2. Микропроцессорные контроллеры систем автоматического управления
Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) позволяют реализовать в одном кристалле центральный процессор ЭВМ, оперативную память достаточно большой емкости, устройства ввода-вывода, таймеры. Такая СБИС, под названием однокристальная микроЭВМ, работает по программе, составленной как на машинном языке (или в командах Ассемблера), так и на языках высокого уровня (Бейсик, Паскаль, СИ, и др.). Использование микроЭВМ для управления машинами и технологическими процессами окупается повышением качества управления объектом и возможностью изменения алгоритма его работы изменением только управляющих программ, при этом структурная схема микропроцессорной системы может не изменяться. Выпускаются универсальные и специализированные микропроцессорные контроллеры.
2.1. Структура микропроцессорных контроллеров
Микропроцессорные системы (МПС) управления технологическими процессами и механизмами, разработанные на микроЭВМ и микропроцессорных комплектах микросхем, имеют примерно одинаковую структурную схему, приведенную на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Микропроцессорная система управления
Основной ее узел - микропроцессор (МП), у которого к шинам данных (ШД), адреса (ША) и управления (ШУ) подключены микросхемы постоянного и оперативного запоминающих устройств (ПЗУ) и (ОЗУ) и микросхемы устройства ввода и вывода (УВВ), объединяющего до 2n портов ввода и портов вывода информации от и к внешним устройствам.
МП производит необходимые действия по программе, управляет передачей данных в систему и получением данных из нее, вырабатывает необходимые управляющие сигналы для всех внешних устройств системы, соединенных с МП шинами. ШД - двунаправленная, предназначена для передачи информации между МП, ЗУ и УВВ. Шина объединяет 4, 8, 16 или 32 провода в соответствии с рядностью МП. Шину изображают двойной или утолщенной линией со стрелками в начале и конце, что указывает на двойное направление передачи информации в ее проводах.
ША - однонаправленная. Выдаваемая из МП на нее информация указывает на определённую область ЗУ или УВВ, к которым он обращается. Разрядность ША определяет количество ячеек ЗУ, к которым обращается МП: N = 2п , где п - разрядность (число проводов) ША.
ШУ - однонаправленная, при передаче команды от МП сигнал может быть в одном или нескольких проводах.
Работа МПС начинается с подачи сигнала начальной установки, по которому обнуляются все регистры МП и он устанавливается в нулевое состояние. После обнуления, при поступлении сигналов от тактового генератора, МП обратится к ячейке ПЗУ с адресом 0000Н. Записанная в этой ячейке команда по ШД поступит из ПЗУ в МП, который ее расшифрует и начнет выполнять, используя информацию из ОЗУ или УВВ. Выполнив команду, МП по ЩД передает ее результат в ЗУ или УВВ и выставит по ША следующий адрес 0001Н. Программа будет выполняться до тех пор, пока в ячейке памяти ЗУ не встретится команда «стоп» или пока она не поступит от внешнего устройства.
Модуль МП может состоять из одной БИС (например К580) или собираться из нескольких БИС (например KI804).
Логическая структура типового МП включает управляющую часть (УЧ) и операционную часть (ОЧ), причем УЧ генерирует сигналы управления в соответствии с программой, а ОЧ в соответствии с этим реализует обработку цифровой информации.
Рассмотрим логическую структуру типового МП, блоки которого объединяет внутренняя информационная магистраль, состоящая из шины данных (ВШД), шины адресов (ВША) и шины сигналов управления (ВШУ) (рис. 2.2).
В состав операционной части микропроцессора входят арифметико-логическое устройство АЛУ, регистры сверхоперативного запоминающего устройства РОН, аккумулятор А и регистр признаков РП. Управляющая часть МП состоит из устройства управления УУ, регистра команд РК, счетчика команд СК и буферных усилителей БША и БШД. Микропроцессор обрабатывает информацию с помощью внешних устройств - генератора тактовых импульсов ГТИ, оперативного и постоянного запоминающих устройств, входящих в состав ЗУ и интерфейса ввода - вывода.
Рис. 2.2. Структурная схема типового МП
Объем памяти ЗУ, к которому обращается МП, является основным параметром МП наряду с его разрядностью, временем выполнения команд, числом типов команд, числом программно доступных регистров и числом режимов адресации.
Объем памяти ЗУ определяется разрядностью счетчика команд. Если разрядность п = 16, то емкость ЗУ будет 216 = 65536 байт или 64 Кбайт. Счетчик команд СК - регистр, выдающий записанное в него число с адресом очередной команды или операнда на шину адресов по команде с УУ, поступающей по ВШУ. В простых МП стремятся составить программу так, чтобы команды и операнды были записаны в ЗУ в строгой очередности.
В системе команд МП предусмотрена возможность перехода на любом шаге функционирования к выполнению подпрограммы, в этом случае УУ изменяет число, записанное в счетчике, чтобы оно соответствовало адресу вызова подпрограммы. Предварительно УУ переносит в регистр указателя стека (УС) адрес ячейки прерванной программы, к которой было последнее обращение, а после выполнения подпрограммы возвращает его из УС в счетчик СК.
Регистр команд (РК) - регистр, в который из ЗУ записывается очередная команда для дешифрирования. Формат команд зависит от разрядности и типа МП. Большинство команд содержит код операции и данные, над которыми следует ее производить. Количество команд определяет разрядность МП, так при 8 разрядах возможно выполнение 28 = 256 различных команд.
Арифметико-логическое устройство АЛУ выполняет предусмотренное структурой МП количество логических и арифметических операций. По окончании каждой из них оно вырабатывает признак, характеризующий результат, и заносит его в регистр признаков РП. В 8-разрядном MП АЛУ выполняет 16 логических и 16 арифметических операций.
Аккумулятор (А) представляет буферный регистр, предназначенный для временного хранения данных, которые должны быть переданы в АЛУ для обработки и хранения результата их обработки в АЛУ.
Устройство управления УУ имеет сложную последовательностную логическую структуру, определяющую машинный язык (систему команд) микропроцессора. Оно управляет обменом данных между узлами микропроцессора и устройствами ввода - вывода информации, а также осуществляет запись команд и операндов в память и считывание их из памяти. Под действием ГТИ кольцевой счетчик и логические схемы выдают последовательно во времени сигналы управления, соответствующие конкретной команде, на соответствующие выходы внутренней и внешней шин.
Буфер шины данных БШД служит для обмена информацией МП с периферийными устройствами ЗУ и УВВ. В нем хранится слово, которое должно быть перенесено в ЗУ либо направлено в УВВ, или слово, только что считанное из ячейки памяти ЗУ либо с выхода датчика.
Выходной каскад БШД имеет три устойчивых состояния. Одно из них соответствует сигналу 1 на выходе, другое - 0, третье - высокоимпедансному состоянию, при котором выход изолирован от источника питания и его сопротивление Z = ∞.