Использование микропроцессорных средств в цифровых системах

Микропроцессор (МП) – устройство, состоящее из одной или нескольких больших интегральных схем (БИС), выполняющих функции, аналогичные процессору ЦВМ. Совместно с БИС оперативного (ОЗУ), постоянного (ПЗУ) и перепрограммируемого (ППЗУ) запоминающих устройств и другими устройствами на БИС микропроцессор образует микропроцессорный комплект (МПК), на основе которого строят вычислительные устройства различного назначения. Различают два вида вычислительных устройств с использованием микропроцессорных средств (МПС): вычислители с устройствами управления, выполненными на комбинационных схемах, и вычислители с программными запоминающими устройствами. Микропроцессоры первого вида называют МП с фиксированным набором команд. В таких МП достигается максимальное быстродействие. Устройство управления МП второго вида реализуется программным способом, согласно которому любую операцию представляют в виде микроопераций, выполняемых за один такт работы арифметического устройства. Совокупность микроопераций образует микрокоманду, которая представляет двоичное число, содержащее код операций, а также коды адресов исходных данных и конечного результата. Устройства, предназначенные для хранения и считывания микрокоманд, реализуются на БИС ПЗУ и ППЗУ. Изменение выполнения операций ведет к смене микропрограммы, что позволяет применять один и тот же тип МПК для построения различных вычислительных устройств.

Для считывания каждой команды требуется обращение к ПЗУ, поэтому быстродействие МП с микропрограммным управлением ниже быстродействия МП с фиксированным набором команд.

МПС отличаются от остальных изделий вычислительной техники тем, что они реализуются на одной или нескольких БИС. При современном развитии технологии максимальная площадь кристалла БИС не превышает 50 мм². Такая небольшая площадь приводит к тому, что для построения МПК приходится использовать несколько БИС, поэтому современные МПК состоят из несколько десятков БИС различного назначения. Разрядность микропроцессорных БИС обычно равна 4, 8 и реже 16, необходимая разрядность МПК реализуется за счет объединения нескольких БИС.

На рис. 13.5 показана структурная схема МПК, в котором данные с устройств ввода обрабатываются в МП и результаты выдаются на устройства вывода. Ввод данных осуществляется устройствами ввода-вывода (УВВ). Кроме МП и УВВ в состав МПК входят следующие устройства:

· ОЗУ и ПЗУ, предназначенные для хранения и выдачи по запросам команд программы различных данных;

· контроллеры, обеспечивающие обмен данными между УВВ с МП и устройствами памяти.

Информационный поток в МПК поступает на шины данных, адресов и управления.

В процессе работы МП выдает на шину адреса код ячейки памяти, в которой хранится очередная команда, обеспечивая ее считывание под действием сигналов с шины управления. Запрошенные команды через шину данных поступают в МП, где расшифровываются, после чего МП приступает к их выполнению. После выполнения текущей команды на шину адреса выдается адрес следующей команды и процесс повторяется.

УВВ подключается к шине данных через контроллер, который управляет процессом обмена данными. Различают следующие способы обмена данными: 1) программно-управляемый; 2) с прерыванием; 3) прямым доступом к блоку памяти.

При первом способе моменты обмена данными известны заранее, поэтому на этапе программирования в соответствующих местах программы располагаются команды, обеспечивающие обмен.

При втором способе моменты обмена определяются УВВ. В этом случае УВВ подает сигнал в МП и переводит его в режим прерывания, в котором МП прекращает выполнение основной программы и начинает осуществлять программу прерывания, обеспечивающую обмен данными. После выполнения обмена данными МП возвращается к выполнению основной программы.

Описанные два способа обмена связаны с потерями процессорного времени. От этого недостатка свободен третий способ обмена с прямым доступом к блоку памяти (ПДП). Организация такого обмена осуществляется контроллером ПДП, которому МП передает управление шинами для непосредственного обмена данными между блоком памяти и УВВ. После окончания обмена данными контроллер ПДП передает управление шинами МП, связь которого с шинами восстанавливается и выполнение программы продолжается.

При проектировании цифровых систем, в которых применяются МПК БИС, приходится решать следующие задачи:

- разработку алгоритмов, реализуемых с помощью МПС;

- выбор типа МПК;

- составление и отладка программы.

Разработка алгоритмов выполняется в соответствии с методами синтеза цифровых систем. В дальнейшем процесс синтеза разбивается на синтез аппаратных средств и программную часть.

Задачи, которые решаются в цифровых системах микропроцессорным устройством, разнообразны. Они могут быть связаны с формированием корректирующих программ для улучшения динамических свойств системы (в этом случае микропроцессорное устройство является по существу цифровым фильтром) или реализацией алгоритмов оптимальных и адаптивных систем.

Список литературы

1. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления/ Изд.4-е, перераб. и доп. - СПб.:Профессия, 2003.-752 с.

2. Пантелеев А.В.
Теория управления в примерах и задачах: Учеб.пособие/А.В.Пантелеев, А.С.Бортаковский. – М.: Высш.шк., 2003. – 583 с.:ил.

3. Куропаткин П.В.
Теория автоматического управления/ Учебн.пособие для электротехн.специальностей вузов. М.: Высш.шк., 1973. – 528 с.

4. Теория автоматического управления. Ч.1. Теория линейных систем автоматического управления. Под ред. А.А. Воронова. Учеб.пособие для вузов. М.: Высш.шк., 1977. – 303 с.

5. Коновалов Г.Ф.
Радиоавтоматика/ Учеб.для вузов по спец. «Радиотехника». – М.: Высш.шк., 1990. – 335 с.