Prvi mikroračunalniki v Sloveniji: Vgradni mikroračunalniki

V novi seriji prispevkov smo se podrobneje posvetili mikroračunalniški revoluciji. Spremljamo pojav prvih mikroračunalnikov pri nas in razvoj domače mikroračunalniške proizvodnje. Obravnavamo različne razvojne stopnje in vidike mikroračunalništva, njegov vpliv na razvoj osebnega računalništva, splošne povezljivosti in računalniške kulture v družbi.

Mikroprocesorska tehnologija je v obliki vgradnih sistemov trajno in temeljito preobrazila številna področja, ne le računalništvo. Prvi mikroprocesorji so nastali na začetku sedemdesetih prav kot vgradne naprave namenjene naprednemu upravljanju delovanja bolj zahtevnih elektronskih naprav. V drugi polovici sedemdesetih so nastali za to še bolj primerni vgradni mikroračunalniki, tako imenovani mikrokrmilniki, ki na enem samem čipu združujejo čisto vse bistvene sestavne dele računalnika. Danes vgradni sistemi predstavljajo daleč največje področje uporabe mikroprocesorjev in mikrokrmilnikov. So bistven del vse bolj številnih pametnih potrošniških naprav in upravljajo že nepregledno množico tehnoloških sistemov bistvenih za delovanje sodobne družbe.

Mikroelektronika in elektronske naprave

Z napredujočim zmanjševanjem elektronskih sklopov je mikroelektronika omogočila radikalen tehnološki preskok in edinstveno stapljanje področij kot so informatika, računalništvo in telekomunikacije. Industrijski načrtovalci so s pomočjo mikrovezij lahko bistveno poenostavili in izboljšali elektronske sklope naprav. Proizvodi so postali bolj uporabni in dostopni, pa tudi bolj vzdržljivi, varčni in manjši. Mikroelektronika je bistveno dvignila ekonomičnost množične proizvodnje elektronskih naprav in s tem konkurenčnost proizvodov. Pomembno je prispevala k izboljšanju zmogljivosti naprav na številnih področjih, ne le profesionalnih temveč tudi potrošniških. Največji napredek je v elektroniki omogočila tehnologija unipolarnih monolitnih integriranih vezij.

Eksploziven razvoj tehnologij za izdelavo in načrtovanje zapletenih unipolarnih monolitnih integriranih vezij na kovinsko-oksidnih polprevodnikih (MOS ali Metal oxide semiconductor) je presenetil skoraj vse. Tehnologija je na začetku sedemdesetih omogočala že izdelavo več tisoč elektronskih elementov na enem samem čipu velikem le nekaj kvadratnih milimetrov (LSI ali Large scale integration). V računalništvu so se vezja MOS LSI najprej uveljavila na področju pomnilnikov. Prvič pa so nastali tudi pogoji za izdelavo celotnih funkcionalnih računalniških enot na čipu od mikroprocesorjev in mikrokrmilnikov do cele vrste podpornih mikrovezij.

Mikroprocesor kot vgradna naprava

Mikroprocesorje so na začetku sedemdesetih kot vgradne naprave želeli uporabiti proizvajalci namiznih kalkulatorjev in računalniških terminalov. Ideja pa je obljubljala očitne koristi še za veliko število drugih naprav in strojev od prevoznih sredstev kot so avtomobili, letala in rakete do telekomunikacijskih naprav kot so telefonske centrale, omrežni usmerjevalniki in modemi. Mikroprocesorji omogočajo izvajanje razmeroma zahtevnih aritmetičnih in vhodno-izhodnih operacij, ponašajo pa se tudi z veliko sposobnostjo pomnjenja in izvajanja zahtevnih operacij po vnaprej določenih vzorcih oziroma programih. Kot vgradne naprave jih načrtovalci lahko opremijo s potrebnimi podpornimi vezji in primerno programsko opremo.

Programe zanje so najprej razvijali s pomočjo razvojnih orodij za običajne mini in velike računalnike ali pa s pomočjo posebnih mikroračunalniških razvojnih sistemov (MDS). Mikroračunalniški razvojni sistemi so bili na začetku sedemdesetih pravzaprav eni izmed prvih mikroračunalnikov. Uporabnikom so omogočali praktičen razvoj in preizkušanje programske opreme za uporabo mikroprocesorjev v poljubnih vgradnih sistemih. Računalniški proizvajalci prvotno niso posebej resno obravnavali možnosti, da bi mikroprocesorji lahko nastopali kot centralne procesne enote običajnih računalnikov. Nihče si ni predstavljal, da bodo mikroprocesorji v le nekaj več kot desetih letih že presegli njihove zmogljivosti.

Nastanek prvega 4-bitnega mikroprocesorja

Po izrednem uspehu prvega komercialnega pomnilniškega vezja Intel 1103 konec leta 1970, so v podjetju kot vgradno napravo razvili tudi prvi 4-bitni mikroprocesor Intel 4004 za uporabo v namiznih kalkulatorjih Unicom 141B japonskega podjetja Busicom. Pričakovanj naročnika procesor takrat ni izpolnil. Zmogljivosti 4-bitnikov so precej omejene, vendar se ti zaradi nižje cene kljub temu pogosto uporabljajo kot vgradne naprave v bolj preprostih napravah, ki ne zahtevajo velike procesne moči. Zadoščajo na primer za upravljanje preprostih kalkulatorjev, gospodinjskih aparatov kot so mikrovalovne pečice ali šivalni stroji, alarmnih, prezračevalnih in ogrevalnih naprav ipd. 4-bitno zasnovo pa je v mikroprocesorjih hitro nasledila bolj zmogljiva 8-bitna, ki je posebej močno zaznamovala zgodnje mikroračunalništvo.

Nastanek prvega 8-bitnega mikroprocesorja

Uporabniki so po zaslugi interaktivnega in omrežnega računalništva na začetku sedemdesetih množično menjali starejše teleprinterske vnosne naprave za nove bolj in manj pametne zaslonske terminale. Tik pred pojavom mikroprocesorjev in nastankom prvih mikroračunalnikov so proizvajalci predstavili več vrst novih pametnih terminalov, ki so v nasprotju z običajnimi zaslonskimi terminali v omejenem obsegu lahko delovali tudi kot samostojni računalniki. To so bili pravzaprav prvi namizni miniračunalniki, neposredni predhodniki mikroračunalnikov. Izdelani so bili še v tipični tehnologiji tretje generacije, bipolarnih monolitnih vezjih. Običajno so imeli vgrajen tekstovni zaslon, tipkovnico in kasetnik za shranjevanje podatkov ter zagon preproste programske opreme. Uporabljali so cenen in omejen pomnilnik z zakasnitvenim vodom.

Programska oprema teh naprav je običajno služila za upravljanje z nastavitvami in oponašanje drugih vrst terminalov. Občasno pa je že omogočala preprosto pripravo podatkov. Tipičen primer je terminal Datapoint 2200. Sestavljen je bil iz večjega števila vezij zato so v podjetju CTC želeli njegov ustroj še poenostaviti. V sodelovanju s podjetjem Intel so zasnovali prvi 8-bitni mikroprocesor, ki je na enem samem mikrovezju združeval vso njegovo logiko. Po spletu okoliščin so kljub zaključenemu razvoju mikroprocesorja načrt za njegovo uporabo nato opustili. Mikroprocesor je proizvajalec pod nazivom Intel 8008 ponudil na trgu leta 1972. Na njegovi osnovi so kmalu za tem nastali prvi mikroprocesorski terminali in prvi preprosti mikroračunalniki.

Nastanek prvega mikrokrmilnika

Ustroj mikroprocesorskih družin, ki je zahteval uporabo podpornih vezij za funkcionalnost celotnega računalnika za vgradne sisteme ni bil optimalen. Univerzalne zmogljivosti takšnih mikroračunalnikov pa so pogosto po nepotrebnem dražile končni proizvod. Po pojavu prvih mikroprocesorjev je zato v drugi polovici sedemdesetih razvoj tekel v dve smeri. Po eni strani v smer še bolj zmogljivih univerzalnih mikroprocesorjev z izpopolnjenim naborom spremljajočih mikrovezij kot so pomnilniki in krmilniki. To področje je spodbudil uspešen nastop prvih mikroračunalnikov na trgu. Po drugi strani pa v smer cenejših in bolj preprostih vgradnih mikroračunalnikov z vsemi potrebnimi zmogljivostmi na enem mikrovezju. Zanje se danes uporablja izraz mikrokrmilnik, včasih pa kar izraz mikroračunalnik.

Mikrokrmilniki so pravzaprav zaključeni mikroračunalniki na čipu in so idealni kot vgradne upravljalne naprave, še posebej pa pri upravljanju bolj preprostih naprav kjer omogočajo bolj primerno cenovno razmerje in lažjo vgradnjo. Vgradne rešitve so tako kot druge procesne rešitve prilagojene vnaprej natančno predvideni uporabi. Funkcionalnost naprav je namenska, omejena in večinoma ne zahteva univerzalnih zmogljivosti kot jih lahko nudijo običajni mikroračunalniki.

Prvi 8-bitni mikrokrmilnik Motorola 6801 so leta 1977 izdelali za potovalni računalnik avtomobila Cadillac Seville. V podjetju pa so zanje nato razvili še vgradne rešitve za upravljanje izgorevanja v motorju. Njihovi mikrokrmilniki so v naslednjih letih postali velika prodajna uspešnica. Samo v avtomobile proizvajalca General Motors so leta 1980 vsak dan vgradili 25.000 mikrokrmilnikov Motorola.

Mikrokrmilnik Iskra EMZ-1001 / AMI S2000

To pa je tudi eno izmed področij, ki so jih v drugi polovici sedemdesetih sooblikovali in inovirali domači znanstveniki. Največji dosežek zgodnje domače mikroelektronike predstavlja prav 4-bitni mikrokrmilnik Iskra EMZ-1001. V Laboratoriju za mikroelektroniko na Fakulteti za elektrotehniko (LMFE) so ga razvili v okviru skupne načrtovalske ekipe z ameriškim partnerjem American microsystems incorporated (AMI). Ideja za razvoj mikrokrmilnika je bila vsekakor originalna. Leta 1977 so le za las zgrešili prestižno mesto prve tovrstne naprave na svetu. V nasprotju s konkurentom Motorola 6801 pa EMZ-1001 ni nikoli postal velika prodajna uspešnica, kljub njegovi razmeroma ugodni ceni in zaledju uveljavljenega ameriškega podjetja.

Mikrokrmilniško zasnovo so načrtovalci izbrali, da bi domačim načrtovalcem čimbolj poenostavili in pocenili razvoj novih elektronskih naprav. Ustroj mikrokrmilnika Iskra EMZ-1001 je bil posebej prilagojen za vgradnjo v naprave s tipkovnicami za vnos podatkov in segmentiranimi LED diodami za prikaz podatkov. Zmogljivosti za izvajanje aritmetičnih operacij so bile pri zasnovi manj pomembne. Bolj pomembno je bilo pomnenje in odločanje na osnovi posameznih vhodnih dogodkov.

Sestava in programiranje EMZ-1001

Na 25 kvadratnih milimetrih mikrokrmilnik združuje 13.000 tranzistorjev izdelanih v 5-mikronski NMOS tehnologiji podjetja AMI, ki so jo v proizvodnjo leta 1983 uvedli tudi v Iskrini tovarni mikroelektronike v Stegnah. Njegova 4-bitna procesna enota deluje s taktom 900 KHz, vključuje pa še minimalnih 256 bitov delovnega pomnilnika (RAM) in 8192 bitov bralnega pomnilnika (ROM) za programsko opremo, krmilnik za upravljanje vseh vhodno-izhodnih operacij in časovnik. Za povezave z zunanjimi napravami uporablja 8-bitno podatkovno vodilo. Prek njega je mogoče priključiti tudi dodaten bralni pomnilnik s programsko opremo. Mikrokrmilnik je nameščen v standardnem keramičnem ohišju DIP (dual-in-line) s 40 nožicami, tako kot številni drugi mikroprocesorji in mikrokrmilniki iz tega obdobja.

Programsko opremo so zelo pogosto po naročilu ob proizvodnji nanj zapisali kar s fotolitografskimi postopki (Mask ROM). Uporabniki pa so imeli tudi možnost programiranja in preizkušanja rešitev z mikroračunalniškim razvojnim sistemom AMI S2000 Microcomputer development center. Razvojni sistem je sestavljen iz mikroračunalnika z zaslonom, tipkovnico in ustreznimi razvojnimi moduli. Njegova programska oprema poleg preprostega disketnega operacijskega sistema (FDOS) vključuje zbirnik, razhroščevalnik, urejevalnik besedila, programator in programski simulator. Razvojni sistem se uporablja tudi za razvoj naprav z mikroprocesorjem Motorola 6800. Programska oprema pa je praktično enaka kot so jo v Iskri v tem času kupili za svoj mikroračunalnik Iskradata 1680.

Različice mikrokrmilnika EMZ-1001

Običajna različica mikrokontrolerja EMZ-1001 je omogočala uporabo segmentiranih LED prikazovalnikov. Posebna različica EMZ-1001A je omogočala tudi uporabo fluorescentnih VFD prikazovalnikov. Izdelovali so še štiri različice prilagojene za uporabo v bolj zahtevnih pogojih. EMZ-1001B je lahko deloval v temperaturnem razponu od 0-55, EMZ-1001C v razponu 0-70 in EMZ-1001E v razponu 0-85 stopinj celzija. Najdražji EMZ-1001K namenjen najbolj zahtevnim industrijskim in vojaškim odjemalcem je lahko deloval v razponu -40 do 85 stopinj celzija. Kasneje so v podjetju AMI izdelali še bolj zmogljive različice mikrokrmilnika z nazivom AMI S2150, S2200 in S2400. Ti so imeli bistveno razširjene delovne in bralne pomnilnike, ter nekatere druge posodobitve. V Iskri slednjih niso izdelovali.

Uporaba mikrokrmilnika EMZ-1001

Ameriški partner je mikrokrmilnik pod nazivom AMI S2000 prodajal predvsem proizvajalcem bele tehnike, do leta 1983 pa je vezja izdeloval tudi za domačo Iskro. V Iskrini tovarni mikroelektronike v Stegnah so pred vzpostavitvijo lastne proizvodnje vezij na rezinah silicija namreč od leta 1979 izvajali le končno montažo vezij na keramične substrate in njihovo testiranje. Leta 1980 je Iskra na domačem trgu v majhnih količinah prodajala standardno različico svojega EMZ-1001 po ceni približno 17 dolarjev. Cena za izdelavo 5000 kosov skupaj z izdelavo maske za program po meri je znašala približno 6000 dolarjev. Za izdelavo programske maske so potrebovali nekje 2 do 3 mesece.

Predvideni uporabniki domače mikroelektronike so bile predvsem Iskrine številne delovne organizacije (TOZD-i) po državi. V Iskri so z razvojem domače mikroelektronike želeli modernizirati domačo elektronsko industrijo. Kljub številnim spodbudam in prizadevanjem pa je bila uporaba mikroelektronike pri nas v sedemdesetih in osemdesetih še vedno zelo omejena. Največja odjemalka mikrokrmilnikov je bila Iskra Telematika. Njihov najbolj pomemben zgodnji proizvod z mikrokrmilnikom EMZ-1001 je sekretarska centrala Isicom Super iz leta 1979. Centrala je bila ena izmed največjih izvoznih uspešnic podjetja. Uporabili pa so ga tudi v sistemskem telefonu Isicom 80. Konec sedemdesetih so EMZ-1001 vgrajevali tudi v tehtnice podjetja Tehtnica Železniki, v igralne avtomate podjetja Mehanmotehnika Izola in v termostate podjetja ETA Cerkno.

.. zbral in sestavil Miha Urh.

Več o tem

Naslednji članek v seriji Prvi mikroračunalniki: Zreli poslovni mikroračunalniki

Povezan članek v seriji Prvi mikroračunalniki: Procesni mikroračunalniki

Povezan članek v seriji Prvi mikroračunalniki: Samogradni mikroračunalniki

Prejšnji članek v seriji Prvi mikroračunalniki: Zgodnji poslovni mikroračunalniki

Nekaj virov

Informatica (1979, letnik 3, številka 1) (LINK) | Informatica (1980, letnik 4, številka 4) (LINK) | Delo (23.04.1983, letnik 25, številka 95) (LINK)

Brošura EMZ-1001 (LINK) | AMI S2000 Family datasheet (LINK) | AMI S2000 Programing manual (LINK) | Članek The four bit eight bit processor AMI S2000/Iskra EMZ-1001 (LINK) | AMI S2000 specifikacije na CPUWorld (LINK) | Electronic Design no.3, 1978: Oglas za AMI S2000 in pripadajočo razvojno opremo na strani 80 in 81 (LINK)

Wikipedia: Microprocessor | Microcontroller | Embedded system | EMZ-1001

Naslovna slika: Mikroprocesorska družina Intel 8080. Iz zbirke National Museum of American History. slika prilagojena. (CC Public domain) (LINK)