Національний гірничий університет — відповідність Часу

ІСТОРІЯ СТВОРЕННЯ ТА РОЗВИТКУ
МІКРОПРОЦЕСОРНИХ ЗАСОБІВ АВТОМАТИЗАЦІЇ

Сучасні рішення у галузі автоматизації, роботизації та електропривода неможливо уявити без використання мікропроцесорних засобів та систем. Вагомий внесок у розвиток напівпровідникової мікросхемотехніки належить відомій американській компанії Intel, що заснована у 1968 році. Це був час появи багатьох новітніх технологій, завдяки яким з’явилася можливість створювати мініатюрні напівпровідникові прилади – мікросхеми. Їх використання відкривало нові перспективи в усіх галузях техніки, зокрема і в автоматизації. Починалась ера цифрової машинної обробки інформації. Перший комп’ютер ENIAC, що створений у 1946 році, важив близько 30 т і займав велике приміщення. У 1968 році в світі вже нараховувалося 30 тис. комп’ютерів. Це були переважно великі універсальні ЕОМ (електронні обчислювальні машини) і “міні-комп’ютери” розміром з шафу. Неприємна особливість цих ЕОМ – часті аварійні ситуації через перегрівання ламп та велику кількість рознімних з’єднань. Тому поява інтегральної електроніки була зумовлена об’єктивними причинами.

Перший електронний цифровий комп’ютер загального призначення ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)
Рис. 1. Перший електронний цифровий комп’ютер загального призначення ENIAC
(Electronic Numerical Integrator and Computer)

Засновниками фірми Intel були талановиті вчені та винахідники Роберт Нойс, Гордон Мур та Ендрю Гроув. Саме Роберт Нойс у 1959 році винайшов інтегральну мікросхему. У середині 60-х років Нойс працював менеджером американської компанії Fairchild Semiconductor, що була відома своїми розробками у галузі електронних технологій. Гордон Мур очолював наукові дослідження та конструкторські розробки Fairchild Semiconductor, був одним з восьми засновників Fairchild. Енді Гроув, уродженець Угорщини, – спеціаліст з розробки технологічних процесів. Він прийшов у компанію Fairchild Semiconductor після того, як отримав в університеті Берклі ступінь доктора наук у галузі хімічних технологій.

Наприкінці 60-х багато талановитих інженерів звільнялися з Fairchild Semiconductor і створювали власні фірми. Роберт Нойс і Гордон Мур заснували Intel й стали першими її співробітниками. Згодом до них приєднався і Енді Гроув. Стартовий капітал (2,5 мільйона доларів) надав фірмі фінансист із Сан-Франциско Артур Рок.

Фірма Intel спеціалізувалася на виробництві напівпровідникових запам’ятовуючих пристроїв. Першим серійним виробом була мікросхема “3101” 64 розрядної Шотткі-біполярної статичної оперативної пам’яті. Особливе ж місце, яке посіла Intel у світі електроніки, пов’язане з іншими пристроями – мікропроцесорами. Саме вони стали технічною базою нинішньої комп’ютерної науково-технічної революції.

Поштовхом до створення мікропроцесорів виявився контракт між Intel і японською фірмою Busicom, що спеціалізувалася на виробництві калькуляторів. Busicom замовила Intel розробку дванадцяти спеціалізованих мікросхем, однак для виконання такого великого замовлення Intel не мала достатньо людських, фінансових та виробничих ресурсів. Тоді талановитий інженер Тед Хофф запропонував замість дванадцяти спеціалізованих мікросхем створити одну універсальну, що зможе їх замінити. Р. Нойс і Г. Мур зрозуміли витонченість запропонованого Т. Хоффом рішення. Ідея задовольнила і компанію Busicom, що фінансувала роботу. Таким чином, Intel почала розробку універсальної мікросхеми, яку можна запрограмувати на виконання тих чи інших команд. Уперше відпала необхідність в апаратній реалізації алгоритму роботи пристрою: всі операції з обробки числових даних відтепер виконувалися за певною програмою, що обіцяло велику економію коштів та часу. Над реалізацією задуманого Т. Хоффом працювала група інженерів та конструкторів Intel, яку очолював Федеріко Феджин. Через 9 місяців напруженої праці з’явився перший в світі мікропроцесор “4004”. Він налічував 2300 напівпровідникових транзисторів, але вільно вміщувався на долоні. За продуктивністю ж новий процесор не поступався комп’ютеру ENIAC, що займав 85 кубічних метрів і складався з 18000 вакуумних ламп. Тед Хофф розробив архітектуру першого процесора, Стен Мейзор – систему його команд, а Федеріко Феджин спроектував кристал процесора.

Зрозумівши переваги від використання мікропроцесорів, керівництво Intel пішло на переговори з компанією Busicom, внаслідок яких Intel придбала всі права на процесор “4004” за 60 тисяч доларів (слід зазначити, що незабаром Busicom збанкрутувала). Після цього почалася широка рекламна компанія, метою якої було довести інженерному загалу великий потенціал програмованих мікропроцесорів у багатьох галузях – від керування дорожнім рухом до автоматизації складних виробничих процесів. Intel проводила семінари для інженерів, публікувала рекламні матеріали та довідкові посібники з використання мікропроцесорів. У деякі тижні фірма продавала більше довідкової документації, ніж самих мікропроцесорів. Через певний час вони знайшли дуже широке застосування.

Таким чином, мікросхема “4004” стала першим мікропроцесором. Приблизно через півроку про появу подібних пристроїв сповістили ще декілька фірм. Ці мікропроцесори, виконані за р-МОП технологією, були чотирирозрядними, тобто за одним заходом могли обробляти тільки 4 біти інформації. Довжина програм і набір команд – обмежені, перші процесори – без багатьох функцій, обов’язкових для сучасних мікропроцесорів. У 1972 році фірма Intel випустила процесор “8008”, який успадкував усі основні риси “4004”. Це – перший 8-розрядний процесор, який сьогодні відносять до процесорів першого покоління. Він уже мав акумулятор, шість регістрів загального призначення, покажчик стеку, вісім регістрів адреси та спеціальні команди для введення/виведення даних, але цей процесор не став загальновживаним, зокрема у комерційних розробках.

Наприкінці 1973 року фірмою Intel розробляється новий 8-розрядний мікропроцесор “8080”. Його архітектура та система команд виявилися настільки вдалими, що й сьогодні він вважається класичним. Тому для вивчення принципів побудови мікропроцесорних засобів та систем найбільш придатним і нині є процесор та допоміжні мікросхеми саме серії “8080”.

Широке застосування мікропроцесорів у техніці розпочалося з появою чіпа “8080”, який належав до процесорів третього покоління, та він був не єдиним вдалим 8-розрядним процесором. Через півроку з’явився мікропроцесор “6800” американської фірми Motorola, який створив жорстку конкуренцію інтелівському процесору. Як і “8080”, мікропроцесор “6800” був виконаний за n МОП технологією, вимагав використання окремого тактового генератора, мав тришинну структуру з 16-розрядною шиною адреси, добре розвинену архітектуру і систему команд. Його головні переваги – потужніша, ніж у “8080”, система переривань, та одна (а не три, як у “8080”) напруга живлення. Принципи внутрішньої архітектури “6800” також значно відрізнялися від “8080”. Насамперед відсутністю регістрів загального призначення, в яких, залежно від поставлених завдань, могла зберігатися як адресна інформація, так і числові дані. Замість них до складу внутрішніх пристроїв додався другий рівноцінний акумулятор для обробки даних та спеціалізовані 16-розрядні регістри, де зберігалася тільки адресна інформація. Дані для обробки вибиралися із зовнішньої пам’яті і туди ж поверталися після обробки. Команди роботи з пам'яттю були простішими й коротшими, але пересилання байта у пам’ять займало більше часу, ніж обмін даними між внутрішніми регістрами “8080”. Архітектура жодного з двох згаданих процесорів не мала вагомих переваг, і кожен з них став родоначальником двох великих сімейств мікропроцесорів – Intel та Motorola, представники яких конкурують й досі.

Через рік після створення мікропроцесора “8080” кілька інженерів Intel перейшли в фірму Zilog і почали працювати над створенням нового процесора, спираючись на свої попередні розробки. В наслідок цього в 1977 році з’явився мікропроцесор “Z80”, який став кращим представником 8-розрядних процесорів. У порівнянні з “8080” він потребував однієї напруги живлення, мав більш потужну та гнучку систему переривань, втричі вищу максимальну тактову частоту, два акумулятори та подвійний набір регістрів загального призначення. Система команд “Z80” вміщувала в себе всі 78 команд мікропроцесора “8080” і майже таку ж кількість додаткових команд, тому програми, створені для “8080”, без будь-яких змін працюють і на “Z80”.

У 1978 році на фірмі Intel був виготовлений перший 16-розрядний мікропроцесор 8086, використаний компанією International Business Machines (IBM) для створення персональних комп’ютерів, а 16-розрядний чіп “68000” фірми Motorola застосований у відомих комп’ютерах Atari та Apple. Щодо “домашніх” комп’ютерів, то вони набули масового характеру з появою моделі ZX-Spectrum (на базі процесора “Z80”) англійської фірми Sinclair Research Ltd, засновником якої був талановитий інженер сер Клайв Сінклер. Ідея використовувати телевізор замість монітора і магнітофон для збереження програм і даних значно здешевила домашній комп’ютер і зробила його доступним середньому покупцеві.

Intel 4004 – 4-бітовий мікропроцесор, що розроблений корпорацією Intel і випущений 15 листопада 1971 року.

Ця мікросхема вважається першим у світі комерційно доступним однокристальним мікропроцесором.
Intel 8080 – 8-бітовий мікропроцесор, що випущений у 1974 році. Забезпечував десятикратний приріст обчислювальної потужності у порівнянні з попереднім процесором.

Це той пристрій, завдяки якому інженерне співтовариство сприйняло ідею мікропроцесорів. Цей чіп спричинив світовий бум персональних комп’ютерів.
Intel 8048 – перший у світі мікроконтролер, був випущений наприкінці 70 х років.

Цей пристрій знайшов широке розповсюдження завдяки використанню у клавіатурах персональних комп’ютерів та в ігрових приставках.
Intel 8051 – мікроконтролер другого покоління, який випущений у 1980 році.
Завдяки вдалій архітектурі та системі команд став фактично промисловим стандартом. Виробляється й досі відомими корпораціями Америки, Кореї та Японії.
Сучасний багатоядерний процесор

Обчислювальна продуктивність сучасних процесорів за результатами різних тестів приблизно в десятки тисяч разів перевищує продуктивність першого процесора.
Рис. 2. Лінійка ключових моделей мікропроцесорів та мікроконтролерів

Пізніше (середина 70-х) виникла ще одна тенденція у розвитку мікропроцесорів, що мала безпосереднє відношення до автоматизації та появи процесорів для вбудованих використань. Початок їй поклав процесор “8085” фірми Intel. Спочатку він був замислений як продовження чіпа “8080”, а через деякий час з’явилися “Z80” та новий мікропроцесор “6809” фірми Motorola. Обидва вони значно перевищували “8085” за продуктивністю, що спонукало Intel взятися за розробку першого 16-розрядного мікропроцесора “8086”, та з розробкою периферійних мікросхем “8156” і “8755” процесор “8085” отримав нові перспективи. Перша мікросхема вміщувала статичний ОЗП (оперативний запам’ятовуючий пристрій) обсягом 256 байт, два 8 розрядних, побітно налагоджуваних на введення/виведення порти і програмований таймер-лічильник. До складу другої входили три багаторозрядних порти введення/виведення та ПЗП (постійний запам’ятовуючий пристрій) ємністю 2 Кбайти з ультрафіолетовим затиранням. Об’єднавши відповідним чином виводи цих трьох мікросхем, розробники електронної апаратури отримали функціонально завершений модуль – мікроконтролер, який можна вбудовувати до будь-яких приладів: вольтметрів, частотометрів, різноманітних підсилювальних пристроїв та перетворювачів. Декілька фірм випустили економічні за живленням k-МОП версії цього сімейства. Це надало можливість створювати мікропроцесорні прилади з автономним живленням. Нарешті, наприкінці 70-х років Intel “об’єднала” ці три мікросхеми в один чіп і виробила однокристальну мікро ЕОМ (мікроконтролер) “8048”, до складу якої ввійшли ОЗП та ПЗП, арифметико-логічний пристрій, вбудований тактовий генератор, таймер-лічильник, порти введення/виведення. Далі були створені подібні до “8048” мікроконтролери “8035” і “8748”. Система команд однокристальних мікроконтролерів була значно слабшою, ніж у процесора “8085”, об’єм ОЗП і ПЗП, кількість портів введення/виведення теж були меншими, ніж у вищезазначеного трикорпусного модуля, але все це розміщувалося в одному корпусі, що значно спрощувало розробку та виробництво нових пристроїв на базі однокристальних мікро ЕОМ. Ідея створення універсальних апаратних засобів з програмним налагодженням на конкретні задачі, яка стала поштовхом до появи мікропроцесорів, отримала найвищий ступінь реалізації саме в однокристальних мікроконтролерах.

На початку 80-х років Intel випустила потужніший мікроконтролер “8051”, а згодом – і його модифікації “8031” та “8751”. Ядро мікро ЕОМ цієї серії – класичне для мікроконтролерів. Серед усіх мікроконтролерів сімейство MCS-51 – безсумнівний лідер за кількістю різновидів та компаній, де виготовляються його модифікації. На сьогодні існує понад 200 модифікацій мікроконтролерів MCS-51, які випускають майже 20 провідних фірм-виробників електронних компонентів (Atmel, Infineon Technologies, Philips, Hyndai, Dallas Semiconductor, Temic, TDK, Oki, AMD, MHS, LG, Winbond, Silicon Labs, тощо). Отримали поширення і мікроконтролери оригінальної архітектури фірм Motorola, Zilog, Analog Devices, Microchip, Scenix, Holtec.

Створення мікропроцесора визнано одним із визначних досягнень ХХ сторіччя. Кожного року в світі продаються сотні мільйонів мікропроцесорів і мільярди мікроконтролерів. За даними журналу “Світ комп’ютерної автоматизації”, середній американець протягом дня близько 300 разів (!) має справу з мікроконтролерами, що вбудовані всюди – від пральних машин, ліфтів і телефонів до світлофорів, автомобілів та промислових верстатів.

Боб Нойс (Bob Noyce)

Відомий своїми новаторськими поглядами на шляхи розвитку напівпровідникових технологій. Саме Роберт Нойс у 1959 році винайшов інтегральну мікросхему. В середині 60-х Нойс був менеджером впливової фірми Fairchild Semiconductor. Надалі – один із засновників фірми Intel.
Гордон Мур (Gordon Moore)

Талановитий і працелюбний інженер, який користувався великою повагою колег. Один із засновників фірми Intel.
“Ми – справжні революціонери. Адже ці найновіші досягнення електроніки змінюють світ значно більше, ніж усякі політичні події”.
Енді Гроув (Andy Grove)

Енергійний та заповзятливий Ендрю Гроув працював у фірмі Fairchild Semiconductor спеціалістом з розробки технологічних процесів. Гроув прийшов до Fairchild після того, як отримав в університеті Берклі вчений ступінь доктора у галузі хімічних технологій. Один із засновників Intel.
Тед Хофф (Ted Hoff)

Тедді Хофф – один із винахідників мікропроцесора. Саме він запропонував концепцію універсальної мікросхеми і розробив архітектуру першого процесора. “Більше за все особисто мені імпонує те, що завдяки мікропроцесорам комп’ютери стали масовим, загальнодоступним продуктом”.
Рис. 3. Видатні вчені-винахідники, революціонери у галузі мікроелектроніки

Журнал “Огляд стану справ у напівпровідниковій промисловості і торгівлі” (“Semiconductor Industry and Business Survey”) вважає: якби автомобілебудування та авіаційна промисловість розвивалися такими ж темпами, як виробництво напівпровідників протягом останніх 30 років, то автомобіль “Ролс–Ройс” коштував би 2 долари 75 центів і, використавши лише один літр бензину, міг би проїхати майже півтори тисячі кілометрів, а літак “Боінг 767” коштував би 500 доларів і міг би облетіти навколо земної кулі за 20 хвилин, витративши лише каністру гасу. У 1996 році імена творців мікропроцесора доктора Теда Хоффа, доктора Федеріко Феджина та Стена Мейзора були занесені до Національної зали слави винахідників США (м. Ейкрон, Огайо) і стали поряд із іменами Томаса Едісона, братів Райт та Олександра Белла.

Ще один напрямок розвитку мікропроцесорних систем зародився у 1969 році, що було обумовлено необхідністю замінити на виробництві складні, громіздкі та ненадійні релейно-контакторні схеми автоматичного керування. Саме у цьому році компанія General Motors підготувала тендерний запит на розробку універсального мікропроцесорного пристрою для потреб промислового виробництва.

Тендер виграла компанія Bedford Associates зі штату Масачусетс, яку на той час очолював Річард Морлі. Вони розробили мікропроцесорний пристрій (контролер), який дозволяв комутувати приєднані до нього сигнальні проводи у різних комбінаціях. Ці комбінації задавалися програмою керування, яка складалась на комп’ютері, а потім завантажувалась до пам’яті контролера. Таким чином, за допомогою одного мікропроцесорного пристрою із завантаженою до нього програмою стало можливим реалізувати систему керування, для розробки якої раніше приходилося комутувати десятки, а то й сотні різноманітних електромеханічних пристроїв, таких як реле, таймери, лічильники, регулятори, тощо. Причому один і той самий контролер можна було б використовувати для керування різноманітними машинами та механізмами, лише змінюючи завантажену до нього програму. Так у світі з’явився перший програмований логічний контролер (ПЛК), який компанія Bedford Associates охрестила “Проектом 084”.

Компанія стала розвивати виробництво промислових контролерів і пізніше була перейменована у “Modicon” (скорочення від “Modular Digital Controller”, тобто модульний цифровий контролер). У 1977 році бренд “Modicon” був проданий компанії Gold Electronics, пізніше його викупила відома німецька компанія “AEG”. Нарешті, бренд “Modicon” перейшов у власність французької компанії “Schneider Electric”, яка володіє ним й досі. Треба зазначити, що “Schneider Electric” є одним з всесвітніх лідерів у галузі розробки, виробництва та впровадження технічних засобів електропостачання, електропривода та автоматизації.

У тендері за заявкою General Motors також приймала участь ще одна фірма, яка й до сьогодні займає високі світові позиції серед виробників компонентів автоматизації. Мова йде про Allen Bradley. Хоча фірма й програла тендер, проте роботи у цьому напрямку тривали й надалі. Керівництво Allen Bradley придбало контрольні пакети акцій компанії Information Instruments та корпорації Bunker-Ramo, які на той час вже розробили контролер “PDQ II” (скорочення від “Program Data Quantizer”, програмний модулятор даних). Ця модель контролера виявилась занадто громіздкою та важкою у програмуванні. Проте Allen Bradley виявила наполегливість і у 1970 році на базі “PDQ II” був розроблений контролер “PMC” (“Programmable Matrix Controller”, або Програмований матричний контролер). Проте й ця модель не надто відповідала вимогам замовників для керування технологічними агрегатами. Після доробки на світ з’явилася модель, що була названа PLC 1 (“Programmable Logic Controller”, програмований логічний контролер). Саме ця назва і абревіатура PLC затвердились у сфері автоматизації й використовуються спеціалістами для позначення такого класу пристроїв.

а) б)
Рис. 4. Контролер “Modicon 084” та його розробники Р. Морли, Т. Боиссевайн, Г. Чвенк, Й. Ландао (а); рекламний постер контролера “Modicon 084” (б)

У середині 70 х років минулого сторіччя ринок виробників програмованих логічних контролерів почав стрімко зростати і у Modicon та Allen Bradley з’явився ряд конкурентів, серед яких слід відзначити General Electric, Siemens, Square D, Industrial Solid State Controls, тощо.

Значним кроком для спрощення застосування програмованих логічних контролерів стало введення міжнародного стандарту IEC 61131 3, який декларує мови програмування для ПЛК. Завдяки цьому інженер будь-якого профілю (технолог, електрик, хімік, тощо) може з легкістю створювати програми для керування технологічними установками навіть без знання тонкощів програмування. Також, зазначені мови є універсальними для ПЛК різних виробників.

У лабораторіях (1, 2) мікропроцесорних засобів та автоматики кафедри електропривода Національного гірничого університету студенти мають змогу вивчити найсучасніші засоби автоматизації (мікроконтролери, програмовані логічні контролери, інтелектуальні реле, панелі візуалізації, датчики, тощо), отримати навички їх програмування та використання.


Текст, ілюстрації: Яланський О.А.


Завантажити цю статтю в форматі pdf (0.6КБ)


История процессоров Intel. 8086/8088 и первый IBM PC (gagadget.com)
История процессоров Intel. 386: первый 32-разрядный (gagadget.com)
Europe’s first electronic computer was created in Ukraine (euromaidanpress.com)




Система Orphus
© 2006-2017 НГУ Інформація про сайт