Микропроцессорные средства управления

В настоящее время микропроцессорные средства широко применяются во всех областях деятельности человека. Их основой является микропроцессор (МП) — программно-управляемое цифровое устройство, предназначенное для обработки информации и управления этим процессом.

Микропроцессор выполняется на основе одной или нескольких больших ИС (БИС), которые состоят из нескольких десятков тысяч простых элементов и могут иметь 24, 40, 48 и 64 вывода. Площадь БИС не превосходит нескольких десятков квадратных миллиметров, что определяет малое энергопотребление МП, его надежность в работе, небольшие массу и габаритные размеры, а при массовом выпуске — невысокую стоимость БИС. Выпуск БИС для МП в развитых странах удваивается примерно каждые 2 года.

Структурная схема микропроцессора показана на рис. 1, а. В нее входят арифметико-логическое устройство (AЛУ), устройство управления (УУ) и регистровое запоминающее устройство (РЭУ). Эти три основные части МП соединены тремя линиями связи — шинами данных ШД, адресов ША и управления ШУ.

Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций над данными в виде двоичных чисел. Данные, с которыми производятся эти операции, называются операндами. Обычно в операции участвуют два операнда, один из которых находится в специальном регистре — аккумуляторе А, а другой — в регистрах РЗУ или памяти МП. Иногда АЛУ называют операционной частью МП.

Регистровое запоминающее устройство содержит несколько регистров Общего назначения (РОН), а также регистров сигнального назначения, в частности счетчик команд (СК). Иногда РЗУ называют внутренней памятью МП.

Управляющее устройство предназначено для выработки сигналов управления, обеспечивающих работу блоков МП. В состав УУ входит регистр команд (РК), в котором фиксируется выполняемая в данный момент команда.

Команды, обеспечивающие реализацию заданного алгоритма обработки информации, образуют программу и выполняются в пошаговом режиме строго в записанной последовательности

Каждая команда программы содержит информацию о том, что нужно делать, с какими операндами и по какому адресу поместить результат операции. Для этого команда имеет структуру, приведенную на рис. 1, б. Первая часть команды содержит код операции (КОП), т.е. информацию о характере выполнения операции над операндами (например, сложение, логическое сравнение и т.д.), Вторая часть команды — адресная — содержит адреса расположения операндов с которыми производится данная операция, и адрес регистра или ячейки памяти, куда должен быть помещен результат.

Команды, адреса и операнды МП выражаются двоичными многоразрядными числами, приставляемыми, как и во всех цифровых устройствах, комбинацией двух уровней напряжения — высокого и низкого. Первые МП оперировали с четырехразрядными числами, а современные ЭП – с восьми и шестнадцатеричными. Использование в МП многоразрядных двоичных чисел позволяет повысить быстродействие и точность работы.

Программа (совокупность команд) МП может быть записана несколькими способами. Первый на них предусматривает запись команд непосредственно в виде двоичных чисел, т.е, в виде так называемого машинного кода, «понятного» данному МП.

Для выполнения функции управления схема МП дополняется целым рядом блоков, в результате чего образуется микропроцессорная схема (МПС), структурная схема которой приведена на рис. 2.

В состав MПС наряду с МП в общем случае входят устройства памяти ОЗУ и ПЗУ, интерфейсное устройство (ИУ), устройства сопряжения (УС) с внешними объектами; внешние запоминающие устройства ВЗУ, устройства ввода-вывода информации (УВВ) общая шина (ОШ), включающая в себя ШД, ШУ и ША.

Память ОЗУ и ПЗУ служит для размещения подлежащих обработке данных программы, в соответствии с которой эта обработка должна вестись, и результатов обработки. Для расширения возможностей МПС, кроме ОЗУ и ПЗУ могут использоваться ВЗУ к числу которых относятся накопители информации.

Устройства ввода-вывода информации предназначены для обеспечения взаимодействия МПС и человека в удобной для него форме. К устройствам ввода-вывода относится клавиатура пульта управления МПС, принтер, графопостроители, устройства визуального представления ннформации (дисплеи) и т.д..

Устройства сопряжения обеспечивают связь МПС с различными внешними (периферийными) устройствами. Они могут иметь самые разнообразные схемные и элементные реализации. В частности, для согласования сигналов датчиков Д объекта управления ОУ с МПС используются аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи электрических сигналов обозначенные на схеме УС1 и УС2.

Устройства сопряжения УСЗ и УСА, предназначенные для связи МПС с ВЗУ и УВВ, представляют собой в простейшем случае буферные (промежуточные) регистры памяти для хранения данных, передаваемых с ОШ на внешние устройства или обратно. Устройства сопряжения, получившие название контроллеров (микрокод трайлеров), выполняют более сложные функции, и их работа может программироваться.

Устройства сопряжения УС5 выполняют согласование работы данной МПС с другими МПС и ЭВМ. Устройства такого типа: получили название адаптеров.

Интерфейс устройств (ИУ) — это совокупность электронных схем шин и алгоритмов (программ), обеспечивающая управление передачей информации между МП, памятью и внешними устройствам, к которым относятся УВВ, ВЗУ и Д. Говоря кратко, НУ обеспечивает требуемое взаимодействие МПС с указанными внешними устройствами при изменении режима ее работы. Типичным примером является переход от выполнения одной программы к выполнению другой при поступлении от какого-либо внешнего устройства сигнала управления. Такой переход получил название прерывания. После завершения прерывающей программы ИУ обеспечивает возврат МПС к работе по прерванной программе. Примерами ИУ являются таймер, блок прямого доступа к памяти, блок организации прерываний.

По назначению и своим характеристикам различают следующие виды МПС

Унифицированные блочные микропроцессорные комплексы и программируемые логические контроллеры, которые предназначены для создания локальных систем автоматического управления отдельных агрегатов, технологических комплексов и промышленных систем.
Специализированные мини- и микро ЭВМ ориентированы на, конкретный тип объекта управления и наиболее часто используются как встраиваемые.
Мини- и микро ЭВМ общего назначения, персональные ЭВМ, управляющие мини- и микро ЭВМ имеют в своем составе широкий набор устройств сопряжения, ввода-вывода и обладают возможностью выполнения больших объемов выделительных операций.

В связи с этим они применяются при решении сложных задач управления таких как оптимизация технологических Процессов, статистические методы их контроля, хранения и обработки больших объемов информации, управление в реальном масштабе времени и др.