Spis treści:
Není pochyb o tom, že moderní svět je místem, kde technologie hraje klíčovou roli téměř ve všech aspektech našeho života. Ať už používáte chytrý telefon, pracujete na počítači nebo používáte automobil, srdcem každého z těchto zařízení je příslušný mikrokontrolér nebo procesor.
Vzhledem ke stále rostoucí roli technologie stojí za to zamyslet se nad významem těchto typů integrovaných obvodů, které se staly mozkem téměř každého elektronického zařízení. Tento článek věnuji právě tomuto tématu. Povím vám, jak tyto fyzicky malé, ale výpočetně výkonné čipy změnily náš svět a ovlivnily náš každodenní život. Pokusíme se pochopit podstatu centrálních jednotek, jejich historii a budoucnost.
Procesor, mikroprocesor a mikrokontrolér...
Mezi tři základní čipy ve světě moderní elektroniky patří procesory, mikroprocesory a mikrokontroléry. Ačkoli se tyto názvy často používají zcela zaměnitelně, každý z těchto systémů má své jedinečné vlastnosti a použití, které stojí za to znát. S těmito znalostmi je ATmega328, který je srdcem mimořádně populárního obvodu Arduino Uno už nikdy nebude procesorem a zůstane navždy mikrokontrolérem.
Procesory jsou jedny z nejpokročilejších výpočetních jednotek v počítačích, chytrých telefonech, tabletech a dalších podobných zařízeních. Jejich hlavním úkolem je provádět obecné výpočetní operace podle programu uloženého v externí paměti, spravovat paměť a řídit ostatní komponenty, které tvoří větší systém. Procesory jsou určeny pro velmi širokou škálu úkolů, takže je lze najít jak v domácích počítačích, tak v laboratorních superpočítačích. Několika slovy lze procesory popsat jako extrémně výkonné čipy, které jsou bez ostatních systémových komponent, jako je paměť a řadiče rozhraní, jen zbytečnými kusy křemíku.
Mikroprocesory lze definovat jako podskupinu procesorů. Tyto typy konstrukcí jsou určeny pro práci ve specializovaných zařízeních. Bývají menší a jednodušší, jinými slovy tyto čipy jsou určeny pro konkrétní úkoly. Mikroprocesory se používají v celé řadě zařízení, jako jsou televizory, digitální fotoaparáty, herní konzole a průmyslová zařízení. Díky své specializaci jsou schopni provádět specifické operace velmi efektivně, což je činí nepostradatelnými v mnoha oborech.
Mikrokontroléry jsou dalším typem integrovaných obvodů, které se od procesorů a mikroprocesorů liší z hlediska aplikací a funkcí. Mikrokontroléry jsou malé systémy, které pracují samostatně. Mají vestavěné paměti, hodiny a rozhraní, což jim umožňuje řídit konkrétní zařízení nebo systémy téměř bez externích komponent. Mikrokontroléry lze nalézt v malých domácích spotřebičích, počítačových myších a chytrých domácích zařízeních.
Jak jsem již zmínil, pojmy procesor, mikroprocesor a mikrokontrolér se často používají zaměnitelně, což je sice přijatelné, ale ne nutně vítané. Je třeba si uvědomit, že procesory jsou všeobecné výpočetní jednotky, mikroprocesory jsou více specializované čipy, zatímco mikrokontroléry jsou samostatné čipy pro řízení konkrétních zařízení nebo systémů.
Odkud fouká vítr? Historie výpočetních jednotek
Historie výpočetních jednotek, tj. procesorů a souvisejících integrovaných obvodů, je fascinující cestou vývojem výpočetní techniky, která sahá až do doby před uvedením prvního mikroprocesoru v 70. letech XX století. Tehdejší počítací stroje, které dnes nazýváme prvními počítači, byly obrovské stroje, které někdy zabíraly celé místnosti. Kromě složité konstrukce se tyto typy konstrukcí vyznačovaly také poměrně složitým procesem údržby, kdy byly na denním pořádku speciální sestavy pro konkrétní úkoly spojené s obsluhou počítače. Počátky počítačové revoluce lze vysledovat až k vytvoření prvních polovodičových součástek, což otevřelo cestu ke zmenšení velikosti a složitosti elektronických součástek.
S rozvojem technologie se objevovaly stále složitější čipy, až v roce 1971 spatřil světlo světa čip Intel 4004, který navrhli Ted Hoff a Federico Faggin. Tento čip byl průlomový a porušil dosavadní princip specializované konstrukce elektroniky. Úkol č. 4004 spočíval pouze v jediném – v realizaci programu, a to, jaký bude, bylo nepodstatné. Svět elektroniky tak byl obohacen o univerzální konstrukci, která umožňovala realizovat jakýkoli programátorem vymyšlený úkol.
O necelé dva roky později se objevil další mikroprocesor Intel 8080, mnohem pokročilejší a výkonnější. Revoluci již nebylo možné zastavit, v následujících letech se trh s procesory začal stále více rozrůstat a konkurence mezi společnostmi jako Intel a AMD přispívala k neustálému zvyšování výpočetního výkonu. Procesory rostly podle Moorova zákona, objevovalo se stále více jader, která umožňovala provádět více úkolů současně. Postupem času se multithreading stal klíčovým.
Jak funguje mikrokontrolér?
Rozdíly mezi procesorem, mikroprocesorem a mikrokontrolérem již znáte, proto je vhodné se na ně podívat podrobněji. Pokud pochopíte principy mikrokontrolérů, budete schopni porozumět procesům uvnitř poněkud jednodušších konstrukcí, jako jsou procesory a mikroprocesory.
Mikrokontroléry jsou komplexní integrované obvody určené jako mozek jakéhokoli elektronického zařízení. Nejdůležitější roli v jejich fungování hraje centrální procesorová jednotka (CPU), která je srdcem mikrokontroléru. Úkolem těchto typů jader je řídit činnost mikrokontroléru a provádět aritmetické a logické operace. Uvnitř mikrokontroléru najdete také velké množství menších bloků, jako jsou registry, řadiče komunikačních rozhraní, specializované časovací jednotky, časovače a paměti. Všechny jsou obvykle propojeny společnou sběrnicí pro přenos dat.
Mikrokontroléry jsou sekvenční obvody, což znamená, že pracují podle po sobě jdoucích hodinových impulsů. Časové vztahy čipu jsou rozděleny do menších fází, ve kterých čip postupně načítá a následně vykonává instrukce uložené v paměti. Počet příkazů podporovaných mikrokontrolérem může být velmi velký a liší se složitostí. Může jít o aritmetické operace, logické operace, přenos dat nebo obsluhu přerušení.
Ve spojení se specializovanými moduly, jako jsou čítače, komunikační obvody nebo analogově-digitální převodníky, mohou mikrokontroléry řídit různé aspekty většího zařízení. Mohou monitorovat senzory, reagovat na změny prostředí, řídit motory, obsluhovat bezdrátovou komunikaci nebo řídit paměť. Nespornou výhodou mikrokontrolérů je také jejich programovatelnost, která umožňuje jejich přizpůsobení konkrétní úloze.
DSP a GPU: zajímavé výpočetní jednotky
Již víte, že výpočetní jednotky lze rozdělit do tří hlavních kategorií – procesory, mikroprocesory a mikrokontroléry. Je však třeba vědět, že kromě hlavního proudu můžeme rozlišit několik specifických podtypů, které vycházejí ze specializovaných aplikací konkrétních výpočetních jednotek. Patří mezi ně:
- Grafické procesory (GPU) jsou speciálně navržené čipy určené pro zpracování 2D a 3D grafiky a výpočty. GPU se vyznačuje specifickou konstrukcí. Tyto jednotky jsou založeny na velkém počtu malých a jednoduchých jader určených pro paralelní výpočty. Grafické procesory lze nalézt především v domácích počítačích.
- Mikroprocesory digitálního signálu (DSP) jsou mimořádně zajímavým typem specializovaných obvodů optimalizovaných pro zpracování digitálních signálů. Jejich hlavním úkolem je efektivně provádět matematické operace s číselnými daty, díky čemuž jsou velmi efektivní v oblasti zpracování zvuku, videa nebo analogově-digitálních informací.
- Mikrokontroléry pro vestavné systémy jsou přizpůsobeny specifickým požadavkům světa vestavných systémů. Důležitá je především nízká spotřeba energie a množství podporovaných rozhraní. Tyto typy čipů se navíc běžně používají v zařízeních internetu věcí (IoT).
- Procesory pro mobilní zařízení – Není pochyb o tom, že dnešní smartphony musí být extrémně výkonné a zároveň spotřebovávat málo energie, aby se maximalizovala výdrž baterie. Je to obtížně slučitelná kombinace, ale výrobci jako Apple a Qualcomm se neustále snaží své čipy optimalizovat.
- Kvantové procesory jsou dalším zajímavým odvětvím v oblasti výpočetních jednotek. Výzkumné práce na tomto typu konstrukce stále probíhají, ale již nyní můžeme říci, že tyto procesory budou schopny řešit problémy, které jsou v současné době za hranicemi možností tradičních počítačů.
Kde se vzal fenomén mikroprocesorů?
Co kdyby univerzální výpočetní jednotky nebyly nikdy vyvinuty? Na tuto otázku je těžké odpovědět, možná by dnešní svět byl založen na obrovských specializovaných počítačích, alespoň to tvrdí umělá inteligence, které jsem se na to ptal. Nicméně na otázku, proč se popularita procesorů a souvisejících čipů stala tak velkou, lze odpovědět docela výstižně.
Klíč k jejich úspěchu se skrývá v jejich všestrannosti a flexibilitě– procesory si našly cestu téměř do všech oblastí, od spotřební elektroniky až po průmysl a medicínu. Jejich počáteční popularita přispěla k postupnému vývoji a zdokonalování následujících čipů, což vedlo k téměř exponenciálnímu nárůstu jejich výkonu. Vývoj univerzálních výpočetních jednotek je klasickým příkladem efektu sněhové koule– vše začalo malým čipem používaným v dnes již zapomenuté japonské kalkulačce, aby se díky neustále se rozvíjející technologii stal součástí téměř každého elektronického zařízení.
Jaká může být budoucnost mikroprocesorů?
Budoucnost procesorů a mikrokontrolérů slibuje další dynamický vývoj založený na technologických inovacích a neustále se měnících potřebách trhu. Jedním z klíčových trendů je pokračování miniaturizace a zvyšování hustoty osazení tranzistorů v integrovaných obvodech, což umožní vytvářet stále dokonalejší čipy menších rozměrů. Klíčovou roli zde může hrát technologie trojrozměrných čipů. Umožňuje lepší využití dostupného prostoru na křemíkovém substrátu, zvyšuje šířku komunikačního pásma a efektivitu celého návrhu. Očekává se také, že procesory budou energeticky úspornější, což je důležité zejména v souvislosti s rostoucím významem udržitelného využívání planetárních zásob.
Kromě toho nesmíme zapomínat na neustálé přizpůsobování procesorů z hlediska designu. Vývoj architektur, jako je RISC-V, může být ve skutečnosti pouze prologem k větším změnám v tomto segmentu polovodičového průmyslu. Budoucnost mikroprocesorů bude nakonec určovat technologický pokrok a vyvíjející se potřeby trhu. Z pohledu uživatelů můžeme sledovat jen další vývojové kroky, zvyšování výkonu a schopností výpočetních jednotek.
Zdroje:
- 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
