Aplicarea sistemelor cu microprocesoare. Rezumat: Introducere: microprocesoare, sisteme cu microprocesoare. Frecventametru digital cu microprocesor

Acasă > Rezumat

FSF. Note de curs „MK și MP” Nr. 1.1

Introducere: microprocesoare, sisteme cu microprocesoare,
microcontrolere

Schema cursului:
    Microprocesoare, sisteme cu microprocesoare, microcontrolere Domenii de aplicare Familii de microcontrolere

1.Microprocesoare, sisteme cu microprocesoare, microcontrolere

Pe întreaga perioadă de existență și utilizare a electronicului calculatoare(Calculatoare) cei mai importanți parametri ai lor: viteza, consumul de energie, fiabilitatea au fost determinați, în primul rând, de baza elementului utilizat, adică de acele „cărămizi” electronice din care este construită o „cladire” mare și complexă - computerul în sine. Mașinile de prima generație foloseau dispozitive electrice de vid (tuburi radio), oferind viteze computerului de sute sau mii de operații pe secundă. Aceste mașini erau voluminoase, predispuse la defecțiuni și necesitau un sistem complex de răcire pentru a le menține în funcțiune.

Invenția tranzistorului a făcut posibilă creșterea vitezei unui computer la zeci și sute de mii de operații pe secundă cu o creștere semnificativă a densității de ambalare (aranjamentul) elementelor: tranzistoare, diode, rezistențe, condensatoare. Astfel de calculatoare aparțineau mașinilor de a doua generație.

Apariția circuitelor integrate, inclusiv număr mare elementele electronice și utilizarea lor în calculatoarele din a treia și din generația următoare, a crescut și mai mult viteza acestora din urmă, a făcut posibilă simplificarea procedurii de comunicare între o persoană și un computer și a adus-o cât mai aproape de obiect. de management si control.

M
microprocesor (MP) - acesta este dispozitivul care primește prelucrareși emiterea de informații. Din punct de vedere structural, MP-ul conține unul sau mai multe circuite integrate și efectuează acțiuni definite de un program stocat în memorie.

MP universal – aceștia sunt deputați al căror sistem de comandă conține universalitate algoritmică. Aceasta din urmă înseamnă că setul de comenzi executate de mașină face posibilă obținerea transformării informațiilor în conformitate cu orice algoritm dat.

Parlamentari specializați - conceput pentru a rezolva o anumită clasă de probleme și, uneori, doar pentru a rezolva o anumită problemă. Caracteristicile lor semnificative sunt ușurința de control, hardware-ul compact, costul redus și consumul redus de energie.

Sistem cu microprocesor - acesta este un sistem de calcul, instrumentare sau control, principalul dispozitiv de procesare a informațiilor în care se află MP. Un sistem cu microprocesor este construit dintr-un set de LSI-uri de microprocesor.

O proprietate remarcabilă a sistemelor cu microprocesoare este flexibilitatea lor ridicată, capacitatea de a reconfigura rapid dacă este necesar, chiar și modificări semnificative ale algoritmilor de control. Reconfigurarea se realizează programatic fără costuri de producție semnificative. Crearea microprocesoarelor face posibilă reducerea costurilor și dimensiunii mijloacelor tehnice de prelucrare a informațiilor, creșterea vitezei acestora și reducerea consumului de energie.

Caracteristici sisteme de informare și control cu ​​microprocesor concepute pentru automatizarea proceselor tehnologice:

    prezența unui set limitat de sarcini clar definite;

    lucrează în timp real, adică asigurarea timpului de reacție minim la modificările condițiilor externe;

    prezența unui sistem dezvoltat de dispozitive externe, varietatea lor largă;

    diferență semnificativă în sarcinile funcționale;

    cerințe ridicate de fiabilitate, ținând cont de durata lungă de funcționare continuă;

    condiții dificile de funcționare;

    asigurarea modului sau modului de operare automat cu participarea operatorului ca element al sistemului.

Creșterea în continuare a gradului de integrare a făcut posibilă plasarea pe un cristal de microcircuit nu doar unități individuale simple sau fragmente de dispozitive computerizate, ci dispozitive întregi și chiar computere întregi. Acest lucru a condus la crearea unui microcontroler (MC) - un produs de microelectronică și tehnologie informatică dintr-o clasă fundamental nouă, capabil să proceseze și să stocheze informații într-unul sau mai multe pachete de microcircuite.

Utilizarea microcontrolerelor în produse nu numai că duce la o creștere a indicatorilor tehnici și economici (cost, fiabilitate, consum de energie, dimensiuni generale), dar și reduce timpul de dezvoltare a produselor și le face modificabile și adaptabile. Utilizarea microcontrolerelor în sistemele de control asigură realizarea unor indicatori de înaltă eficiență la costuri reduse.

Microcontrolerele sunt remediu eficient automatizarea diferitelor obiecte și procese.

Ne putem gândi la un microcontroler ca la un computer găzduit într-un singur cip. De aici principalele sale calități atractive: dimensiuni reduse; înaltă performanță, fiabilitate și capacitatea de a fi adaptat pentru a îndeplini o mare varietate de sarcini.

DESPRE
microcontroler cu cip de jos este un dispozitiv construit structural într-un pachet LSI și care conține toate componentele principale ale kit-ului cu microprocesor.

Pe lângă unitatea centrală de procesare (CPU), microcontrolerul conține memorie și numeroase dispozitive de intrare/ieșire:


2.Domenii de aplicare

ÎN lumea modernă Este dificil să găsești o zonă a tehnologiei în care nu se folosesc microprocesoare. Ele sunt folosite în calcul, îndeplinesc funcții de control și sunt utilizate în procesarea sunetului și a imaginii. În funcție de domeniul de aplicare al microprocesorului, cerințele pentru acesta se modifică. Aceasta lasă o amprentă asupra structurii interne a micro-procesorului. În prezent, au fost identificate trei direcții de dezvoltare a microprocesoarelor:


Microprocesoare universale folosit pentru a construi calculatoare. Ei folosesc cele mai avansate soluții pentru a îmbunătăți performanța fără a face compromisuri o atenție deosebită pe dimensiuni, cost și consum de energie. În ingineria comunicațiilor, computerele sunt folosite pentru a controla sistemele de comunicații sau dispozitivele de comunicații care sunt mari ca dimensiuni și costisitoare. Astfel de computere se numesc controlere.

CU

Procesoarele de semnal ale dispozitivelor mobile sunt folosite pentru a rezolva probleme care au fost rezolvate în mod tradițional prin circuite analogice. Procesoarele de semnal au cerințe specifice. Acestea necesită performanță maximă, dimensiuni reduse, cuplare ușoară cu convertoare analog-digital și digital-analogic, o capacitate mare a datelor prelucrate și un set mic de operații matematice, care include în mod necesar operația de multiplicare-acumulare și organizarea hardware. de cicluri. În aceste procesoare, sunt importanți și parametri precum costul, dimensiunile și consumul de energie, dar aici trebuie să suportați valori mai mari ale acestor caracteristici în comparație cu microcontrolerele.

Microcontrolere folosite pentru a controla dispozitive de comunicații de dimensiuni mici și ieftine, acestea erau numite anterior microcalculatoare cu un singur cip. În microcontrolere, spre deosebire de microprocesoarele universale, se acordă o atenție maximă dimensiunilor, costurilor și consumului de energie.

Aparate de uz casnic
utilizarea unui dispozitiv de calcul suficient de puternic într-un microcontroler modern cu posibilități largi, construit pe un singur cip în loc de un set întreg, reduce semnificativ dimensiunea, consumul de energie și costul dispozitivelor construite pe baza acestuia. Folosit în management diverse dispozitiveși blocurile lor separate:

    în tehnologia calculatoarelor: plăci de bază, controlere pentru hard și dischete, CD-uri și DVD-uri;

    electronice și diverse aparate electrocasnice care utilizează sisteme electronice de control - masini de spalat rufe, cuptoare cu microunde, mașini de spălat vase, telefoane și electrocasnice moderne;

In industrie:

    dispozitive de automatizare industrială - de la relee programabile și sisteme încorporate la PLC-uri,

    sisteme de control al mașinii.

În timp ce procesoarele de uz general pe 8 biți au fost complet înlocuite cu modele de ultimă generație, microcontrolerele pe 8 biți continuă să fie utilizate pe scară largă. Acest lucru se datorează faptului că există un număr mare de aplicații în care nu este necesară performanța ridicată, dar costul scăzut este important. În același timp, există microcontrolere cu capacități de calcul mai mari, cum ar fi procesoarele de semnal digital.

În prezent, există o gamă largă (mai mult de 10.000) de diferite microcontrolere, care diferă în domeniul de aplicare, parametri și unități periferice încorporate în cip. Peste o duzină de producători produc microcontrolere.

3.Familii de microcontrolere

Microcontrolerele sunt grupate în familii. O familie include produse care au același nucleu - un set de concepte cum ar fi un sistem de comandă, o ciclogramă de funcționare a CPU, organizarea memoriei programului și a memoriei de date, un sistem de întrerupere și un set de bază de dispozitive periferice. Diferențele dintre diverși reprezentanți ai aceleiași familii sunt în principal în compoziția dispozitivelor periferice și în cantitatea de memorie de program sau de date. Cea mai importantă caracteristică a familiei este compatibilitatea software-ului la nivelul codului binar al tuturor MK-urilor sale.

Familii cunoscute:

MCS-51 (Intel)

Intel 8051 este un microcontroler cu un singur cip (a nu fi confundat cu un procesor) din arhitectura Harvard, care a fost produs pentru prima dată de Intel în 1980 pentru a fi utilizat în sistemele încorporate. În anii 1980 și începutul anilor 1990 a fost extrem de popular. Cu toate acestea, acum este învechit și înlocuit de dispozitive mai moderne, cu nuclee compatibile cu 8051 produse de peste 20 de producători independenți precum Atmel, Maxim IC (o subsidiară a Dallas Semiconductor), NXP (fostă Philips Semiconductor), Winbond, Silicon Laboratories. , Texas Instruments și Cypress Semiconductor. Există și o clonă sovietică a acestui cip, KR1816BE51. Numele oficial al familiei 8051 de microcontrolere Intel este MCS-51.

PIC (microcip)

PIC-urile sunt microcontrolere cu arhitectură Harvard produse de compania americană Microchip Technology Inc. Numele PIC este prescurtarea pentru Peripheral Interface Controller, care înseamnă „controler de interfață periferică”.

Conceptul PIC, comun tuturor familiilor produse, s-a bazat pe arhitectura RISC (Arhitectura Reduced Instruction Set Computer) cu un sistem de comenzi simple dintr-un singur cuvânt, utilizarea memoriei de programe și date încorporate și consum redus de energie.

Arhitectura RISC se bazează pe următoarele principii fundamentale:

      orice operație se realizează într-un singur ciclu de ceas;

      sistemul de instrucțiuni trebuie să conțină un număr minim de instrucțiuni de aceeași lungime;

      operațiunile de prelucrare a datelor sunt implementate numai în formatul de la registru la registru;

      rezultatele ar trebui să fie generate cu o rată de un cuvânt pe ceas.

În nomenclatura Microchip Technology Inc. prezintă o gamă largă de microcontrolere pe 8, 16 și 32 de biți și controlere de semnal digital sub marca PIC. Trăsătură distinctivă Controlerele PIC sunt o bună continuitate a diferitelor familii. Aceasta include compatibilitatea software (un singur mediu de dezvoltare MPLAB IDE gratuit) și compatibilitatea în termeni de pini, periferice, tensiuni de alimentare, instrumente de dezvoltare, biblioteci și stive ale celor mai populare protocoale de comunicație. Gama include peste 500 de controlere diferite cu tot felul de variații în periferice, memorie, număr de pini, performanță, intervale de putere și temperatură etc.

AVR (Atmel)

Conceptul de noi microcontrolere de mare viteză a fost dezvoltat de un grup de dezvoltatori de la centrul de cercetare ATMEL din Norvegia, ale cărui inițiale au format ulterior marca AVR ( O dacă Bogen / V ergard Wollan / R arhitectura isc). Primele microcontrolere AVR AT90S1200 au apărut la mijlocul anului 1997 și au câștigat rapid favoarea consumatorilor.

Arhitectura AVR, pe care se bazează familia de microcontrolere AT90S, combină un procesor puternic Harvard RISC cu acces separat la memoria de programe și de date, 32 de registre de uz general, fiecare dintre acestea putând funcționa ca un registru acumulator și un registru avansat de 16 fixe. -lungimea sistemului de instrucțiuni de biți. Majoritatea instrucțiunilor sunt executate într-un singur ciclu de ceas al mașinii, instrucțiunea curentă fiind executată și instrucțiunea următoare fiind preluată simultan, oferind performanță de până la 1 MIPS pe frecvența de ceas MHz.

Avantaje:

      performanță ridicată/consum de energie;

      moduri de programare convenabile;

      gamă largă;

      disponibilitatea suportului software și hardware;

      capacitate mare de încărcare a ieșirilor.

ARM (ARM Limited)

Arhitectura ARM (Advanced RISC Machine, Acorn RISC Machine, advanced RISC machine) este o familie de nuclee de microprocesoare licențiate pe 32 și 64 de biți dezvoltate de ARM Limited. Compania dezvoltă exclusiv kernel-uri și instrumente pentru ei (compilatoare, instrumente de depanare etc.), făcând bani prin licențierea arhitecturii unor producători terți.

În 2007, aproximativ 98% din cele peste un miliard de telefoane mobile vândute anual erau echipate cu cel puțin un procesor ARM. Începând cu 2009, procesoarele ARM reprezintă până la 90% din toate procesoarele încorporate pe 32 de biți. Procesoarele ARM sunt utilizate pe scară largă în electronicele de larg consum - inclusiv PDA-uri, telefoane mobile, medii și playere digitale, console de jocuri portabile, calculatoare și periferice de computer, cum ar fi hard disk-uri sau routere.

Aceste procesoare au un consum redus de energie, astfel că sunt utilizate pe scară largă în sistemele încorporate și domină piața dispozitive mobile, pentru care este important un consum redus de energie.

Deținătorii de licență includ: Analog Devices, Atmel, Xilinx, Altera, Cirrus Logic, Intel (până la 27 iunie 2006), Marvell, NXP, STMicroelectronics, Samsung, MediaTek, MStar, Qualcomm, Sony Ericsson, Texas Instruments, nVidia, Freescale, Milander.

Întrebări de securitate

Program de lucru

Programul este întocmit în conformitate cu Standardul educațional de stat al învățământului profesional superior PENTRU direcția 552800 „Informatică și Informatică” (număr de înregistrare 35 tehnic / rezervor din 13.

  • Program de disciplină la Departamentul de Automatizare și Ingineria Sistemelor Sisteme cu microprocesoare

    Program de disciplină

    Aprobat de consiliul științific și metodologic al universității pentru domenii de pregătire (specialități) în domeniul automatizării și controlului, în domeniul informaticii și tehnologiei computerelor

  • Curriculum disciplina disciplinei Sisteme cu microprocesoare

    Program de disciplină

    compilat în conformitate cu standardul educațional de stat federal pentru învățământul profesional superior în grupul extins 23 „Informatică și informatică”

  • Programul aproximativ al disciplinei academice microprocesoare și sisteme de microprocesoare pentru specialitatea 2201 Calculatoare, complexe, sisteme și rețele

    Exemplu de program

    Întocmit în conformitate cu cerințele de stat pentru conținutul minim și nivelul de pregătire al absolvenților de specialitatea 2201 Calculatoare, complexe, sisteme și rețele ale învățământului secundar profesional.

    • La proiectarea unui microcalculator, este necesar să se asigure: o simplă creștere a capacității și a performanței; posibilitatea paralelizării pe scară largă a procesului de calcul; prelucrarea eficientă a algoritmilor pentru rezolvarea diverselor probleme; simplitatea operațiunii tehnice și matematice.

    Microcalculatorul în sine, fiind echipat cu o varietate de dispozitive de intrare-ieșire a informațiilor, poate fi folosit ca produs finit. Cu toate acestea, este adesea necesar să se conecteze la un microcalculator, pe lângă dispozitivele de intrare/ieșire a informațiilor, semnale de la o varietate de senzori și dispozitive de acționare a unui obiect de control complex sau proces tehnologic. În acest caz, este deja format un sistem complex de control, al cărui centru este un microcomputer.

    Sistemele de control folosesc microcalculatoare individuale, microcalculatoare extinse (prin creșterea numărului de microprocesoare pentru a crește capacitatea de biți) și sisteme de microcalculatoare care formează rețele de calculatoare cu parametri apropiați de cei ai minicalculatoarelor dezvoltate.

    Microprocesoarele și microcalculatoarele sunt utilizate pe scară largă în sistemele de testare și control; sisteme de control procese tehnologice; software de control al mașinilor; monitorizarea stărilor liniei de comunicație; subsisteme ale sistemelor de procesare și control al informațiilor primare în scopuri industriale și sisteme de automatizare pentru experimente științifice; Subsisteme pentru controlul echipamentelor periferice ale sistemelor și complexelor informatice; dispozitive de calcul specializate.

    Microprocesoarele ieftine sunt folosite în ceasuri, calculatoare, camere de film și foto, radiouri și televizoare. Microprocesoarele (de exemplu, microprocesoarele cu un singur cip din seria K580) sunt instalate în încuietori și clopote, aparate și dispozitive de uz casnic.

    Microprocesoarele mai scumpe concurează cu succes cu unitățile de control mecanice și electromecanice cu logica „hard” sau „hardware”.

    Microprocesoarele și microcontrolerele sunt instalate pentru a regla mediul în acvariile de acasă și în corpurile mari de apă; controlează pH-ul mediului, temperatura, densitatea, conținutul de oxigen; controlează iluminatul, încălzirea, nivelul apei, dozarea furajelor și aditivilor biologici, efectuează filtrarea și aerarea etc.

    Să luăm, de exemplu, o unealtă mecanică comună și utilizată pe scară largă - un burghiu electric. Microprocesorul încorporat în acesta vă permite să țineți cont de rezistența la găurire și să modificați automat viteza de rotație în funcție de duritatea materialului prelucrat. Când folosiți un burghiu pentru a strânge șuruburile și piulițele, microprocesorul oprește alimentarea motorului electric până la finalizarea operațiunii, care este finalizată din cauza inerției.

    Încorporarea unui microprocesor, cum ar fi seria K580, într-o mașină de scris permite procesarea și stocarea textului în memorie. Procesarea textului constă în operațiuni avansate de editare, de la corectarea cuvintelor și aranjarea paragrafelor până la inserarea de text nou și formarea frazelor din fraze deja scrise. Textul memorat poate fi apoi tipărit automat și precis de mai multe ori. Conectarea memoriei externe pe o casetă magnetică (bandă, disc) la o astfel de mașină de scris controlată de microprocesor vă permite să acumulați o arhivă de documente. Acest lucru face posibilă îndeplinirea într-un astfel de sistem a funcțiilor de căutare a documentelor după caracteristici, sortarea documentelor, menținerea unei arhive etc.

    Producția de jocuri electronice folosind microprocesoare și microcontrolere se dezvoltă rapid. Nu numai că generează mijloace interesante de divertisment, dar face și posibilă testarea și dezvoltarea concluziilor logice, a dexterității și a vitezei de reacție. Jocurile cu sau fără indicator TV oferă funcții complexe datorită utilizării de microprocesoare logic mai puternice, dar accesibile.

    Microprocesorul poate îndeplini funcții critice în toate tipurile de vehicule. Șoferul poate apela de la microcomputer la indicator valorile numerice ale vitezei, nivelului de combustibil, consumului mediu și curent de combustibil pe unitatea de distanță parcursă, ora sosirii la un punct dat în condițiile determinate de șofer, temperatura motorului, etc. Sunt în desfășurare cercetări privind utilizarea controlului motorului pe bază de microprocesor (alimentare cu combustibil, aprindere, control al vitezei, eficiență și control al deșeurilor de ardere); management şasiu(controlul vitezei și al sistemului de frânare, ținând cont de influența sarcinilor și a terenului rutier); managementul siguranței traficului (reducerea cerințelor pentru șofer și luarea în considerare a situației de pe drum); control confort în cabină (cabină).

    Pe baza microprocesoarelor din seria K587, a fost dezvoltat un dispozitiv pentru monitorizarea stării psihofizice a unei persoane de tip „Tonus NTs-01”.

    Microprocesoarele sunt integrate eficient în afișaje, comenzi de ecran și terminale, unde realizează funcții de editare, control, generare de caractere și stocare și afișare a imaginilor.

    Microprocesoarele și microcalculatoarele preiau funcțiile pretratament informații despre dispozitive externe, conversie de formate de date, controlere ale dispozitivelor externe electromecanice. În aceste scopuri, sunt utilizate microprocesoare din seriile K580, K536, K1803.

    Microprocesoarele din echipamentele de comunicație fac posibilă controlul erorilor, codificarea - decodificarea informațiilor și controlul dispozitivelor transceiver. Utilizarea microprocesoarelor va face posibilă reducerea de mai multe ori a lățimii necesare a canalelor de televiziune și telefon și crearea unei noi generații de echipamente de comunicații. Instrumentele bazate pe microprocesor bazate pe microcalculatoare, cum ar fi „Electronics S5”, „Electronics NTs-32”, etc. sunt potrivite pentru aceste scopuri.

    Utilizarea microprocesoarelor în instrumentare și ca mijloace de control sistemele radio-electronice fac posibilă calibrarea, testarea și verificarea instrumentelor; corectare și compensare a temperaturii; controlul și managementul sistemelor de măsurare; transformarea si prelucrarea, indicarea si prezentarea datelor; diagnosticarea și localizarea defecțiunilor. Microcalculatoarele de tip „Electronics S5” procesează cu succes datele de măsurare.

    Instrumentele cu microprocesor rezolvă problema tehnică complexă a dezvoltării diverselor sisteme de colectare și procesare a informațiilor, unde funcții generale se rezumă la transmiterea mai multor semnale către un singur centru pentru evaluare și luare a deciziilor. De exemplu, în medicină, pentru a monitoriza starea pacienților grav bolnavi non-stop, este necesar să se măsoare periodic tensiunea arterială, frecvența cardiacă și respiratorie, parametrii electrocardiogramei etc. Sistem centralizat bazat pe un computer mare sau minicalculator în aceste scopuri este greoaie și destul de costisitoare. Un sistem de diagnosticare distribuită bazat pe microprocesor are o capacitate mare de supraviețuire, este simplu în organizare și permite o bună performanță economică. Sistemele distribuite cu microprocesoare bazate pe microcalculatoare de tip „Electronics-60” rezolvă cu succes aceste probleme.

    Rezumând exemplele considerate de utilizare a microprocesoarelor, putem distinge patru domenii principale în utilizarea microprocesoarelor și sistemelor cu microprocesoare: 1) sisteme de monitorizare și control încorporate; 2) sisteme locale de stocare și prelucrare a informațiilor; 3) sisteme de control distribuit pentru obiecte complexe; 4) sisteme de calcul paralele distribuite de înaltă performanță.

    Sisteme de monitorizare și control încorporate

    Încorporarea, adică setarea microprocesorului la orice, chiar cea mai simplă schemă Controlul (la distanță) modifică fundamental calitatea funcționării instrumentelor individuale, instrumentelor, diferitelor dispozitive, unităților individuale ale liniei de producție etc. Încorporarea unui microprocesor vă permite să optimizați modurile de funcționare ale obiectelor sau proceselor controlate și, prin urmare, să obțineți efecte tehnice și economice atât directe, cât și indirecte. Efectul tehnic și economic direct se exprimă în economisirea consumului de energie, creșterea duratei de viață și reducerea consumului de burghie, freze, elemente de încălzire etc. Efectul tehnic și economic indirect este asociat cu cerințe reduse pentru personalul de service și productivitate crescută. Experiența arată că în aproape toate cazurile de microprocesor încorporat, doar economiile de energie asigură amortizarea controlului microprocesorului în 1-1,5 ani.

    Managementul echipamentelor bazat pe sisteme de monitorizare și control încorporate creează premise reale pentru implementarea producției complet automatizate. Încorporarea unui microprocesor îmbunătățește calitatea muncii și productivitatea echipamentului și reduce semnificativ cerințele pentru personalul care lucrează la echipament. Controlul digital al echipamentelor individuale permite colectarea (sau rechemarea) cu ușurință a informațiilor de la buclele inferioare la nivelurile superioare ale unui sistem de control ierarhic.

    Microprocesoarele de control încorporate sunt concepute pentru a rezolva problemele locale ale managementului obiectelor și pot îndeplini funcțiile controlerelor dispozitivelor conectate la un computer, bucle de control superioare, sau pot fi centrul sistemelor de control ale buclelor de control inferioare.

    Microprocesoarele încorporate în echipamente, în cele mai multe cazuri, nu sunt echipate cu dispozitive externe și conțin doar un panou de control specializat simplificat și ROM pentru programe de control. Doar pentru unele aplicații care necesită înlocuirea frecventă a programelor de control este necesar un boot loader bazat pe cele mai simple mijloace tehnice.

    Sisteme locale de stocare și procesare a informațiilor

    Pentru orice specialist sau manager este necesar sa ai mereu la indemana o cantitate suficient de mare de informatii specifice. Astăzi, aceste informații sunt disponibile doar într-o bibliotecă, un notebook sau pe ecranul unui terminal conectat la un computer mainframe. Ultima soluție este cea mai acceptabilă, dar este costisitoare și are mari limitări din cauza centralizării excesive a informațiilor. Local, adică Situate la locul de muncă, sistemele cu microprocesoare pentru stocarea și procesarea informațiilor oferă suport informațional specialiștilor și managerilor, inginerilor și medicilor într-un mod simplu din punct de vedere tehnic și accesibil din punct de vedere economic. Conectarea sistemelor locale într-o rețea și conectarea de la distanță a acestei rețele la un computer mare cu o arhivă de informații uriașă face posibilă crearea unei sistem automatizat suport informativ.

    Dispozitivele externe ale sistemelor de calcul locale pot fi încorporate în carcasa microcalculatorului. Kitul lor conține dispozitive care sunt minim necesare pentru calcul și prelucrare a datelor: tastaturi numerice, alfanumerice și funcționale; indicator alfanumeric; dispozitiv de imprimare; dispozitive de stocare externe.

    Un set de micro-calculatoare mai complexe care vizează rezolvarea problemelor de inginerie și științifice poate include o varietate de dispozitive externe, cum ar fi dispozitive de intrare-ieșire și de imprimare, afișaj vizual, memorie externă, integrare, console de operator de uz general etc.

    Sisteme de control distribuit pentru obiecte complexe. Sistemele de control cu ​​microprocesor distribuite devin o alternativă la sistemele obișnuite cu un procesor central. În acest caz, microprocesoarele și circuitele asociate de prelucrare a datelor sunt situate fizic în apropierea locurilor în care apar informații, ceea ce face posibilă prelucrarea informațiilor la locul de origine, de exemplu, lângă motor, volan, sistem de frânare etc. Conectarea unor astfel de sisteme locale de procesare cu sistemul central de procesare și stocare a datelor creează un sistem de control distribuit spațial.

    În sistemele distribuite se realizează economii semnificative în numărul și distribuția liniilor de comunicație, crește capacitatea de supraviețuire, iar posibilitățile de optimizare a modurilor de control și operare sunt dezvoltate semnificativ.

    Sisteme de calcul paralele distribuite de înaltă performanță

    Microprocesoarele au deschis noi posibilități pentru rezolvarea problemelor complexe de calcul, ai căror algoritmi de calcul pot fi paralelizați, de exemplu. calcule simultane (paralele) pe multe microprocesoare.

    Sistemele de calcul paralel bazate pe zeci, sute, mii de microprocesoare identice sau specializate la costuri semnificativ mai mici oferă aceeași performanță ca și sistemele de calcul bazate pe procesoare puternice de tip pipeline. Microprocesoarele dintr-un sistem de calcul distribuit pot fi identice și universale sau specializate pentru anumite funcții. Crearea de sisteme cu microprocesoare cu un număr mare de software specializat scop functional procesoarele fac posibilă proiectarea unor sisteme de calcul puternice de un nou tip în comparație cu computerele mari dezvoltate în mod tradițional.

    Microprocesorul (MP) este un procesor de computer complet funcțional implementat sub forma unuia sau mai multor LSI și este destinat procesării informațiilor digitale în conformitate cu programele date.

    Controlerul cu microprocesor (MPC) este un microcomputer complet funcțional, conceput pentru scopuri de monitorizare și control.

    IPC poate fi implementat pe următoarele elemente de bază:

    Microprocesoare cu un singur cip (SMC);

    MP secțional (multi-cip);

    Microcontrolere cu un singur cip (OMC);

    Circuite logice programabile cu matrice complexe (FPGA, PLD, CPLD etc.).

    Cel mai mare efect de la introducerea microprocesoarelor este obținut în dispozitivele și sistemele de automatizare locale, sistemele de măsurare, control și alte domenii în care utilizarea instrumentelor digitale de prelucrare a datelor înainte de apariția microprocesoarelor era neprofitabilă. Costul relativ scăzut, dimensiunea redusă și consumul de energie, fiabilitatea ridicată și flexibilitatea excepțională, care nu sunt tipice pentru alte metode de procesare a datelor, asigură prioritatea microprocesoarelor față de alte instrumente de procesare a datelor. Microprocesorul este, de asemenea, un instrument convenabil pentru construirea de controlere concepute pentru a controla și gestiona procesele tehnologice în diverse industrii economie nationala.

    Cel mai mare efect al utilizării microprocesoarelor este obținut în versiunea încorporată a utilizării acestuia, atunci când microprocesorul este încorporat în dispozitive, dispozitive sau mașini. În acest caz de utilizare, microprocesorul necesită nu atât performanțe de calcul (multiplicare, divizare etc.) tipice computerelor convenționale, cât mai degrabă eficiență logică, atât de necesară în sarcinile de control.

    OMK este un MPC complet funcțional, implementat sub forma unui VLSI (super-LSI). OMK include: procesor, RAM, ROM, porturi de intrare/ieșire pentru conectarea dispozitivelor externe, module de intrare pentru semnal analogic ADC, temporizatoare, controlere de întrerupere, controlere pentru diverse interfețe etc.

    Cel mai simplu OMK este un LSI cu o zonă de cel mult 1 și cu doar opt ieșiri.

    2. Clasificarea sistemelor cu microprocesoare (după scop, după capacitate de biți, după metoda de control, după proiectare și caracteristici tehnologice);

    Sunt:

    1) Periferic (interfață) OMK concepute pentru implementarea celor mai simple sisteme de control MP. Au productivitate redusă și dimensiuni de gabarit reduse. În special, poate fi folosit de dispozitivele periferice ale computerului (tastatură, mouse, etc.) Acestea includ: PIC – Micro Chip, VPS – 42 (Intel).

    2) OMK-uri universale pe 8 biți concepute pentru implementarea sistemelor MP de productivitate scăzută și medie. au sistem simplu comenzi și o gamă largă de dispozitive încorporate. Tipuri principale: MSC – 51 (Intel)MotorolaHC05 –HC012, etc.

    3) OMK universal pe 16 biți. Proiectat pentru a implementa sisteme în timp real de performanță medie. Structura și sistemul de comenzi sunt menite să răspundă prompt la evenimente externe. Sunt utilizate pe scară largă în sistemele de control al motoarelor electrice (sisteme mecatronice).

    4) OMK-uri specializate pe 32 de biți implementează arhitectura ARM de înaltă performanță și sunt concepute pentru telefonie, transmisie de informații, televiziune și alte sisteme care necesită procesare de mare viteză a informațiilor. OMK-urile tipice pe 16 biți includ: MSC96/196/296 (Intel), C161–C167 (Siemens, Infineon), HC16Motorola etc.

    5) Procesoare de semnal digital (DSP – Digital Signal Processor) conceput pentru procesarea matematică complexă a semnalelor măsurate în timp real. Folosit pe scară largă în telefonie și comunicații. Principalele diferențe ale DSP: adâncimea de biți crescută a cuvintelor procesate (16, 32, 64 de biți) și viteză mare în format virgulă mobilă (16 flops) Producători: Texas Instruments (TMS320, etc.), AnalogDevice (ADSP 2181, etc.). .

    De domenii de aplicare Au fost identificate trei direcții de dezvoltare a microprocesoarelor:

      microcontrolere

      microprocesoare universale

      microprocesoare de semnal

    De structura internă Există două principii de bază pentru construirea microprocesoarelor:

      Arhitectura Harvard

      Arhitectura Von Neumann

    De sistem de comandă microprocesoarele sunt extrem de diverse, în funcție de producător. Cu toate acestea, pot fi definite două politici extreme de proiectare a microprocesorului:

      Microprocesoare cu baterii

      Microprocesoare cu registre de uz general

    3. Aplicarea sistemelor cu microprocesoare (la alegerea elevului);

    MPS-ul în sine, fiind echipat cu o varietate de dispozitive de intrare/ieșire a informațiilor (I/O), poate fi folosit ca produs finit. Cu toate acestea, este adesea necesar să se furnizeze semnale către MPS de la o varietate de senzori de măsurare și actuatori ai unui obiect de control complex sau proces tehnologic. În acest caz, este deja format un sistem de calcul complex, al cărui centru este MP. Microprocesoarele cu design arhitectural simplu sunt folosite pentru a măsura intervalele de timp, pentru a controla cele mai simple operații de calcul (în calculatoare) și pentru a opera echipamente de film, foto, radio și televiziune. Sunt utilizate în sistemele de securitate și alarmă sonoră, aparate și dispozitive de uz casnic.

    Producția de jocuri electronice folosind microprocesoare se dezvoltă rapid. Ele nu numai că generează mijloace interesante de divertisment, dar oferă și o oportunitate de a testa și dezvolta concluzii logice, dexteritate și viteza de reacție.

    Jocurile video pot fi clasificate ca aplicații care necesită utilizarea computerelor cu un set limitat de funcții. Astăzi, consolele de jocuri consumă cea mai mare cantitate de

    cu excepția PC-urilor, microprocesoarelor pe 32 de biți. Cei mai folosiți MP-uri aici sunt Intel și Motorola. Dispozitivul PlayStation de la Sony folosește un procesor MIPS pe 32 de biți, iar consola video Nintendo 64 folosește chiar și un cip de 64 de biți8 de la același producător. Produsele Sega cu jocurile video Saturn și Genesis au adus procesoarele RISC din seria SH de la Hitachi pe locul trei în lume în ceea ce privește vânzările între sistemele pe 32 de biți.

    Piața de secretare electronice personale (PDA) și organizatori electronici are perspective bune pentru procesoarele pe 32 de biți. Organizatoarele electronice moderne sunt un prim exemplu de aplicații integrate, deoarece practic nu există furnizori independenți de software pentru ele. Pe de altă parte, PDA-urile precum Newton de la Apple nu sunt în esență altceva decât o nouă platformă de calcul, al cărei viitor depinde de dezvoltatorii de software.

    Până acum, dispozitivele cu un set limitat de funcții au avut succes în rândul organizatoarelor electronice. Cu toate acestea, îmbunătățirile suplimentare ale tehnologiei pot

    pentru a face din aceste computere „handheld” lideri absoluti, care ar trebui să depășească PC-urile în ceea ce privește volumele vânzărilor din punct de vedere fizic.

    O funcție importantă a MP este prelucrarea preliminară a informațiilor de la dispozitivele externe (ED), conversia formatelor de date, controlerele dispozitivelor externe electromecanice. În echipamentele MP, face posibilă efectuarea de control al erorilor, codificare - decodare a informațiilor și controlul dispozitivelor transceiver. Utilizarea lor face posibilă reducerea lățimii necesare a canalelor de televiziune și telefon de mai multe ori și crearea unei noi generații de echipamente de comunicații. Utilizarea MP în instrumentare și ca mijloace de control al sistemelor radio-electronice face posibilă efectuarea calibrării, testării și verificării dispozitivelor, corecției și compensarea temperaturii, monitorizarea și controlul sistemelor de măsurare, conversia și prelucrarea, indicarea și prezentarea datelor , diagnosticarea și localizarea defecțiunilor.

    Cu ajutorul instrumentelor cu microprocesor, este posibil să se rezolve probleme tehnice complexe în dezvoltarea diferitelor sisteme de colectare și prelucrare a informațiilor, unde funcțiile generale se reduc la transmiterea multor semnale către un singur centru pentru evaluare și luare a deciziilor. De exemplu, în sistemele de bord ale aeronavelor în timpul unui zbor, se acumulează o cantitate mare de informații din diverse surse, necesitând adesea prelucrarea imediată a acesteia. Acest lucru se realizează central, folosind un sistem informatic bazat pe MPS la bord.

    Prelegerea nr. 14

    Subiect: „Conceptul de sisteme cu microprocesoare (MPS) și microcontrolere”

    Textul prelegerii la disciplina: „Dispozitive digitale și

    microprocesoare"

    KALININGRAD


    Introducere.

    Întrebări de studiu (partea principală):

    1. Principii de construcție a IPS

    Concluzie

    Literatură:

    Literatura de baza

    L1. Naryshkin A.K. „Dispozitive digitale și microprocesoare”: manual. ajutor pentru elevi Superior Educativ Instituții / A.K. Naryshkin, ed. a 2-a. - Centrul editorial „Academia”, 2008. Cu. 296 - 303

    Lectură în continuare

    L5 Ugryumov E.P. Circuite digitale. Uh. manual pentru universități - Sankt Petersburg: BHV-Petersburg, 2004. p.249-260

    L9 B.A. Kalabekov „Dispozitive digitale și sisteme cu microprocesoare”, M.: „ Linia fierbinte- telecom”, 2000, p. 227-233, 290-303

    Sprijin educațional și material:

    1. Polylux

    Textul prelegerii

    Introducere

    Microprocesorul funcționează ca componentă sistem complex - sistem cu microprocesor (Microcomputer). Principiile lor de construcție sunt aceleași. Să luăm în considerare aceste principii și structura UIP.

    1. Principii de construcție a IPS

    Principii de organizare a calculatorului

    Să luăm în considerare mai întâi principiile de organizare și construcție a microcalculatoarelor. Să ne amintim asta microcalculator- acesta este un dispozitiv de procesare a datelor care conține unul sau mai mulți MP, un LSI de memorie permanentă și RAM, un LSI pentru controlul intrării și ieșirii informațiilor și alte circuite. În această configurație, microcalculatoarele sunt folosite ca controlere încorporate.

    Microcalculator servește la controlul automat al procesului de rezolvare a unei probleme.

    Această problemă este rezolvată prin respectarea următoarelor principii organizatorice microcalculator.

    1. Principiul controlului programului. Este caracteristica principală a unui microcomputer. Acest principiu a fost formulat pentru prima dată în secolul al XIX-lea de către matematicianul englez Augusta Ada Lovelace.

    Conform acestui principiu, un algoritm de rezolvare a unei probleme, scris în limbajul maşinii ca program, este implementat automat secvenţial în timp la fiecare interval sub influenţa unei comenzi. Cu alte cuvinte, esența principiului controlului programului este că procesul de rezolvare a unei probleme, adică obținerea unui rezultat bazat pe prelucrarea datelor în conformitate cu un algoritm dat, realizat prin executarea automată a comenzilor introduse în memoria programului.

    Principiul controlului programului este caracterizat de prezența comenzilor pentru transferul condiționat și necondiționat al controlului, care vă permite să determinați automat direcția calculelor ulterioare atunci când implementați algoritmi de ramificare și ciclici și să rezolvați probleme logice complexe.

    2. Principiul unui program stocat. Conform acestui principiu:

    1) comenzile, ca și operanzii, sunt specificate prin coduri digitale cu o adâncime de biți fixă;

    2) comenzile și operanzii sunt stocați în memoria partajată cu o organizare cu adrese liniare și sunt specificați prin adresele lor. Acest lucru vă permite să înlocuiți datele originale fără a schimba programul. În plus, necesitatea de a schimba una sau mai multe comenzi nu duce la necesitatea schimbării întregului program.

    Se numește structura (modelul) unui computer care implementează aceste principii von Neumann . Datorită simplității sale elegante și flexibilității mari în controlul procesului de calcul, de la primii pași ai calculului electronic până în zilele noastre, domină construcția diferitelor computere.

    Cu toate acestea, în prezent, dezvoltatorii de computere, căutând să-și crească semnificativ productivitatea, în unele cazuri se abat de la modelul von Neumann. Să dăm un exemplu. Într-o mașină von Neumann cu o memorie partajată pentru date și comenzi, există o singură magistrală (autostradă) pentru transferul comenzilor și datelor din memorie către alte dispozitive, ceea ce duce la o scădere a vitezei computerului.

    Este posibil să se construiască o mașină cu memorii și magistrale separate pentru stocarea și transmiterea comenzilor și a datelor, permițând preluarea lor paralelă din memorie și transmiterea prin magistrală în timp. Această structură se numește Harvard , de când a fost implementat pentru prima dată în 1944 la Universitatea Harvard din SUA într-o mașină de releu timpurie care a precedat apariția computerelor electronice. Modelul Harvard este implementat, în special, în unele microprocesoare.

    Structura unui sistem cu microprocesor.

    După cum sa menționat mai devreme Ministerul Căilor Ferate este o colecție de IPC-uri LSI care interacționează colectate într-un singur întreg, organizate într-un sistem. Aceste. Ministerul Căilor Ferate – un sistem specializat de calcul sau control cu ​​MP ca unitate de procesare a informațiilor.

    La clădire MEA folosesc trei principii de bază:

    · principiul organizării modulare (adică MPS-ul este construit dintr-un set de module);

    · principiul schimbului de informații de bază (adică sunt organizate conexiuni regulate între module care unesc intrările și ieșirile acestora);

    · principiul controlului microprogramelor (adică fiecare comandă MP este reprezentată ca o secvență de microcomenzi. Acest lucru permite cea mai mare flexibilitate a MPS, crește regularitatea structurii și crește fiabilitatea MPS).

    Principiile enumerate, în ciuda varietății de funcții îndeplinite de microprocesor, determină structura tipică a MPS (vezi Fig. 1).

    1. Locul central în structura Ministerului Căilor Ferate îl ocupă microprocesor. Microprocesorul realizează direct operații aritmetice și logice asupra datelor, efectuează controlul software al procesului de prelucrare a informațiilor și organizează interacțiunea tuturor dispozitivelor incluse în sistem.

    Orez. 1 Structura tipică a MPS

    2. Diagrama de sincronizare și setare inițială gestionează evenimentele de-a lungul timpului și coordonează activitatea Ministerului Căilor Ferate. Această unitate include un generator de ceas și un cronometru. Generator de ceas Folosind impulsuri de ceas dreptunghiular, stabilește ciclul de comandă - intervalul de timp necesar pentru a citi (a prelua) o comandă din memorie și a o executa. Cronometru specifică timpul de execuție a comenzii. Este posibil să utilizați cronometrul ca numărător.

    3.Memoria principală a sistemului constă din memorie doar citită (ROM) și memorie cu acces aleatoriu (RAM).

    Memorie numai pentru citire- un dispozitiv pentru stocarea programelor, constantelor și tabelelor. Conținutul ROM-ului este folosit ca memorie de program, compilat în prealabil de producător în conformitate cu cerințele utilizatorilor săi.

    ROM împărtășește în programabil (PROM) și reprogramabil (RPM).

    PROM diferă de ROM prin faptul că utilizatorul poate programa independent ROM-ul folosind un dispozitiv special, dar o singură dată.

    EPROM, numită și ROM ștergătoare, vă permite să ștergeți informațiile stocate de până la mai multe ori și să reprogramați dispozitivul de stocare.

    Memorie cu acces aleatoriu- un dispozitiv pentru stocarea datelor de prelucrat și a rezultatelor calculelor și, uneori, programe care se schimbă frecvent. Demnitate RAM are timp de acces rapid la orice celulă de memorie, indiferent de adresa acesteia. Dezavantaj RAM este volatilă.

    MPS folosește și dispozitive de stocare externe. Acestea includ discuri magnetice (flexibile, inflexibile), tobe magnetice, benzi magnetice etc.

    MPS face schimb de informații cu mediul extern folosind dispozitive periferice. Acestea includ afișaje, dispozitive de intrare/ieșire etc.

    4. Dispozitive de intrare și ieșire– mijloace tehnice pentru a transfera date din exterior sau invers. Aceste dispozitive asigură traducerea semnalelor, formatelor de cuvinte etc. La vedere standard, perceput de MP.

    Dispozitiv de intrare efectuează introducerea în sistemul de comenzi și date de prelucrat.

    Dispozitiv de ieșire convertește datele de ieșire într-o formă care poate fi ușor înțeleasă de utilizator sau stocată.

    5. Între dispozitivele periferice și dispozitivele I/O sunt dispozitive tampon (dispozitive de cuplare).

    Acestea sunt adaptor periferic programabil(PPA) și adaptor de comunicare programabil(PSA). PPA deservește dispozitivele periferice prin transmiterea de informații folosind un cod paralel, iar PSA printr-un cod serial. Prezența unor astfel de adaptoare configurabile prin software face ca sistemul I/O din MPS să fie foarte flexibil și bogat funcțional.

    6. Interfața dintre modulele principale ale MPS și între dispozitivele periferice se realizează folosind interfata, adică folosind o combinație de mijloace electrice, mecanice și software. Împerecherea se realizează folosind ShA, ShD, ShU.

    Astfel, utilizarea modulelor și dispozitivelor enumerate mai sus vă permite să creați MPS universal și flexibil pentru a îndeplini sarcini de o varietate de natură. Funcționarea unor astfel de sisteme va depinde doar de programul executat.

    Funcționarea Ministerului Căilor Ferate

    Funcționarea unui sistem cu microprocesor se reduce la efectuarea unei anumite secvențe de acțiuni.

    Principiul general de funcționare este primirea datelor de la diverse dispozitive periferice (de la tastatura terminalului, de pe afișaje, de pe canale de comunicație, diferite tipuri de dispozitive de stocare externe), prelucrarea datelor și eliberarea rezultatului procesării către dispozitivele periferice (PU). Mai mult, datele de la unitatea de control care urmează să fie procesate pot fi primite și în timpul procesului de procesare.

    Funcționarea MPS este foarte asemănătoare cu funcționarea MP. În acest caz, se disting mai multe etape.

    1. Lucrul cu date și comenzi.

    În timpul funcționării, microprocesorul, în conformitate cu semnalele circuitului de sincronizare, transmite către magistrala de adrese numărul (adresa) celulei de memorie în care este stocată următoarea comandă.

    Semnalele sunt trimise de la magistrala de control către RAM pentru a se asigura că este citit conținutul adresei celulei de memorie indicate de magistrală.

    Comanda solicitată de RAM este transmisă magistralei de date, de unde este primită de microprocesor.

    Aici comanda este decriptată. Dacă datele pe care comanda le furnizează pentru acțiuni se află în registrele microprocesorului, atunci MP începe să efectueze operația specificată în comandă dacă, la decodificarea comenzii, se dovedește că datele implicate în operație sunt în; RAM, apoi MP plasează adresa celulei care o stochează pe magistrala de adrese.

    După emiterea datelor din RAM, microprocesorul le primește prin magistrala de date.

    Apoi se efectuează o operație asupra datelor.

    După finalizarea comenzii curente, adresa comenzii următoare este transmisă magistralei de adrese și procesul descris este repetat.

    2. Ieșirea rezultatelor către un dispozitiv periferic.

    În timpul funcționării MPS, poate fi necesară emiterea unui rezultat către panoul de control (pentru a controla obiectele afișate pe ecranul de afișare etc.) sau pentru a primi date de la panoul de control (de exemplu, pentru a primi date tastate de către operator pe tastatură etc.). Un astfel de schimb de date poate fi realizat după cum urmează.

    Înainte de a începe schimbul direct de date cu unitatea de control, microprocesorul, prin magistrala de date, trebuie să furnizeze controlerului de schimb informații despre modurile utilizate în timpul transmisiei și direcțiile de transfer de date (de la MP la unitatea de control sau, dimpotrivă, de la unitatea de control către MP).

    Apoi, în momentul în care este necesar, de exemplu, transferul datelor emise de la unitatea de control în RAM, microprocesorul, executând comanda de intrare, furnizează controlerului semnalele de control corespunzătoare. Datele de la panoul de control sunt acceptate în registrul controlerului.

    Datele sunt apoi trimise către magistrala de date de către controler.

    3. Schimb de date între memorie și dispozitive periferice.

    În mod similar, datele sunt schimbate în direcția opusă - de la RAM la PU.

    La comanda corespunzătoare a programului, datele care urmează să fie transmise sunt primite din RAM către microprocesor.

    Apoi, folosind una dintre următoarele comenzi, aceste date sunt transmise magistralei de date și transmise prin intermediul controlerului de schimb către panoul de control.

    O). Schimbați date cu dispozitive periferice de viteză redusă.

    Dacă momentele schimbului de date nu sunt prevăzute în program, atunci acestea pot fi determinate de unitatea de control însăși. În astfel de cazuri, PU, ​​furnizând anumite semnale MP, îl transferă în așa-numita stare întrerupe.

    - În această stare, microprocesorul oprește executarea programului principal și stochează rezultatele intermediare pe stivă.

    Apoi MP execută comenzile unui alt program stocat în RAM (întreruperea programului), oferind schimbul de date cerut de dispozitivele periferice.

    După finalizarea execuției unui astfel de program de întrerupere, microprocesorul revine la executarea programului principal.

    b). Schimbați date cu dispozitive periferice de mare viteză.

    Metodele descrise oferă un curs de schimb scăzut și sunt utilizate la schimbul de date cu unități de control de viteză redusă. Când lucrați cu dispozitive de mare viteză (cum ar fi dispozitive de stocare pe disc etc.), se utilizează așa-numitul mod acces direct la memorie(PDP).

    În acest mod, microprocesorul este deconectat de la magistralele de adrese și de date, făcându-le disponibile PU pentru schimbul direct de date cu RAM (fără participarea MP). Schimbul este organizat de un controlor special de trafic. În modurile DMA, PU schimbă cu RAM nu date unice, ci blocuri mari de date.

    În controlerul DMA, microprocesorul plasează informațiile necesare controlului schimbului (adresa celulei RAM unde este plasat sau citit primul cuvânt care urmează să fie schimbat, numărul de cuvinte din bloc etc.).

    În timpul procesului de schimb, controlerul DMA transmite adresa celulei RAM către magistrala de adrese.

    După încheierea transferului de cuvânt între RAM și PU prin magistrala de date, controlerul DDP crește valoarea adresei emise magistralei de adrese cu unul.

    După finalizarea transmiterii unui număr specificat de cuvinte, controlerul DDP oprește schimbul, informând microprocesorul despre acest lucru.

    Acesta din urmă restabilește comunicarea cu magistralele de adrese și de date și continuă execuția programului.

    Astfel, Principiile organizării MPS sunt principiul controlului programului și principiul unui program stocat în memorie. Funcționarea MPS este primirea datelor de la diferite dispozitive periferice, prelucrarea acestora și livrarea rezultatului procesării către dispozitive periferice (PU).

    2. Principii de organizare a microcontrolerelor.

    Microcontrolere (MK) este un tip de sisteme cu microprocesoare (microcalculatoare), axate pe implementarea algoritmilor de control pentru dispozitive tehnice și procese tehnologice. În comparație cu microcalculatoarele universale, microcontrolerele sunt mai simple și sunt amplasate aproape în întregime pe un singur cip. Acest lucru a dat naștere dezvoltării lor. Al doilea nume al lui MK a fost numele „microcomputer cu un singur cip”. Dezvoltarea MK a însemnat apariția LSI de o asemenea completitudine funcțională încât permite rezolvarea integrală a problemelor unei anumite clase.

    Diferența dintre un microcomputer și un microcomputer de uz general este următoarea: o cantitate mică de memorie și o compoziție mai puțin diversă a dispozitivelor externe. Un microcomputer universal include module de memorie de mare capacitate și de mare viteză, există o ierarhie complexă a memoriei, deoarece multe sarcini (design asistat de computer, grafică pe computer, aplicații multimedia etc.) nu pot fi rezolvate fără aceasta. Pentru microcalculatoare situația este diferită; acestea implementează algoritmi simpli pre-cunoscuți, iar pentru a găzdui programe au nevoie de capacități de memorie cu câteva ordine de mărime mai mici decât cele ale microcalculatoarelor de uz general. Gama de dispozitive externe este, de asemenea, semnificativ restrânsă, iar ele însele sunt mult mai simple. Ca urmare, modulele microcalculatoarelor sunt independente structural, iar microcomputerul este implementat pe un singur cip, deși conține module cu același scop funcțional.

    În prezent, MK-urile au cea mai mare predominanță. Numărul de utilizatori MK este de câteva ori mai mare decât numărul de utilizatori ai microcircuitelor MP individuale. Utilizarea MK este susținută de astfel de domenii de producție în masă precum aparatele de uz casnic, mașinile-unelte, industria auto etc.

    Clasificare MK:

    1. După numărul de cifre.

    · MK pe 8 biți

    · MK pe 16 biți

    · MK pe 32 de biți

    Primele MK au fost lansate de Intel în 1976 (MK 8048 pe opt biți).

    În prezent, mulți furnizori produc MCU-uri pe 8, 16 și 32 de biți cu capacități de memorie de program de până la zeci de kiloocteți, RAM de date mică și un set de interfețe și circuite periferice, cum ar fi porturi I/O paralele și seriale, temporizatoare, analogice. convertoare -la-digital și digital-analogic, modulatoare de lățime a impulsurilor, etc. Dintre microcontrolerele fabricate, familia de controlere pe opt biți MCS-51/151/251 și MCS-96/196/296 pe 16 biți ( Intel) este larg cunoscut. Mulți producători produc analogi ale acestor familii sau MK-uri compatibile cu acestea. În nomenclatura internă, acestea sunt K1816BE51, K1830BE51 (MK-uri de opt biți). Recent, Intel și-a concentrat eforturile pe dezvoltarea de microprocesoare complexe pentru computere și a cedat sectorul de piață al MCU-urilor simple altor companii, în special, Atmel, care produce familia populară de MCU din seria AT89 cu memorie de program Flash, care este un analog funcțional. din familia de MCU-uri pe opt biți de la Intel.

    În ciuda apariției noilor microcontrolere pe 16 și 32 de biți, cel mai mare succes de pe piață rămâne cu cele pe 8 biți. Acum aproximativ jumătate din piața MK rămâne cu aceste MK.

    Dispozitiv:

    Să luăm în considerare structura MK folosind exemplul unui reprezentant al familiei AT89C (Fig. 2).

    MK include:

    a) generator de impulsuri de ceas GTI;

    b) blocuri separate de memorie de program, cum ar fi Flash și RAM de date (arhitectură Harvard). Gama de capacități de memorie, precum și frecvențele generatorului de impulsuri de ceas GTI, sunt prezentate în Fig. 2, caracterizează parametrii membrilor familiei de la cel mai mic până la cel mai mare. Dacă este necesar, este posibil să conectați LSI ROM și RAM extern pentru a extinde spațiul de memorie.

    c) Facilități I/O - 4 porturi paralele (32 de linii) și linii TxD (ieșire emițător) și RxD (intrare receptor) pentru I/O seriale. Pentru a reduce lățimea interfeței fizice, funcțiile liniilor de porturi paralele sunt combinate și au scopuri diferite în diferite moduri.

    d) MK-ul include 2-3 contoare de cronometru (16 biți), care furnizează ștampile de timp ale sistemului și evaluează intervalele.

    e) Sistem de întrerupere cu 5 surse de solicitare tip radial servește 2 solicitări externe, 2 solicitări de la temporizatoare și 1 de la portul serial. La o frecvență GTI de 12 MHz, majoritatea comenzilor sunt executate în 1 μs, unele comenzi în 2 μs.

    Orez. 2 Structura microcontrolerului AT89C

    Astfel, microcontrolerele (MC) sunt un tip de sisteme cu microprocesoare (microcalculatoare) care vizează implementarea algoritmilor de control pentru dispozitive tehnice și procese tehnologice.

    Concluzie:

    1. Ministerul Căilor Ferate - un sistem de calcul sau de control cu ​​MP ca unitate de procesare a informațiilor.

    2. Funcționarea unui sistem cu microprocesor constă în primirea datelor de la diverse dispozitive periferice, prelucrarea acestora și livrarea rezultatului prelucrării către dispozitivele periferice (PU).

    3. Microcontrolere (MK) este un tip de sisteme cu microprocesoare (microcalculatoare), axate pe implementarea algoritmilor de control pentru dispozitive tehnice și procese tehnologice.

    Comentarii și sugestii cu privire la conținutul prelegerii

    Lucrarea a fost pregătită de Serghei

    Colegiul Pedagogic Profesional de Stat Magnitogorsk

    Magnitogorsk, 2005

    1. Structura logică a unui sistem cu microprocesor

    Atunci când se proiectează sisteme de monitorizare, control sau de calcul bazate pe microprocesoare, este necesar să se identifice și să descrie funcțiile care trebuie îndeplinite în sistem și apoi să le potrivească cu capacitățile microprocesoarelor care pot fi utilizate în sistemul proiectat.

    Un sistem electronic real bazat pe un microprocesor conține un număr semnificativ de dispozitive funcționale, dintre care unul este un microprocesor. Toate dispozitivele de sistem au o interfață standard și sunt conectate la o singură autostradă a informațiilor, așa cum se arată în Fig. 1.

    Un microprocesor, în funcție de cerințele sistemului, poate fi un dispozitiv cu un singur cip sau cu o singură placă creat pe baza unui set multicip de LSI-uri cu microprocesor. În sistemele de înaltă performanță, microprocesorul este construit pe baza secțiunilor de microprocesor bipolar ale LSI.

    Microprocesorul îndeplinește în sistem funcțiile unui dispozitiv de control central și a unui dispozitiv de conversie a datelor aritmetic-logic. Ca dispozitiv de control, generează secvențe de ceas și semnale logice care determină secvențele de declanșare ale tuturor dispozitivelor logice din sistem. Microprocesorul setează și efectuează secvențial microoperații pentru preluarea comenzilor programului din memoria sistemului, decodificarea și executarea lor. Tipul de operații cu microprocesor este determinat de codul operațional din instrucțiune. În conformitate cu aceste coduri, microprocesorul efectuează operații aritmetice, logice sau de altă natură asupra numerelor reprezentate în cod binar sau codat BCD.

    Numerele care suferă transformări operaționale în unitatea aritmetică-logică a microprocesorului se numesc operanzi. Operandul poate fi unul dintre numerele originale, un rezultat, o constantă sau un parametru. O operație într-un microprocesor este efectuată pe unul sau doi operanzi.

    Memoria unui sistem cu microprocesor este implementată fizic pe baza diferitelor memorii. Fezabilitatea tehnică și economică conduce la construirea de memorie ierarhică bazată pe dispozitive semiconductoare de memorie cu acces permanent și aleatoriu și dispozitive de stocare externă magnetică.


    Fig. 1 Structura logică a unui sistem cu microprocesor

    Dispozitivele de memorie Semiconductor ROM numai pentru citire permit citirea datelor pre-înregistrate în timpul funcționării sistemului. Au viteză mare de funcționare și sunt nevolatile, adică păstrați informațiile atunci când alimentarea este oprită.

    Dispozitivele de memorie cu acces aleatoriu (RAM) semiconductor funcționează în moduri online (coincidend cu rata de funcționare a microprocesorului) de scriere și citire a datelor. Dezavantajul RAM este volatilitatea lor, adică. Pierderea informațiilor înregistrate atunci când alimentarea este oprită.

    Memoria de sistem este adresabilă, adică Fiecare cuvânt este înregistrat într-o celulă de memorie cu adresa sa unică. Un cuvânt este o colecție de unități binare (biți) - biți binari interpretați ca un număr separat sau mai multe grupuri semantice de biți binari. Pentru a primi un număr din memorie sau pentru a scrie un număr în memorie, trebuie să specificați cu precizie adresa acestuia în memorie și să efectuați operația de citire a datelor din memorie.

    Dispozitive de introducere a datelor (DID) - orice mijloc conceput pentru a transfera date din exterior în registrele microprocesorului sau în memorie (tastatura panoului de control, intrare de pe benzi perforate și carduri perforate, dispozitive de stocare externe pe benzi magnetice, casete, discuri, afișaje etc.) .

    Dispozitivele de ieșire a datelor (DOU) sunt orice mijloc capabil să primească date transmise din registrele microprocesorului sau din celulele de memorie (afișaje, dispozitive de imprimare, dispozitive de stocare externe, panou de control etc.).

    Pentru conectarea unei varietăți de dispozitive de intrare sau de ieșire (precum și dispozitive combinate intrare-ieșire) este necesar să se aducă toate conexiunile și semnalele lor într-o formă standard, adică interfețe de coordonate. Pentru aceasta, se folosește o unitate hardware specială - un controler de informații IR, care are o interfață standard pe partea conexiunii la autostrada informațională și o interfață non-standard pe partea dispozitivelor de intrare/ieșire, de exemplu. care este un convertor de interfețe de interfață.

    Microprocesorul MP, RAM și ROM, împreună cu calculatoarele destinate operațiunilor cu o persoană sau alt sistem electronic, se numesc microcalculatoare. Un microcomputer este un computer, a cărui parte centrală, constând dintr-un procesor, RAM, ROM și controler de informații, este construită pe baza unui LSI. Utilizarea LSI-urilor ca principale componente elementare oferă microcalculatoarelor astfel de avantaje față de alte tipuri de computere, cum ar fi compactitatea, fiabilitatea, consumul redus de material, consumul redus de energie și costul. Dar structura principală a microcomputerului și limitările de viteză ale microprocesorului determină caracteristicile de performanță moderate ale microcomputerului. Aceasta se referă la microcalculatoare bazate pe microprocesoare pe unul sau mai multe cipuri. În microcalculatoarele bazate pe secțiuni de microprocesor bipolar, performanța ridicată poate fi atinsă prin implementarea prelucrării datelor prin conducte și a unui control de mare viteză și foarte eficient al procesului de calcul, chiar și cu o structură de coloană vertebrală.

    Microcalculatorul devine partea centrală sistem electronic control, management și calcule atunci când este introdus în bucla de control a unui obiect (proces). Pentru a interfața cu un microcalculator, obiectul (procesul) trebuie să fie echipat cu senzori de stare și actuatoare. Senzorii acționează ca surse de intrare a informațiilor în microcalculator, iar actuatorii acționează ca receptori de informații de ieșire. Pentru a coordona interfețele, conectarea senzorilor și a actuatoarelor în sistem se realizează prin intermediul blocurilor de interfață senzor și actuator.

    În funcție de caracteristicile obiectului (procesului) și de capacitățile microprocesorului, complexitatea fiecărui dispozitiv sau bloc este stabilită în faza de proiectare. Părți ale sistemului se pot dezvolta sau degenera, dar trebuie asigurate principiu general construcția și operarea tuturor sistemelor electronice de control. Datorită relației directe dintre funcțiile software și hardware, la construirea unui sistem electronic, este posibil să se dezvolte fie hardware-ul, fie să se complice software-ul. Aceste circumstanțe determină posibilitățile larg răspândite de utilizare a sistemelor de control cu ​​microprocesor în aproape toate domeniile.

    Structura logică a unui controler programabil universal.

    Este necesar un controler (unitate locală de control) pentru a controla dispozitivele de intrare/ieșire a informațiilor (I/O). Oferă cuplarea electromecanică și logică a canalului de informații al computerului și a părților computerului, care sunt surse sau receptori de informații și date de control, specifică ordinea secvenței, cantitatea, parametrii electrici, poziția în timp și direcția fluxului de informații între canalele de informații și ABB. Sarcina principală a controlerului este de a oferi condiții pentru deblocarea și blocarea supapelor individuale sau a grupurilor acestora, precum și de a porni diferite tipuri de motoare electrice, întrerupătoare electromecanice, excita solenoizi și de a primi semnale amplificate și generate de la senzorii de informații ABB.

    Pentru orice variante de împărțire funcțională a sistemului în părți, hardware-ul unității de interfață cu ABB este fie integrat cu microprocesorul LSI, fie este implementat separat sub forma unei interfețe (interfață) LSI.

    Controlerul poate fi realizat cu o legătură rigidă între grupuri de porți, flip-flops etc. ca un automat digital bazat pe logica hardware. Minimizarea numărului de elemente electronice pentru pachetele de circuite integrate are ca rezultat, de obicei, o structură electronică dezordonată specializată pentru o utilizare specifică doar într-un anumit dispozitiv. O modificare a diagramei de sincronizare sau introducerea de noi semnale într-un controler hardware implică necesitatea reproiectării și reproiectării întregului controler sau a unei părți din acesta.

    Controlerele programabile universale sunt implementate sub formă de LSI-uri cu un singur cip sau bazate pe secțiuni de seturi de microprocesoare LSI. În astfel de controlere, diverse diagrame de timp ale semnalelor și secvențele lor sunt generate nu de distribuirea semnalelor obișnuite ale generatorului de ceas prin conexiuni prin cablu, ci de conversia secvențelor de comenzi (micro-instrucțiuni). Datorită flexibilității software-ului și firmware-ului, adaptarea unui controler programabil la o aplicație specifică se realizează prin reprogramare, care nu afectează implementarea hardware a controlerului sau determină doar rescrierea conținutului memoriilor de control.

    Parametrii tehnici și economici ai circuitelor integrate cu un grad ridicat de integrare a elementelor fac posibilă gestionarea informațiilor electronice ale computerului prin structuri electronice similare structurilor calculatoarelor de control. Acest lucru asigură: 1) flexibilitate funcțională prin utilizarea sistemelor de comandă dezvoltate și construirea diferitelor secvențe de semnal complexe pe baza acestora, cu capacitatea de a lua în considerare răspunsul sistemului la semnalele emise; 2) utilizarea metodelor de control distribuit în sistemele de control ierarhic, atunci când optimizarea procesului de conversie a informațiilor se realizează la nivelul superior de control, iar controlul local direct este realizat de un controler încorporat care percepe și interpretează atât starea echipamentului electronic si semnalele de control ale mijloacelor mai mult nivel înalt management; 3) ușurința de specializare și modificare a dispozitivului de control ABB.