5. Целесообразность применения микропроцессоров

Дать однозначный ответ на поставленный вопрос или, тем более, привести рецепт, как действовать в той или иной ситуации, не представляется возможным. В каждом конкрет­ном случае вопрос об эффективности использования микропроцессора в проек­тируемом из­мерительном приборе решает разработчик прибора. Тем не менее, анализ уже имеющихся приборов и литературных источников позволяет привести общие соображения, облегчающие ориентацию специалистам, перед которыми возникла дилемма: "Применить микропроцессор или традиционное схемное решение в рамках жесткой логики?" Они сводятся к тому, что ис­пользова­ние микропроцессоров в средствах измерения оправданно в сле­дующих типичных ситуациях:

1. Требуемое для решения задачи число интегральных схем (корпусов) m30 (некото­рые специалисты считают, что следует ориентироваться на микропроцессор при m50).

2. Прибор должен быть многофункциональным, программиру­емым, необходима функциональная гибкость.

3. Предвидятся дальнейшие развитие измерительной системы, наращивание, расши­рение ее функций.

4. Измерительная система должна взаимодействовать с боль­шим числом входных и выходных устройств.

5. Требуется запоминание группы данных.

6. Предвидится фиксация в памяти большого числа логичес­ких состояний.

7. Используются алгоритмы косвенных и совокупных измере­ний, а вычислительные процедуры должны быть автоматизиро­ваны.

8. Обязательны высокие метрологические характеристики, трудно достижимые или не достижимые обычными путями.

9. Требуются самокалибровка и самодиагностика.

10. Статистическая обработка результатов измерений должна быть органической ча­стью измерительной процедуры и должна выполняться автоматически.

11. Значения погрешностей измерений должны определяться по ходу измерения и отображаться на дисплее прибора.

12. Необходимо выполнение математических функциональных преобразований, таких как линеаризация зависимости, квадрирование, нахождение отношений значений двух ве­ли­чин, выражение результата измерения в децибелах и т.п.

13. Требуются новые возможности прибора, которые могут быть осуществлены только с помощью микропроцессора.

14. Быстродействие микропроцессора достаточно высоко для работы проектируемого средства измерения в реальном масштабе времени, а если он не удовлетворяет этому требо­ванию, то прием­лемо применение мультипроцессорной системы, позволяю­щей полу­чать не­обходимое быстродействие.

15. Велик объем измерений, и при их выполнении требуется высокая производитель­ность.

6. Причины, сдерживающие применение микропроцессоров

Отвечая на поставленный вопрос, следует отметить, что име­ются причины субъек­тивного и объективного характера. К основ­ным из них относятся:

Психологический барьер. Среди специалистов есть люди, скеп­тически полагающие, что "микропроцессорная полоса" подобна быстро проходящей моде. Они не осведомлены о том, что микро­процес­соры вошли всерьез и надолго в различные области техни­ки и осо­бенно в контрольно-изме­рительную технику, что микро­процессоры определяют уровень на­учно-технического про­гресса не только сегодняшнего и завтрашнего дня, но, как считают авто­ритетные отечест­венные и зарубежные специалисты, будут играть большую роль и в технике XXI века. Зало­гом этому служит все расширяющееся и углубляющееся применение микропроцессоров, быстрые темпы создания более совершенных моделей, открываю­щих все новые и новые возможности построения оригинальных ус­тройств с удивительными свойст­вами.

Отмеченная группа невелика. Значительно более многочислен­на группа специали­стов, которая, допуская перспективность мик­ропроцессорной техники, неправильно оцени­вает микропроцессоры и условия, при которых их целесообразно применять. Многие пред­ставители этой группы полагают, что микропроцессоры — очень сложные и экономически невыгодные устройства. Этих специали­стов, мыслящих категориями больших ЭВМ, сму­щает неполнота "загрузки" микропроцессора. Такие взгляды, по-видимому, обусловлены не­доразумениями, поверхно­стным знакомством с микропроцессор­ной техникой. Несомненно, что изучение микропроцессоров, проникновение в "микропро­цес­сорный мир" поможет по­нять, во-первых, что сами микропроцессо­ры и многие компо­ненты микропроцессорных ком­плектов — недо­рогие устройства, и, во-вторых, что в очень многих устройствах наличие микропроцессорной системы оправ­дано, даже если ее вычислительные возможности исполь­зуются всего на несколько процен­тов, так как не только техничес­кие, но и экономические выгоды, достигаемые в результате при­менения такой системы, могут во много раз превысить ее стои­мость. Более того, введение микропроцессор­ной системы в средства измерения не­редко позволяют существен­но снизить их стоимость по сравнению с приборами, имеющими аналогичные ха­рактеристики (если они достижимы без микропро­цессоров), но выполненные по схемам с жесткой логикой. К ска­занному следует добавить, что микропроцессоры бес­ценны в тех слу­чаях, когда только на их основе возможны выполнение по­ставленных требо­ваний, дости­жение новых свойств устройства.

Трудности выбора базового микропроцессора. Промышленность выпускает много типов микропроцессоров, и число новых разработок лавинообразно нарастает. Не­редко го­ворят о высоких темпах появления новых поколений микропроцессоров. Но, в от­личие от ЭВМ, у которых каждое последующее поколение по ос­новным технико-экономиче­ским по­казателям превосходит преды­дущее и обычно вытесняет его, микропроцессоры всех поколе­ний сосуществуют и взаимно дополняют (а не вытесняют) друг друга. Так, например, появ­ление 16- или 32-разрядных микропроцессо­ров, ничуть не уменьшив роли 8-разрядных мик­ропроцессоров, расширило круг решаемых задач, позволило повысить быстро­действие уст­ройств, открыло возможности получения новых свойств разрабатываемых систем. Бо­лее того, иногда микропро­цессорные комплекты, характеризующиеся одинаковой разрядно­стью микропроцессора, различаются по быстродействию, емкости запоминающих устройств. Оче­видно, что каждый из этих микро­процессорных комплектов может с одинаковым успе­хом быть ис­пользован в "своем" проектируемом приборе в соответствии с решаемой зада­чей, за­данными характеристиками прибора.

Но это еще не все. Дело в том, что появление большого числа типов универсальных микропроцессоров вовсе не уменьшило коли­чества разработок специализированных микро­процессоров, кото­рые рассчитаны на конкретные применения и часто оптимизиро­ваны по различным параметрам. Поэтому далеко не всегда постав­ленные задачи должны решаться с помощью универсального мик­ропроцессора. Нередки ситуации, когда намного эффективнее спе­циализированный микропроцессор. Так, операция перемножения двух однобайтовых чи­сел универсальным микропроцессором, стру­ктура которого предопределяет вычисления по программе "сложе­ние со сдвигом", требует значительного времени. Например, мик­ропро­цес­сор, характеризуемый быстродействием 1 млн. регистро­вых операций в секунду пере­мно­жает два однобайтовых числа примерно за 50 мкс (могут быть колебания в зависимости от про­граммы). В то же время специализированные микропроцессоры, выполняемые в од­но­кристальном исполнении, — матричные перемножители (в отечественной литературе их также называют ариф­метическими расширителями) — обладают гораздо более высоким бы­стродействием: два 8-разрядных числа они перемножают за интервал времени, не превы­шающий сотых долей микросекунды. Поэтому в ситуациях, когда необходима высокая ско­рость пере­множения, исключительную ценность представляет специализи­рованный микро­процессор.

Выпускаются большие интегральные схемы, выполняющие бы­строе преобразование Фурье, монолитные корреляторы, схемы, представляющие однокристальное сочетание АЦП и микропро­цессора, "аналоговый" микропроцессор и т.п. Обилие разнообразных микро­про­цессорных средств, не всегда с достаточной полнотой освещенных в справочных изда­ниях, хотя и представляет большие возможности, несомненно, осложняет процедуру выбора базо­вого микропроцессора для проектируемого средства измерения.

Ограниченное быстродействие микропроцессоров. Рассматривая вопрос о примене­нии микропроцессора, следует внимательно про­анализировать его быстродействие, выяс­нить, достаточно ли оно для решения сформулированной задачи. При этом важно пра­виль­но ориентироваться в справочных данных, характеризующих бы­стродействие микро­процессора.

В общем плане, по аналогии с ЭВМ, быстродействие микро­процессора интерпретиру­ется как средняя скорость выполнения, некоторого алгоритма. Очевидно, что эта усреднен­ная характери­стика может довольно сильно расходиться с числовым значением скорости выполнения алгоритма, определяющего последователь­ность выполнения операций для ре­шения конкретной задачи.

В справочниках наиболее часто быстродействие микропроцес­сора характеризуют числом операций "регистр-регистр" в секун­ду или продолжительностью выполнения одной операции. Под та­кой операцией понимают короткую операцию сложения содержи­мого реги­стра R и содержимого аккумулятора с последующей пе­ресылкой результата в регистр R (от­сюда название операция ти­па RR или операция "регистр-регистр"). Эта характеристика не дает полного представления о быстродействии микропроцессора при выполнении различ­ных вычислительных процедур, совокуп­ность которых определяет решение задачи.

Наряду с указанной характеристикой в справочниках фигури­рует и другая косвенная характеристика быстродействия микро­процессора — тактовая частота. Это частота сигналов тактового генератора. Например, тактовая частота у микропро­цессорного ком­плекта КР580 составляет 2 МГц, а у комплекта К1800 она существенно выше - 36 МГц. Однако следует учи­тывать, что в течение одного такта микропроцессоры разных ти­пов могут выполнять не­одинаковое число микроопераций, причем продолжительность одной из них может отли­чаться от продолжительности другой.

Программное обеспечение. При разработке измерительных си­стем и приборов, со­держащих микропроцессоры, наибольшую трудность представляет программное обеспече­ние. Сложность решения этой задачи определяется:

- необходимостью овладения специалистами в области электрони­ки, хорошо знаю­щими микропроцессоры, искусством программиро­вания микропроцессорных систем, в част­ности умением рациональ­но выбрать язык программирования;

- большим разнообразием программ, которые с достаточной пол­нотой удовлетворили бы потребности различных пользователей прибора;

- высокой стоимостью программного обеспечения, во много раз превышающей аппа­ратурные затраты;

- трудностью отладочной процедуры, требующей применения специальных средств отладки программ.

В определенной степени задачу программного обеспечения вновь создаваемых уст­ройств облегчает наличие уже разработан­ных пакетов прикладных программ для широко ис­пользуемых микропроцессоров.

Проблема испытаний, контроля, диагностики. Она должна ре­шаться на стадии проек­тирования средства измерения. Основные трудности связаны с тем, что традиционные изме­рительные и ис­пытательные приборы, широко применяемые в аналоговой техни­ке (осцилло­графы, вольтметры и т.п.) неэффективны для испыта­ния и диагностики микропроцессорных систем.

За последние годы разработаны специальные приборы, позво­ляющие успешно тести­ровать средства измерения, содержащие микропроцессоры. Однако ориентация на опреде­ленный тип тес­тирующего прибора должна быть произведена еще при проекти­ровании сред­ства измерения с учетом условий его эксплуатации и квалификации обслуживающего персо­нала.