 و AVR و PIC هي الأكثر نجاحًا. إذا تحدثنا عن اتجاهات التنمية ، فهذه الأيام هي الأولىيتم استبدال المكان بمتطلبات توسيع نطاق مهام التحكم الداخلي والاكتناز واستهلاك الطاقة المنخفض. بمعنى آخر ، أصبحت المتحكمات الدقيقة أصغر حجمًا وأكثر ذكاءً من حيث الصيانة ، ولكن في نفس الوقت تزيد من إمكانات قوتها.
صيانة المعدات القائمة على المعالجات الدقيقة
وفقًا للوائح ، يتم صيانة أنظمة المعالجات الدقيقة بواسطة فرق من العمال بقيادة كهربائي. تشمل مهام الصيانة الرئيسية في هذا المجال ما يلي:
- اصلاح الاخفاقات في عملية تشغيل النظام وتحليلها لتحديد اسباب الانتهاك
- منع أعطال الجهاز والمكونات من خلال الصيانة المجدولة المعينة.
- إصلاح أعطال الجهاز عن طريق إصلاح الأجزاء التالفة أو استبدالها بأجزاء مماثلة قابلة للصيانة.
- إنتاج إصلاح مكونات النظام في الوقت المناسب.
يمكن أن تكون الصيانة المباشرة لتقنية المعالجات الدقيقة معقدة أو بسيطة. في الحالة الأولى ، يتم دمج قائمة العمليات الفنية ، بغض النظر عن كثافة اليد العاملة ومستوى التعقيد. مع اتباع نهج صغير الحجم ، ينصب التركيز على تخصيص كل عملية ، أي يتم تنفيذ إجراءات الإصلاح أو الصيانة الفردية بتنسيق منفصل من وجهة نظر المنظمة وفقًا للخريطة التكنولوجية. ترتبط عيوب هذه الطريقة بارتفاع تكاليف سير العمل ، والتي قد لا يكون لها ما يبررها اقتصاديًا ضمن نظام واسع النطاق. من ناحية أخرى ، خدمة صغيرة الحجميحسن جودة الدعم الفني للمعدات ، ويقلل من مخاطر المزيد من الفشل إلى جانب المكونات الفردية.
استخدام تكنولوجيا المعالجات الدقيقة
قبل إدخال المعالجات الدقيقة على نطاق واسع في مختلف مجالات الصناعة والاقتصاد المحلي والوطني ، كانت هناك حواجز أقل وأقل. هذا مرة أخرى بسبب تحسين هذه الأجهزة وتقليل التكلفة والحاجة المتزايدة لعناصر الأتمتة. تتضمن بعض الاستخدامات الأكثر شيوعًا لهذه الأجهزة ما يلي:
- الصناعة. تستخدم المعالجات الدقيقة في إدارة العمل وتنسيق الماكينة وأنظمة التحكم وجمع أداء الإنتاج.
- التجارة. في هذا المجال ، لا يرتبط تشغيل تقنية المعالجات الدقيقة بالعمليات الحسابية فحسب ، بل يرتبط أيضًا بصيانة النماذج اللوجستية في إدارة البضائع والمخزونات وتدفقات المعلومات.
- أنظمة أمنية. تضع الإلكترونيات في مجمعات الأمن والإنذار الحديثة متطلبات عالية للأتمتة والتحكم الذكي ، مما يسمح لنا بتوفير المعالجات الدقيقة للأجيال الجديدة.
- التواصل. بالطبع ، لا يمكن لتقنيات الاتصال الاستغناء عن وحدات التحكم القابلة للبرمجة التي تخدم معددات الإرسال والمحطات البعيدة ودوائر التبديل.
بضع كلمات في الختام
لا يمكن لجمهور عريض من المستهلكين أن يتخيل بشكل كامل حتى اليومقدرات تكنولوجيا المعالجات الدقيقة ، لكن الشركات المصنعة لا تقف مكتوفة الأيدي وتفكر بالفعل في الاتجاهات الواعدة لتطوير هذه المنتجات. على سبيل المثال ، لا تزال قاعدة صناعة الكمبيوتر محفوظة بشكل جيد ، والتي بموجبها سينخفض عدد الترانزستورات في دوائر المعالج كل عامين. لكن المعالجات الدقيقة الحديثة لا يمكنها التباهي فقط بالتحسين الهيكلي. يتوقع الخبراء أيضًا العديد من الابتكارات من حيث تنظيم الدوائر الجديدة ، والتي ستسهل النهج التكنولوجي لتطوير المعالجات وتقليل تكلفتها الأساسية.
