9. Условия применения микропроцессоров и факторы, его ограничивающие

Условия применения. В каждом конкретном случае вопрос об эффективности использования микропроцессора в проектируемом измерительном приборе решает разработчик прибора. Тем не ме­нее, анализ схемных решений уже имеющихся приборов и лите­ратурных источников, описывающих микропроцессорные средства измерения, 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 целесообразно в следующих типичных ситуациях:

необходимое для решения задачи число интегральных схем (корпусов) m>30 (при этом следует учитывать, что микропро­цессорная система не требует настройки);

прибор должен быть многофункциональным, программируе­мым, необходима функциональная гибкость;

предвидится дальнейшее развитие измерительной системы, на­ращивание, расширение ее функций;

измерительная система должна взаимодействовать с большим числом входных и выходных устройств; требуется запоминание группы данных;

предвидится фиксация в памяти большого числа логических состояний;

используются алгоритмы косвенных и совокупных измерений, а вычислительные процедуры должны быть автоматизированы;

обязательны высокие метрологические характеристики, трудно­достижимые или недостижимые обычными путями; требуются самокалибровка и самодиагностика; статистическая обработка результатов измерений должна быть органической частью измерительной процедуры и должна выпол­няться автоматически;

значения погрешностей измерений должны определяться по хо­ду измерения и отображаться на дисплее прибора;

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

прибор должен обладать новыми свойствами, которые могут быть осуществлены только с помощью микропроцессора;

быстродействие микропроцессора достаточно высоко для рабо­ты Проектируемого средства измерения в реальном масштабе времени, а если оно не удовлетворяет этому требованию, то при­емлемо применение мультимикропроцессорной системы, позволяющей получить необходимое быстродействие;

велик оббьем измерений и при их выполнении требуется высокая производительность.

Факторы, осложняющие и ограничивающие использование мик­ропроцессоров. Имеются причины и субъективного и объективно­го характера. Не останавливаясь на субъективных причинах (они изложены в [49]), кратко рассмотрим объективные факторы, к основным из которых относятся следующие:

Трудности выбора базового микропроцессора. Промышлен­ность уже выпускает много типов микропроцессоров и число но­вых разработок непрерывно растет. 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. Например, появление 16- или 32-разрядных микропроцессоров, ничуть не уменьшив роль 8-разрядных, расширило круг решаемых задач, позволило повысить быстродействие устройств, открыло возможности получения новых свойств разрабатываемых систем'. Более того, иногда микропроцессорные комплекты, характеризуе­мые одинаковой разрядностью микропроцессора, различаются по быстродействию, емкости запоминающих устройств. Очевидно, что каждый из этих микропроцессорных комплексов можно с одинако­вым успехом использовать 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 количество 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 10⁶ 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 в однокристальном исполнении — матричные перемножите- ли (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.

К этому классу относятся выпускаемые промышленностью боль­шие интегральные схемы, выполняющие быстрое преобразование Фурье, монолитные корреляторы, схемы, представляющие одно кристальное 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 (рис. 2.1). Например, тактовая частота у микропроцес­сорного комплекта КР580 составляет 2 МГц, а у комплекта КР1800 она существенно выше: 36 МГц [6]. 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.

Необходимо подчеркнуть, что при решении ряда задач эффек­тивное быстродействие вычислительной системы можно резко по­высить (иногда на несколько порядков), применив параллельные процессоры.

Дальнейшее совершенствование микроэлектронной техники в направлении создания субмикронных сверхскоростных и сверх­больших интегральных схем предвещает резкое повышение быстродействия микропроцессорных систем.

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

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

большим разнообразием программ, которые с достаточной пол­нотой удовлетворяют потребности (различных пользователей при­бора;

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

трудностью отладочной процедуры, требующей специальных .средств отладки программы.

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

Специфика испытаний, контроля, диагностики. Основные труд­ности этих процедур, которые необходимо определить еще на .ста­дии проектирования средства измерения, связаны с тем, что тра­диционные измерительные и испытательные приборы, широко применяемые в аналоговой технике (осциллографы, вольтметры и т. п.), не эффективны для испытания я диагностики микропроцес­сорных систем. За последние годы разработаны методы, позво­ляющие успешно тестировать средства измерения, содержащие микропроцессоры. На основе этих методов созданы специальные приборы. Решать вопрос о том, какой метод или прибор наиболее эффективен в конкретном случае, следует на стадии проектирова­ния средства измерения с учетом условий его эксплуатации и ква­лификации обслуживающего персонала. Задача тестирования мик­ропроцессорных систем настолько важна, что ей посвящена спе­циальная гл. 10.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ НАПРЯЖЕНИЯ