ГЛАВА ВТОРАЯ

ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

1. Краткие сведения о микропроцессорах и микропроцессорных системах

Данная глава представляет собой введение в микропроцессор­ную измерительную технику, освещающее терминологию и общие вопросы применения микропроцессоров в средствах измерения. Она служит базой для рассмотрения измерительных приборов конкрет­ных видов, которые излагаются во всех последующих главах.

Основные определения. Для современного этапа развития тех­ники характерно все более интенсивное и глубокое проникнове­ние в ее различные отрасли микропроцессоров, радикально преоб­разующих свойства многих устройств я открывающих новые воз­можности их применения. По широте и эффективности примене­ний микропроцессоров одно из первых мест занимает контрольно­ измерительная техника.

Освещению вопросов о том, что дает применение микропроцес­соров в измерительных приборах, сколь эффективны схемные ре­шения, в основе которых лежит микропроцессорная система, пред­пошлем основные определения микропроцессорной техники. Ими будем пользоваться в этой и последующих главах.

Напомним, что в вычислительной технике центральным процессором или сокращенно — просто процессором¹ называют устройство, осуществляющее в ЭВМ автоматическую обработку информации в соответствии с заданной про­граммой.

Микропроцессор — это процессор в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). Он представляет собой полупроводниковый прибор, выполняющий функции приема, обработки и выдачи цифровой информации. Его миниатюрные габариты и незначительная масса, малое потребление энер­гии открыли возможность введения микропроцессора непосредственно в элект­ронную схему измерительного прибора, средств управления и других устройств.

Так как микропроцессор—это универсальная БИС с программируемой логикой работы, то он заменил многие типы интегральных схем с жесткой, фик­сированной, логикой. Изменяя программу, можно решать с помощью микропро­цессора множество разнообразных задач. Микропроцессор рассчитан на сов­местную работу с запоминающими устройствами и устройствами ввода — вы­вода информации. В зависимости от функциональных возможностей микропро­цессоры делят на универсальные и специализированные.

Под универсальным микропроцессором (называемым иначе микропроцессором общего назначения) понимают микропроцессор, которому присущи все особенности центрального процессора ЭВМ. Такие микропроцессоры служат основой микро-ЭВМ, используются для решения широкого круга задач в системах управления, измерительных приборах, диагностических уст­ройствах и т. п.

Специализированный микропроцессор рассчитан на узкое применение, решение конкретной задачи и оптимизирован по определенному па­раметру. Например, матричный перемножитель (его называют также арифме­тическим расширителем) решает только одну задачу — перемножение двух чи­сел, 'НО выполняет эту процедуру во много раз быстрее, чем универсальный микропроцессор.

Микропроцессорный комплект или набор — это совокупность специально разработанных отдельных микропроцессорных и других интегральных микро­схем, которые совместимы по' своим конструктивно-технологическим данным — могут быть собраны в единое целое. Обычно в комплект входят БИС микро­процессора, запоминающих устройств, устройств ввода — вывода информации,, микропрограммного управления и др.

Микропроцессорная система — это собранная в единое целое совокупность взаимодействующих БИС микропроцессорного комплекта — модулей (иногда дополненная БИС из других комплектов), организованная в работающую сис­тему, т. е. вычислительная или управляющая система с микропроцессором в ка­честве узла обработки информации. Система, в которой используются два или более микропроцессоров, называется мульти микропроцессорной.

Микро-ЭВМ — это конструктивно законченное вычислительное устройство, построенное на основе микропроцессорного комплекта БИС млн. модулей в от­дельном корпусе и имеющее свой источник питания, пульт управления, узлы ввода — вывода информации, что позволяет использовать его в качестве ав­тономного, независимо работающего устройства со своим программным обес­печением.

Микроконтроллером называется устройство управления, построенное на од­ной или нескольких микропроцессорных БИС. Иногда для сокращения его на­зывают просто контроллером. Он может быть программируемым и непрограм­мируемым. Встраиваемый в измерительный прибор контроллер представляет собой функциональный блок, содержащий микропроцессорный комплект и оформленный конструктивно в виде платы. По существу — это микро-ЭВМ без источника питания, корпуса, пульта управления, периферийных узлов, которая не может работать как самостоятельное автономное устройство: она функцио­нирует лишь в составе прибора. Для измерительных систем выпускают н конт­роллеры на основе микропроцессорной системы, представляющие собой кон­структивно законченные, автономные устройства.

Структурные схемы микропроцессора к микропроцессорной системы. Мно­жество выпускаемых промышленностью универсальных микропроцессоров мож­но разделить по конструктивному признаку на две разновидности:

однокристальные с фиксированной длиной (разрядностью) слова и опре­деленной системой команд;

многокристальные (секционированные) с наращиваемой разрядностью сло­ва и микропрограммным управлением. Они составляются из двух и более БИС.

Хотя возможности многокристальных микропроцессоров существенно выше, чем однокристальных, многие прикладные задачи, н в том числе построения автоматических измерительных приборов, успешно решаются на основе исполь­зования однокристального микропроцессора.

Упрощенная структурная схема однокристального универсального микро­процессора приведена на рис. 2.1. Кратко охарактеризуем входящие в лее узлы.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ), служащее ядром микропро­цессора, выполняет по командам арифметические и логические операции: сло­жение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2.

Устройство управления (УУ) «руководит» работой АЛУ н внутренних ре­гистров, а также потоками информации. Действия УУ определяются команда­ми. Совокупность команд, которые следует выполнить для решения данной за­дачи, называется программой. Согласно коду операции, содержащемуся в ко­манде, УУ формирует внутренние сигналы управления блоками микропроцес­сора. Адресная часть команды совместно с сигналами управления использует­ся для считывания на определенной ячейки памяти (или записи в ячейку) дан­ных, подлежащих обработке. По сигналам УУ осуществляется выборка каж­дой новой, очередной команды.

Блок внутренних регистров, расширяющий возможности АЛУ, служит внутренней памятью микропроцессора — используется для временного хранения Данных н команд. Он также выполняет некоторые процедуры обработан ин­формации. Обычно этот блок содержит регистры общего назначения (РОН) и специальные регистры: регистр-аккумулятор, буферный регистр адреса, буфер­ный регистр данных, счетчик команд, регистр команд, регистры стека, регистр признаков.

Как видно на рис. 2.1, для структуры микропроцессора характерно наличие внутренней шины данных, соединяющей между собой его основные части. Ши­ной называют группу линий передачи информации, объединенным общим функциональным признаком.

Разрядность внутренней ширины данных, т.е. количество передаваемых по ней одновременно (параллельно) битов числа, соответствует разрядности слов, с которыми оперирует микропроцессор. Очевидно, что разрядность внутренней и внешней шин данных должна быть одной и той же. У восьмиразрядного микропроцессора внутренняя шипа состоит из восьми линий, по которым мож­но передавать последовательно восьмиразрядные слова — байты. Следует иметь в виду, что по шине данных передаются не только обрабатываемые АЛУ сло­ва, но и командная информация. Следовательно, недостаточно высокая разряд­ность шины данных может ограничить состав (сложность) команд и их число. Поэтому разрядность шины данных относят к важным характеристикам микро­процессора— она в большой мере определяет его структуру.

Шина данных работает в режиме двунаправленной передачи. Это означа­ет, что по ней можно передавать слова в обоих направлениях, но, разумеется, не одновременно: требуется применение специальных буферных схем и мульти­плексного режима¹ обмена данными между микропроцессором и внешней па­мятью.

Далее остановимся на общей структурной схеме микропроцессорной систе­мы (рис. 2.2). Кратко охарактеризуем узлы-модули, входящие в ее состав, за исключением уже описанного микропроцессора.

Генератор тактовых импульсов — источник последовательности прямоуголь­ных импульсов, с помощью которых осуществляется управление событиями во времени. Он задает цикл команды — интервал времени, необходимый для считывания команды из запоминающего устройства и ее исполнения. Цикл ко­манды состоит из определенной последовательности элементарных действий, называемых состояниями (тактами). Для некоторых микропроцессоров не тре­буется внешний генератор тактовых импульсов: он содержится непосредствен­но в схеме однокристального микропроцессора.

Основная память системы (внешняя по отношению к микропроцессору) со­держит постоянное и оперативное запоминающие устройства. Она служит для хранения программ и обрабатываемой информации — данных. Память состоит из блоков одинакового размера, называемых ячейками, каждая из которых, в свою очередь, — из элементов памяти. Один элемент может хранить только •одну двоичную цифру: 1 или 0. Совокупность единиц и нулей, заполняющих ячейку, называют содержимым ячейки памяти. Чтобы ввести число в ячейку ели извлечь ее содержимое, необходимо указать адрес этой ячейки.

В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится программа (и при необходимости совокупность констант). Содержимое ПЗУ не может быть стерто. Оно используется как память программы, составленной заранее изго­товителем в соответствии с требованиями ее пользователей. В таких случаях говорят, что программа «жестко зашита» в запоминающем устройстве. Чтобы осуществить иную программу, необходимо применить другое ПЗУ млн его часть. Из ПЗУ можно только выбирать хранимые там слова, но нельзя вносить новые, стирать и заменять записанные слова другими.

Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) отлича­ется от ПЗУ тем, что пользователь может самостоятельно запрограммировать ПЗУ (ввести в него программу) с помощью специального устройства — про­грамматора, но только один раз. После введения программы содержимое па­мяти уже нельзя изменить.

Репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РППЗУ), на­зываемое также стираемым ПЗУ, имеет такую особенность: хранимая инфор­мация может стираться несколько раз, но при этом она разрушается. Иначе го­воря, РППЗУ допускает перепрограммирование, осуществляемое с помощью программатора. Это облегчает исправление обнаруженных ошибок и позволяет изменять содержимое памяти.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое иначе называют запоминающим устройством с произвольной выборкой (ЗУПВ) или произволь­ным доступом (ЗУПД), служит памятью данных, подлежащих обработке. Его характерное свойство заключается в том, что время, требуемое для доступа к любой ячейке памяти, не зависит от адреса этой ячейки. Такое устройство до­пускает как запись, так и считывание слов. Следует иметь в виду, что инфор­мация, содержащаяся в ОЗУ, исчезает (стирается), если прерывается напряже­ние питания микропроцессорной системы (исключение составляют энергонеза­висимые ОЗУ с автономным питанием).

Интерфейсом называют устройство сопряжения. Это упрощенное опреде­ление. В более строгом толковании под интерфейсом понимают совокупность Электрических, механических и программных средств, позволяющих соединять модули системы между собой и с периферийными устройствами. Он включает в себя аппаратные средства для обмена данными между узлами и програм­мные средства — протокол, описывающий процедуру взаимодействия модулей при обмене данными. Интерфейс микропроцессорной системы относится к ма­шинным. Кроме них, в измерительной технике применяются и приборные ин­терфейсы, которые рассматриваются в гл. 12.

В микропроцессорной системе применяют специальные интерфейсные БИС для сопряжения периферийных устройств с системой ( на рис.2.2 они показаны в виде модулей интерфейса ввода и интерфейса вывода) . Для этих БИС характерна универсальность, осуществляемая путем программного изменения выполняемы ими функций.

Более простые задачи решают порты ввода — вывода—схемы, спроектиро­ванные (запрограммированные) для обмена данными с конкретными перифе­рийными устройствами: приема данных с клавиатуры, устройства считывания* передачи их дисплею, телетайпу и т. п. Порт —это схема средней степени интеграции, содержащая адресуемый многорежимный буферный регистр ввода — вывода (МБР) с выходными тристабильными схемами, логикой управления » разъемом для подключения устройств ввода — вывода. Возможности перепро­граммирования порта ограничены.

Устройство ввода осуществляет введение в систему данных, подлежащих обработке, и команд. Устройство вывода преобразует выходные данные (ре­зультат обработки информации) в форму, удобную для восприятия пользова­телем или для хранения. Устройствами ввода — вывода служат блоки считы­вания информации с перфоленты и магнитной ленты (или записи на них), кас­сетные магнитофоны, гибкие диски, клавиатуры, дисплеи, аналого-цифровые в цифро-аналоговые преобразователи, графопостроители, телетайпы и т. п.

Далее предметом нашего внимания будут шины системы. Шина представ­ляет собой группу линий передачи, используемых для выполнения определен­ной функции (по одной линии на каждый передаваемый бит). Особенность структуры микропроцессорной системы — магистральная организация связей между входящими в ее состав модулями. Она осуществляется с помощью трех шин. По ним передается вся информация и сигналы, необходимые для рабо­ты системы. Эти шины соединяют микропроцессор с внешней памятью (ОЗУ, ПЗУ) и интерфейсами ввода — вывода, в результате чего создается возмож­ность обмена данными между микропроцессором и другими модулями систе­мы, а также передачи управляющих сигналов.

Рассмотрим назначение и функции каждой из трех шин (на примере 8- разрядного микропроцессора), показанных на рис. 2.2.

Шина данных—двунаправленная шина, по которой данные могут направляться либо в микропроцессор, либо из него (как рис. 2.2 такая особенность шины данных подчеркнута стрелкой с двумя остриями, одно из которых обра­щено к микропроцессору, а другое — от него). В нашем примере шина состоит из восьми линий (Dо…, Dt) По такой шине данные невозможно одновремен­но передавать в обоих направлениях. Эти процедуры разнесены во времени а результате применения временного мультиплексирования.

Шина адреса (или адресная шина) —шина однонаправленная: информация передается только в одном направлении — от микропроцессо­ра к модулям памяти или ввода — вывода. Бели эта шина состоит из .16 ли­ний (Aо,...,A15), то по ней могут быть переданы 2¹⁶—65 536 различных ком­бинаций двоичных чисел—адресов. Каждый из них соответствует определенной ячейке памяти или устройства ввода—вывода.

Шина управления служит для передачи сигналов, обусловливающих взаи­модействие, синхронизацию работы всех модулей системы и внутренних узлов микропроцессора. Одна часть линии шины управления служит для передач» сигналов, выходящих из микропроцессора (на рис. 2.2 это условно показано стрелкой, острие которой направлено вправо), а по другой части линии пере­даются сигналы к микропроцессору (на рис. 2.2 — стрелка с острием, направ­ленным влево). Достоинством шинной структуры является возможность под­ключения к микропроцессорной системе новых модулей, например несколько блоков ОЗУ и ПЗУ для получения требуемой емкости памяти.

Работа микропроцессорной системы в общих чертах заключается в сле­дующем. Исходные данные и программа решения конкретной задачи введены (изготовителем прибора или пользователем) в память системы. Процедура ав­томатического решения задачи (обработки данных) включает ряд рабочих циклов, называемых циклами команды, которые повторяются до тех пор, пока не будет выполнена вся совокупность команд программы. Каждая команда со­стоит из кода операции и адреса, т. е. сообщает, какую нужно выполнить опе­рацию, и указывает место в памяти, где расположены обрабатываемые дан­ные. За время цикла команды производится выборка очередной команды из запоминающего устройства, введение ее в микропроцессор, определение вида операции и операндов, которые будут участвовать в данной операции, извлечение этих операндов из ОЗУ или внутренней памяти микропроцессора, выполнение операции, соответствующей ее коду в команде, направление в запоми­нающее устройство и помещение в нем результата исполненной операции. Пос­ле проведения всех операций, предусмотренных программой, микропроцессор­ная система выдает результат решения задачи, который выводится через уст­ройство вывода на дисплей, печатающее устройство, графопостроитель, циф­ро-аналоговый преобразователь или блок запоминания цифровой информации.

Более подробные сведения о микропроцессорах и микропроцессорных сис­темах можно найти в литературе, например в [20, 32, 37, 43, 75, 77].