Главная > Конспект

ФСПО. «МК и МП» Конспект лекции №1.1

Введение: микропроцессоры, микропроцессорные системы,
микроконтроллеры

План лекции:

Микропроцессоры, микропроцессорные системы, микроконтроллеры Области применения Семейства микроконтроллеров

1.Микропроцессоры, микропроцессорные системы, микроконтроллеры

За все время существования и применения электронно-вычислительных машин (ЭВМ) их важнейшие параметры быстродействие, потребляемая мощность, надежность определялись, прежде всего, применяемой элементной базой, то есть теми электронными «кирпичиками», из которых строится большое и сложное «здание» – сама ЭВМ. В машинах первого поколения применялись электровакуумные приборы (радиолампы), обеспечивающие быстродействие ЭВМ в сотни или тысячи операций в секунду. Эти машины были громоздки, часто выходили из строя, и для обеспечения их нормальной работы требовалась сложная система охлаждения.

Изобретение транзистора позволило довести быстродействие ЭВМ до десятков и сотен тысяч операций в секунду при существенном увеличении плотности упаковки (компоновки) элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов. Такие ЭВМ относились к машинам второго поколения.

Появление интегральных микросхем, включающих большое количество электронных элементов, и применения их в ЭВМ третьего и дальнейших поколений еще более увеличило быстродействия последних, позволило упростить процедуру общения человека с ЭВМ, максимально приблизило ее к объекту управления и контроля.

М
икропроцессор (МП) - это устройство, которое осуществляет прием, об-работку и выдачу информации. Конструктивно МП содержит одну или не-сколько интегральных схем и выполняет действия, определенные програм-мой, записанной в памяти.

Универсальные МП – это такие МП, в системе команд которых заложена алгоритмическая универсальность. Последнее означает, что выполняемый машиной состав команд позволяет получить преобразование информации в соответствии с любым заданным алгоритмом.

Специализированные МП - предназначены для решения определенного класса задач, а иногда только для решения одной конкретной задачи. Их существенными особенностями являются простота управления, компактность аппаратурных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления.

Микропроцессорная система - это вычислительная, контрольно-измери-тельная или управляющая система, основным устройством обработки ин-формации в которой является МП. Микропроцессорная система строится из набора микропроцессорных БИС.

Замечательным свойством микропроцессорных систем является их высокая гибкость, возможность быстрой перенастройки при необходимо-сти даже значительных изменений алгоритмов управления. Перенастройка осуществляется программным путем без существенных производственных затрат. Создание микропроцессоров позволяет уменьшить стоимость и раз-меры технических средств обработки информации, увеличить их быстро-действие, снизить энергопотребление.

Характерные особенности микропроцессорных информационно-управляющих систем, предназначенных для автоматизации технологиче-ских процессов:

наличие ограниченного набора четко сформулированных задач;

работа в реальном масштабе времени, т.е. обеспечение минималь-ного времени реакции на изменение внешних условий;

наличие развитой системы внешних устройств, их большое разно-образие;

существенное различие функциональных задач;

высокие требования по надежности с учетом большой продолжи-тельности непрерывной работы;

сложные условия эксплуатации;

обеспечение автоматического режима работы или режима с участи-ем оператора как элемента системы.

Дальнейший рост степени интеграции позволил разместить в кристалле микросхемы уже не отдельные простые узлы или фрагменты устройств ЭВМ, а целые устройства и даже целые ЭВМ. Это привело к созданию микроконтроллера (МК) – изделия микроэлектроники и вычислительной техники принципиально нового класса, способного вести обработку и хранение информации в одном или нескольких корпусах микросхем.

Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при низкой стоимости.

Микроконтроллеры представляют собой эффективное средство автоматизации разнообразных объектов и процессов.

Можно считать что микроконтроллер – это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты; высокие производительность, надежность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.

О
днокристальный микроконтроллер представляет собой устройство, выпол-ненное конструктивно в одном корпусе БИС и содержащее все основные составные части микропроцессорного комплекта.

Микроконтроллер помимо центрального процессора (ЦП) содержит память и многочисленные устройства ввода/вывода:

2.Области применения

В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры. Они применяются при вычислениях, они выполняют функции управления, они используются при обработке звука и изображения. В зависимости от области применения микропроцессора меняются требования к нему. Это накладывает отпечаток на внутреннюю структуру микро-про-цессо-ра. В настоящее время определилось три направления развития микропроцессоров:

Универсальные микропроцессоры используются для построения вычислительных машин. В них используются самые передовые решения по повышению быстродействия, не обращая особого внимания на габариты, стоимость и потребляемую энергию. В технике связи компьютеры используются для управления системами связи или устройствами связи, обладающими большими габаритами и стоимостью. Такие компьютеры называются контроллерами.

С

Мобильные устройства игнальные процессоры используются для решения задач, которые традиционно решала аналоговая схемотехника. К сигнальным процессорам предъявляются специфические требования. От них требуются максимальное быстродействие, малые габариты, легкая стыковка с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, большая разрядность обрабатываемых данных и небольшой набор математических операций, обязательно включающий операцию умножения-накопления и аппаратную организацию циклов. В этих процессорах тоже важны такие параметры как стоимость габариты и потребляемая мощность, но здесь приходится мириться с большими значениями этих характеристик по сравнению с микроконтроллерами.

Микроконтроллеры используются для управления малогабаритными и дешёвыми устройствами связи они раньше назывались однокристальными микроЭВМ. В микроконтроллерах, в отличие от универсальных микропроцессоров, максимальное внимание уделяется именно габаритам, стоимости и потребляемой энергии.

Бытовая техника
спользование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств. Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:

в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD;

электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления - стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах;

В промышленности:

устройств промышленной автоматики - от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК,

систем управления станками.

В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие больши́ми вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.

В настоящее время существует огромная номенклатура (более 10000) различных микроконтроллеров, различающихся сферой применения, параметрами, встроенными в кристалл периферийными узлами. Выпуском микроконтроллеров занимается более десятка производителей.

3.Семейства микроконтроллеров

Микроконтроллеры объединяются в семейства. К одному семейству относят изделия, имеющие одинаковое ядро – совокупность таких понятий, как система команд, циклограмма работы ЦП, ор-ганизация памяти программ и памяти данных, система прерываний и базо-вый набор периферийных устройств. Отличия между различными предста-вителями одного семейства заключаются, в основном, в составе перифе-рийных устройств и объеме памяти программ или данных. Наиболее важ-ная особенность семейства - программная совместимость на уровне двоичного кода всех входящих него МК.

Известные семейства:

MCS-51 (Intel)

Intel 8051 - это однокристальный микроконтроллер (не путать с процессором) гарвардской архитектуры, который был впервые произведен Intel в 1980 году, для использования во встраиваемых системах. В течение 1980-ых и начале 1990-ых годов был чрезвычайно популярен. Однако, в настоящее время устарел и вытеснен более современными устройствами, с 8051-совместимыми ядрами, производимыми более чем 20 независимыми производителями, такими как Atmel, Maxim IC (дочерняя компания Dallas Semiconductor), NXP (ранее Philips Semiconductor), Winbond, Silicon Laboratories, Texas Instruments и Cypress Semiconductor. Существует также советский клон данной микросхемы, КР1816ВЕ51. Официальное название 8051-семейства микроконтроллеров Intel - MCS-51.

PIC (Microchip)

PIC - микроконтроллеры Гарвардской архитектуры, производимые американской компанией Microchip Technology Inc. Название PIC является сокращением от Peripheral Interface Controller, что означает «периферийный интерфейсный контроллер».

В основу концепции PIC, единую для всех выпускаемых семейств, была положена RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computer – архитектура с сокращенным набором команд) с системой простых однословных команд, применение встроенной памяти программ и данных и малое энергопотребление.

В основе RISC-архитектуры лежат основополагающие принципы:

любая операция выполняется за один такт;

система команд должно содержать минимальное число инструкций одинаковой длины;

операции обработки данных реализуются только в формате «регистр-регистр»;

результаты должны формироваться со скоростью одно слово за такт.

В номенклатуре Microchip Technology Inc. представлен широкий спектр 8-и, 16-и и 32-битных микроконтроллеров и цифровых сигнальных контроллеров под маркой PIC. Отличительной особенностью PIC-контроллеров является хорошая преемственность различных семейств. Это и программная совместимость (единая бесплатная среда разработки MPLAB IDE), и совместимость по выводам, по периферии, по напряжениям питания, по средствам разработки, по библиотекам и стекам наиболее популярных коммуникационных протоколов. Номенклатура насчитывает более 500 различных контроллеров со всевозможными вариациями периферии, памяти, количеством выводов, производительностью, диапазонами питания и температуры и т. д.

AVR (Atmel)

Концепция новых скоростных микроконтроллеров была разработана группой разработчиков исследовательского центра ATMEL в Норвегии, инициалы которых затем сформировали марку AVR (A lf Bogen / V ergard Wollan / R isc architecture). Первые микроконтроллеры AVR AT90S1200 появились в середине 1997 г. и быстро снискали расположение потребителей.

AVR-архитектура, на основе которой построены микроконтроллеры семейства AT90S, объединяет мощный гарвардский RISC-процессор с раздельным доступом к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения, каждый из которых может работать как регистр- аккумулятор, и развитую систему команд фиксированной 16-бит длины. Большинство команд выполняются за один машинный такт с одновременным исполнением текущей и выборкой следующей команды, что обеспечивает производительность до 1 MIPS на каждый МГц тактовой частоты.

Достоинства:

высокий показатель быстродействие/энергопотребление;

удобные режимы программирования;

широкая номенклатура;

доступность программно-аппаратных средств поддержки;

высокая нагрузочная способность выходов.

ARM (ARM Limited)

Архитектура ARM (Advanced RISC Machine, Acorn RISC Machine, усовершенствованная RISC-машина) - семейство лицензируемых 32-битных и 64-битных микропроцессорных ядер разработки компании ARM Limited. Компания занимается исключительно разработкой ядер и инструментов для них (компиляторы, средства отладки и т. п.), зарабатывая на лицензировании архитектуры сторонним производителям.

В 2007 году около 98 % из более чем миллиарда мобильных телефонов, продаваемых ежегодно, были оснащены по крайней мере одним процессором ARM. По состоянию на 2009 на процессоры ARM приходится до 90 % всех встроенных 32-разрядных процессоров. Процессоры ARM широко используются в потребительской электронике - в том числе КПК, мобильных телефонах, цифровых носителях и плеерах, портативных игровых консолях, калькуляторах и компьютерных периферийных устройствах, таких как жесткие диски или маршрутизаторы.

Данные процессоры имеют низкое энергопотребление, поэтому находят широкое применение во встраиваемых системах и доминируют на рынке мобильных устройств, для которых важно низкое энергопотребление.

Среди лицензиатов: Analog Devices, Atmel, Xilinx, Altera, Cirrus Logic (англ.), Intel (до 27 июня 2006 года), Marvell (англ.), NXP, STMicroelectronics, Samsung, MediaTek, MStar, Qualcomm, Sony Ericsson, Texas Instruments, nVidia, Freescale, Миландр.

Контрольные вопросы

Рабочая программа

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования ДЛЯ направления 552800 «Информатика и вычислительная техника» (регистрационный номер 35 тех/бак от 13.

Программа дисциплины по кафедре Автоматики и системотехники микропроцессорные системы

Программа дисциплины

Утверждена научно-методическим советом университета для направлений подготовки (специальностей) в области автоматики и управления, в области информатики и вычислительной техники

Учебная программа дисциплины дисциплина Микропроцессорные системы

Программа дисциплины

составлена в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по укрупненной группе 23 «Информатика и вычислительная техника»

Примерная программа учебной дисциплины микропроцессоры и микропроцессорные системы для специальности 2201 Вычислительные машины, комплексы, системы и сети

Примерная программа

Составлена в соответствии с госу­дарственными требованиями к ми­нимуму содержания и уровню под­готовки выпускников по специаль­ности 2201 Вычислительные маши­ны, комплексы, системы и сети среднего профессионального обра­зования.

При проектировании микро-ЭВМ необходимо обеспечивать: простое наращивание разрядности и производительности; возможность широкого распараллеливания вычислительного процесса; эффективную обработку алгоритмов решения различных задач; простоту технической и математической эксплуатации.

Сама микро-ЭВМ, будучи оснащенной разнообразными устройствами ввода-вывода информации, может применяться в качестве законченного изделия. Однако часто к микро-ЭВМ необходимо кроме устройств ввода-вывода информации подключить сигналы от множества датчиков и исполнительных механизмов какого-либо сложного объекта управления или технологического процесса. В этом случае уже образуется сложная управляющая система, центром которой является микро-ЭВМ.

В управляющих системах используются отдельные микро-ЭВМ, расширенные микро-ЭВМ (за счет наращивания числа микропроцессоров для увеличения разрядности) и системы микро-ЭВМ, образующие вычислительные сети с параметрами, близкими к параметрам развитых мини-ЭВМ.

Микропроцессоры и микро-ЭВМ находят широкое распространение в тестовых и контрольно-измерительных системах; системах управления технологическими процессами; программного управления станками; контроля состояний линий связи; подсистемах первичной обработки информации и управляющих системах промышленного назначения и системах автоматизации научного эксперимента; подсистемах управления периферийным оборудованием вычислительных систем и комплексов; специализированных вычислительных устройствах.

Дешевые микропроцессоры применяют в часах, калькуляторах, кино- и фотокамерах, радиоприемниках и телевизорах. Микропроцессоры (например, однокристальные микропроцессоры серии К580) ставятся в замки и звонки, домашние приборы и устройства.

Более дорогие микропроцессоры успешно конкурируют с механическими и электромеханическими блоками управления “жесткой”, или “аппаратурной”, логики.

Микропроцессоры и микроконтроллеры устанавливаются для регулирования среды в домашних аквариумах и больших водоемах; они осуществляют контроль pH среды, температуры, плотности, содержания кислорода; управляют освещением, подогревом, уровнем воды, дозированием корма и биологических добавок, производят фильтрацию и аэрацию и т.д.

Возьмем, например, обычный и широко распространённый механический инструмент - электрическую дрель. Встроенный в нее микропроцессор позволяет учитывать сопротивление сверлению и автоматически изменять частоту вращения в зависимости от твердости обрабатываемого материала. При использовании дрели для завинчивания винтов и гаек микропроцессор выключает питание электромотора до окончания операции, завершаемой за счет инерции.

Встраивание микропроцессора, например серии К580, в пишущую машинку позволяет обрабатывать текст и запоминать его в памяти. Обработка текста представляет собой развитые операции редактирования от исправления слов и расстановки абзацев до вставки нового текста и формирования фраз из уже написанных словосочетаний. Затем запомненный текст может быть автоматически многократно и безошибочно отпечатан. Подключение внешней памяти на магнитной кассете (ленте, диске) к такой пишущей машинке с микропроцессорным управлением позволяет накапливать архив документов. Это позволяет осуществить в такой системе функции поиска документов по признакам, сортировку документов, ведение архива и т.д.

Бурно развивается производство электронных игр с использованием микропроцессоров и микроконтроллеров. Оно порождает не только интересные средства развлечения, но и дает возможность проверить и развить приемы логических заключений, ловкость и скорость реакции. Игры с телевизионным индикатором или без него обеспечивают выполнение сложных функций вследствие применения логически более мощных, но доступных по стоимости микропроцессоров.

Микропроцессор может выполнять важнейшие функции в автомобилях всех типов. Водитель может вызвать из микро-ЭВМ на индикатор числовые значения скорости, уровня топлива, средний и текущий расход топлива на единицу пройденного пути, время прибытия в заданный пункт при определенных водителем условиях, температуру двигателя и т.д. Ведутся исследования по применению микропроцессорных средств для управления двигателем (подача топлива, зажигание, регулирование частоты вращения, эффективность и контроль отходов при сгорании топлива); управления ходовой частью (управление скоростью и тормозной системой, учет влияния нагрузок и рельефа дорог); управления безопасностью движения (снижение требований к водителю и учет обстановки на дороге); управления комфортом в кабине (салоне).

На основе микропроцессоров серии К587 разработан прибор для контроля психофизического состояния человека типа “Тонус НЦ-01”.

Микропроцессоры эффективно встраиваются в дисплеи, экранные пульты и терминалы, где на них возложены функции редактирования данных, управления, генерации символов и хранения и воспроизведения изображений.

Микропроцессоры и микро-ЭВМ берут на себя функции предварительной обработки информации внешних устройств, преобразования форматов данных, контроллеров электромеханических внешних устройств. Для этих целей применяют микропроцессоры серий К580, К536, К1803.

Микропроцессоры в аппаратуре связи дают возможность производить контроль ошибок, кодирование - декодирование информации и управлять приемопередающими устройствами. Применение микропроцессоров позволит в несколько раз сократить необходимую ширину телевизионного и телефонного каналов, создать новое поколение оборудования связи. Для этих целей пригодны микропроцессорные средства на основе микро-ЭВМ типа “Электроника С5”, “Электроника НЦ-32” и др.

Использование микропроцессоров 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. Микро-ЭВМ типа “Электроника С5” успешно обрабатывают данные измерений.

Микропроцессорные средства решают сложную техническую проблему разработки различных систем сбора и обработки информации, где общие функции сводятся к передаче множества сигналов в один центр для оценки и принятия решения. Например, в медицине для круглосуточного контроля состояния тяжелобольных необходимо периодически замерять кровяное давление, частоту биения сердца и дыхания, параметры электрокардиограмм и т.д. Централизованная система на основе большой или мини-ЭВМ для этих целей получается громоздкой и достаточно дорогой. Распределенная диагностическая система на основе микропроцессора имеет высокую живучесть, проста по организации и позволяет получить хорошие экономические показатели. Микропроцессорные распределенные системы на основе микро-ЭВМ типа “Электроника-60” решают успешно эти задачи.

Обобщая рассмотренные примеры использования микропроцессоров, можно выделить четыре основных направления в применении микропроцессоров и микропроцессорных систем: 1) встроенные системы контроля и управления; 2) локальные системы накопления и обработки информации; 3) распределенные системы управления сложными объектами; 4) распределенные высокопроизводительные системы параллельных вычислений.

Встроенные системы контроля и управления

Встраивание, т.е. постановка микропроцессора в любую, даже простейшую схему (пульт) управления, принципиально изменяет качество функционирования отдельных инструментов, приборов, разнообразных устройств, отдельных агрегатов технологической линии и т.д. Встраивание микропроцессора позволяет оптимизировать режимы работы управляемых объектов или процессов и за счет этого получать и прямой и косвенный технико-экономический эффект. Прямой технико-экономический эффект выражается в экономии потребляемой энергии, повышении срока службы и снижении расхода сверл, фрез, нагревательных элементов и т.д. Косвенный технико-экономический эффект связан со снижением требований к обслуживающему персоналу и повышением производительности. Опыт показывает, что практически во всех случаях встраивания микропроцессора только экономия электроэнергии обеспечивает окупаемость микропроцессорного управления за 1-1,5 года.

Управление оборудованием на основе встроенных систем контроля и управления создает реальные предпосылки осуществления полностью автоматизированных производств. Встраивание микропроцессора повышает качество работы и производительность оборудования, существенно снижает требования к персоналу, работающему на оборудовании. Цифровое управление отдельными единицами оборудования позволяет легко собирать информацию (или вызвать его) с нижних контуров на верхние уровни иерархической системы управления.

Управляющие встроенные микропроцессоры предназначены для решения локальных задач управления объектами и могут выполнять функции контроллеров устройств, подключаемых к ЭВМ, более высоких контуров управления или быть центром управляющих систем нижних контуров управления.

Микропроцессоры, встраиваемые в оборудование, в большинстве случаев не комплектуются внешними устройствами и содержат только упрощенный специализированный пульт управления и ПЗУ управляющих программ. Лишь для некоторых применений, требующих частой замены управляющих программ, необходим загрузчик, выполненный на основе простейших технических средств.

Локальные системы накопления и обработки информации

Для любого специалиста или руководителя необходимо всегда иметь “под рукой” достаточно большой объем специфичной информации. Сегодня эта информация доступна лишь в библиотеке, записной книжке или на экране терминала, подключенного к большой ЭВМ. Последнее средство является наиболее приемлемым, но дорогостоящим и имеющим большие ограничения из-за чрезмерной централизации информации. Локальные, т.е. расположенные на рабочем месте, микропроцессорные системы накопления и обработки информации технически просто и экономически доступно осуществляют информационное обеспечение специалистов и руководителей, инженеров и врачей. Объединение локальных систем между собой в сеть и дистанционное подключение этой сети к большой ЭВМ с громадным информационным архивом позволяют создать завершенную автоматизированную систему информационного обеспечения.

Внешние устройства локальных вычислительных систем могут встраиваться в корпус микро-ЭВМ. Их комплект содержит устройства, минимально необходимые для вычислительных работ и обработки данных: цифровую, алфавитно-цифровую и функциональную клавиатуру; алфавитно-цифровой индикатор; печатающее устройство; внешние запоминающие устройства.

В комплект более сложных микро-ЭВМ, ориентированных на решение инженерных и научных задач, могут входить разнообразные внешние устройства, например устройства ввода-вывода и печати, визуального отображения, внешней памяти, комплексирования, пульты операторов общего назначения и т.д.

Распределенные системы управления сложными объектами. Альтернативой распространенным системам с центральным процессором становятся распределенные микропроцессорные управляющие системы. В этом случае микропроцессоры и связанные с ними схемы обработки данных физически располагаются вблизи мест возникновения информации, что позволяет вести обработку информации в месте ее возникновения, например, вблизи двигателя, рулей управления, тормозной системы и т.д. Связь таких локальных систем обработки с центральной системой обработки и накопления данных и создает пространственно распределенную систему управления.

В распределенных системах достигается значительная экономия в количестве и распределении линий связи, повышается живучесть, существенно развиваются возможности оптимизации режимов управления и функционирования.

Распределенные высокопроизводительные системы параллельных вычислений

Микропроцессоры открыли новые возможности решения сложных вычислительных задач, алгоритмы вычисления которых допускают распараллеливание, т.е. одновременные (параллельные) вычисления на многих микропроцессорах.

Системы параллельных вычислений на основе десятков, сотен, тысяч одинаковых или специализированных на определенные задачи микропроцессоров при значительно меньших затратах дают такую же производительность, как и вычислительные системы на основе мощных процессоров конвейерного типа. Микропроцессоры в распределенной вычислительной системе могут быть одинаковыми и универсальными или специализированными на определенные функции. Создание микропроцессорных систем с большим количеством специализированных по функциональному назначению процессоров позволяет проектировать мощные вычислительные системы нового типа по сравнению с традиционными развитыми большими вычислительными машинами.

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.

Лекция № 14

Тема: «Понятие о микропроцессорных системах (МПС) и микроконтроллерах»

Текст лекции по дисциплине: «Цифровые устройства и

микропроцессоры»

КАЛИНИНГРАД

Введение.

Учебные вопросы (основная часть):

1. Принципы построения МПС

Заключение

Литература:

Основная литература

Л1. Нарышкин А.К. «Цифровые устройств и микропроцессоры»: учеб. пособие для студ. Высш. Учебн. Заведений/ А. К. Нарышкин, 2 – е изд. - Издательский центр «Академия», 2008г. с. 296 - 303

Дополнительная литература

Л5 Угрюмов Е.П.. Цифровая схемотехника. Уч. пособие для вузов – СПб.: БХВ-Петербург, 2004. с.249-260

Л9 Б.А.Калабеков «Цифровые устройства и микропроцессорные системы», М.: «Горячая линия - телеком», 2000 г. с..227-233, 290-303

Учебно-материальное обеспечение:

1. Полилюкс

Текст лекции

Введение

Микропроцессор функционирует как составная часть сложной системы - микропроцессорной системы (Микро-ЭВМ). Их принципы построения однотипные. Рассмотрим эти принципы и структуру МПС.

1. Принципы построения МПС

Принципы организации ЭВМ

Рассмотрим предварительно принципы организации и построения микро-ЭВМ. Напомним, что микро‑ЭВМ - это устройство обработки данных, содержащее один или несколько МП, БИС постоянной и оперативной памяти, БИС управления вводом и выводом информации и некоторые другие схемы. В такой конфигурации микро‑ЭВМ применяют как встраиваемые контролеры.

Микро‑ЭВМ служит для автоматического управления процессом решения задачи.

Данная задача решается за счёт соблюдения следующих принципов организации микро‑ЭВМ.

1. Принцип программного управления. Является основной особенностью микро-ЭВМ. Впервые этот принцип был сформулирован в XIX веке английским математиком Августой Адой Лавлейс.

Согласно этому принципу алгоритм решения задачи, записанный на машинном языке в виде программы, реализуется автоматически последовательно во времени на каждом интервале под воздействием одной команды. Другими словами, суть принципа программного управления заключается в том, что процесс решения задачи, то есть получения результата на основании обработки данных в соответствии с заданным алгоритмом, осуществляется за счет автоматического выполнения команд введенной в память программы.

Для принципа программного управления характерно наличие команд условной и безусловной передачи управления, что позволяет автоматически определять направление дальнейших вычислений при реализации разветвляющихся и циклических алгоритмов, решать сложные логические задачи.

2. Принцип хранимой в памяти программы . Согласно этому принципу:

1)команды, как и операнды, задаются цифровыми кодами фиксированной разрядности;

2) команды и операнды хранятся в общей памяти с линейно-адресной организацией и задаются своими адресами. Это позволяет заменять исходные данные, не изменяя при этом программу. Кроме того, необходимость изменения одной или нескольких команд не приводит к необходимости изменения всей программы.

Структура (модель) вычислительной машины, реализующей эти принципы, получила название фоннеймановской . Благодаря ее изящной простоте и большой гибкости при управлении вычислительным процессом с самых первых шагов электронной вычислительной техники и по сей день она доминирует при построении различных ЭВМ.

Однако в настоящее время разработчики ЭВМ, стремясь существенного повышения их производительности, в ряде случаев отходят от модели фон Неймана. Приведем пример. В фоннеймановской машине с общей памятью для данных и команд имеется всего одна шина (магистраль) для передачи из памяти в другие устройства команд и данных, что ведет к снижению скорости работы ЭВМ.

Возможно построение машины с отдельными памятями и шинами для хранения и передачи команд и данных, допускающей параллельное во времени извлечение их из памяти и передачу по шинам. Такая структура получила название гарвардской , так как впервые была реализована в 1944 г. в Гарвардском университете США в ранней релейной машине, предшествовавшей появлению электронных вычислительных машин. Гарвардская модель реализована, в частности, в некоторых микропроцессорах.

Структура микропроцессорной системы.

Как отмечалось ранее МПС - это собранная в единое целое совокупность взаимодействующих БИС МПК, организованная в систему. Т.е. МПС – специализированная вычислительная или управляющая система с МП в качестве узла обработки информации.

При построении МПС пользуются тремя основными принципами:

· принципом модульной организации (т.е. МПС строится из набора модулей);

· принципом магистрального обмена информацией (т.е. между модулями организуются регулярные связи, объединяющие их входы и выходы);

· принципом микропрограммного управления (т.е. каждая команда МП представляется в виде последовательности микрокоманд. Это позволяет обеспечить наибольшую гибкость МПС, увеличивает регулярность структуры, повышает надежность МПС).

Перечисленные принципы, несмотря на разнообразие выполняемых микропроцессором функций, определяют типовую структуру МПС (см. Рис. 1).

1. Центральное место в структуре МПС занимает микропроцессор. Микропроцессор непосредственно выполняет арифметические и логические операции над данными, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему.

Рис. 1 Типовая структура МПС

2. Схема синхронизации и начальной установки осуществляет управление событиями во времени и согласует работу МПС. В состав данного узла входят генератор тактовых импульсов и таймер. Генератор тактовых импульсов с помощью прямоугольных тактовых импульсов задает цикл команды - интервал времени, необходимый для считывания (выборки) команды из памяти и ее исполнения. Таймер задает время исполнения команды. Возможно использование таймера в качестве счетчика.

3. Основная память системы состоит из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ).

Постоянное запоминающее устройство - устройство для хранения программ, констант и таблиц. Содержимое ПЗУ используется как память программы, составленной заранее изготовителем в соответствии с требованиями ее пользователей.

ПЗУ делятся на программируемые (ППЗУ) и репрограммируемые (РПЗУ).

ППЗУ отличается от ПЗУ тем, что пользователь может самостоятельно запрограммировать ПЗУ с помощью специального устройства, но только один раз.

РППЗУ, называемое так же стираемое ПЗУ, позволяет стирать хранимую информацию до нескольких раз и перепрограммировать запоминающее устройство.

Оперативное запоминающее устройство - устройство для хранения данных, подлежащих обработке и результатов вычислений, а иногда и программ, которые часто меняются. Достоинство ОЗУ быстрое время доступа к любой ячейки памяти, не зависимо от ее адреса. Недостатком ОЗУ является ее энергозависимость.

В МПС для хранения информации используются и внешние запоминающие устройства . К ним относят магнитные диски (гибкие, негибкие), магнитные барабаны, магнитные ленты и т.п..

Обмен информацией с внешней средой МПС осуществляет с помощью периферийных устройств. К таковым относят дисплеи, устройства ввода‑вывода и т.п.

4. Устройства ввода и вывода – технические средства для передачи данных из вне или наоборот. Данные устройства обеспечивают перевод сигналов, форматов слов, и т.п. к стандартному виду, воспринимаемому МП.

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

Устройство вывода преобразует выходные данные в форму, удобную для восприятия пользователем или для хранения.

5. Между периферийными устройствами и устройствами ввода вывода находятся буферные устройства (устройства сопряжения).

Таковыми являются программируемый периферийный адаптер (ППА) и программируемый связной адаптер (ПСА). ППА обслуживает периферийные устройства с передачей информации параллельным кодом, а ПСА - последовательным кодом. Наличие таких программно настраиваемых адаптеров делает весьма гибкой и функционально богатой систему ввода-вывода в МПС.

6. Сопряжение между основными модулями МПС и между периферийными устройствами осуществляется с помощью интерфейса , т.е. с помощью совокупности электрических, механических и программных средств. Сопряжение осуществляется по ША, ШД, ШУ.

Таким образом, использование перечисленных выше модулей и устройств позволяет создавать универсальные и гибкие МПС для выполнения разнообразных по своему характеру задач. Функционирование таких систем будет зависеть только от выполняемой программы.

Функционирование МПС

Функционирование микропроцессорной системы сводится к выполнению определенной последовательности действий.

Общий принцип функционирования - это получение данных от различных периферийных устройств (с клавиатуры терминала, от дисплеев, из каналов связи, различного типа внешних запоминающих устройств), обработка данных и выдача результата обработки на периферийные устройства (ПУ). Причем данные от ПУ, подлежащие обработке, могут поступать и в процессе их обработки.

Работа МПС очень похожа на функционирование МП. При этом выделяют несколько этапов.

1. Работа с данными и командами.

В ходе работы микропроцессор, в соответствие с сигналами схемы синхронизации, выдает на шину адреса номер (адрес) ячейки памяти, в которой хранится очередная команда.

Из шины управления в ОЗУ поступают сигналы, обеспечивающие чтение содержимого указываемой шиной адреса ячейки памяти.

Запрошенная ОЗУ команда выдается на шину данных, откуда она принимается в микропроцессор.

Здесь команда расшифровывается. Если данные, действия над которыми предусматривает команда, находятся в регистрах микропроцессора, то МП приступает к выполнению указанной в команде операции, если же при расшифровке команды выясняется, что участвующие в операции данные находятся в ОЗУ, то МП выставляет на шину адреса адрес ячейки, хранящей эти данные.

После выдачи данных из ОЗУ микропроцессор принимает их через шину данных.

Затем выполняется операция над данными.

После завершения выполнения текущей команды на шину адреса выдается адрес следующей команды и описанный процесс повторяется.

2. Выдача результатов на периферийное устройство.

В процессе функционирования МПС может потребоваться выдача результата на ПУ (для управления объектами отображения на экране дисплея и т.д.) либо прием данных от ПУ (например, прием данных, набираемых оператором на клавиатуре, и т.д.). такой обмен данными может осуществляться следующим образом.

До начала непосредственного обмена данными с ПУ микропроцессор через шину данных должен выдать в контролер обмена информацию о режимах, используемых при передаче и направлениях передачи данных (от МП к ПУ либо, наоборот, от ПУ к МП).

Затем, в момент, когда потребуется, например, передать в ОЗУ выдаваемые из ПУ данные, микропроцессор, выполняя команду ввода, подает на контролер соответствующие управляющие сигналы. Данные из ПУ принимаются в регистр контролера.

Затем данные контролером выдаются на шину данных.

3. Обмен данными между памятью и периферийными устройствами.

Аналогично происходит обмен данными в обратном направлении - от ОЗУ к ПУ.

По соответствующей команде программы осуществляется прием из ОЗУ в микропроцессор данных, подлежащих передаче.

Затем, по одной из следующих команд, эти данные выдаются на шину данных и через контролер обмена передаются на ПУ.

а). Обмен данными с низкоскоростными периферийными устройствами.

Если моменты обмена данными не предусмотрены в программе, то они могут определяться и самим ПУ. В таких случаях ПУ, подавая в МП определенные сигналы, переводит его в состояние так называемого прерывания.

- В этом состоянии микропроцессор прекращает выполнение основной программы и запоминает промежуточные результаты в стеке.

Затем МП исполняет команды другой хранящейся в ОЗУ программы (прерывающей программы) , обеспечивающей обмен данными требуемый периферийными устройствами.

После окончания выполнения такой прерывающей программы микропроцессор возвращается к выполнению основной программы.

б). Обмен данными с высокоскоростными периферийными устройствами.

Описанные способы обеспечивают низкую скорость обмена и применяются при обмене данными с низкоскоростными ПУ. При работе с высокоскоростными ПУ (такими, как запоминающие устройства на дисках и др.) используется так называемый режим прямого доступа к памяти (ПДП).

В этом режиме микропроцессор отключается от шин адреса и данных, предоставляя их в распоряжение ПУ для непосредственного обмена данными с ОЗУ (без участия МП). Обмен при этом организуется специальным контролером ПДП. В режимах ПДП ПУ обменивается с ОЗУ не одиночными данными, а большими блоками данных.

В контролер ПДП микропроцессор помещает информацию, необходимую для управления обменом (адрес ячейки ОЗУ, куда помещается или откуда считывается первое подлежащее обмену слово, количество слов в блоке и др.).

В процессе обмена контролер ПДП выдает на шину адреса адрес ячейки ОЗУ.

После окончания передачи слова между ОЗУ и ПУ через шину данных контролер ПДП увеличивает на единицу значение адреса, выдаваемого на шину адреса.

После завершения передачи заданного количества слов контролер ПДП прекращает обмен, информируя об этом микропроцессор.

Последний восстанавливает связь с шинами адреса и данных и продолжает выполнение программы.

Таким образом, принципами организации МПС являются принцип программного управления и принцип хранимой в памяти программы. Функционирование МПС - это получение данных от различных периферийных устройств, их обработка и выдача результата обработки на периферийные устройства (ПУ).

2. Принципы организации микроконтроллеров.

Микроконтроллеры (МК) - это разновидность микропроцессорных систем (микро-ЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. В сравнении с универсальными микроЭВМ микроконтроллеры проще, и размещается практически весь на одном кристалле. Это и дало начало их развитию. Вторым названием МК стало название "однокристальная микроЭВМ". Разработка МК означала появление БИС такой функциональной законченности, которая позволяет решать в полном объеме задачи определенного класса.

Разница между МК и микроЭВМ универсального назначения заключается в следующем: малый объем памяти и менее разнообразный состав внешних устройств. В состав универсальной микроЭВМ входят модули памяти большого объема и высокого быстродействия, имеется сложная иерархия ЗУ, поскольку многие задачи (автоматизированное проектирование, компьютерная графика, мультимедийные приложения и др.) без этого решить невозможно. Для МК ситуация иная, они реализуют заранее известные несложные алгоритмы, и для размещения программ им требуются емкости памяти, на несколько порядков меньшие, чем у микроЭВМ широкого назначения. Набор внешних устройств также существенно сужается, а сами они значительно проще. В результате модули микроЭВМ конструктивно самостоятельны, а МК выполняется на одном кристалле, хотя в его составе имеются модули того же функционального назначения.

В настоящее время наибольшее преобладание получили МК. Число пользователей МК в несколько раз превышает число пользователей отдельных микросхем МП. Применение МК поддерживается такими областями массового производства, как бытовая аппаратура, станкостроение, автомо­бильная промышленность и т. д.

Классификация МК:

1. По числу разрядов.

· 8- разрядные МК

· 16- разрядные МК

· 32- разрядные МК

Первые МК выпущены фирмой Intel в 1976 г. (восьмиразрядный МК 8048).

В настоящее время многими поставщиками выпускаются 8-, 16- и 32- разрядные МК с емкостью памяти программ до десятков Кбайт, небольшими ОЗУ данных и набором таких интерфейсных и периферийных схем, как параллельные и последовательные порты ввода/вывода, таймеры, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, широтно-импульсные модуляторы и др. Среди выпускаемых МК широко известно семейство восьмиразрядных контроллеров MCS-51/151/251 и 16-разрядных MCS-96/196/296 (фирмы Intel). Очень многие производители выпускают аналоги этих семейств или совместимые с ними МК. В отечественной номенклатуре это К1816ВЕ51, К1830ВЕ51 (восьмиразрядные МК). В последнее время фирма Intel сосредоточила усилия на разработке сложных микропроцессоров для компьютеров и уступила сектор рынка простых МК другим фирмам, в частности, фирме Atmel, которая выпускает популярное семейство МК серии АТ89 с Флэш-памятью программ, являющееся функциональным аналогом семейства восьмиразрядных МК фирмы Intel.

Несмотря на появление новых 16- и 32-разрядных МК, наибольший успех на рынке остается за 8-разрядными. Сейчас около половины рынка МК остается за этими МК.

Устройство:

Структуру МК рассмотрим на примере представителя семейства АТ89С (рис. 2).

В состав МК входят:

а) генератор тактовых импульсов ГТИ;

б) раздельные блоки программной памяти типа Флэш и ОЗУ данных (Гарвардская архитектура). Диапазоны емкостей памяти, как и частот генератора тактовых импульсов ГТИ, приведенные на рис. 2, характеризуют параметры представителей семейства от младшего до старшего. При необходимости возможно подключение внешних БИС ПЗУ, ОЗУ для расширения пространства памяти.

в) Средства ввода/вывода - 4 параллельных порта (32 линии) и линии TxD (выход передатчика) и RxD (вход приемника) для последовательного ввода/вывода. Для сокращения ширины физического интерфейса функции линий параллельных портов совмещены, и в разных режимах имеют разное назначение.

г) В состав МК входят 2-3 таймера-счетчика (16-разрядных), которые дают системные метки времени и отрабатывают интер­валы.

д) Система прерываний с 5 источниками запросов радиального типа обслуживает 2 внешних запроса, 2 запроса от таймеров и 1 от последовательного порта. При частоте ГТИ 12 МГц большинство команд вы­полняется за 1 мкс, некоторые команды - за 2 мкс.

Рис. 2 Структура микроконтроллера АТ89С

Таким образом , микроконтроллеры (МК) - это разновидность микропроцессорных систем (микро-ЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами.

Заключение:

1. МПС - вычислительная или управляющая система с МП в качестве узла обработки информации.

2. Функционирование микропроцессорной системы - это получение данных от различных периферийных устройств, их обработка и выдача результата обработки на периферийные устройства (ПУ).

3. Микроконтроллеры (МК) - это разновидность микропроцессорных систем (микро-ЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами.

Замечания и предложения по содержанию лекции

Работу подготовил Сергей

Магнитогорский Государственный Профессионально-педагогический колледж

Магнитогорск, 2005 г.

1. Логическая структура микропроцессорной системы

При проектировании систем контроля, управления или вычислений на основе микропроцессора необходимо выяснить и описать функции, подлежащие выполнению в системе, а затем согласовать их с возможностями тех микропроцессоров, которые могут быть использованы в проектируемой системе.

Реальная электронная система на основе микропроцессора содержит значительное число функциональных устройств, одним из которых является микропроцессор. Все устройства системы имеют стандартный интерфейс и подключаются к единой информационной магистрали, как это показано на рис.1.

Микропроцессор в зависимости от требований, предъявляемых к системе, может быть устройством однокристальным или одноплатным, созданным на основе многокристального комплекта микропроцессорных БИС. В высокопроизводительных системах микропроцессор строится на основе биполярных микропроцессорных секций БИС.

Микропроцессор выполняет в системе функции центрального устройства управления и устройства арифметическо-логического преобразования данных. В качестве устройства управления он генерирует последовательности синхронизирующих и логических сигналов, которые определяют последовательности срабатывания всех логических устройств системы. Микропроцессор задает и последовательно осуществляет микрооперации извлечения команд программы из памяти системы, их расшифровку и исполнение. Тип операций микропроцессора определяется кодом операции в команде. В соответствии с этими кодами микропроцессор выполняет арифметические, логические или иные операции над числами, представленными в двоичном или кодированном двоично-десятичном коде.

Числа, подвергающиеся операционным преобразованиям в арифметическо-логическом блоке микропроцессора, называют операндами. Операнд может быть одним из исходных чисел, результатом, константой или некоторым параметром. Операция в микропроцессоре производится над одним или двумя операндами.

Память микропроцессорной системы физически реализуется на основе различных ЗУ. Технико-экономическая целесообразность ведет к построению иерархической памяти на основе полупроводниковых постоянных и оперативных запоминающих устройств и магнитных внешних запоминающих устройств.

Рис.1 Логическая структура микропроцессорной системы

Полупроводниковые постоянные запоминающие устройства ПЗУ позволяют в процессе работы системы осуществлять только чтение заранее записанных данных. Имеют высокую скорость работы и энергонезависимы, т.е. сохраняют информацию при выключении питания.

Полупроводниковые оперативные запоминающие устройства ОЗУ работают в режимах оперативной (совпадающей с темпом работы микропроцессора) записи и чтения данных. Недостаток ОЗУ – их энергозависимость, т.е. потеря записанной информации при выключении питания.

Память системы адресуема, т.е. каждое слово записывается в ячейке памяти со своим уникальным адресом. Слово – совокупность двоичных единиц (бит) – двоичных разрядов, интерпретируемых как отдельное число или несколько смысловых групп двоичных разрядов. Для получения числа из памяти или записи числа в память необходимо точно задать его адрес в памяти и осуществить операцию считывания данных из памяти.

Устройства ввода данных (УВв) – любые средства, предназначенные для передачи данных извне в регистры микропроцессора или в память (клавиатура пульта управления, ввод с перфолент и перфокарт, внешние запоминающие устройства на магнитных лентах, кассетах, дисках, дисплеи и т.д.).

Устройства вывода данных (УВвыв) – любые средства, способные воспринимать данные, передаваемые из регистров микропроцессора или ячеек памяти (дисплеи, печатающие устройства, внешние запоминающие устройства, пульт управления и т.д.).

Для подключения разнообразных устройств ввода или вывода данных (а также комбинированных устройств ввода-вывода) необходимо привести их все связи и сигналы к стандартному виду, т.е. провести согласование интерфейсов. Для этого используется специальный аппаратурный блок – информационный контроллер ИК, имеющий стандартный интерфейс со стороны подключения к информационной магистрали и нестандартный интерфейс со стороны устройств ввода-вывода, т.е. являющийся преобразователем интерфейсных сопряжений.

Микропроцессор МП, ОЗУ и ПЗУ вместе с УВвыв, предназначенными для операций с человеком или другой электронной системой, называется микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ – это ЭВМ, центральная часть которой в составе процессора, ОЗУ, ПЗУ, информационного контроллера построена на основе БИС. Применение БИС в качестве основных элементных компонентов обеспечивают микро-ЭВМ такие преимущества перед другими типами ЭВМ, как компактность, надежность, малая материалоемкость, низкие мощность потребления и стоимость. Но магистральная структура микро-ЭВМ и скоростные ограничения микропроцессора определяют умеренные характеристики производительности микро-ЭВМ. Это относится к микро-ЭВМ на основе микропроцессоров на одном или нескольких кристаллах. В микро-ЭВМ на основе биполярных микропроцессорных секций можно получить высокое быстродействие за счет реализации конвейерной обработки данных и скоростного высокоэффективного управления вычислительным процессом даже при магистральной структуре.

Микро-ЭВМ становится центральной частью электронной системы контроля, управления и вычислений, когда она вводится в контур управления некоторого объекта (процесса). Для сопряжения с микро-ЭВМ объект (процесс) должен быть оснащен датчиками состояния и исполнительными механизмами. Датчики выступают как источники вводимой для микро-ЭВМ информации, а исполнительные механизмы – как приемники выводимой информации. Для согласования интерфейсов подключение датчиков и исполнительных механизмов в системе осуществляется через блоки сопряжения датчиков и исполнительных механизмов.

В зависимости от особенностей объекта (процесса) и возможностей микропроцессора сложность каждого устройства или блока устанавливается на этапе проектирования. Части системы могут развиваться или вырождаться, но должен быть обеспечен общий принцип построения и работы всех электронных систем управления. Вследствие прямой зависимости между функциями программных и аппаратурных средств можно при построении электронной системы развивать либо аппаратуру, либо усложнять программное обеспечение. Именно эти обстоятельства и определяют массовые возможности применения микропроцессорных систем управления практически во всех сферах.

Логическая структура универсального программируемого контроллера.

Контроллер (блок местного управления) необходим для управления аппаратами ввода-вывода информации (АВВ). Он обеспечивает электромеханическое и логическое сопряжения информационного канала ЭВМ и частей АВВ, являющихся источниками или приемниками управляющей информации и данных, задает порядок следования, количество, электрические параметры, положение во времени и направление прохождения информации между информационными каналами и АВВ. Основная задача контроллера заключается в обеспечении условий отпирания и запирания одиночных вентилей или их групп, а также в запуске различного рода электрических двигателей, электромеханических переключателей, возбуждении соленоидов, приеме усиленных и сформированных разнообразных сигналов датчиков информации АВВ.

При любых вариантах функционального разбиения системы на части аппаратурные средства блока сопряжения с АВВ либо интегрируется со средствами БИС микропроцессора, либо выполняются отдельно в виде интерфейсной (интерфейсных) БИС.

Контроллер можно выполнить жестким соединением между группами вентилей, триггеров и т.д. как цифровой автомат на основе аппаратурной логики. Минимизация количества электронных элементов для корпусов интегральных схем, как правило, приводит к неупорядоченной электронной структуре, специализированной на конкретное использование только в данном устройстве. Изменение во временной диаграмме или введение новых сигналов в аппаратурном контроллере влекут за собой необходимость перепроектирования и переконструирования всего контроллера или его части.

Универсальные программируемые контроллеры реализуются в виде однокристальных БИС или на основе секций микропроцессорных комплектов БИС. В таких контроллерах разнообразные временные диаграммы сигналов и их последовательности порождаются не распределением регулярных сигналов тактовых генераторов путем проводных соединений, а преобразованием последовательностей команд (микрокоманд). Из-за гибкости программных и микропрограммных средств адаптации программируемого контроллера к конкретной области применения осуществляется за счет перепрограммирования, не затрагивающего аппаратурную реализацию контроллера или вызывающего только перезапись содержимого управляющих запоминающих устройств.

Технико-экономические параметры интегральных схем с высокой степенью интеграции элементов позволяют осуществлять управление АВВ информации ЭВМ посредством электронных структур, подобных структурам управляющих ЭВМ. При этом обеспечиваются: 1) функциональная гибкость за счет использования развитых систем команд и построения разнообразных сложных последовательностей сигналов на их основе с возможностью учета реакции системы на выдаваемые сигналы; 2) использование распределенных методов управления в иерархических управляющих системах, когда оптимизация процесса преобразования информации ведется на верхнем уровне управления, а непосредственное локальное управление осуществляется встроенным контроллером, воспринимающим и интерпретирующим как состояние АВВ, так и управляющие сигналы средств более высокого уровня управления; 3) простота специализации и модификации устройства управления АВВ.