1.0 Úvod do mikroprocesorovej techniky

 

           Mikroprocesor je elektronická súčiastka zabudovaná do elektronického systému. Funkcia mikroprocesora spočíva v spracovaní vstupných dát a riadení systému v ktorom sa nachádza na základe inštrukcií tvoriacich program (obr. 1.1).

 

                                                

 

Obr. 1.1: Schéma mikroproc. systému

 

Názorným príkladom funkcie mikroprocesora je jeho využitie v súčastnom modernom automobile. Elektronickú výbavu automobilu tvoria rôzne elektronické systémy s mikroprocesormi ako systémy aktívnej bezpečnosti, obsluhy súčastí automobilu, riadenie zapaľovania a iné. Z možností aktívnej bezpečnosti je to napríklad systém ABS – antiblokovací systém brzdenia (zabraňujúci na základe senzorov otáčania sa kolies vzniku šmyku pri náhlom stlačení brzdového pedálu, brzdná sila je dávkovaná individuálne pre každé koleso podľa potreby). 

 

                            

 

  Obr. 1.2: ABS systém

 

Na zvýšenie komfortu obsluhy sú to napríklad elektronicky ovládané jednotlivé prvky automobilu ako klimatizačné systémy, vykurovanie skiel. Nastavovanie polohy volantu, sedadla vodiča a spätných zrkadiel je možné uložiť do pamäte pre jednotlivých používateľov automobilu a pri nasadnutí zadať kód používateľa, tieto prvky sa automaticky nastavia samé. Elektronické zapaľovanie riadené mikroprocesorom umožňuje optimálne využiť výkon motora.

            Mikroprocesory sú použité aj v mnohých iných systémoch automobilu a umožňujú realizáciu nových systémov a inovácii, akou je napríklad drive-by-wire. Zmyslom drive-by-wire je náhrada mechanických prvkov medzi ovládaním častí automobilu a ovládaným systémom elektronickými. Príkladom je ovládanie volantu, brzdenie a odpruženie. Napríklad volant je napojený na senzor indikujúci jeho natočenie. Informácia o natočení je vyslaná po vodičoch do elektronického systému natáčania kolies, ktorý pozostáva z elektromotoru a jeho mikroprocesorového riadiaceho systému. Odpadá tak nutnosť realizácie mechanických častí a tým aj ich náročnejšej údržby. Redukuje sa tak aj hmotnosť automobilu a tým náklady spojené s jeho výrobou a prevádzkou.

     

 

1.1 Mikroprocesor ako  číslicový obvod

      

            Základnými logickými funkciami sú logický súčet, logický súčin a negácia. V číslicovej elektronike sú tieto funkcie realizované logickými členmi AND, OR a NOT, poprípade ich modifikáciami NOR a NAND. Základným stavebným prvkom logických členov sú polovodičové tranzistory.

Vhodnou kombináciou logických členov je možné vytvárať zložitejšie logické funkcie.

Mikroprocesor  je kompaktnou súčiastkou zlučujúcou v sebe systém logických členov, ktoré realizujú zložitú logickú funkciu. Daná funkcia má viacero vstupných a výstupných premenných v podobe logických signálov. Činnosť mikroprocesora je riadená na základe inštrukcií tvoriacich program.  Rovnako ako pri logických členoch je základným stavebným prvkom vnútornej elektronickej štruktúry mikroprocesora polovodičový tranzistor.

Detailnejšie sa  štruktúrou mikroprocesora zaoberá kapitola 2.0.

 

Pre bližšie oboznámenie sa s problematikou číslicovej elektroniky a číslicových obvodov:

  - Základy impulznej a číslicovej elektroniky:

http://www.dnp.fmph.uniba.sk/~kollar/dg_w/index_dg.htm

- Výpočetní systémy:

http://www.fi.muni.cz/usr/brandejs/AP/index.html

   

 

1.2 Nasadenie mikroprocesora  v praxi

 

            Súčasnosť predstavuje hromadné nasadenie mikroprocesorovej techniky. Mikroprocesorom je v rôznych obmenách nasedený takmer v každom elektrickom zariadení. Typickým príkladom bežného využitia sú tieto aplikácie:

            - mobilné telefóny

- riadiace jednotky CD, DVD, TV prijímačov, video prehrávačov a inej spotrebnej elektroniky

            - počítače, tlačiarne

- automobily – riadiaca jednotka motora, ABS, ESP a iné systémy v automobiloch

- zabezpečovacie systémy budov – alarmy

 

a mnohé ďalšie systémy v rôznych odvetviach ľudskej činnosti kde vyžadujeme kontrolu a riadenie procesov, meranie, zber dát, inteligentné senzory a snímače rôznych veličín.  

Pred nástupom číslicových obvodov a neskôr aj mikroprocesorov všetky funkcie v elektronických zapojeniach vykonávali analógové systémy. Väčšinu týchto funkcií je možné v súčasnosti realizovať aj pomocou mikroprocesorových, čiže číslicových systémov. V prípade nutnosti interakcie mikroprocesorového systému s analógovou veličinou využijeme AČP (analógovo číslicový) a ČAP (číslicovo analógový) prevodník. Pomocou nich je realizovaný prevod analógovej veličiny na číslicovú a až tá je spracovaná mikropočítačovým systémom. Po spracovaní je veličina prevedená opäť do analógovej podoby. Číslicový systém je sa tak stáva ekvivalentom analógového. 

Číslicové a analógové systémy majú svoje špecifické vlastnosti. Vyhodnotením týchto vlastností a porovnaním je možné uviesť výhody a nevýhody analógových a číslicových systémov: 

Analógové systémy:

-         priame napojenie systému na spracovávanú analógovú veličinu

-      vyššia rýchlosť spočívajúca v paralelnom spracovaní informácie analógovým systémom

 

-     nízka presnosť

-        nestálosť parametrov analógového obvodu z dôvodu starnutia prvkov určujúcich pracovný bod zariadenia   a teplotná   závislosť parametrov obvodu

-     pri pozmenení funkcie obvodu je nutná prestavba celého obvodu, čiže analógový obvod je málo univerzálny

-     niektoré zložité funkcie sa nedajú realizovať, alebo iba s veľkou obtiažnosťou

 

Mikroprocesorové systémy:           

-        presnosť a časová stálosť

-        univerzálnosť – určité typy mikroprocesorov je možné využiť v mnohých odlišných zariadeniach

-     zlučiteľnosť s prostriedkami výpočtovej techniky ( pripojenie k PC umožňuje uložiť výsledky spracovania veličín, automatizácia spracovania veličín a podobne)

-     hromadná výroba znížila cenu mikroprocesorov a obvodov s nimi súvisiacich

-     nižšia rýchlosť procesorových systémov v prípade, že spracovávaná veličina je veličinou veľmi rýchlo sa meniacou ( s nárastom hustoty integrácie stúpa aj rýchlosť mikroprocesorov, čo posúva tieto hranice čoraz vyššie )

-     nutnosť pripojiť prevodníky AČP a ČAP, ktoré sú do určitej miery zdrojom nepresností prevodu

                     

Výhody mikroprocesorových systémov a pokroky v technológii výroby elektronických súčiastok, predurčujú mikroprocesorové systémy ako náhradu za analógové v mnohých odvetviach elektroniky.

 

 

1.3 História vzniku a vývoja procesorov

 

            Vývoj mikroprocesora do podoby ako je známy dnes prešiel určitými etapami. V prvopočiatkoch vzniku výpočtových systémov riadiacu a výpočtovú funkciu vykonávali rozsiahle procesorové bloky zostavené z diskrétnych súčiastok ako elektronické relé, elektrónky a neskôr polovodičové tranzistory. Tento vývoj je možné rozdeliť do etáp – generácií.

Časová os vývoja mikroprocesorovej techniky je delená podľa určitých význačných dátumov a na približné časové úseky označujúce obdobia takzvaných generácií mikroprocesorov.   

Nultá generácia predstavuje obdobie do roku 1949 od prvopočiatkov rôznych výpočtových systémov, kde základným stavebným prvkom boli mechanické systémy, elektromechanické relé alebo elektrónky. V období, roku 1944, prvýkrát bola zadefinovaná architektúra nazývaná harvardská ( typická oddelenou pamäťou pre dáta a program ) v prvom elektromechanickom kalkulátore Harvard Mark I . Táto architektúra je používaná pre svoje výhody dodnes. Schéma tejto architektúry je na obr. 1.3.

   

                                                                            

 

Obr. 1.3:  Harvardská architektúra 

 

Prvým počítačom je elektronický výpočtový systém ENIAC skonštruovaný  roku 1946 na Pensylvánskej univerzite v USA. Slúžil na výpočet balistických dráh delových striel. Jeho výpočtový výkon bol 5000 operácií za sekundu. Keďže bol skonštruovaný prevažne z elektrónok, jeho príkon bol veľký, ťažko sa chladil a bol poruchový. Jeho rozloha bola zhruba 100m2. V tom istom roku John Von Neumann zadefinoval novú architektúru počítačového systému pracujúceho v dvojkovej sústave a  používanej dodnes pod názvom architektúra typu von Neumann. Charakteristickou črtou tejto architektúry je spoločná pamäť pre dáta aj program  (obr. 1.4).   

 

                                                                        

 

  Obr. 1.4: Architektúra Von Neumann

   

Prvá generácia, používa už na konštrukciu procesora ako základný konštrukčný prvok  elektrónky. Typickými predstaviteľmi sú výpočtové systémy UNIVAC a IBM 650.

Vynález tranzistoru roku 1947  (W.Shokley, W.Brattain a J.Bardeen) zapríčinil ústup elektrónok ako aktívnych prvkov a ich náhradu tranzistormi. Tranzistor umožňoval konštruovať spoľahlivejšie procesorové bloky s menšou spotrebou a rozmermi oproti elektrónkovým konštrukciám.

Druhá generácia využíva základný stavebný prvok tranzistor. Nastáva výrazný pokrok vo výkone výpočtových systémov.

Idea miniaturizácie a umiestnenie viacerých diskrétnych súčiastok do jedného puzdra umožnila vznik prvého integrovaného obvodu roku 1958 (Jack Kilby) v laboratóriách firmy Texas Instruments. Integrovaný obvod, táto nová podoba elektronických súčiastok bol počiatkom nástupu tretej generácie. Prvý mikroprocesor vyrobila firma Intel roku 1971 (F.Faggin, T.Hoff) s názvom Intel 4004. Bol to 4-bitový procesor s výkonom 60000 operácií za sekundu a 2500 tranzistormi na čipe s rozlohou 4 mm2. Pôvodne bol procesor určený pre elektronické kalkulátory. Následne firma Texas Instruments vydala TMS1000, taktiež 4-bitový s obsahom RAM a ROM pamäte, takže oproti Intelu nebolo nutné pripojiť externé obvody. Intel pokračoval vo vývoji a roku 1972 vyrobil prvý 8-bitový procesor Intel 8008 schopný spracovávať už aj alfanumerické znaky oproti Intel 4004. V roku 1974  firma Zilog uviedla na trh svoj 8-bitový procesor Z80 rovnako ako aj Intel svoj vylepšený 8-bitový Intel 8080 schopný vykonať 29000 operácií za sekundu a adresovať 64 kB pamäte. Na báze tohoto procesoru od Intel-u sa skonštruoval roku 1975 „prvý osobný počítač“ Altair 8800. Rok 1976 priniesol jeden s prvých skutočných 16-bitových procesorov TMS 9900 od Texas Instruments. Intel roku 1978 uviedol svoj prvý 16bitový procesor Intel 8086 s možnosťou adresovať 16 MB pamäte. Tento procesor sa stal základom architektúry x86 známej dodnes v oblasti PC. V rovnakom čase Motorola uviedla na trh procesor 68000 rovnako so 16 bitovou architektúrou, ako konkurenta procesoru od Intelu.

Rozvoj elektroniky techniky znamenal postupné nasadzovanie mikroprocesorov nielen do výpočtových systémov ale v iných elektronických systémoch vyžadujúcich zložitejšie riadenie a kontrolu. Roku 1980 firma Intel vyrobila 8-bitový mikropočítač Intel 8051 združujúci v sebe mikroprocesor, pamäte RAM a ROM, periférne obvody ako sériový port a 4 univerzálne paralelné vstupne/výstupné porty. Hlavným významom bola jeho univerzálnosť, konštruktér mohol daný mikropočítač použiť v mnohých odlišných aplikáciách, pretože funkcia obvodu závisela od programu v pamäti, alebo od ďalších pripojených periférií. Architektúra 8051 vďaka svojej zdarenej koncepcii návrhu sa ujala a udržala v určitých modifikáciách a zmenách dodnes. Zároveň tento mikropočítač bol podnetom pre vznik iných typov a architektúr mikropočítačov.

Štvrtá generácia mikroprocesorovej techniky začala s používaním MSI a LSI – strednej a vysokej hustoty integrácie súčiastok. Zmenšením rozmerov narástol výkon a klesol príkon mikroprocesorov. Roku 1982 Intel priniesol modifikáciu rady x86 a to 16-bitový procesor Intel 286. Rovnako aj Motorola modifikovala svoju ponuku o 32 bitový procesor 68020 s možnosťou adresovať až 4 GB RAM. Prvý 32 bitový procesor Intel uviedol na trh až v r. 1985 po doznačením Intel 386 s taktovacou frekvenciou od 16 MHz po 40 MHz. Motorola zrýchľuje svoje procesory na rovnakú frekvenciu ako Intel typom 68030. Roku 1989 Motorola oznámila uvedenie 32 bitového procesora 68040 s taktovacou frekvenciou 25MHz s integrovanou jednotkou pre počítanie v pohyblivej rádovej čiarke. Firma Apple použila mikroprocesory rady 68000 v svojich počítačoch Macintosh Quadra.

Začiatkom 90. rokov nastupuje VLSI (veľmi vysoká hustota integrácie)  technológia výroby integrovaných obvodov. V tomto období vzniká piata generácia mikroprocesorov. V oblasti PC sú dominantné mikroprocesory od intelu. Roku 1993 vyrobil 32-bitový mikroprocesor Intel Pentium, neskôr modifikované ako Pentiu II, III a v súčasnosti IV. Druhým významným výrobcom, súperom Intel-u je firma AMD s procesormi AMD K5, K6 a v súčasnosti s procesormi Duron a Athlon. V oblasti mobilných komunikácií a spracovania signálov dominujú takzvané signálové procesory so štruktúrou prispôsobenou pre spracovanie signálov (audio, video). Do oblasti jednočipových mikropočítačov a univerzálnych mikroprocesorov okrem známej architektúry Intel 8051 vstupujú aj iné 8, 16 a aj 32-bitové architektúry (napríklad 8-bitové Atmel AVR uvedené roku 1993 a vyrábané dodnes, ARM, Motorola). Odlišovali sa od seba výkonom, veľkosťou puzdra, počtom vývodov, vnútorným obsahom periférií, veľkosťou vnútorných pamätí a inými vlastnosťami. Oblasť jednočipových mikropočítačov tak ponúkla široké možnosti využitia mikroprocesorovej techniky v rozličných úlohách a nasadeniach v elektronických systémoch, uľahčila konštrukciu týchto systémov, respektíve rozšírila možnosti riadenia a kontroly elektronických systémov. Ďalšou výhodou bola možnosť prepojenia pomocou rozhraní s prostriedkami výpočtovej techniky a vznik nových systémových celkov. 

V súčasnosti sféra elektroniky zaoberajúca sa jednočipovými mikropočítačmi predstavuje významnú stále sa rozvíjajúcu oblasť poskytujúcu nové možnosti uplatnenia v stále nových systémoch a nových zariadeniach, ktoré prichádzajú na trh. Vďaka možnosti uplatnenia je táto oblasť atraktívnou a má zmysel sa ňou podrobnejšie  zaoberať.     

 

Viac o histórii vývoja počítačov a procesorov je možné dozvedieť sa na:  

 

   -John von Neumann and Von Neumann architecture for computers

http://www.salem.mass.edu/~tevans/VonNeuma.htm#Von_Neumann_Architecture

 

  - Computer history museum:

 http://www.computerhistory.org/timeline/timeline.php?timeline_category=cmptr

 

- Timeline of computing history

http://www.computer.org/history/development/index.html

 

- Microprocessor hall of fame

http://www.intel.com/intel/intelis/museum/exhibits/hist_micro/hof/index.htm

 

- History of 68k

http://www.arspentia.org/evilinc/history

 

 - The history of CPUs

http://fms.komkon.org/comp/CPUs/History.txt

 

-Great Microprocessors of the Past and Present

http://www3.sk.sympatico.ca/jbayko/cpu.html