Микропроцессорные средства

Технология изготовления интегральных элементов развивается по пути расширения функциональных возможностей схемы, заклю­чаемой в один корпус.

Появление первых процессоров ЭВМ, выполненных в виде интегральных схем (ИС), привело к буму микропроцессорной техники, а точнее, к широкому применению средств и методов вычислитель­ной техники в системах управления технологическими процессами, в том числе и на железнодорожном транспорте.

В настоящее время выпускается большое количество серий ИС, которые в сочетании с микропроцессорами (МП) позволяют созда­вать системы автоматизации любой сложности.

Поскольку в таких системах МП является ключевым элементом, рассмотрим подробнее его организацию исходя из его места в ЭВМ.

Ядром ЭВМ(рис. 2.19) является центральный процес­сор, осуществляющий арифметические и логические операции с данными, представляемыми в виде машинных слов, длиной от 4 до 64 бит. Слова организуются по байтам
(1 байт = 8 бит), хранятся в ре­гистрах памяти и в процессе преобразований пересылаются с одно­го регистра в другой.

Арифметическо-логический блок процессора осуществляет опе­рации сложения, перемещения, дополнения, сравнения, сдвига и т. д. со словами данных, хранящихся в регистрах и внутренней па­мяти машины. Программа, представляющая собой последова­тельность слов с командами и данными, хранится в памяти (внут­ренней или внешней) и под воздействием схемы управления реали­зуется в порядке записи.

Процессор также содержит регистр для записи признаков (флаж­ков) по переносу, знаку, нулевому результату, проверяемым при командах условного перехода, и стековый регистр, нужный для более удобной организации последовательности команд.

Внутренняя память ЭВМ необходима для оперативного хранения данных (оперативное запоминающее устройство) в про­цессе работы и постоянного хранения (постоянное запоминающее устройство) часто используемых программ и данных. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) должно хранить, как минимум, про­грамму запуска машины при первоначальном включении питания, когда в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) и процес­соре еще ничего не записано.

Во время работы процессор отыскивает команды и данные, хранящиеся в ОЗУ, определяет их значение и со­вершает соответствующие действия. При выполнении текущей команды по ее содержанию процессор определяет задание для следующей операции.

Внешняя память ЭВМ необходима для хранения больших массивов информации.

Обычно во внешней памяти хранятся те данные, которые не нужны при данном расчете или не вмещаются в ОЗУ, так как об­ращение процессора к внешней памяти занимает очень много вре­мени по сравнению с ОЗУ.

Устройство ввода-вывода информации необходимо для общения с машиной внешних потребителей — людей и технических систем. Поэтому различают устройства, предназначенные для вво­да-вывода буквенно-цифровой и графической информации, ориенти­рованной на человека, и устройства взаимосвязи со средствами автоматизации технологических процессов. В последнем случае организуется взаимодействие ЭВМ и средств автоматики на основе обмена цифровой информацией в режиме реального времени. Это означает, что процессы преобразования, передачи и восприятия информации о событиях не должны быть заметны для хода управляемого производственного процесса.

Шина данных является средством связи между всеми состав­ными частями ЭВМ. По ней осуществляется передача слов, причем в любой момент времени с шиной работают только два устройства: одно — передает, другое — принимает.

Шина состоит из группы информационных линий (обычно по числу разрядов машинного слова), группы адресных линий и груп­пы управляющих линий. Информационные линии обычно являются двунаправленными, по ним передаются данные в любом направле­нии. Однако в каждый момент времени данные могут передаваться только в одном установленном направлении.

Группа адресных линий (адресная шина) предназначена для выбора и подключения к шине данных устройства, с которым будет взаимодействовать процессор. Группа управляющих линий (шина управления) предназначена для задания процессором режима ра­боты машины по выполнению текущей операции (передача или прием данных в процессор, прерывание, прямой доступ в память и т. д.).

Успехи в производстве микросхем привели к созданию мини и микроЭВМ, по содержанию мало чем отличающихся от рассмот­ренной структуры ЭВМ.

Под мини-ЭВМ обычно понимают малую вычислительную ма­шину, центральный процессор которой выполнен на ИС средней и большой степени интеграции и размещен на одной или нескольких платах.

МикроЭВМ представляет собой вычислительную машину, у ко­торой процессор выполнен на одной или нескольких ИС большой степени интеграции (микропроцессор) и размещается вместе с ИС внутренней памяти (ОЗУ и ПЗУ) на одной-двух платах. Вычисли­тельные возможности мини-ЭВМ и микропроцессоров (МП) в зна­чительной степени совпадают, поэтому свойства системы больше зависят от состава внешних устройств.

МикроЭВМ характеризуется высокой скоростью выполнения команд, сравнительно малыми емкостями ОЗУ и ПЗУ, небольшой длиной обрабатываемых слов (до 16 разрядов), малым числом внешних устройств, селекторным режимом обмена с внешними уст­ройствами, небольшими размерами и потребляемой мощностью. Поскольку микроЭВМ обладает высокой производительностью, но слаборазвитым интерфейсом (системой связи) с внешними устрой­ствами, то стремятся в приборах, устройствах и системах встраи­вать МП непосредственно в места, где необходима обработка ин­формации.

Чаще всего такие функционально законченные и конструктивно оформленные изделия, содержащие микропроцессор, модули памя­ти и устройства сопряжения с конкретным технологическим обору­дованием для выполнения определенных программ управления, на­зывают микроконтроллерами.

Программируемость и многофункциональность МП позволяют по-новому подходить к разработке любых средств автоматизации. Традиционная жесткая логика систем (аппаратная реализация) це­лесообразна только в случаях автоматизации небольшого числа простых по содержанию операций, выполнение которых должно происходить с высокой скоростью и надежностью.

Процессор является центральным устройством любой ЭВМ, от которого зависит ее производительность. Типовой процессор (рис. 2.20) содержит набор регистров для оперативного хранения данных (операнды), над которыми производятся операции, систему коммутаторов для направленного перемещения данных, сумматор с блоком формирования дополнения для выполнения арифметиче­ских операций (арифметическо-логическое устройство) и устройст­во управления, координирующее работу функциональных блоков процессора в соответствии с содержанием очередной команды про­граммы. Программа работы записана в память машины и содер­жит все указания по управлению процессором.

Управляющее устройство микропроцессора КР580ИК80А (рис. 2.21), которое состоит из регистра команд, де­шифратора команд и схем управления. Регистр команд служит для приема кода операции текущей команды из памяти микропро­цессорной системы и его хранения в течение выполнения команды. Дешифратор команд расшифровывает код операции и коммутирует схемы управления для выполнения команды.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) состоит из ре­гистра временного хранения информации, регистра аккумулятора, кодопреобразователя, комбинационного АЛУ, аккумулятора, вен­тилей, регистра признаков и схемы десятичной коррекции.

Регистр временного хранения и регистр аккумулятора предназ­начены для приема и хранения двух восьмибитных слов перед их передачей в комбинационное АЛУ преобразования. Эти регистры являются также вспомогательными при выполнении межрегистровых передач.

Кодопреобразователь служит для передачи содержимого реги­стра RG1 в комбинационное АЛУ в прямом или обратном коде в зависимости от команды. Комбинационное АЛУ предназначено для выполнения операций сложения и вычитания, логических операций и сдвига данных. Оно производит параллельное преобразование двух восьмибитных слов из регистров RG1 и RG2.

Аккумулятор служит для приема и хранения результатов опе­рации, выполненной комбинационным АЛУ. Через вентили содер­жимое аккумулятора может быть передано в регистр аккумулятора или на внутреннюю шину данных.

Регистр признаков предназначен для запоминания особенностей результата операции, выполненной комбинационным АЛУ, и для выбора направления продолжения программы. Используются пять признаков: перенос, нуль, знак, четность, вспомогательный перенос.

Схема десятичной коррекции позволяет комбинационному АЛУ при необходимости выполнять операции по правилам десятичной двоично-кодированной арифметики.

Блок регистров включает шесть (В, С, D, E, H, L) восьмираз­рядных регистров общего назначения, два (W, Z) восьмиразряд­ных регистра временного хранения, 16-разрядный регистр — указатель стека, 16-разрядный счетчик команд, 16-разрядный ре­гистр адреса, схему инкремента-декремента, два восьмиразрядных мультиплексора 1 и 2 и 16-разрядный мультиплексор 3.

Регистры В, С, D, Е, Н и L предназначены для хранения опе­рандов или 16-разрядных адресов операндов. Они могут загружать­ся данными из памяти или из других регистров. Благодаря укоро­ченному адресу регистров общего назначения операции с ними вы­полняются быстро, поэтому их называют сверхоперативной памятью МП. Регистры W и Z используются при выполнении команд для временного хранения слов.

Счетчик команд предназначен для хранения адреса ячейки па­мяти, в которой находится очередная команда. При каждом обра­щении к программной памяти содержимое счетчика без участия АЛУ увеличивается на единицу (инкрементируется). После этого счетчик указывает следующий адрес ячейки памяти, где хранится очередная команда.

Указатель стека служит для приема, хранения и выдачи адреса вершины стека, т. е. последней занятой ячейки внешней памяти, где после прерывания временно хранится информация из регистров данных, аккумулятора и регистра признаков.

В указатель стека автоматически добавляется единица (инкре­ментируется) при выдаче байта данных и вычитается (декрементируется) при вводе.

Регистр адреса предназначен для приема, хранения и выдачи адреса ячейки памяти в течение времени, достаточного для деко­дирования. Из регистра адрес выдается на буфер шины адреса и в схему инкремента-декремента, которая представляет собой комбинационную схему, увеличивающую или уменьшающую содержимое регистра адреса по сигналам управления.

Буфер шины адреса служит для повышения нагрузочной спо­собности шины адреса и имеет три состояния. Буфер шины данных предназначен для повышения нагрузочной способности шины дан­ных и обеспечивает передачу данных в МП или из него.

Мультиплексоры 1 и 2 служат для передачи информации меж­ду внутренней шиной данных и регистрами, а мультиплексор 3 — для передачи информации из блока регистров в регистр адреса. Схема выборки регистра представляет собой дешифратор кода команды, определяющей регистр для выполнения данной команды.

Все виды взаимодействия МП с любыми внешними устройства­ми происходят по трем шинам — адреса, данных и управления. Логическое состояние этих шин полностью определяет состояние вычислительной системы в любой момент времени.

Адресная шина (обычно 16 линий АО—А15) используется для выдачи из МП сигналов для выбора и электрического подключения внешнего устройства микропроцессорной системы. Шина данных (не менее восьми линий ДО—Д7) предназначена для двусторон­него обмена информацией между МП и выбранным внешним уст­ройством. Шина управления (не менее четырех линий) обеспечи­вает процессы соединения и переноса информации между МП и внешними устройствами.

Указанные шины выполняют четыре основные функции, доста­точные для взаимодействия МП с любым внешним устройством: запись данных в память системы; считывание данных из памяти системы; запись данных в устройство ввода-вывода; считывание данных с устройства ввода-вывода. Каждая из этих функций реа­лизуется в три этапа: обеспечение на адресной шине стабильных уровней сигналов выбора устройства; стабилизация уровней сигна­лов на шине данных в соответствии с передаваемой информацией; активизация шины управления для выполнения нужной функции. Для работы микропроцессорной системы, кроме рассмотренных четырех функций, обязательна еще одна — выполнение операций с содержимым внутренних регистров.

Выполнение любой команды происходит в такой последователь­ности: микропроцессор указывает адрес, по которому в памяти хра­нится код операции команды; код операции вводится в МП, кото­рый дешифрирует команду и выполняет одну из пяти основных функций в соответствии с результатами дешифрации команды.

Взаимодействие МП с внешними устройствами предполагает определенную совокупность программных, аппаратных и конструк­тивных средств, составляющих так называемый интерфейс. Строго говоря, каждое устройство и модуль системы имеют свой интер­фейс, но по функциональному назначению можно выделить: внутри машинный интерфейс для организации взаимодействия модулей МП; интерфейс для подключения внешних периферийных устройств; системный интерфейс для взаимодействия многих микропроцессо­ров в сложной (мультимикропроцессорной) системе.

Внутри машинный интерфейс чаще всего выполняют в виде ма­гистрали для параллельного способа передачи информации между модулями в асинхронном мультиплексном режиме, т. е. в любой момент времени организуется связь между двумя абонентами в од­ном направлении.

Магистральный принцип является основным и для интерфейса периферийных устройств микропроцессорной системы, однако ис­пользование общих шин не вызывает затруднений только в том случае, если все объединяемые устройства находятся в непосредст­венной близости друг от друга. Так, параллельный интерфейс (многопроводный магистральный канал общего пользования) не может превышать 20 м, а общее число подключаемых устройств не может быть более 15.

При больших расстояниях между МП и периферийными устрой­ствами стремятся к использованию однопроводных линий с после­довательным способом передачи информации. Такие интерфейсы (RS-422) позволяют иметь периферийные устройства на расстоя­нии до 1200 м.

С устройствами, описанными в разделе 2.1, можно ознакомиться по [2, 3, 4].

Контрольные вопросы и задания

Контрольные вопросы

1. Пояснить принцип действия электромагнитных реле.

2. Чем отличаются реле первого класса надежности о других реле?

3. Классифицировать реле по принципу действия, по роду питающего тока, по времени срабатывания.

4. Что такое ток срабатывания, ток отпускания, коэффициент возврата?

5. Маркировка реле применяемых в устройствах автоматики и телемеханики.

6. Условные графические обозначения реле первого, второго и третьего класса надежности.

7. Конструкция нейтральных реле.

8. Конструкция поляризованных и импульсных реле.

9. Конструкция комбинированных реле.

10. Конструкция реле переменного тока.

11. Конструкция трансмиттера и графики кодовых сигналов.

12. Объясните принцип действия полупроводниковых приборов, бесконтактного трансмиттерного реле и триггера.

13. Назовите основные логические элементы и их функции.

14. Дайте определение понятиям: распределители, регистры, шифраторы, дешифраторы и выполняемые функции.

15. Пояснить работу структурной схемы микропроцессора.

Задание

1. Составить временную диаграмму работы пульс-пары, схема которой приведена в приложении 1.

2. Запустить программу 2 (см. приложение 7) и проследить за действием кодово-путевого трансмиттера.