Микропроцессорные системы

Элементная база микропроцессорных систем

Микропроцессоры

МП называют электронное устройство, способное выполнять логическую и арифметическую обработку данных с помощью программ, записанных в виде последовательностей, из ограниченного набора команд.

Наибольшее распространение получили однокристальные МП, т. е. такие, вся электрическая схема которых конструктивно выполнена в виде интегральной схемы в одном корпусе (рис. 1). Такие МП имеют фиксированную разрядность обрабатываемых данных 8, 16, 32, 64 бит.

Законодателями мод в производстве МП являются фирмы «Intel», «AMD», «Cyrix» и некоторые др., постоянно конкурирующие и выпускающие все новые, более совершенные, процессоры [1], предназначенные для различных вычислительных систем: обычных персональных, промышленных и мультимедийных компьютеров (ПК); профессиональных рабочих станций (WorkStations), мультипроцессорных систем с конвейерной, параллельной обработкой информации.

МП с разрядностью 4 или 8 предназначены для применения в упрощенных системах автоматики или для построения сложных, многоразрядных систем с нетиповой разрядностью [2]. Применение таких МП для разработки систем – достаточно сложная задача, требующая высшей квалификации разработчика в области цифровой обработки данных. Поэтому широкого распространения они не получили, а используются в узкоспециализированных системах, где их применение оправданно необходимостью оптимизации аппаратной части за счет усложнения алгоритмов.

Программируемость делает МП универсальным средством обработки данных, так как при наличии фиксированного набора аппаратных средств он может выполнять различные алгоритмы обработки в зависимости от загруженной в его память программы. Программы могут перезагружаться в процессе работы. Однако, несмотря на это имеется большое разнообразие семейств (серий) МП, а также типов МП внутри семейств, отличающихся отдельными техническими характеристиками, составом встроенного оборудования, архитектурой, системой команд и конструктивным исполнением [1] –[3].

На рис. 2 приведена очень упрощенная структура микропроцессора. Работа МП выполняется под воздействием микропрограммного устройства управления. По шинам (линиям связи) извне поступает очередная команда (или порция команд), которая направляется в соответствующий буфер, где и запоминается на период обработки. Обработка заключается в дешифрации команды, подготовке данных и исполнении команды, чаще всего с помощью арифметическо-логических устройств (АЛУ). Данные могут поступать по шинам как извне, так и из регистров общего назначения (РОН), куда они попадают в результате выполнения предыдущих команд. Результат выполнения текущей команды может быть направлен через шины на внешние выводы или в РОНы. Приведенный алгоритм весьма упрощен, так как не учитывает конкретных особенностей архитектуры МП.

Основу структуры на рис. 2 составляет система шин между элементами, которая существенно влияет на архитектуру и, следовательно, на производительность процессора.

Универсальные процессоры имеют чаще всего совмещенные шины для передачи адресов, данных и команд, которые хранятся в устройствах памяти с общим адресным пространством (архитектура Фон-Неймана). Это позволяет значительно упростить аппаратную часть за счет некоторой задержки при выполнении команд.

В процессорах высокой производительности используется «гарвардская» архитектура, для которой характерно аппаратное разделение шин и устройств памяти данных и программ (, как это показано на рис. 3.)

Большое разнообразие и развитие процессоров объясняется стремлением получить наилучшие характеристики для конкретных применений.

Так, наряду с универсальными процессорами, используемыми в ПК первых поколений, появляются специализированные сопроцессоры для ускоренных вычислений над числами с плавающей точкой.

В системах автоматики и автоматизированной обработки данных появляются процессоры цифровой обработки сигналов (ЦОС) или Digital Signaling Processor (DSP) – в английской транскрипции.

Широко известны DSP фирм «Texas Instruments», «Analog Devices», «Motorola» и др. [4].

Приведенная на рис.1. 3 структура МП для цифровой обработки сигналов содержит аппаратные умножители, способные перемножать 2 операнда за 1 такт, в отличие от обычных универсальных МП, выполняющих эту операцию в сотни раз медленнее.

Микропроцессорные системы

Чип МП может выполнять функции обработки данных только в составе схемы, содержащей дополнительные устройства хранения данных и программ, генератор импульсов тактовых частот, индикаторы отображения состояний отдельных сигналов и шин данных, устройства ввода и вывода сигналов, соединенные между собой определенным образом. Конструктивно эти устройства могут быть выполнены в виде отдельных микросхем или в виде отдельных печатных плат. Состав, конструктивные и технические характеристики такой схемы приводят к понятию о МПС.

МПС называют совокупность устройств (МП, БИС памяти, шин и портов ввода/вывода, периферийных устройств), образующих функционально и конструктивно завершенный элемент как часть системы автоматизации какого-либо процесса или объекта. Пример типовой структуры МПС приведен на рис. 4, где показаны внутренние и внешние устройства и шины.

Типичными примерами МПС являются: персональный, промышленный или переносной компьютеры; системы регулирования и управления на основе компьютеров с дополнительными внешними устройствами связи с объектом управления (УСО); устройства контроля на основе одноплатных компьютеров с набором необходимых внешних устройств. Понятие «архитектура МПС» включает в себя состав, схему соединений и протокол обмена информацией между элементами системы. Наиболее характерным классификационным признаком различия МПС по архитектуре является принадлежность к классу централизованных или к классу распределенных МПС.

Пример централизованной структуры МПС приведен на рис.1. 5.

Система имеет один центр обработки данных, поступающих с объектов по аналоговым и дискретным линиям от удаленных датчиков. Управляющие воздействия также по аналоговым и дискретным линиям передаются на исполнительные устройства объектов управления.

Исторически – централизованные микропроцессорные системы – это первые, более ранние версии, спроектированные с учетом относительно высокой стоимости вычислительных устройств.

Сегодня данная структура применяется, когда число объектов контроля или управления не велико и связи между центром обработки и первичными датчиками или исполнительными устройствами не столь протяженны, чтобы можно было опасаться влияния помех, наведенных на линии обмена данными.

Для устранения указанных недостатков целесообразно максимально сократить длину аналоговых линий связи, а значит, устанавливать вычислительные устройства (контроллеры) не только вблизи объектов управления, но и у каждого объекта.

Таким образом, предварительная обработка, например аналого-цифровое преобразование, сравнение с пороговыми уставками, усреднение, регулирование и т. д., может выполняться непосредственно на объекте, т. е. с помощью интеллектуальных контроллеров или даже с помощью замкнутых локальных систем.

При необходимости, обмен данными между локальными узлами и центральным пультом осуществляется уже только дискретными сигналами через значительно более простой и помехозащищенный последовательный канал. На рис.1. 6 показана структура такой системы. Следует отметить, что распределенной называется система, в которой не только число процессоров больше одного, они могут быть расположены на значительном расстоянии друг от друга, но и одна и та же информация может обрабатываться в разных вычислителях, по своим алгоритмам, т. е. имеет место параллельная обработка данных.

Относительно простыми распределенными системами являются системы сбора и обработки данных с компьютером и несколькими контроллерами предварительной обработки, применяемые на судах и промышленных объектах:

- -системы предупредительной сигнализации и автоматического пожаротушения;

- -системы контроля уровней и перекачки жидкостей в танках и цистернах;

- -системы визуального контроля и охранной сигнализации;

- системы автоматизированного учета электроэнергии и регистрации аварий в электросетях промышленных предприятий и т. д.

Сложной МПС является мультипроцессорная система на основе транспьютеров – базовых вычислительных элементов, ориентированных на использование в массово-параллельных вычислительных системах.

По замыслам авторов, транспьютерная сеть способна моделировать нейросети и мыслительные процессы мозга.

Микроконтроллеры

Необходимость иметь вычислительные ресурсы в непосредственной близости к объектам контроля или управления, с одной стороны, а также усспехи микроэлектроники (миниатюризация и снижение стоимости элементов) привели к появлению МК. МК называют- электронногое устройствао, объединяющееобъединяющего большую часть МПС в одном кристалле.

Такие устройства почти идеальны как средства промышленной и бытовой автоматизации. Они способны автоматически решать частные задачи – от простых логических, до усложненных алгоритмов с математической обработкой данных.

Наиболее полное представление о МК можно получить из технических описаний фирм-производителей или из популярной технической литературы по их применению [1] –[5]. Пример типовой схемы МК приведен на рис. 7.

Цикл практических занятий и лабораторных работ по данной дисциплине позволит подробно ознакомиться с конкретными микроконтроллерами фирмы «MicroChip», их техническими характеристиками и средствами разработки программного обеспечения.