Spis treści:
Nie ulega wątpliwości, że współczesny świat to miejsce, gdzie technologia odgrywa kluczową rolę w niemal każdym aspekcie naszego życia. Niezależnie od tego, czy używamy smartfona, pracujemy na komputerze, czy korzystamy z samochodu, sercem każdej z tych maszyn jest odpowiedni mikrokontroler lub procesor.
W obliczu ciągle rosnącej roli technologii, warto zastanowić się nad znaczeniem tego typu układów scalonych, które stały się mózgami niemalże każdego urządzenia elektronicznego. Niniejszy artykuł poświęcę właśnie temu tematowi. Opowiem wam jak te fizycznie niewielkie, ale potężne pod względem mocy obliczeniowej układy zmieniły nasz świat i wpłynęły na naszą codzienność. Postaramy się zrozumieć istotę jednostek centralnych, ich historię oraz przyszłość.
Procesor, mikroprocesor i mikrokontroler…
Jednymi z trzech fundamentalnych chipów w świecie współczesnej elektroniki są procesory, mikroprocesory i mikrokontrolery. Choć nazwy te często są dość często używane zamiennie, to każdy z tych układów ma swoje unikalne cechy i zastosowania, które warto znać. Dzięki tej wiedzy ATmega328 będąca sercem niezwykle popularnego Arduino Uno już nigdy nie będzie procesorem i pozostanie na zawsze mikrokontrolerem.
Procesory to jedne z najbardziej zaawansowanych jednostek obliczeniowych, które można znaleźć w komputerach, smartfonach, tabletach i innych tego typu urządzeniach. Ich głównym zadaniem jest wykonywanie ogólnych operacji obliczeniowych, według zapisanego w zewnętrznej pamięci programu, zarządzanie pamięcią i kontrola pozostałych podzespołów wchodzących w skład większego systemu. Procesory projektowane są do pracy w niezwykle szerokim spektrum zadań, przez co znaleźć możemy je zarówno w komputerach domowych jak i laboratoryjnych superkomputerach. W kilku słowach procesory można określić jako niezwykle wydajne układy, które bez pozostałych elementów systemu takich jak pamięci i kontrolery interfejsów są tylko bezużytecznymi kawałkami krzemu.
Mikroprocesory można określić jako podzbiór procesorów. Tego typu konstrukcje projektowane są do pracy w bardziej specjalizowanych urządzeniach. Są one zazwyczaj mniejsze i prostsze, innymi słowy chipy te dedykowane są do konkretnych zadań. Mikroprocesory znajdują zastosowanie w wielu urządzeniach, takich jak telewizory, kamery cyfrowe, konsolki do gier czy urządzenia przemysłowe. Dzięki swojej specjalizacji są w stanie niezwykle efektywnie wykonywać konkretne operacje, co sprawia, że są niezastąpione w bardzo wielu dziedzinach.
Mikrokontrolery to kolejny rodzaj układów scalonych, które różnią się od procesorów i mikroprocesorów pod względem zastosowań i funkcjonalności. Mikrokontrolery są małymi układami, działającymi samodzielnie. Mają one wbudowane pamięci, zegary i interfejsy, co pozwala im na kontrolę konkretnych urządzeń lub systemów niemalże bez elementów zewnętrznych. Mikrokontrolerach znajdziemy w drobnym sprzęcie gospodarstwa domowego, myszkach komputerowych oraz urządzeniach smart home.
Tak jak już wcześniej wspomniałem określenia procesor, mikroprocesor i mikrokontroler są dość często używane zamiennie, co jest dopuszczalne, ale niekoniecznie mile widziane. Warto pamiętać, że procesory są ogólnymi jednostkami obliczeniowymi, mikroprocesory są układami bardziej specjalizowanymi, podczas gdy mikrokontrolery są samodzielnymi chipami do sterowania konkretnymi urządzeniami lub systemami.
Skąd wieje wiatr? Historia jednostek obliczeniowych
Historia jednostek obliczeniowych, czyli procesorów i pokrewnych im układów scalonych to fascynująca podróż przez ewolucję technologii obliczeniowej, której korzenie sięgają czasów sprzed debiutu pierwszego mikroprocesora w latach 70. XX wieku. W tamtych czasach, maszyny liczące, które dzisiaj nazwalibyśmy pierwszymi komputerami, były ogromnymi urządzeniami, zajmującymi nie raz całe pomieszczenia. Tego typu konstrukcje poza skomplikowaną budową charakteryzowały się też dość złożonym procesem obsługi, na porządku dziennym było tworzenie zespołów dedykowanych do konkretnych zadań związanych z działaniem komputera. Początki komputerowej rewolucji można wiązać z powstaniem pierwszych półprzewodnikowych elementów, otworzyło to drzwi do redukcji rozmiaru i złożoności elektronicznych komponentów.
Wraz z rozwojem technologii pojawiały się co raz to bardziej złożone chipy, aż do roku 1971, gdy światło dzienne ujrzał zaprojektowany przez Teda Hoffa i Federico Faggin – Intel 4004. Układ ten był przełomem, zrywając z dotychczasową zasadą projektowania elektroniki specjalizowanej. Zadanie 4004 było tylko jedno, realizować program, a jaki on będzie to nie miało znaczenia. W ten sposób świat elektroniki wzbogacił się o konstrukcję uniwersalną, dzięki której możliwe było zrealizowanie dowolnego, wymyślonego przez programistę zadania.
Niespełna dwa lata później, pojawił się kolejny mikroprocesor Intel 8080, znacznie bardziej zaawansowany i wydajny. Rewolucji nie można było już zatrzymać, w kolejnych latach rynek procesorów zaczął coraz bardziej rosnąć, a konkurencja pomiędzy firmami, takimi jak Intel i AMD, przyczyniła się do stałego wzrostu mocy obliczeniowej. Procesory rosły zgodnie z prawem Moore’a, pojawiło się coraz więcej rdzeni, umożliwiając równoczesne wykonywanie wielu zadań. Z czasem wielowątkowość stała się kluczowa.
Jak działa mikrokontroler?
Znacie już różnice między procesorem, mikroprocesorem i mikrokontrolerem, także wypadałoby przyjrzeć się nieco dokładniej ostatniemu z nich. Rozumiejąc zasady rządzące działaniem mikrokontrolera, bez większych problemów zrozumiecie procesy zachodzące wewnątrz konstrukcji nieco prostszych pod względem sposobu organizacji, jakimi są procesory i mikroprocesory.
Mikrokontrolery to kompleksowe układy scalone, zaprojektowane do pełnienia roli mózgu dowolnego urządzenia elektronicznego. W ich działaniu najważniejszą rolę odgrywa jednostka centralna (CPU), która stanowi serce mikrokontrolera. Rolą tego typu rdzeni jest kontrolować działanie mikrokontrolera oraz wykonywać operacje arytmetyczno-logiczne. Wewnątrz mikrokontrolera znaleźć można również ogromną ilość mniejszych bloków takich jak: rejestry, sterowniki interfejsów komunikacyjnych, specjalizowane jednostki taktujące, timery i pamięci. Wszystkie one połączone są zazwyczaj wspólną magistralą umożliwiającą przesyłanie danych.
Mikrokontrolery są układami sekwencyjnymi, oznacza to, że działają zgodnie z kolejnymi impulsami zegara taktującego. Zależności czasowe chipa podzielone są na mniejsze etapy, w których układ kolejno pobiera a następnie wykonuje instrukcje zapisane w pamięci. Ilość obsługiwanych przez mikrokontroler rozkazów, może być bardzo duża i różna pod względem poziomu skomplikowania. Mogą to być operacje arytmetyczne, logiczne, przenoszenie danych czy też obsługa przerwań.
Współpracując z modułami specjalizowanymi, takimi jak liczniki, układy komunikacyjne czy przetworniki analogowo-cyfrowe, mikrokontrolery mogą sterować różnymi aspektami większego urządzenia. Mogą monitorować czujniki, reagować na zmiany w otoczeniu, sterować silnikami, obsługiwać komunikację bezprzewodową czy zarządzać pamięcią. Niewątpliwą zaletą mikrokontrowerów jest też możliwość programowania, pozwala to dostosować go do konkretnego zadania.
DSP i GPU, czyli ciekawe jednostki obliczeniowe
Wiecie już, że jednostki obliczeniowe podzielić można na trzy główne kategorie – procesory, mikroprocesory i mikrokontrolery. Warto jednak wiedzieć, że poza głównym nurtem wyróżnić możemy kilka specyficznych podtypów, wywodzących się ze specjalizowanych zastosowaniem konkretnych jednostek obliczeniowych. Są to między innymi:
- Procesory graficzne (GPU) są specjalnie zaprojektowanymi układami, dedykowanymi do przetwarzania i obliczeń związanych z grafiką 2D i 3D. GPU wyróżnia się swoją specyficzną budową. Tego typu jednostki oparte są na olbrzymiej ilości małych i prostych rdzeni dedykowanych do równolegle prowadzonych obliczeń. Procesory graficzne możemy spotkać przede wszystkim w komputerach domowych.
- Mikroprocesory sygnałowe (DSP) to niezwykle ciekawy rodzaj specjalizowanych układów, zoptymalizowanych pod względem przetwarzania sygnałów cyfrowych. Ich głównym zadaniem jest wydajne realizowanie operacji matematycznych na danych numerycznych, co czyni je niezwykle skutecznymi w obszarze przetwarzania sygnałów audio, wideo czy też informacji analogowo-cyfrowych.
- Mikrokontrolery dla systemów embedded, dostosowane są do specyficznych wymagań świata systemów wbudowanych. Liczy się tutaj przedewszystkim niskie zużycie energii oraz mnogość obsługiwanych interfejsów. Poza tym tego typu układy wykorzystywane są powszechnie w urządzeniach internetu rzeczy (IoT).
- Procesory dla urządzeń mobilnych – Bez wątpienia dzisiejsze smartfony muszą charakteryzować się niezwykłą wydajnością przy jednoczesnym niewielkim wydatku energetycznym, tak aby, jak najbardziej wydłużyć czas pracy na baterii. Jest to trudne do pogodzenia połączenie, jednak producenci tacy jak Apple i Qualcomm cały czas starają się optymalizować swoje układy pod tym kątem.
- Procesory kwantowe to kolejna ciekawa gałąź obszaru jednostek obliczeniowych. Prace badawcze nad tego typu konstrukcjami cały czas trwają, ale już teraz możemy powiedzieć, że procesory te będą w stanie rozwiązywać problemy, które obecnie są poza granicami tradycyjnych komputerów.
Skąd wziął się fenomen mikroprocesorów?
A co, gdyby uniwersalne jednostki obliczeniowe nigdy nie powstały? Trudno jest odpowiedzieć na to pytanie, być może dzisiejszy świat oparty byłby na olbrzymich specjalizowanych komputerach, tak przynajmniej twierdzi sztuczna inteligencja, którą o to zapytałem. Można jednak dość trafnie odpowiedzieć na pytanie – Skąd wzięła się, aż tak ogromna popularność procesorów i pokrewnych im układów?
Klucz do sukcesu ukryty był we wszechstronności i elastyczności, dzięki nim procesory znalazły swoje zastosowanie w niemal każdej dziedzinie, od elektroniki konsumenckiej po przemysł i medycynę. Początkowa popularność przyczyniła się do stopniowego rozwijania i udoskonalania kolejnych chipów, co spowodowało niemal lawinowy wzrost ich wydajności. Rozwój uniwersalnych jednostek obliczeniowych jest klasycznym przykładem efektu kuli śnieżnej, wszystko zaczęło się od niewielkiego układu stosowanego w zapomnianym już Japońskim kalkulatorze, aby wraz z ciągle ewoluującą technologią procesory stały się elementem składowym niemalże każdego urządzenia elektronicznego.
Jak może być przyszłość mikroprocesorów?
Przyszłość procesorów i mikrokontrolerów obiecuje dalszy dynamiczny rozwój, bazujący na innowacjach technologicznych i ciągle zmieniających się potrzebach rynku. Jednym z kluczowych trendów jest kontynuacja miniaturyzacji i zwiększania gęstości upakowania tranzystorów w układach scalonych, co pozwoli na tworzenie coraz bardziej zaawansowanych chipów o mniejszych rozmiarach. Kluczową rolę może odegrać tutaj technologia trójwymiarowych układów scalonych. Umożliwiając lepsze wykorzystanie dostępnego miejsca na krzemowym podłożu, zwiększając przepustowość komunikacji i wydajność całej konstrukcji. Wraz z tym, oczekuje się, że procesory staną się też bardziej energooszczędne, co jest szczególnie istotne w kontekście rosnącego znaczenia zrównoważonego wykorzystania zasobów kuli ziemskiej.
Poza tym pamiętać musimy o ciągłym dostosowywaniu procesorów pod względem projektu. Rozwój architektur takich jak RISC-V może być tak naprawdę dopiero prologiem większych zmian w tym segmencie branży półprzewodnikowej. Ostatecznie, przyszłość mikroprocesorów kształtowana będzie przez postęp technologiczny i ewolucję potrzeb rynku. Z perspektywy użytkowników możemy jedynie obserwować kolejne kroki milowe, zwiększające wydajność i możliwości jednostek obliczeniowych.
Źródła:
- https://www.thoughtco.com/inventors-of-the-modern-computer-1992145
- https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_4004
- https://www.totalphase.com/blog/2019/12/microcontroller-vs-microprocessor-what-are-the-differences/
- https://toshiba.semicon-storage.com/ap-en/semiconductor/knowledge/e-learning/micro-intro/chapter2/history-microcontroller.html
- https://en.wikipedia.org/wiki/Microprocessor
- http://www.righto.com/2020/06/a-look-at-die-of-8086-processor.html
