Микропроцессорная система (МС) - это совокупность взаимодействующих больших интегральных схем (БИС) микропроцессорного комплекта, организованная в систему, т. е. вычислительная или управляющая система с микропроцессором в качестве узла обработки информации .

Типовая структура микропроцессорной системы изображена на рис. 2.49.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ)– источник последовательности прямоугольных импульсов, с помощью которых осуществляется управление событиями во времени. Он задает цикл команды – интервал времени, необходимый для считывания выборки команды из памяти и ее исполнения. Цикл команды состоит из определенной последовательности элементарных действий, называемых состояниями (тактами).

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое иначе называют запоминающим устройством с произвольной выборкой (ЗУПВ) или произвольным доступом (ЗУПД), служит памятью данных, подлежащих обработке, и результатов вычислений, а в некоторых микропроцессорных системах - также программ, которые часто меняются. Его характерное свойство заключается в том, что время, требуемое для доступа к любой из ячеек памяти, не зависит от адреса этой ячейки. ОЗУ допускает как запись, так и считывание слов. По отношению к этому запоминающему устройству приемлема аналогия с классной доской, на которой мелом записаны числа: их можно многократно считывать, не разрушая, а при необходимости – стереть число и записать на освободившемся месте новое. Следует иметь в виду, что информация, содержащаяся в ОЗУ, исчезает, стирается, если прерывается напряжение питания.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - это устройство, в котором хранится программа (и при необходимости совокупность констант). Содержимое ПЗУ не может быть стерто. Оно используется как память программы, составленной заранее изготовителем в соответствии с требованиями ее пользователей. В таких случаях говорят, что программа жестко «зашита» в запоминающем устройстве. Чтобы осуществить иную программу, необходимо применить другое ПЗУ или его часть. Из ПЗУ можно только выбирать хранимые там слова, но нельзя вносить новые, стирать и заменять записанные слова другими. Оно подобно напечатанной таблице выигрышей по облигациям: можно лишь считывать имеющиеся там числа, но заменять их или вносить новые невозможно. Помимо ПЗУ используются также ППЗУ и РППЗУ.

Рис. 2.49. Структура типовой микропроцессорной системы:

ГТИ – генератор тактовых импульсов; МП – микропроцессор; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; ПЗУ – постоянное запоминающее устройство

Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) отличается от ПЗУ тем, что пользователь может самостоятельно запрограммировать ПЗУ (ввести в него программу) с помощью специального устройства - программатора, но только один раз (после введения программы содержимое памяти уже нельзя изменить).

Репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РППЗУ), называемое также стираемым ПЗУ, имеет такую особенность: хранимая информация может стираться несколько раз (при этом она разрушается). Иначе говоря, РППЗУ допускает перепрограммирование, осуществляемое с помощью программатора. Это облегчает исправление обнаруженных ошибок и позволяет изменять содержимое памяти.

Интерфейсом называют устройство сопряжения. Под интерфейсом понимают совокупность электрических, механических и программных средств, позволяющих соединять модули системы между собой и с периферийными устройствами. Его составными частями служат аппаратные средства для обмена данными между узлами и программные средства - протокол, описывающий процедуру взаимодействия модулей при обмене данными.

Интерфейс микропроцессорной системы относится к машинным интерфейсам. В микропроцессорной системе применяют специальные интерфейсные БИС для сопряжения периферийных устройств с системой (на рис. 2.49 они показаны в виде модулей интерфейса ввода и интерфейса вывода). Для этих БИС характерна универсальность, осуществляемая путем программного изменения выполняемых ими функций.

Устройство ввода осуществляет введение в систему данных, подлежащих обработке, и команд.

Устройство вывода преобразует выходные данные (результат обработки информации) в форму, удобную для восприятия пользователем или хранения. Устройствами ввода-вывода служат блоки считывания информации с перфоленты и магнитной ленты (или записи на них), кассетные магнитофоны, гибкие диски, клавиатуры, дисплеи, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, графопостроители, телетайпы и т. п.

Особенность структуры микропроцессорной системы заключается в магистральной организации связей между входящими в ее состав модулями. Она осуществляется с помощью трех шин. По ним передаются вся информация и сигналы, необходимые для работы системы. Эти шины соединяют микропроцессор с внешней памятью (ОЗУ, ПЗУ) и интерфейсами ввода-вывода, в результате чего создается возможность обмена данными между микропроцессором и другими модулями системы, а также передачи управляющих сигналов.

Микропроцессор (МП) представляет собой функционально завершенное универсальное программно-управляемое устройство цифровой обработки данных, выполненное в виде одной или нескольких микропроцессорных БИС. Микропроцессорные БИС относятся к новому классу микросхем, одной из особенностей которого является возможность программного управления работой БИС с помощью определенного набора команд. Эта особенность нашла отражение в программно - аппаратном принципе построения микропроцессорных систем (МС) – цифровых устройств или систем обработки данных, контроля и управления, построенных на базе одного или нескольких МП.

Программно - аппаратный принцип построения МС является одним из основных принципов их организации и заключается в том, что реализация целевого назначения МС достигается не только аппаратными средствами, но и с помощью программного обеспечения – организованного набора программ и данных.

По конструктивному признаку микропроцессоры можно разделить на две разновидности:

Однокристальные микропроцессоры с фиксированной длиной (разрядностью) слова и определенной системой команд;

Многокристальные (секционированные) микропроцессоры с наращиваемой разрядностью слова и микропрограммным управлением, которые составляются из двух и более БИС.

В настоящее время выпускаются также однокристальные микропроцессоры с микропрограммным управлением.

Внутренняя логическая организация однокристальных микропроцессоров в значительной степени подобна организации ЭВМ общего назначения. Это дает возможность при разработке микропроцессорной системы на основе однокристального микропроцессора опираться на методы проектирования и использования обычных ЭВМ малой и средней производительности.

Для примера рассмотрим структуру однокристального универсального восьмиразрядного микропроцессора (рис. 2.50). В состав микропроцессора входят арифметическо-логическое устройство, управляющее устройство и блок внутренних регистров.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) является ядром микропроцессора, которое, как правило, состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, сдвигающего регистра и регистров для временного хранения операндов. Это устройство по командам выполняет несколько простейших операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И).

Регистром называется электронная схема для временного хранения двоичной информации (машинного слова). Ее строят на триггерах, общее число которых определяет разрядность регистра. Каждый триггер регистра используется для ввода, хранения и вывода одного разряда (1 или 0) двоичного числа. Разрядность регистра выбирают соответственно длине хранимого в нем слова.

Рис. 2.50. Структура однокристального восьмиразрядного

микропроцессора

Регистры, которые служат только для ввода, хранения и вывода двоичной информации, называют накопительными. От них отличаются сдвигающие регистры, которые помимо выполнения указанных функций позволяют осуществлять сдвиг двоичного числа вправо или влево (а иногда – в обоих направлениях). Если в накопительный регистр вводят числа в параллельном коде, т. е. одновременно во все триггеры, то ввод чисел в сдвигающий регистр часто производят в последовательном коде, подавая последовательно один разряд за другим, хотя возможен и вод чисел в параллельном коде.

Триггер – это устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями 0 и 1, способное под воздействием внешнего управляющего сигнала скачком переходить из одного состояния в другое .

Операндом называют число или символ, участвующие в машинной операции. Так, в выражении у = а + b или ω = 2k - 1 операнды – это а , b , 2, k , 1. Типичным примером операнда, используемого при процедуре обработки данных микропроцессором, служит байт.

В вычислительной технике вообще и микропроцессорной технике в частности, имеющими дело с числами, широко используются такие термины, как «бит», «слово», «байт».

Бит – это разряд двоичного числа: 0 или 1. Так, 0101 – четырехбитовое двоичное число, причем крайняя левая цифра представляет старший разряд данного числа, а крайняя правая – младший разряд. Четырехбитовое двоичное число называется тетрадой, а трехбитовое – триадой.

Слово – законченная последовательность символов (нулей и единиц) определенной длины или сигналов, представляющих эти символы. Машинное слово – специальная последовательность нулей и единиц, которая может быть прочитана или интерпретирована ЭВМ данного типа. Иначе говоря, машинное слово - это группа битов, которую обрабатывает ЭВМ за один шаг. В общем случае слово имеет переменную длину. Число двоичных разрядов (битов) в слове может находиться в пределах 1 ≤ z ≤ n . Величина п зависит от технических возможностей ЭВМ. Обычно под длиной машинного слова понимают число битов, хранимых в одном регистре ЭВМ. В технике больших ЭВМ иногда словом называют последовательность из 32 бит, полусловом - из 16 бит и двойным словом - из 64 бит. Для микропроцессорной техники основополагающим является байт. По отношению к нему определяется формат данных.

Байт – восьмибитовое слово, рассматриваемое как единица для обмена цифровой информацией между устройствами микропроцессорной системы.

Устройство управления (УУ) «руководит» работой АЛУ и внутренних регистров в процессе выполнения команды. Согласно коду операции, содержащемуся в команде, оно формирует внутренние сигналы управления блоками микропроцессора. Адресная часть команды совместно с сигналами управления используется для считывания данных из определенной ячейки памяти (записи данных в ячейку). По сигналам УУ осуществляется выборка каждой новой, очередной команды.

Б
лок внутренних регистров (БВР), расширяющий возможности АЛУ, служит внутренней памятью микропроцессора – используется для временного хранения данных и команд. Он также выполняет некоторые процедуры обработки информации. Обычно этот блок содержит регистры общего назначения и специальные регистры: регистр-аккумулятор, буферный регистр адреса, буферный регистр данных, счетчик команд, регистр команд, регистры стека, регистр признаков .

На практике нередко применяют функциональный блок, содержащий микропроцессорный комплект и оформленный конструктивно в виде платы. Он может выполнять функции микро-ЭВМ, встраиваемой в измерительный прибор или другую аппаратуру (без источника питания, корпуса, пульта управления, периферийных узлов), но не способной работать как самостоятельное, автономное устройство. Такой блок, выполняющий функции управления, называютмикроконтроллером . Иногда для сокращения его называют простоконтроллером . Он может быть программируемым и непрограммируемым. Контроллеры для измерительных систем выпускают и в виде автономных устройств.

Программно-технические комплексы . Внастоящее время автоматизация большинства технологических процессов осуществляется на базе универсальных микропроцессорных контроллерных средств, которые в России получили название программно-технических комплексов (ПТК) . Они представляют собой совокупность микропроцессорных средств автоматизации (микропроцессорных контроллеров, устройств связи с объектом УСО), дисплейных пультов оператора и серверов различного назначения, промышленных сетей, которые позволяют связать перечисленные компоненты, программное обеспечение контроллеров и дисплейных пультов оператора. ПТК предназначены, в первую очередь, для создания распределенных систем управления технологическими процессами различной информационной мощности (от десятков входных/выходных сигналов до сотни тысяч).

Одна из простых и наглядных структур ПТК представлена на рис. 2.51.

Рис. 2.51. Структура ПТК

Все функциональные возможности системы (рис. 2.51) четко разделены на два уровня. Первый уровень составляют контроллеры, второй – пульт оператора, который может быть представлен рабочей станцией или промышленным компьютером.

Уровень контроллеров в такой системе выполняет сбор сигналов от датчиков, установленных на объекте управления; предварительную обработку сигналов (фильтрацию и масштабирование); реализацию алгоритмов управления и формирование управляющих сигналов на исполнительные механизмы объекта управления; передача и прием информации из промышленной сети.

Пульт оператора формирует сетевые запросы к контроллерам нижнего уровня, получает от них оперативную информацию о ходе технологического процесса в удобном для оператора виде, осуществляет долговременное хранение динамической информации (ведение архива) о ходе процесса, производит коррекцию необходимых параметров алгоритмов управления и уставок регуляторов в контроллерах нижнего уровня.

Промышленные контроллеры – это устройства, предназначенные для управления технологическими процессами в промышленности и другими сложными технологическими объектами (например, системы управления микроклиматом, системы управления котельными установками и объектами тепло и газоснабжения, системы сбора данных, системы диспетчеризации и др.). Принцип их работы заключается в сборе сигналов от датчиков и их обработке по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства.

В настоящее время на рынке технических средств автоматизации представлен широкий спектр аппаратных и программных устройств для построения надежных и удобных в эксплуатации систем. Согласно принятой зарубежной терминологии промышленные контроллеры (ПК) делятся на три категории: программируемые логические контроллеры (ПЛК), распределенные управляющие системы (distributed control systems DCS ) и контроллеры на базе PC -технологий (PC - based ).

В архитектуре АСУ ТП ПЛК занимают место между уровнем датчиков и исполнительных механизмов и системами верхнего уровня управления процессом. Основная функция контроллеров в системе – сбор, обработка и передача на верхний уровень первичной информации, а также выработка управляющих воздействий, согласно с запрограммированными алгоритмами управления и передача этих воздействий на исполнительные механизмы.

Большинство современных контроллеров изготавливается по секционно-блочному принципу. Каждый логический модуль физически представляет собой отдельный блок, который устанавливается либо в монтажную корзину, либо на единую монтажную шину. Коммутация между модулями осуществляется через единый монтажный кросс. Такая конструкция позволяет широко варьировать количество используемых модулей и оптимально подстраивать физическую архитектуру контроллера к решаемой задаче. Кроме того, такое построение удобно в обслуживании, модернизации и ремонте. При необходимости заменяются лишь отдельные модули без изменения архитектуры всей системы.

В распределенных управляющих системах (рис. 2.51) в единую сеть связаны малогабаритные контроллеры, интеллектуальные модули ввода/вывода и компьютеры, которые могут быть разнесены друг от друга на достаточно большие расстояния. Такая распределенная архитектура системы управления обладает следующими достоинствами:

– высокая надежность работы системы. Четкое распределение обязанностей в распределенной системе делает ее работоспособной даже при выходе из строя или зависания любого узла. При этом работоспособные узлы продолжают осуществлять сбор данных и управление процессом или осуществляют последовательный останов технологического оборудования;

– малое количество проводных соединений. Контроллеры имеют возможность работать в тяжелых промышленных условиях, поэтому они, как правило, устанавливаются в непосредственной близости от объекта управления. В связи с этим существенно снижается расход кабельной продукции, а для организации сети, как правило, достаточно всего двух или четырех проводов;

– легкая расширяемость системы. При появлении дополнительных точек контроля и управления достаточно добавить в системы новый узел (контроллер, интеллектуальный модуль ввода-вывода).

В настоящее время на Российских предприятиях функционирует большое количество контроллеров как импортных, так и отечественного производства, позволяющих строить распределенные АСУ ТП. Среди них контроллеры КРОСС и комплекс полевых приборов ТРАССА (ОАО «ЗЭиМ», г. Чебоксары), комплекс Деконт (фирма «ДЭП», г. Москва), Теконик (АО «Текон», г. Москва), DCS-2000 (ЗАО «Эмикон», г. Москва), СИКОН (фирма «КОК», г. Москва), ЭЛСИ-2000 (фирма «ЭлеСи», г. Томск), ADAM-4000, 5000, 6000 (Advantech), I-7000, 8000 (ICP DAS), сетевые контроллеры фирм Siemens, Analog Device и др.

Для примера рассмотрим некоторые типы промышленных программированных контроллеров, применяемых в системах автоматического управление процессами теплогазоснабжения и вентиляции.

Промышленные контроллеры СПЕКОН. Специализированные промышленные контроллеры СПЕКОН СК (рис. 2.52) предназначены для автоматизированного управления паровыми и водогрейными котлами, работающими на газе или жидком топливе, а также котельными, ЦТП, теплогенераторами, пламенными печами и другими технологическими объектами в различных отраслях промышленности.

Рис. 2.52. Внешний вид контроллера (вид спереди)

Для представления информации о ходе технологического процесса, значении параметров, составе системы и т.п. на лицевой панели контроллера располагаются алфавитно-цифровое табло и световые индикаторы. Алфавитно-цифровое табло жидкокристаллическое, двухстрочное, имеет по 16 знаков в каждой строке. Табло имеет подсветку «Сеть», «Работа», «Нештатная ситуация». Ввод базы данных, вывод значений параметров, управление техпроцессом и т.д. осуществляется с клавиатуры лицевой панели.

Модификации контроллеров СПЕКОН СК:

СК2-20 (А/Б) – СК2-29 (А/Б) – контроллеры для управления паровыми и/или водогрейными котлами, работающими на газе и/или жидком топливе.

СК2-32 (А/Б) -– СК2-35 (А/Б) – контроллеры для управления паровыми и/или водогрейными котлами с импортными горелками, работающими на газе и/или жидком топливе.

СК2-12(А/Б) и СК2-14(А/Б) – контроллеры для автоматизированного управления подогревателями нефти и газа, теплогенераторными устройствами, горелками.

СК2-50(А/Б) – контроллер для автоматизированного управления котлом (типа ДКВР) с двумя горелками.

СК2-53(А/Б) – контроллер для автоматизированного управления котлом (типа ДКВР) с тремя горелками.

С
К2-80(А/Б) – контроллер для автоматизированного управления котлами, котельными, ЦТП, ТП, другими технологическими объектами с отображением объекта, значений измеряемых параметров и т.д. на лицевой сенсорной панели в реальном времени.

СК3-01 (А/Б) – контроллеры для автоматизированного управления общекотельным оборудованием с водогрейными или паровыми котлами, работающими на газе и/или жидком топливе, автоматизация которых выполнена на базе контроллеров СПЕКОН СК2.

СК3-13 (А/Б) – контроллеры для автоматизированного управления оборудованием котельной и котлами, автоматизация

которых выполнена не на базе контроллеров СПЕКОН СК2.

СК3-21 (А/Б) – контроллеры для управления ИТП, ЦТП и общекотельным оборудованием с водогрейными и паровыми котлами на газообразном или жидком топливе. Могут использоваться как свободно конфигурируемые многоканальные регуляторы.

Контроллер управления системами приточной вентиляцией БиКуб-ВК02 (ООО «НПП «Горное Плюс»). Контроллер представляет собой регулирующее устройство, выполненное на базе микроконтроллера с резидентным программным обеспечением, и предназначен для регулирования температуры приточного воздуха в системах воздушного отопления. Контроллер может быть конфигурирован на работу в различных модификациях систем приточной вентиляции.

Контроллер может применяться в автоматизированных системах контроля и управления. Прибор совместно с другими изделиями фирмы ООО «НПП «Горное Плюс» и изделиями сторонних фирм, имеющих возможность подключения к информационным системам (электросчетчики, теплосчетчики) позволяет организовать комплексное управление инженер инженерным оборудованием на уровне здания или комплекса зданий.

Принципиальная схема применения контроллера «БиКуб-ВК02» представлена на рис. 2.53.

Рис. 2.53. Пример применения контроллера «БиКуб-ВК02»

В рассматриваемом примере контроллер управляет вентилятором, заслонкой с электронагревателем, насосом и двухходовым клапаном с электроприводом. Сигналы с датчиков температуры поступают на соответствующие входы прибора и подвергаются аналого-цифровому преобразованию. Далее осуществляются преобразования в соответствии с номинальными функциями преобразования с тем, чтобы получить в цифровой форме значения измеряемых температур. Измеренные значения температур можно наблюдать на дисплее или прочитать по сети.

В режиме «Контроль» , прибор выполняет операции, направленные на поддержание оптимальной температуры теплоносителя в обратном трубопроводе, для предотвращения замораживания системы и превышения температуры теплоносителя в обратном трубопроводе.

В режиме «Работа» контроллер последовательно выполняет функции запуска системы вентиляции, а затем функции связанные с поддержанием заданной температуры приточного воздуха. В процессе работы в этом режиме контроллер может переводить систему в различные состояния такие как:

Прогрев калорифера. Перед началом работы контроллер осуществляет прогрев калорифера, для чего при закрытых жалюзи и выключенном вентиляторе, осуществляет открытие регулирующего клапана, включение насоса и включение электронагревателя. В этом состоянии система находится в течение времени заданного пользователем. В случае если температура наружного воздуха больше значения, определяющего «летний режим», то это система не переводиться в это состояние.

Управление системой приточной вентиляции. После прогрева система переводиться в рабочее состояние. В этом состоянии прибор поддерживает значение температуры приточного воздуха в соответствии с заданным.

Защита от замораживания. При падении температуры приточного воздуха или температуры теплоносителя в обратном трубопроводе ниже заданных пользователем значений, либо возникновении неисправностей контроллер переводит систему в состояние защиты от замораживания. В этом состоянии прибор закрывает жалюзи, выключает вентилятор и открывает исполнительный механизм. Система будет находиться в этом режиме до тех пор, пока значения температур приточного воздуха и обратной воды не придут в норму.

Дежурный режим. Дежурный режим предусмотрен для тех случаев, когда в работе вентиляции нет необходимости. В этом режиме прибор контролирует только температуру обратной воды, жалюзи при этом закрыты, а вентилятор выключен. Переход в дежурный режим осуществляется путем задания временного интервала соответствующего этому режиму. Если переход в дежурный режим осуществлен из «летнего» режима, то контроль обратной воды не выполняется.

Летний режим. В этом режиме управлении температурой приточного воздуха не осуществляется. И циркуляция теплоносителя через калорифер прекращена. Контроллер просто открывает жалюзи и включает вентилятор.

Контроллер микропроцессорный ТРМ3 (предприятие «ПО ОВЕН») Прибор совместно с входными термопреобразователями (датчиками) и исполнительными механизмами предназначен для контроля и регулирования температуры в системе отопления и горячего водоснабжения (ГВС). Кроме функций регулирования, прибор осуществляет защиту системы от завышения температуры обратной воды, возвращаемой в теплоцентраль.

При работе в составе системы ТРМ32 контролирует температуру наружного воздуха, температуру воды в контурах отопления и горячего водоснабжения, а также температуру обратной воды, возвращаемой в теплоцентраль. По результатам измерений прибор формирует сигналы управления двумя запорно-регулирующими клапанами, один из которых служит для поддержания заданной температуры в контуре отопления, а другой - в контуре горячего водоснабжения. При эксплуатации работа прибора осуществляется в одном из трех основных режимах: «Регулирование», «Просмотр» или «Программирование».

Связь устройств ЭВМ между собой осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.

Интерфейс - это совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для передачи информации между компонентами ЭВМ и включающих в себя электронные схемы, линии, шины и сигналы адресов, данных и управления, алгоритмы передачи сигналов и правила интерпретации сигналов устройствами.

В широком смысле интерфейс включает также механическую часть (совместимость по типоразъемам) и вспомогательные схемы, обеспечивающие электрическую совместимость устройств по уровням логических сигналов, входным и выходным токам и т. д.

Подробное изучение интерфейсов и системных шин не входит в задачи данного курса. Поэтому эти вопросы мы будем рассматривать лишь с точки зрения общего представления об организации работы микропроцессорной системы и принципах взаимодействия составляющих ее устройств.

Основным способом организации МПС является магистрально-модульный (рис. 8.1): все устройства, включая и микропроцессор , представляются в виде модулей, которые соединяются между собой общей магистралью . Обмен информацией по магистрали удовлетворяет требованиям некоторого общего интерфейса, установленного для магистрали данного типа. Каждый модуль подключается к магистрали посредством специальных интерфейсных схем.

Рис. 8.1.

На интерфейсные схемы модулей возлагаются следующие задачи :

• обеспечение функциональной и электрической совместимости сигналов и протоколов обмена модулей и системной магистрали;
• преобразование внутреннего формата данных модуля в формат данных системной магистрали и обратно;
• обеспечение восприятия единых команд обмена информацией и преобразование их в последовательность внутренних управляющих сигналов.

Эти интерфейсные схемы могут быть достаточно сложными. Обычно они выполняются в виде специализированных микропроцессорных БИС. Такие схемы принято называть контроллерами .

Контроллеры обладают высокой степенью автономности, что позволяет обеспечить параллельную во времени работу периферийных устройств и выполнение программы обработки данных микропроцессором.

Кроме того, предварительно буферируя данные, контроллеры обеспечивают пересылку сразу для многих слов, расположенных по подряд идущим адресам, что позволяет использование так называемого "взрывного"

( burst ) режима работы шины - 1 цикл адреса и следующие за ним многочисленные циклы данных.

Недостатком магистрально-модульного способа организации ЭВМ является невозможность одновременного взаимодействия более двух модулей, что ставит ограничение на производительность компьютера.

Взаимодействие микропроцессора с оперативной памятью (ОП) и внешними устройствами (ВУ) проиллюстрировано на рис. 8.2 .

Рис. 8.2.

Микропроцессор формирует адрес внешнего устройства или ячейки оперативной памяти и вырабатывает управляющие сигналы - либо IOR/ IOW при обращении на чтение/запись из внешнего устройства, либо MR/MW для чтения/записи из оперативной памяти.

Для обмена информацией с внешними устройствами в МП имеются только 2 команды:

• команда ввода IN AX , DX записывает в регистр AX число из внешнего устройства, адрес которого находится в регистре DX ; при этом вырабатывается сигнал IOR (INput/OUTput Read ).);
• команда вывода OUT DX , AX выводит информацию из регистра AX во внешнее устройство, адрес которого находится в регистре DX ; при этом вырабатывается сигнал IOW (INput/OUTput Write ).

Сигналы IOR/ IOW формируются при выполнении только этих команд.

Формирование сигналов MR/MW происходит в командах, для которых операнд и/или приемник результата располагаются в оперативной памяти, например, ADD , AX .

В связи с этим возможны два основных способа организации адресного пространства микропроцессорной системы :

1. с общим адресным пространством внешних устройств и оперативной памяти;
2. с независимыми адресными пространствами.

В первом случае к портам ввода/вывода можно обращаться как к ячейкам оперативной памяти. Достоинством такого подхода является возможность использовать различные режимы адресации при обращении к внешним устройствам, а также выполнять над содержимым портов ввода/вывода различные арифметико-логические операции . Но в то же время при этом сокращается емкость адресуемой ОП и снижается защищенность системы, так как она лишается дополнительных средств защиты, связанных с выполнением команд ввода/вывода (не работает поле IOPL регистра флагов ). К тому же нарушение в логике работы программы (формирование неверного адреса оперативной памяти) может привести к ложному срабатыванию внешнего устройства.

Если первый недостаток не столь существенен при современных объемах запоминающих устройств , то второй может весьма негативно сказаться на работе МПС. Возможность использования сложных режимов адресации при обращении к внешним устройствам для микропроцессорных систем на основе универсальных МП не столь важна. Поэтому в настоящее время при построении МПС предпочтение отдается второму подходу.

Рассмотрим особенности обмена информацией микропроцессора с внешними устройствами. Упрощенная временная диаграмма этого процесса представлена на

Микропроцессор (МП) - это выполненное на одной или нескольких БИС устройство цифровой обработки информации, осуществляемой по программе. По назначению он идентичен ЭВМ, но обладает меньшими функциональными возможностями.

Современные микропроцессоры могут содержать миллионы транзисторов в одной микросхеме. Обобщенная структурная схема МП показана на рис.6.1.

Основу микропроцессора составляет арифметико-логическое устройство АЛУ. Оно выполняет арифметические (сложение, вычитание) и логические (сравнение, дизъюнкция, конъюнкция) операции над двумя числами и выдает результат операции. Регистры Р служат для хранения и выдачи команд (регистр команд), адресов (регистр адресов) и данных (регистр данных или аккумулятор).

Устройство управления служит для преобразования команд, поступающих из регистров и внешнего ЗУ в сигналы, непосредственно воздействующие на все элементы МП и стимулирующие выполнение команд.

Все блоки МП соединены между собой и с внешними устройствами тремя многоразрядными шинами: шиной данных ШД, шиной адресов ША и шиной управления ШУ. Шина - это группа параллельных проводников, по которым передается многоразрядный код. УУ распределяет во времени связи между блоками по одной и той же шине - мультиплексирование.

Совокупность шин называется магистралью. Шина данных служит для обмена операндами - кодами исходных данных или кодами команд. Шина адресов служит для передачи кодов ячеек памяти в ЗУ.

Таким образом, в микропроцессорах, как и в ЭВМ, используется магистральный принцип передачи информации.

Микропроцессор используется совместно с другими микроэлектронными устройствами: запоминающим устройством данных (ЗУД), запоминающим устройством программы (ЗУП) и устройством ввода-вывода (УВВ). Объединение этих элементов называется микропроцессорной системой или микроконтроллером- рис. 6.2.

Запоминающие устройства ЗУ предназначены для приема, хранения и выдачи программы и данных. При этом ЗУП представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), работающее только на считывание. Запись программы в ЗУП происходит однократно при ее изготовлении или отладке. ЗУД представляет собой оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), работающее как в режиме записи, так и в режиме считывания.

УВВ предназначено для приема сигналов от внешних устройств в процессор или ЗУ и для вывода результатов во внешние устройства. Генератор тактов синхронизирует через МП работу всех блоков системы. В некоторых типах МП он может входить в состав самого процессора.

Программа, по которой работает МП обычно хранится в постоянном запоминающем устройстве. Запись программы происходит одноразово. Возможно применение репрограммируемых (перепрограммируемых) ПЗУ, допускающих многократную запись и стирание информации. Информация в ПЗУ сохраняется при отключении источника питания.

Для хранения данных применяют оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), в которые информация может быть выдана из МП или от внешних устройств (клавиатура, датчики) через УВВ. При отключении источника питания информация в ОЗУ теряется.

В тех случаях, когда разработчики микропроцессорной системы предусматривают для потребителя присоединение к магистрали каких-либо дополнительных блоков (открытый вариант системы), магистраль снабжается буфером магистрали, увеличивающем ее нагрузочную способность или адаптером магистрали, если надо не только усиление, но и преобразование сигналов.

Конструктивно микроконтроллеры могут быть однокристальными, если все элементы микропроцессорной системы выполнены в одной интегральной схеме или одноплатными, если они расположены на одной печатной плате. Одноплатные микроконтроллеры часто снабжаются встроенной клавиатурой и индикатором. В таком виде они могут составить самостоятельную вычислительную часть цифровых систем измерения, управления и т.д.

Промышленность выпускает огромную номенклатуру микроконтроллеров, отличающихся разрядностью, архитектурой, характеристиками и возможностями функционирования. Общим признаком всех микроконтроллеров является их гибкое (т.е. программное) структурирование. Микроконтроллеры могут быть специализированными (например, микроконтроллер клавиатуры персонального компьютера) или универсальными, предназначенными для решения различных задач одного класса, например контроллеры для систем промышленной автоматики.

Микропроцессоры характеризуются следующими параметрами:

1. Вид микропроцессора: универсальный или специализированный, сигнальный и т.п.

2. Способ управления: схемный (жесткий), или микропрограммный (гибкий).

3. Разрядность - длина слова, которое может быть одновременно обработано процессором (4, 8, 16,32).

4. Емкость адресуемой памяти. Характеризует возможности микропроцессора по сложности реализуемых программ.

5. Быстродействие. Характеризуется продолжительностью одной

операции типа «регистр-регистр» или числом операций в секунду.

6. Мощность потребления.

7. Питающие напряжения.

8. конструктивные характеристики.

Микропроцессорная система представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом микропроцессорных: то есть микропроцессора и/или микроконтроллера. А микропроцессорное устройство представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определённого набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.

Главная особенность микропроцессора - возможность программирования логики работы. Поэтому микропроцессорную систему используют для управления процессом измерения (реализацией алгоритма измерения), обработки опытных данных, хранения и вывода результатов измерения и так далее.

МП обладает свойствами процессора ЭВМ, тем не менее его нельзя считать только элементом вычислительной техники. Основная функция МП - преобразовывать информацию, т. е. его необходимо отнести к одной из групп элементов (устройств), входящих в технические средства систем автоматического регулирования и управления.

Сам по себе МП еще не способен реализовать переработку информации, т. е. он не может решить ту или иную конкретную задачу. Чтобы решить задачу, его нужно соединить с некоторыми другими устройствами, запрограммировать и обеспечить обмен информацией МП с этими устройствами. В число подсоединяемых устройств входят, как минимум, запоминающие устройства (ЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ).

Таким образом, основным способом применения МП является создание на его основе и других ИС и устройств МПС.

МикроЭВМ (МЭВМ) - это конструктивно завершенная МПС имеющая устройства связи с внешними устройствами, панель управления, собственный источник питания и комплект программного обеспечения.

Микроконтроллер (МКО) - устройство, выполняющее функции логического анализа (сложные последовательности логических операций) и управления; реализуется на одном или нескольких кристаллах. Примерами микроконтроллеров являются устройства (микропроцессорные), управляющие работой внешних устройств МЭВМ: накопителей на ГМД и MJT, печатающих устройств, графопостроителей и т. д.

Таким образом, МКО - это микропроцессорное управляющее устройство, в котором за счет сокращения функций по выполнению арифметических операций можно уменьшить их аппаратную сложность и развить функции логического управления.

Микропроцессорный комплект интегральных схем (МПК ИС) - это совокупность микропроцессорных БИС (базовый МПК) и других ИС, однотипных по конструктивно-технологическому исполнению, для которых обеспечена функциональная, структурная, информационная и энергетическая совместимость при использовании в МПС. По существу, это элементная база МПС, МЭВМ и МПАС.

Микропроцессорная автоматическая система (МПАС) - это автоматическая система со встроенными в нее средствами микропроцессорной техники (МТ).

Структура и взаимосвязь основных средств МТ в рамках МПАС показаны на рис. 8.2, а, где акцент сделан на структуру и свойства средств МТ, в частности отражены модульность и магистральность.

МП включает АЛУ, УУ и блок регистров (БРГ), в который входят регистры: аккумулятор, адреса, флаговые, состояния, программный счетчик, общего назначения, стековые и т. д. МП является составной частью МПС и соответственно МЭВМ и МПАС.

МПС включает помимо МП (одного или нескольких), оперативного и постоянного ЗУ (ОЗУ и ПЗУ), устройства ввода-вывода (УВВ) ряд других устройств (на схеме не показаны). МПС - одна из составных частей МПАС.

Взаимодействие частей МПАС осуществляется посредством шин: адресной (ША), данных (ШД) и управления (ШУ), связывающих в единую систему компоненты МПС, а также шин измерения, контроля и управления, которые совместно с соответствующими устройствами связи с объектом (процессом) обеспечивают непосредственное взаимодействие МПС с управляемым объектом или процессом.

Из сказанного выше следует, что МПС могут быть конструктивно подготовлены для работы с человеком-оператором, т. е. иметь каркас, панель управления и другие необходимые компоненты - в этом случае ее называют МЭВМ, а могут предназначаться для агрегатирования, т. е. для работы в конструктивно- и функциональноедином комплексе аппаратуры и поэтому не иметь необходимых для автономной работы компонентов.

В последнем случае речь идет о реализации распределенных средств управления и обработки информации в рамках МПАС. Распределенность здесь означает прежде всего расчленение (декомпозицию) общего алгоритма управления на ряд параллельно или последовательно-параллельно реализуемых алгоритмов, не связанных, насколько это возможно, друг с другом во времени, и, кроме того, оптимальное пространственное распределение процессов управления и обработки информации путем встраивания средств МТ непосредственно в датчики, регулирующие, исполнительные и другие устройства.

При этом более эффективно решаются задачи обеспечения быстродействия. надежности, живучести, сокращения размеров и уменьшения массы средств автоматического управления, регулирования, контроля и сбора данных. Характерные свойства МП дают возможность встроенного управления каждой отдельной единицей аппаратуры, оборудования, что обеспечивает создание полностью автоматизированных локальных систем и процессов и тем самым обеспечивает комплексную автоматизацию.

На рис. 8.2, б представлена общая схема МПАС, в которой акцент сделан на систему связи с объектом. Здесь обозначено: М - мультиплексор; ДМ - демультиплексор; Д - датчик; ИМ - исполнительный механизм; МЦАП, МАЦП - многоканальные ЦАП и АЦП соответственно, совмещающие в себе функции одноканальных ЦАП, АЦП, а также демультиплексоров и мультиплексоров соответственно.

Микропроцессор (МП) - функционально законченный процессор ЭВМ реализованный в виде одной или нескольких БИС и предназначен для обработки цифровой информации по заданным программам.

Микропроцессорный контроллер (МПК) – функционально законченная микро-ЭВМ, предназначенная для целей контроля и управления.

МПК может реализовываться на следующей элементной базе:

Однокристальных микропроцессорах (ОМП);

Секционных (многокристальных) МП;

Однокристальных микроконтроллерах (ОМК);

Сложных матричных программируемых логических схемах (ПЛИС, PLD, CPLD и др.).

Наибольший эффект от внедрения микропроцессоров достигается в устройствах и системах локальной автоматики, системах измерения, контроля и других областях, в которых применение средств цифровой обработки данных до появления микропроцессоров было нерентабельным. Сравнительно низкая стоимость, малые габариты и потребляемая мощность, высокая надежность и исключительная гибкость, не свойственная другим способам обработки данных, обеспечивают приоритет микропроцессоров перед другими средствами обработки данных. Микропроцессор также является удобным средством для построения контроллеров, предназначенных для контроля и управления технологическими процессами в различных отраслях народного хозяйства.

Наибольший эффект применения микропроцессоров достигается при встраиваемом варианте его использования, когда микропроцессор встраивается внутрь приборов, устройств или машин. В таком варианте использования от микропроцессора требуется не столько вычислительная производительность (операции умножения, деления и пр.), свойственные обычным ЭВМ, сколько логическая оперативность, столь необходимая в задачах управления.

ОМК – функционально законченный МПК, реализованный в виде одной СБИС (сверх-БИС). ОМК включает в состав: процессор, ОЗУ, ПЗУ, порты ввода/вывода для подключения внешних устройств, модули ввода аналогового сигнала АЦП, таймеры, контроллеры прерывания, контроллеры различных интерфейсов и т.д.

Простейший ОМК представляет собой БИС площадью не более 1 и всего с восемью выводами.

2. Классификация микропроцессорных систем (по назначению, по разрядности, по способу управления, по конструктивно-технологическим признакам);

Различают:

1) Периферийные (интерфейсные) ОМК предназначен для реализации простейших МП систем управления. Имеют малую производительность и малые габаритные размеры. В частности может использоваться периферийными устройствами ЭВМ (клавиатура, мышь и т.п.) К ним относятся: PIC – Micro Chip, VPS – 42 (Intel).

2) Универсальные 8–разрядные ОМК предназначены для реализации МП систем малой и средней производительности. Имеют простую систему команд и большую номенклатуру встроенных устройств. Основные типы: MSC – 51 (Intel)MotorolaHC05 –HC012 и др.

3) Универсальный 16–разрядный ОМК . Предназначен для реализации систем реального времени средней производительности. Структура и система команд нацелены на скорейшую реакцию на внешние события. Наибольшее использование имеют в системах управления электродвигателями (мехатронные системы).

4) Специализированные 32–разрядные ОМК реализуют высокопроизводительную ARM архитектуру и предназначены для систем телефонии, передачи информации, телевидения и других, требующие высокоскоростной обработки информации. К типовым 16–разрядным ОМК относятся: MSC96/196/296 (Intel),C161–C167 (Siemens,Infineon),HC16Motorolaи др.

5) Цифровые сигнальные процессоры (DSP – Digital Signal Processor) предназначен для сложной математической обработки измеряемых сигналов в режиме реального времени. Широко используются в телефонии и связи. Основные отличия DSP: повышенная разрядность обрабатываемых слов (16,32,64 бита) и высокая скорость в формате с плавающей точкой (16flops).Производители:TexasInstruments(TMS320 и др.),AnalogDevice(ADSP 2181 и др.).

По области применения определилось три направления развития микропроцессоров:

микроконтроллеры

универсальные микропроцессоры

сигнальные микропроцессоры

По внутренней структуре существует два основных принципа построения микропроцессоров:

Гарвардская архитектура

Архитектура Фон-Неймана

По системе команд микропроцессоры отличаются огромным разнообразием, зависящим от фирмы-производителя. Тем не менее можно определить две крайние политики построения микропроцессоров:

Аккумуляторные микропроцессоры

Микропроцессоры с регистрами общего назначения

3. Применение микропроцессорных систем (по выбору студента);

Сама МПС, будучи оснащенной разнообразными устройствами ввода - вывода (УВВ) информации, может применяться в качестве законченного изделия. Однако часто к МПС необходимо подавать сигналы от множества измерительных датчиков и исполнительных механизмов какого - либо сложного объекта управления или технологического процесса. В этом случае уже образуется сложная вычислительная система, центром которой является МП. Простые в архитектурном исполнении микропроцессоры применяются для измерения временных интервалов, управления простейшими вычислительными операциями (в калькуляторах), работой кино-, фото-, радио- и телеаппаратуры. Они используются в системах охранной и звуковой сигнализации, приборах и устройствах бытового назначения.

Бурно развивается производство электронных игр с использованием микропроцессоров. Они порождают не только интересные средства развлечения, но и дают возможность проверять и развивать приемы логических заключений, ловкость и скорость реакции.

Видеоигры можно отнести к приложениям, требующим использования компьютеров с ограниченным набором функций. Сегодня игровые приставки потребляют наибольшее количество,

если не считать ПК, 32 - разрядных микропроцессоров. Наибольшее применение здесь получили МП Intel, Motorola. В устройстве PlayStation фирмы Sony используется 32 - разрядный процессор MIPS, а в видеоприставке Nintendo 64 - даже 64 - разрядный чип8 того же производителя. Продукты компании Sega с видеоиграми Saturn и Genesis вывели RISC - процессоры серии SH фирмы Hitachi на третье место в мире по объему продаж среди 32 - разрядных систем.

Хорошие перспективы сулит 32 - разрядным процессорам рынок персональных электронных секретарей (PDA) и электронных органайзеров. Современные электронные органайзеры - яркий пример интегрированных приложений, ведь для них практически не существует независимых поставщиков программного обеспечения. С другой стороны, PDA типа Newton фирмы Apple, по сути, не что иное, как новая вычислительная платформа, будущее которой зависит от разработчиков программного обеспечения (ПО).

До настоящего времени успехом среди электронных органайзеров пользуются устройства с ограниченным набором функций. Тем не менее, дальнейшее совершенствование технологии может

вывести эти «ручные» компьютеры в абсолютные лидеры, которые по объемам продаж в натуральном выражении должны обойти ПК.

Важной функцией МП является предварительная обработка информации с внешних устройств (ВУ), преобразования форматов данных, контроллеров электромеханических внешних устройств. В аппаратуре МП дает возможность производить контроль ошибок, кодирование - декодирование информации и управлять приемо-передающими устройствами. Их применение позволяет в несколько раз сократить необходимую ширину телевизионного и телефонного каналов, создать новое поколение оборудования связи. Использование МП в контрольно-измерительных приборах и в качестве контрольных средств радиоэлектронных систем дает возможность проводить калибровку, испытание и поверку приборов, коррекцию и температурную компенсацию, контроль и управление измерительными комплексами, преобразование и обработку, индикацию и представление данных, диагностику и локализацию неисправностей.

С помощью микропроцессорных средств можно решать сложные технические задачи по разработке различных систем сбора и обработки информации, где общие функции сводятся к передаче множества сигналов в один центр для оценки и принятия решения. Например, в бортовых системах летательных аппаратов за время полета накапливается большое количество информации от различных источников, требующих зачастую незамедлительной ее обработки. Это осуществляется централизованно с помощью вычислительной системы на основе бортовой МПС.