2.11. Карта памяти. Критерии и способы распределения адресного пространства

Карта памяти вычислительной системы - это графическое представление распределения адресного пространства системы, разбиение таблицы доступных адресов по функциональным и программно-аппаратным признакам.

При построении микропроцессорных устройств важнейшими задачами проектировщика являются распределение адресного пространства системы; определение и распределение доступных системных адресов между ОЗУ, ПЗУ и ВУ; формирование протоколов предоставления адреса и оптимизация аппаратно-программной части обмена адресом.

В первых моделях микропроцессоров использовалось линейное распределение адресного пространства, при котором все доступное адресное пространство системы разбивалось по линейному принципу. В младших адресах располагались системные векторы прерываний, а прочая память делилась по принципу фон Неймана, отображая адреса программ и данных в единое адресное пространство системы, при этом выделялись адреса внешних устройств. С момента разработки процессора I8086 и по настоящее время применяется принцип сегментированного разбиения, при котором область программ и данных разбивается на несколько сегментов (страниц) по функциональным признакам. Так, в микропроцессорной системе, организованной на базе МП I8086, присутствуют четыре сегмента (кода, данных, стековый и дополнительный).

Позднее при увеличении доступного адресного пространства появились более сложные, но вместе с тем и более эффективные способы организации системной памяти. Так, начиная с процессора I80286, принят принцип дескрипторной адресации, при котором сегменты в памяти адресуются посредством дескрипторов - специальных таблиц в памяти, отвечающих за распределение и доступ к адресам системы.

Основными критериями распределения адресного пространства системы являются:

• максимально доступное адресное пространство;

• минимум аппаратных затрат на реализацию необходимых системных функций;

• максимальное быстродействие системной памяти в сочетании с контролем достоверности информации;

• обеспечение выбранной модели памяти необходимыми системными программными и аппаратными ресурсами;

• удобочитаемость карты распределения, подразумевающая иерархический, сегментированный или иной способ описания адресного пространства, при котором разработчик достаточно легко проводит анализ адресов аппаратной части системы;

• наращиваемость, возможность комбинационного проектирования адресного пространства.

Вышеперечисленные требования не отражают всех возможных критериев и задач распределения адресного пространства, которые могут возникнуть в процессе разработки микропроцессорной системы, но являются одними из основных.

Глава 3. Микропроцессорные системы и управление

3.2. Микропроцессорные системы с датчиками

3.2.1. Общие сведения

Датчиком (sensor) называется устройство, вырабатывающее выходной сигнал в ответ на входной электрический сигнал или механическое действие. Иначе датчиками называют преобразователи (transducer) одного типа сигнала в другой.

Датчики применяются для измерения различных физических свойств материалов и сред (температуры, силы, давления, позиции, интенсивности света и др). Эти входные воздействия задают возбуждение датчика, который входит в систему измерения данного параметра. Такой системой является совокупность аналоговых и (или) цифровых модулей управления/анализа каким- либо процессом.

Различают активные и пассивные датчики. Активный датчик использует внешние цепи возбуждения, например датчики на резисторах. Такие датчики изменяют свое сопротивление в зависимости от состояния окружающей среды датчика, но для его функционирования необходим источник тока, к которому он подключен.

Пассивные датчики могут сами формировать выходной сигнал без использования внешнего источника тока или напряжения, например фотодиоды. Фотодиод генерирует фотодиодный ток в зависимости от уровня освещенности, который не зависит от внешних цепей.

В табл. 2.1 приведены виды типичных датчиков.

Выходной сигнал датчиков, как правило, достаточно мал (миллиамперы, милливольты, пикофарады и т. п.), в связи с этим сигнал должен быть усилен для приема, оцифровки и дальнейшей обработки цифровой системой.

Цепи усиления, фильтрации, трансформации и преобразования называются цепями формирования сигнала.

Помимо низкого выходного сигнала выход датчика, как правило, достаточно не линеен. Другими словами, датчики далеко не всегда выдают прямо пропорциональную зависимость выходного сигнала от входного возбуждения. Таким образом, цепи формирования сигнала должны содержать модули линеаризации датчика.

Таблица 2.1

Измеряемый параметр	Наименование датчика	Активный или пассивный	Выход датчика
Температура	Термоэлемент Тиристор Резистивный термометр Термистор	Пассивный Активный Активный Активный	Напряжение Напряжение/ток Сопротивление Сопротивление
Сила/давление	Тензометр Пьезокварцевый датчик	Активный Пассивный	Сопротивление Напряжение
Ускорение	Акселерометр	Активный	Емкость
Позиция	Преобразователь перемещения	Активный	Переменное напряжение
Интенсивность света	Фотодиод	Пассивный	Ток

Рис. 2.1. Схема управления термопроцессом

Рассмотрим типичную схему микропроцессорной системы для анализа и контроля температуры среды некоторого процесса (рис. 2.1).

Типичные датчики

Температурный датчик помещен в исследуемую среду (процесс). Выходной сигнал датчика согласовывается (нормируется) и поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Микропроцессор (микроконтроллер) управляет работой АЦП и воспринимает преобразованный в соответствующую цифровую величину сигнал, получаемый с датчика. Исполнительным устройством системы контроля температуры является нагреватель, управляемый микропроцессором при помощи цифроаналогового преобразователя и схем согласования. Основываясь на данных о температуре, микропроцессорная система поддерживает уровень приложенного напряжения (протекающего тока) через нагреватель для поддержания заданного значения температуры процесса.

Если эту или аналогичную систему объединить в один конструктив, мы получим интеллектуальный датчик (smart sensor), который имеет функции самонастройки, автолиниеризации и пр. Если расширить интеллектуальный датчик возможностями передачи данных по стандартизированной локальной сети, то мы получим интегрированную систему сбора и обработки информации. Такие системы выпускаются ведущими мировыми производителями (Analog Devices, Texas Instruments, Philips и др.) Они интегрируют на одном конструктиве (или даже кристалле) высокопроизводительные АЦП, ЦАП, микроконтроллеры, flash-память, различные стандартные контроллеры последовательной передачи данных и др.