Введение

Благодаря новейшим достижениям в микроэлектронике, связанным с появлением микропроцессоров, модулей памяти, разнообразных интерфейсов, контроллеров и сигнальных процессоров, открылись новые перспективы в развитии средств автоматики и обработки данных.

В системах автоматики получение, передача, преобразование и использование информации осуществляется без непосредственного участия человека.

Для получения информации о ходе производственного процесса применяют первичные преобразователи – элементы автоматики, преобразующие самые разные физические величины (размеры, температуру, давление, расход, скорость, уровень, влажность и т. д.) в некоторый сигнал, удобный для последующей обработки в автоматическом устройстве. Затем этот сигнал обрабатывается: сравнивается с другими сигналами, анализируются его изменения.

С применением электронно-вычислительных, контрольно-измерительных или управляющих средств упрощается процесс преобразования физических величин предназначенных для обработки цифровой информации, хранения, передачи и управления по заданному закону. В результате процесса обработки информации вырабатываются исполнительные сигналы, которые в исполнительных элементах преобразуются в механическое воздействие, перемещающее деталь или инструмент, закрывающее или открывающее кран, включающее или отключающее нагревательную установку и т.п. так как это воздействие требует значительной энергии, то обработка информационных сигналов предусматривает, как правило, их усиление.

Таким образом, системы автоматики состоят из первичных преобразователей, аппаратно-программных средств реализующих заданный алгоритм управления, усилительно-преобразователь­ных и исполнительных элементов.

Наличие широкой номенклатуры микропроцессоров, модулей памяти, разнообразных интерфейсов, контроллеров и сигнальных процессоров дает возможность создавать на их основе специали­зированные вычислительные и управляющие устройства, при­годные для использования в самых различных областях науки и техники.

Список сокращений

АЛУ - арифметико-логического устройства;

МПУ - микропроцессорное устройство;

МПС - микропроцессорная система;

МК - микроконтроллер;

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;

ОР - объект регулирования;

ПП - первичного преобразователя;

ИЭ - исполнительный элемент;

ЭС - элемент согласования

1. Архитектура современных микропроцессоров

1.1. Термины и определения

Процессор – это часть аппаратного обеспечения или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

Архитектура процессора – его логическая организация, определяемая возможностями процессора по аппаратной и программной реализации функций, возлагаемых на МПУ. Архитектура отражает структуру процессора, способы представления информации, форматы данных, набор операций, форматы управляющих слов, способы обращения ко всем доступным для пользователя элементам структуры, реакцию процессора на внешние сигналы.

Микропроцессорное устройство (МПУ) – это функционально и конструктивно законченное изделие. МПУ имеет унифицированное программное обеспечение (ПО) и функционирует, как правило, в составе какой-либо вычислительной системы.

По назначению МПУ делятся на универсальные и специализированные (рис. 1).

Рис. 1. Классификация микропроцессоров по назначению

Универсальные МПУ могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач в различных видах вычислительной техники и цифровой автоматики. Специализированные МПУ используются для конкретного применения.

Микроконтроллер (МК) – это устройство, предназначенное для управления различными электронными устройствами и осуществляющее взаимодействие между ними в соответствии с заложенной в МК программой. В отличие от процессоров, используемых в персональных компьютерах, МК содержат встроенные дополнительные устройства.

К наиболее распространенным встроенным устройствам относятся устройства памяти и порты ввода/вывода, интерфейсы связи, таймеры, системные часы. Устройства памяти включают оперативную память и постоянно запоминающие устройства. Таймеры включают часы реального времени, и таймеры прерываний. Средства ввода/вывода включают последовательные порты связи, параллельные порты, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифроаналоговые преобразователи.

Сигнальные процессоры – рассчитаны на обработку в реальном времени цифровых потоков, образованных путём преобразования аналоговых сигналов. Это определяет их сравнительно малую разрядность и большую производительность. Сигнальные процессоры нашли применение при цифровой обработке сигналов в реальном масштабе времени.

К сигнальным процессорам предъявляются специфические требования. От них требуются максимальное быстродействие, малые габариты, легкая стыковка с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, большая разрядность обрабатываемых данных и небольшой набор математических операций, обязательно включающий операцию умножения-накопления и аппаратную организацию циклов.

Алгоритм – набор предписаний, однозначно определяющих содержание и последовательность выполнения операций для решения определённой задачи.

Программа – набор инструкций, реализующих алгоритм. Программы могут быть написаны в машинных кодах, на языке ассемблер и на языках высокого уровня.