Точностью также современные микропроцессорные системы. Использование микропроцессорных систем

⁰

Из многочисленных и разнообразных областей применения микропроцессоров (МП) и микроЭВМ одно из первых мест по объему и использованию занимают микропроцессорные системы – объектно-ориентированные вычислительные системы, например, для управления, диагностики, цифровой обработки сигналов и изображения.

В микропроцессорных системах особенно эффективно проявляется такое важное свойство микропроцессоров, как встраиваемость – возможность приблизить вычислительную технику непосредственно к объекту измерений, управления, обработки информации или диагностики.

Основные задачи, которые могут решаться с помощью микропроцессорных систем, следующие:

– управление сложным технологическим процессом или техническим объектом по заданным алгоритмам;

– цифровая обработка сигналов непосредственно на месте расположения источника сигналов;

– обработка изображения – фильтрация, повышение четкости, выделение контуров, масштабирование и т.п. в системах технического зрения в промышленных роботах, в системах радиолокации, в системах наблюдения, навигации и т.п.

– адаптация автоматических систем измерения, управления, прогнозирования к изменяющимся условиям;

– создание гибких перестраиваемых систем управления, цифровой обработки сигналов и изображения;

– накопление и предварительная обработка информации;

– создание многофункциональных приборов, расширение возможностей существующих приборов;

– создание «интеллектуальных» приборов и систем, повышение уровня интеллекта существующих приборов и аппаратов;

– осуществление самодиагностики и тестирования аппаратуры.

Возможность реализации этих функций в микропроцессорных системах в совокупности с достижениями электроники и средств связи, развитием математических методов обработки сигналов при измерениях и разработкой соответствующего программного обеспечения создала необходимые предпосылки для появления новых поколений микропроцессорных систем и аппаратуры, обладающих следующими возможностями:

– полной автоматизацией всех видов обработки информации, объединением и координацией всех предусмотренных системой функций;

– наращиванием состава системы и расширением ее функций благодаря магистрально-модульной структуре построения и развитию программного обеспечения;

– разнообразием алгоритмов и методов измерений;

– децентрализацией выполняемых задач по функциональному, организационному и территориальному признакам, наличием средств искусственного интеллекта, возможности обучения системы, ее адаптации и оптимизации;

– высокой надежностью и функциональной безотказностью благодаря средствам самодиагностики и тестирования, а также гибкости управления системой;

– возможностью сопряжения с другими вычислительными системами.

Для практической реализации вышеперечисленных задач необходимо комплексное решение научных, технических и технологических вопросов, связанных с созданием и развитием аппаратных и программных средств, методов математического моделирования сложных процессов и технических объектов, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), интерфейсных БИС и других электронных компонентов, с использованием современных средств связи и, наконец, с подготовкой кадров, способных грамотно решать поставленные задачи.

Цифровые микросхемы к настоящему времени достигли впечатляющего быстродействия при приемлемом токе потребления. Наиболее быстрые из цифровых микросхем обладают скоростью переключения порядка 3..5 нс. (серия микросхем 74ALS). В то же время приходится платить за быстродействие микросхем повышеным током потребления. Исключением являются микросхемы, построенные на основе КМОП технологии (например микросхемы серий 1564, 74HC, 74AHC). В этих микросхемах потребляемый ток прямо пропорционален скорости переключения логических вентилей в микросхеме. Т.е. микросхема автоматически увеличивает ток потребления, если от нее требуется большее быстродействие, поэтому в настоящее время подавляющее большинство микросхем выпускается именно по этой технологии.

Часто цифровые устройства выполняют достаточно сложные задачи. Возникает вопрос - раз микросхемы достигли такого высокого быстродействия, то нельзя ли использовать одну и ту же микросхему многократно? Тогда можно будет обменивать быстродействие микросхем на сложность решаемой задачи. Именно этот обмен и позволяют осуществлять микропроцессоры. В этих микросхемах многократно используется одно и то же устройство - АЛУ (арифметическо-логическое устройство). Поэтому возможен обмен предельного быстродействия микроконтроллера на сложность реализуемого устройства. Именно по этой причине стараются максимально увеличить быстродействие микропроцессоров - это позволяет реализовывать все более сложные устройства в одном и том же объеме.

Ещё одной причиной широкого распространения микропроцессоров стало то, что микропроцессор - это универсальная микросхема, которая может выполнять практически любые функции. Универсальность обеспечивает широкий спрос на эти микросхемы, а значит массовость производства. Стоимость же микросхем обратно пропорциональна массовости их производства, то есть микропроцессоры становятся дешёвыми микросхемами и тем самым ещё больше увеличивают спрос.

В наибольшей степени все вышеперечисленные свойства проявляются в однокристальных микроЭВМ или как их чаще называют по области применения: микроконтроллерах. В микроконтроллерах на одном кристалле объединяются все составные части компьютера: микропроцессор (часто называют ядро микроконтроллера), ОЗУ, ПЗУ, таймеры и порты ввода-вывода.

Выводы:

КМОП технология позволяет обменивать скорость работы на потребляемый ток (чем с большей скоростью переключаются логические элементы микросхемы, тем больший ток потребляет микросхема);

Микроконтроллеры позволяют реализовывать схему управления практически любой сложности на одной универсальной микросхеме;

Микроконтроллеры позволяют обменивать скорость своей работы на сложность проектируемого устройства.

Микроконтроллеры позволяют реализовывать аппаратуру с минимальной стоимостью, габаритами и током потребления.

Срок разработки аппаратуры на микроконтроллерах минимален.

Модернизация аппаратуры заключается в смене управляющей программы.

Микропроцессорная система - электронная система, предназначенная для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов. В качестве входных и выходных сигналов при этом могут использоваться

аналоговые сигналы (входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательности кодов выборок с помощью АЦП, выходные аналоговые сигналы формируются из последовательности кодов выборок с помощью ЦАП),
одиночные цифровые сигналы,
цифровые коды,
последовательности цифровых кодов.

Внутри системы производится хранение, накопление сигналов (или информации)

Обработка и хранение информации производятся в цифровом виде.

В цифровой системе алгоритмы обработки и хранения информации жестко связаны со схемотехникой системы (изменение алгоритмов возможно только путем изменения структуры системы, замены электронных узлов, входящих в систему, и/или связей между ними - например, дополнительная операция суммирования: добавить в цифровую систему сумматор, дополнительная функция хранения кода в течение одного такта - добавить регистр. Естественно, это практически невозможно сделать в процессе эксплуатации, обязательно нужен новый производственный цикл проектирования, изготовления, отладки всей системы. Именно поэтому цифровая система часто называется системой на "жесткой логике" - специализированная система, настроенная исключительно на одну задачу или (реже) на несколько близких, заранее известных задач.

Преимущества:

· отсутствие аппаратурной избыточности, то есть каждый ее элемент обязательно работает в полную силу (конечно, если эта система грамотно спроектирована).

· обеспечивает максимально высокое быстродействие, так как скорость выполнения алгоритмов обработки информации определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов и выбранной схемой путей прохождения информации. (логические элементы обладают максимальным на данный момент быстродействием)

Недостаток

· для каждой новой задачи ее надо проектировать и изготавливать заново. (длительный, дорогостоящий, требующий высокой квалификации исполнителей процесс).

Возникла потребность в системе, которая могла бы легко адаптироваться под любую задачу, перестраиваться с одного алгоритма работы на другой без изменения аппаратуры. Задавать тот или иной алгоритм работы такой системы мы могли бы путем ввода в систему некой управляющей информации - программы. Данная система обладает свойством универсальности, или является программируемой, не «жесткой», а «гибкой». Именно это и обеспечивает микропроцессорная система.

Рис. Микропроцессорная система

Рассмотри особенности микропроцессорных систем:

1. Избыточность универсальных систем, увеличение стоимости, снижение надежности, увеличение потребляемой мощности и т.д.

Решение максимально трудной задачи требует гораздо больше средств, чем решение простой задачи. Поэтому сложность универсальной системы должна быть такой, чтобы обеспечивать решение самой трудной задачи, а при решении простой задачи система будет работать далеко не в полную силу, будет использовать не все свои ресурсы. И чем проще решаемая задача, тем больше избыточность, и тем менее оправданной становится универсальность.

2. Снижение быстродействия универсальных систем.

Оптимизировать универсальную систему так, чтобы каждая новая задача решалась максимально быстро, попросту невозможно. Общее правило таково: чем больше универсальность, гибкость, тем меньше быстродействие. Более того, для универсальных систем не существует таких задач (пусть даже и самых простых), которые бы они решали с максимально возможным быстродействием.

Вывод: Цифровые системы (на "жесткой логике") используются при решении задачи, которая не меняется длительное время, где требуется самое высокое быстродействие, где алгоритмы обработки информации предельно просты. Микропроцессорные системы (универсальные, программируемые) оптимально использовать при решении часто меняющихся задач, где высокое быстродействие не слишком важно, где алгоритмы обработки информации сложные.

За последние десятилетия быстродействие микропроцессорных систем сильно выросло (на несколько порядков). К тому же большой объем выпуска микросхем для этих систем привел к резкому снижению их стоимости. В результате область применения цифровых систем (на "жесткой логике") резко сузилась.

Появились программируемые системы, предназначенные для решения одной задачи или нескольких близких задач (ПЛИС – программируемые логические интегральные микросхемы). Они удачно совмещают в себе как достоинства цифровых систем, так и программируемых систем, обеспечивая сочетание достаточно высокого быстродействия и необходимой гибкости. Так что вытеснение "жесткой логики" продолжается.

Микропроцессор

Ядром любой микропроцессорной системы является микропроцессор или просто процессор (от английского processor - "обработчик"). Процессор - блок, который производит всю обработку информации внутри микропроцессорной системы.

Остальные узлы выполняют всего лишь вспомогательные функции: хранение информации (в том числе и управляющей информации, то есть программы), связи с внешними устройствами, связи с пользователем и т.д.

Процессор заменяет практически всю "жесткую логику", которая понадобилась бы в случае традиционной цифровой системы:

· арифметические функции (сложение, умножение и т.д.),

· логические функции (сдвиг, сравнение, маскирование кодов и т.д.),

· временное хранение кодов (во внутренних регистрах),

· пересылку кодов между узлами микропроцессорной системы

· и многое другое.

Количество таких элементарных операций, выполняемых процессором, может достигать нескольких сотен. Процессор можно сравнить с мозгом системы. Но при этом надо учитывать, что все свои операции процессор выполняет последовательно , то есть одну за другой, по очереди.

Конечно, существуют процессоры с параллельным выполнением некоторых операций, встречаются также микропроцессорные системы, в которых несколько процессоров работают над одной задачей параллельно, но это редкие исключения.

С одной стороны, последовательное выполнение операций - достоинство, так как позволяет с помощью всего одного процессора выполнять любые, самые сложные алгоритмы обработки информации. С другой стороны, последовательное выполнение операций приводит к тому, что время выполнения алгоритма зависит от его сложности. Простые алгоритмы выполняются быстрее сложных.

Микропроцессорная система работает она не слишком быстро, ведь все информационные потоки приходится пропускать через один-единственный узел - процессор.

В цифровой системе можно легко организовать параллельную обработку всех потоков информации, правда, ценой усложнения схемы.

Рис. Информационные потоки в микропроцессорной системе

Программа (управляющая информация) представляет собой набор команд (инструкций), то есть цифровых кодов, расшифровав которые, процессор узнает, что ему нужно делать. Программа от начала и до конца составляется человеком, программистом, а процессор выступает в роли послушного исполнителя этой программы.

Поэтому сравнение процессора с мозгом не слишком корректно.

Он всего лишь исполнитель того алгоритма, который заранее составил для него человек. Любое отклонение от этого алгоритма может быть вызвано только неисправностью процессора или каких-нибудь других узлов микропроцессорной системы.

Все команды, выполняемые процессором, образуют систему команд процессора. Структура и объем системы команд процессора определяют его быстродействие, гибкость, удобство использования. Всего команд у процессора может быть от нескольких десятков до нескольких сотен. Система команд может быть рассчитана на узкий круг решаемых задач (у специализированных процессоров) или на максимально широкий круг задач (у универсальных процессоров). Коды команд могут иметь различное количество разрядов (занимать от одного до нескольких байт). Каждая команда имеет свое время выполнения, поэтому время выполнения всей программы зависит не только от количества команд в

программе, но и от того, какие именно команды используются.

Для выполнения команд в структуру процессора входят внутренние регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ, ALU - Arithmetic Logic Unit) , мультиплексоры, буферы, регистры и другие узлы. Работа всех узлов синхронизируется общим внешним тактовым сигналом процессора.

Рис. Пример структуры простейшего процессора

Впрочем, для разработчика микропроцессорных систем информация о тонкостях внутренней структуры процессора не слишком важна. Разработчик должен рассматривать процессор как "черный ящик", который в ответ на входные и управляющие коды производит ту или иную операцию и выдает выходные сигналы. Разработчику необходимо знать систему команд, режимы работы процессора, а также правила взаимодействия процессора с внешним миром или, как их еще называют, протоколы обмена информацией. О внутренней структуре процессора надо знать только то, что необходимо для выбора той или иной команды, того или иного режима работы.

Шинная структура связей в микропроцессорных ситсемах

Для достижения максимальной универсальности и упрощения протоколов обмена информацией в микропроцессорных системах применяется так называемая шинная структура связей между отдельными устройствами, входящими в систему. Суть шинной структуры связей сводится к следующему.

При классической структуре связей все сигналы и коды между устройствами передаются по отдельным линиям связи. Каждое устройство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе получается очень много линий связи и разных протоколов обмена информацией.

Рис. Классическая структура связей

При шинной структуре связей все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (это называется мультиплексированной передачей). Причем передача по всем линиям связи может осуществляться в обоих направлениях (так называемая двунаправленная передача). В результате количество линий связи существенно сокращается, а правила обмена (протоколы) упрощаются. Группа линий связи, по которым передаются сигналы или коды как раз и называется шиной (англ. bus).

Рис. Шинная структура связей

При шинной структуре связей легко осуществляется пересылка всех информационных потоков в нужном направлении, например, их можно пропустить через один процессор, что очень важно для микропроцессорной системы. Однако при шинной структуре связей вся информация передается по линиям связи последовательно во времени, по очереди, что снижает быстродействие системы по сравнению с классической структурой связей.

Большое достоинство шинной структуры связей состоит в том, что все устройства, подключенные к шине, должны принимать и передавать информацию по одним и тем же правилам (протоколам обмена информацией по шине). Соответственно, все узлы, отвечающие за обмен с шиной в этих устройствах, должны быть единообразны, унифицированы.

Существенный недостаток шинной структуры связан с тем, что все устройства подключаются к каждой линии связи параллельно. Поэтому любая неисправность любого устройства может вывести из строя всю систему, если она портит линию связи. По этой же причине отладка системы с шинной структурой связей довольно сложна и обычно требует специального оборудования.

В системах с шинной структурой связей применяют все три существующие разновидности выходных каскадов цифровых микросхем: стандартный выход или выход с двумя состояниями (обозначается 2С, 2S, реже ТТЛ, TTL); выход с открытым коллектором (обозначается ОК, OC); выход с тремя состояниями или (что то же самое) с возможностью отключения (обозначается 3С, 3S).

Типичная структура микропроцессорной системы приведена на рисунке.

Рис. Структура микропроцессорной системы

Она включает в себя три основных типа устройств:

· процессор ;

· память , включающую оперативную память (ОЗУ, RAM - Random Access Memory) и постоянную память (ПЗУ, ROM -Read Only Memory), которая служит для хранения данных и программ;

· устройства ввода/вывода (УВВ, I/O - Input/Output Devices), служащие для связи микропроцессорной системы с внешними устройствами, для приема (ввода, чтения, Read) входных сигналов и выдачи (вывода, записи, Write) выходных сигналов.

Все устройства микропроцессорной системы объединяются общей системной шиной (магистраль). Системная магистраль включает в себя четыре основные шины нижнего уровня:

· шина адреса (Address Bus);

· шина данных (Data Bus);

· шина управления (Control Bus);

· шина питания (Power Bus).

Шина адреса служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству (кроме процессора), каждой ячейке памяти в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Когда код какого-то адреса выставляется процессором на шине адреса, устройство, которому этот адрес приписан, понимает, что ему предстоит обмен информацией. Шина адреса может быть однонаправленной или двунаправленной.

Шина данных - это основная шина, которая используется для передачи информационных кодов между всеми устройствами микропроцессорной системы. Обычно в пересылке информации участвует процессор, который передает код данных в какое-то устройство или в ячейку памяти или же принимает код данных из какого-то устройства или из ячейки памяти. Но возможна также и передача информации между устройствами без участия процессора. Шина данных всегда двунаправленная.

Шина управления в отличие от шины адреса и шины данных состоит из отдельных управляющих сигналов. Каждый из этих сигналов во время обмена информацией имеет свою функцию. Некоторые сигналы служат для стробирования передаваемых или принимаемых данных (то есть определяют моменты времени, когда информационный код выставлен на шину данных). Другие управляющие сигналы могут использоваться для подтверждения приема данных, для сброса всех устройств в исходное состояние, для тактирования всех устройств и т.д. Линии шины управления могут быть однонаправленными или двунаправленными.

Шина питания предназначена не для пересылки информационных сигналов, а для питания системы. Она состоит из линий питания и общего провода. В микропроцессорной системе может быть один источник питания (чаще +5 В) или несколько источников питания (обычно еще –5 В, +12 В и –12 В). Каждому напряжению питания соответствует своя линия связи. Все устройства подключены к этим линиям параллельно.

Если в микропроцессорную систему надо ввести входной код (или входной сигнал), то процессор по шине адреса обращается к нужному устройству ввода/вывода и принимает по шине данных входную информацию. Если из микропроцессорной системы надо вывести выходной код (или выходной сигнал), то процессор обращается по шине адреса к нужному устройству ввода/вывода и передает ему по шине данных выходную информацию.

Если информация должна пройти сложную многоступенчатую обработку, то процессор может хранить промежуточные результаты в системной оперативной памяти. Для обращения к любой ячейке памяти процессор выставляет ее адрес на шину адреса и передает в нее информационный код по шине данных или же принимает из нее информационный код по шине данных. В памяти (оперативной и постоянной) находятся также и управляющие коды (команды выполняемой процессором программы), которые процессор также читает по шине данных с адресацией по шине адреса. Постоянная память используется в основном для хранения программы начального пуска микропроцессорной системы, которая выполняется каждый раз после включения питания. Информация в нее заносится изготовителем раз и навсегда.

Таким образом, в микропроцессорной системе все информационные коды и коды команд передаются по шинам последовательно, по очереди. Это определяет сравнительно невысокое быстродействие микропроцессорной системы. Оно ограничено обычно даже не быстродействием процессора (которое тоже очень важно) и не скоростью обмена по системной шине (магистрали), а именно последовательным характером передачи информации по системной шине (магистрали).

Важно учитывать, что устройства ввода/вывода чаще всего представляют собой устройства на "жесткой логике". На них может быть возложена часть функций, выполняемых микропроцессорной системой. Поэтому у разработчика всегда имеется возможность перераспределять функции системы между аппаратной и программной реализациями оптимальным образом. Аппаратная реализация ускоряет выполнение функции, но имеет недостаточную гибкость. Программная реализация значительно медленнее, но обеспечивает высокую гибкость. Аппаратная реализация функций увеличивает стоимость системы и ее энергопотребление, программная - не увеличивает. Чаще всего применяется комбинирование аппаратных и программных функций.

Иногда устройства ввода/вывода имеют в своем составе процессор, то есть представляют собой небольшую специализированную микропроцессорную систему. Это позволяет переложить часть программных функций на устройства ввода/вывода, разгрузив центральный процессор системы.

Режимы работы микропроцессорной системы

Как уже отмечалось, микропроцессорная система обеспечивает большую гибкость работы, она способна настраиваться на любую задачу. Гибкость эта обусловлена прежде всего тем, что функции, выполняемые системой, определяются программой (программным обеспечением, software), которую выполняет процессор. Аппаратура (аппаратное обеспечение, hardware) остается неизменной при любой задаче. Записывая в память системы программу, можно заставить микропроцессорную систему выполнять любую задачу, поддерживаемую данной аппаратурой. К тому же шинная организация связей микропроцессорной системы позволяет довольно легко заменять аппаратные модули, например, заменять память на новую большего объема или более высокого быстродействия, добавлять или модернизировать устройства ввода/вывода, наконец, заменять процессор на более мощный. Это также позволяет увеличить гибкость системы, продлить ее жизнь при любом изменении требований к ней.

Но гибкость микропроцессорной системы определяется не только этим. Настраиваться на задачу помогает еще и выбор режима работы системы, то есть режима обмена информацией по системной магистрали (шине).

Практически любая развитая микропроцессорная система (в том числе и компьютер) поддерживает три основных режима обмена по магистрали:

· программный обмен информацией;

· обмен с использованием прерываний (Interrupts);

· обмен с использованием прямого доступа к памяти (ПДП, DMA - Direct Memory Access).

Программный обмен информацией является основным в любой микропроцессорной системе. Он предусмотрен всегда, без него невозможны другие режимы обмена. В этом режиме процессор является единоличным хозяином (Master) системной магистрали. Все операции (циклы) обмена информацией в данном случае инициируются только процессором, все они выполняются строго в порядке, предписанном исполняемой программой. Процессор читает (выбирает) из памяти коды команд и исполняет их, читая данные из памяти или из устройства ввода/вывода, обрабатывая их, записывая данные в память или передавая их в устройство ввода/вывода. Путь процессора по программе может быть линейным, циклическим, может содержать переходы (прыжки), но он всегда непрерывен и полностью находится под контролем процессора. Ни на какие внешние события, не связанные с программой, процессор не реагирует. Все сигналы на магистрали в данном случае контролируются процессором.

Рис. Программный обмен информацией

Обмен по прерываниям используется тогда, когда необходима реакция микропроцессорной системы на какое-то внешнее событие, на приход внешнего сигнала. В случае компьютера внешним событием может быть, например, нажатие на клавишу клавиатуры или приход по локальной сети пакета данных. Компьютер должен реагировать на это, соответственно, выводом символа на экран или же чтением и обработкой принятого по сети пакета.

Рис. Обслуживание прерывания

В общем случае организовать реакцию на внешнее событие можно тремя различными путями:

· с помощью постоянного программного контроля факта наступления события (так называемый метод опроса флага или polling);

· с помощью прерывания, то есть насильственного перевода процессора с выполнения текущей программы на выполнение экстренно необходимой программы;

· с помощью прямого доступа к памяти, то есть без участия процессора при его отключении от системной магистрали.

Проиллюстрировать эти три способа можно следующим простым примером. Допустим, вы готовите себе завтрак, поставив на плиту кипятиться молоко. Естественно, на закипание молока надо реагировать, причем срочно. Как это организовать? Первый путь - постоянно следить за молоком, но тогда вы ничего другого не сможете делать. Правильнее будет регулярно поглядывать на молоко, делая одновременно что-то другое. Это программный режим с опросом флага. Второй путь - установить на кастрюлю с молоком датчик, который подаст звуковой сигнал при закипании молока, и спокойно заниматься другими делами. Услышав сигнал, вы выключите молоко. Правда, возможно, вам придется сначала закончить то, что вы начали делать, так что ваша реакция будет медленнее, чем в первом случае. Наконец, третий путь состоит в том, чтобы соединить датчик на кастрюле с управлением плитой так, чтобы при закипании молока горелка была выключена без вашего участия (правда, аналогия с ПДП здесь не очень точная, так как в данном случае на момент выполнения действия вас не отвлекают от работы).

Первый случай с опросом флага реализуется в микропроцессорной системе постоянным чтением информации процессором из устройства ввода/вывода, связанного с тем внешним устройством, на поведение которого необходимо срочно реагировать.

Во втором случае в режиме прерывания процессор, получив запрос прерывания от внешнего устройства (часто называемый IRQ - Interrupt ReQuest), заканчивает выполнение текущей команды и переходит к программе обработки прерывания. Закончив выполнение программы обработки прерывания, он возвращается к прерванной программе с той точки, где его прервали.

Вся работа, как и в случае программного режима, осуществляется самим процессором, внешнее событие просто временно отвлекает его. Реакция на внешнее событие по прерыванию в общем случае медленнее, чем при программном режиме. Как и в случае программного обмена, здесь все сигналы на магистрали выставляются процессором, то есть он полностью контролирует магистраль. Для обслуживания прерываний в систему иногда вводится специальный модуль контроллера прерываний, но он в обмене информацией не участвует. Его задача состоит в том, чтобы упростить работу процессора с внешними запросами прерываний. Этот контроллер обычно программно управляется процессором по системной магистрали.

Естественно, никакого ускорения работы системы прерывание не дает. Его применение позволяет только отказаться от постоянного опроса флага внешнего события и временно, до наступления внешнего события, занять процессор выполнением каких-то других задач.

Прямой доступ к памяти (ПДП, DMA) - это режим, принципиально отличающийся от двух ранее рассмотренных режимов тем, что обмен по системной шине идет без участия процессора. Внешнее устройство, требующее обслуживания, сигнализирует процессору, что режим ПДП необходим, в ответ на это процессор заканчивает выполнение текущей команды и отключается от всех шин, сигнализируя запросившему устройству, что обмен в режиме ПДП можно начинать.

Операция ПДП сводится к пересылке информации из устройства ввода/вывода в память или же из памяти в устройство ввода/вывода. Когда пересылка информации будет закончена, процессор вновь возвращается к прерванной программе, продолжая ее с той точки, где его прервали. Это похоже на режим обслуживания прерываний, но в данном случае процессор не участвует в обмене. Как и в случае прерываний, реакция на внешнее событие при ПДП существенно медленнее, чем при программном режиме.

Рис. Режим прямого доступа к памяти

В этом случае требуется введение в систему дополнительного устройства (контроллера ПДП), которое будет осуществлять полноценный обмен по системной магистрали без всякого участия процессора. Причем процессор предварительно должен сообщить этому контроллеру ПДП, откуда ему следует брать информацию и/или куда ее следует помещать. Контроллер ПДП может считаться специализированным процессором, который отличается тем, что сам не участвует в обмене, не принимает в себя информацию и не выдает ее.

Рис. Обслуживание ПДП

В принципе контроллер ПДП может входить в состав устройства ввода/вывода, которому необходим режим ПДП или даже в состав нескольких устройств ввода/вывода. Теоретически обмен с помощью прямого доступа к памяти может обеспечить более высокую скорость передачи информации, чем программный обмен, так как процессор передает данные медленнее, чем специализированный контроллер ПДП. Однако на практике это преимущество реализуется далеко не всегда. Скорость обмена в режиме ПДП обычно ограничена возможностями магистрали. К тому же необходимость программного задания режимов контроллера ПДП может свести на нет выигрыш от более высокой скорости пересылки данных в режиме ПДП. Поэтому режим ПДП применяется редко.

Если в системе уже имеется самостоятельный контроллер ПДП, то это может в ряде случаев существенно упростить аппаратуру устройств ввода/вывода, работающих в режиме ПДП. В этом, пожалуй, состоит единственное бесспорное преимущество режима ПДП.

Архитектура микропроцессорных систем

До сих пор мы рассматривали только один тип архитектуры микропроцессорных систем -архитектуру с общей, единой шиной для данных и команд (одношинную, или принстонскую, фон-неймановскую архитектуру). Соответственно, в составе системы в этом случае присутствует одна общая память, как для данных, так и для команд.

Рис. Архитектура с общей шиной данных и команд (принстонская, фон-неймановская архитектура)

Альтернативный тип архитектуры микропроцессорной системы - это архитектура с раздельными шинами данных и команд (двухшинная, или гарвардская архитектура). Эта архитектура предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и отдельной памяти для команд. Обмен процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине.

Рис. Архитектура с раздельными шинами данных и команд (гарвардская архитектура)

Архитектура с общей шиной распространена гораздо больше, она применяется, например, в персональных компьютерах и в сложных микрокомпьютерах. Архитектура с раздельными шинами применяется в основном в однокристальных микроконтроллерах.

Рассмотрим некоторые достоинства и недостатки обоих архитектурных решений.

Архитектура с общей шиной (принстонская, фон-неймановская) проще, она

· не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин, контроля обмена по двум шинам сразу.

· позволяет гибко распределять объем памяти между кодами данных и команд. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайт). Это позволяет решать самые сложные задачи.

Например, в некоторых случаях нужна большая и сложная программа, а данных в памяти надо хранить не слишком много. В других случаях, наоборот, программа требуется простая, но необходимы большие объемы хранимых данных. Перераспределение памяти не вызывает никаких проблем, главное - чтобы программа и данные вместе помещались в памяти системы.

Архитектура с раздельными шинами данных и команд сложнее, она заставляет

· процессор одновременно работает с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно.

· программа может размещаться только в памяти команд, данные - только в памяти данных.

Такая узкая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти. Память данных и память команд в этом случае имеют не слишком большой объем, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничивается обычно не слишком сложными задачами.

· преимущество архитектуры с двумя шинами (гарвардской) - быстродействие

Дело в том, что при единственной шине команд и данных процессор вынужден по одной этой шине принимать данные (из памяти или устройства ввода/вывода) и передавать данные (в память или в устройство ввода/вывода), а также читать команды из памяти. Естественно, одновременно эти пересылки кодов по магистрали происходить не могут, они должны производиться по очереди. Современные процессоры способны совместить во времени выполнение команд и проведение циклов обмена по системной шине. Использование конвейерных технологий и быстрой кэш-памяти позволяет им ускорить процесс взаимодействия со сравнительно медленной системной памятью. Повышение тактовой частоты и совершенствование структуры процессоров дают возможность сократить время выполнения команд. Но дальнейшее увеличение быстродействия системы возможно только при совмещении пересылки данных и чтения команд, то есть при переходе к архитектуре с двумя шинами.

В случае двухшинной архитектуры обмен по обеим шинам может быть независимым, параллельным во времени. Соответственно, структуры шин (количество разрядов кода адреса и кода данных, порядок и скорость обмена информацией и т.д.) могут быть выбраны оптимально для той задачи, которая решается каждой шиной. Поэтому при прочих равных условиях переход на двухшинную архитектуру ускоряет работу микропроцессорной системы, хотя и требует дополнительных затрат на аппаратуру, усложнения структуры процессора. Память данных в этом случае имеет свое распределение адресов, а память команд - свое.

Проще всего преимущества двухшинной архитектуры реализуются внутри одной микросхемы. В этом случае можно также существенно уменьшить влияние недостатков этой архитектуры. Поэтому основное ее применение - в микроконтроллерах, от которых не требуется решения слишком сложных задач, но зато необходимо максимальное быстродействие при заданной тактовой частоте.

Типы микропроцессорных систем

Диапазон применения микропроцессорной техники сейчас очень широк, требования к микропроцессорным системам предъявляются самые разные. Поэтому сформировалось несколько типов микропроцессорных систем, различающихся мощностью, универсальностью, быстродействием и структурными отличиями. Основные типы следующие:

· микроконтроллеры - наиболее простой тип микропроцессорных систем, в которых все или большинство узлов системы выполнены в виде одной микросхемы;

· контроллеры - управляющие микропроцессорные системы, выполненные в виде отдельных модулей;

· микрокомпьютеры - более мощные микропроцессорные системы с развитыми средствами сопряжения с внешними устройствами.

· компьютеры (в том числе персональные) - самые мощные и наиболее универсальные микропроцессорные системы.

Четкую границу между этими типами иногда провести довольно сложно. Быстродействие всех типов микропроцессоров постоянно растет, и нередки ситуации, когда новый микроконтроллер оказывается быстрее, например, устаревшего персонального компьютера.

Принципиальные отличия:

Микроконтроллеры представляют собой универсальные устройства, которые практически всегда используются не сами по себе, а в составе более сложных устройств, в том числе и контроллеров. Системная шина микроконтроллера скрыта от пользователя внутри микросхемы. Возможности подключения внешних устройств к микроконтроллеру ограничены. Устройства на микроконтроллерах обычно предназначены для решения одной задачи.

Контроллеры, как правило, создаются для решения какой-то отдельной задачи или группы близких задач. Они обычно не имеют возможностей подключения дополнительных узлов и устройств, например, большой памяти, средств ввода/вывода. Их системная шина чаще всего недоступна пользователю. Структура контроллера проста и оптимизирована под максимальное быстродействие. В большинстве случаев выполняемые программы хранятся в постоянной памяти и не меняются. Конструктивно контроллеры выпускаются в одноплатном варианте.

Микрокомпьютеры отличаются от контроллеров более открытой структурой, они допускают подключение к системной шине нескольких дополнительных устройств. Производятся микрокомпьютеры в каркасе, корпусе с разъемами системной магистрали, доступными пользователю. Микрокомпьютеры могут иметь средства хранения информации на магнитных носителях (например, магнитные диски) и довольно развитые средства связи с пользователем (видеомонитор, клавиатура). Микрокомпьютеры рассчитаны на широкий круг задач, но в отличие от контроллеров, к каждой новой задаче его надо приспосабливать заново. Выполняемые микрокомпьютером программы можно легко менять.

Наконец, компьютеры и самые распространенные из них - персональные компьютеры - это самые универсальные из микропроцессорных систем. Они обязательно предусматривают возможность модернизации, а также широкие возможности подключения новых устройств. Их системная шина, конечно, доступна пользователю. Кроме того, внешние устройства могут подключаться к компьютеру через несколько встроенных портов связи (количество портов доходит иногда до 10). Компьютер всегда имеет сильно развитые средства связи с пользователем, средства длительного хранения информации большого объема, средства связи с другими компьютерами по информационным сетям. Области применения компьютеров могут быть самыми разными: математические расчеты, обслуживание доступа к базам данных, управление работой сложных электронных систем, компьютерные игры, подготовка документов и т.д.

Любую задачу в принципе можно выполнить с помощью каждого из перечисленных типов микропроцессорных систем. Но при выборе типа надо по возможности избегать избыточности и предусматривать необходимую для данной задачи гибкость системы.

В настоящее время при разработке новых микропроцессорных систем чаще всего выбирают путь использования микроконтроллеров (примерно в 80% случаев). При этом микроконтроллеры применяются или самостоятельно, с минимальной дополнительной аппаратурой, или в составе более сложных контроллеров с развитыми средствами ввода/вывода.

Классические микропроцессорные системы на базе микросхем процессоров и микропроцессорных комплектов выпускаются сейчас довольно редко, в первую очередь, из-за сложности процесса разработки и отладки этих систем. Данный тип микропроцессорных систем выбирают в основном тогда, когда микроконтроллеры не могут обеспечить требуемых характеристик.

Заметное место занимают сейчас микропроцессорные системы на основе персонального компьютера. Разработчику в этом случае нужно только оснастить персональный компьютер дополнительными устройствами сопряжения, а ядро микропроцессорной системы уже готово. Персональный компьютер имеет развитые средства программирования, что существенно упрощает задачу разработчика. К тому же он может обеспечить самые сложные алгоритмы обработки информации. Основные недостатки персонального компьютера - большие размеры корпуса и аппаратурная избыточность для простых задач. Недостатком является и неприспособленность большинства персональных компьютеров к работе в сложных условиях (запыленность, высокая влажность, вибрации, высокие температуры и т.д.). Однако выпускаются и специальные персональные компьютеры, приспособленные к различным условиям эксплуатации.

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 :

с общим адресным пространством внешних устройств и оперативной памяти;
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