Цифровые измерения Микропроцессоры и микропроцессорные системы

Ежегодно в мире выпускаются сотни миллионов электронных устройств, содержащих в своем составе один или несколько микропроцессоров (МП).

Электронное устройство (электронная система) – это, в общем случае, прибора, программно-аппаратный комплекс, любой электронный узел, блок, производящий обработку информации.

Каждое выпускаемое электронное устройство выполняет те или иные задачи. Задача – это набор функций, выполняемых электронной системой. Примеры задач:

- счет времени (часы, таймеры и пр.);

- измерение физической величины;

- учет электроэнергии по тарифам;

- управление коммутационным аппаратом;

- цифровая связь по стандарту GSM.

Интерфейс – соглашение об обмене информацией, правила обмена информацией, подразумевающие электрическую, логическую и конструктивную совместимость устройств, участвующих в обмене, то есть обеспечение сопряжения.

Основные показатели работы электронной системы:

- быстродействие – это показатель скорости выполнения электронной системой ее функций;

- гибкость – это способность системы подстраиваться под различные задачи;

- избыточность – это показатель степени соответствия возможностей системы решаемой данной системой задаче.

Микропроцессорная система (МПС) может рассматриваться как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов (рисунок 1) и представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств. В качестве входных и выходных сигналов при этом могут использоваться аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигналы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы может производиться хранение, накопление сигналов (или информации). Входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательности кодов выборок с помощью АЦП, а выходные аналоговые сигналы формируются из последовательности кодов выборок с помощью ЦАП. Обработка и хранение информации производятся в цифровом виде.

Рисунок 1 – Программируемая универсальная электронная система

За последние десятилетия быстродействие универсальных МПС выросло на несколько порядков. Резко снижена стоимость микросхем, объем их выпуска растет из года в год.

Актуальность применения МПС в электроэнергетике

Актуальность предмета связана с перспективами и концепциями развития электрических сетей в ближайшие годы, в которых краеугольным камнем является применение «интеллектуальных» автоматизированных сетей и систем. Эти системы должны выполнять функции измерений, учета энергоресурсов, управления электрооборудованием, прогнозирования и т.д. Для выполнения подобных функций необходимо применение современной микропроцессорной техники.

На примере современных микропроцессорных измерительных приборов можно привести ряд преимуществ использования МПС в электроэнергетике:

1. Многофункциональность. Производится замена совокупности различных измерительных приборов одним, многофункциональным для того, чтобы можно было относительно просто добавлять новые функции.

2. Повышение точности. Уменьшение погрешностей по сравнению с обычными аналоговыми или цифровыми приборами достигается за счет исключения систематических погрешностей в процессе автоматической калибровки: коррекция смещения нуля, учет собственной амплитудно-частотной характеристики, учет нелинейности преобразователей. Автоматическая калибровка в данном случае – это измерение поправок или поправочных множителей и запоминание их в ОЗУ с целью использования на этапе обработки опытных данных.

3. Уменьшение влияния случайных погрешностей (путем проведения многократных из-мерений с последующей обработкой выборки — усреднением, вычислением мат. ожидания и пр.). Выявление и устранение грубых погрешностей (промахов). Вычисление и индикация оценки погрешности прямо в процессе измерения.

4. Компенсация внутренних шумов и повышение чувствительности средства измерения. Простое усреднение сигнала на входе прибора требует достаточно большого времени усреднения. Один из вариантов — проведение многократных измерений и усреднение результатов с целью компенсации случайной составляющей измерительного сигнала. Пример — микропроцессорный ВЧ вольтметр среднеквадратического значения.

5. Расширение измерительных возможностей путем широкого использования косвенных и совокупных измерений, воспринимаемых оператором в этом случае как прямые (поскольку результат обработки появляется на индикаторе сразу после проведения измерения). Косвенные измерения включают в себя вычисления результата по опытным данным по известному алгоритму. Совокупные измерения предполагают измерение нескольких одноименных физических величин путем решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях сочетаний этих величин. Например, измерение сопротивления различных сочетаний резисторов – последовательное, параллельное, последовательно-параллельное, позволяют рассчитать сопротивление каждого из них. В этих случаях микропроцессор осуществляет управление процессом измерения по программе и проводит обработку опытных данных. Результат расчетов воспринимается оператором как результат прямых измерений, поскольку расчет делается быстро.

6. Упрощение и облегчение управления прибором. Все управление производится с кнопочной панели, выносные клавиатуры используют редко. Чем меньше кнопок, тем более «разумным» является прибор. Автоматизация установок прибора приводит к упрощению его использования (выбор пределов измерения, автоматическая калибровка и пр.). В ряде приборов использую контроль за ошибочными действиями оператора — индикация его неверных действий на табло или экране. Упрощает измерения визуализация результатов на экране в удобном виде, с дополнительными шкалами. Ряд приборов предусматривает вывод результатов на печатающее устройство, и на флоппи-диск для сохранения и переноса на компьютер.

Разделы современной схемотехники

Вся схемотехника разделяется на две большие области: аналоговую и цифровую.

Аналоговая схемотехника характеризуется:

- максимальным быстродействием,

- малым потреблением энергии;

- малой стабильностью параметров.

Цифровая схемотехника обладает прекрасной повторяемостью параметров. Это привело к её развитию в последние годы, а также бурному росту электронной промышленности.

Рисунок 2 – Разделы современной схемотехники

Каждую конкретную задачу (то есть необходимую к выполнению функцию) цифровой системы решают тремя способами:

1. Использование жёсткой логики, которую составляют специализированные большие интегральные схемы (БИС). Любая система на "жесткой логике" обязательно представляет собой специализированную систему, настроенную исключительно на одну задачу или (реже) на несколько близких, заранее известных задач. Специализированная система не имеет аппаратурной избыточности, то есть каждый ее элемент обязательно работает в полную силу, может обеспечить максимально высокое быстродействие, так как скорость выполнения алгоритмов обработки информации определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов и выбранной схемой путей прохождения информации. Но в то же время большим недостатком цифровой системы на "жесткой логике" является то, что для каждой новой задачи ее надо проектировать и изготавливать заново. Это процесс длительный, дорогостоящий, требующий высокой квалификации исполнителей.

2. Применение программируемых логических схем (ПЛИС) позволят уменьшить габариты и стоимость устройства. Это направление активно развивается в настоящее время.

3. Использование микропроцессоров, которые последовательно решают различные задачи, изменяя свою структуру во времени. На микропроцессорах за счет быстродействия можно разрабатывать очень сложные устройства.

Микропроцессор. Особенность, принципы работы

Микропроцессор (МП) –электронное устройство, представляющее собой цифровую интегральную схему, выполняющую последовательность инструкций – программу.

Выполняет:

- алгоритмическую обработку информации;

- управление другими узлами электронной системы.

Примеры:

- компьютер;

- микропроцессорный блок РЗА;

- модем.

Может использоваться для самых разных целей – управление процессом измерения (реализацией алгоритма измерения), обработки опытных данных, хранения и вывода результатов измерения и пр.

Главная особенность микропроцессора – возможность программирования логики работы.

МП является ядром любой МПС является микропроцессор или просто процессор (от английского processor).

Остальные узлы выполняют всего лишь вспомогательные функции:

- хранение информации (в том числе и управляющей информации, то есть программы),

- связи с внешними устройствами,

- связи с пользователем и т.д.

МП выполняет арифметические функции (сложение, умножение и т.д.), логические функции (сдвиг, сравнение, маскирование кодов и т.д.), временное хранение кодов (во внутренних регистрах), пересылку кодов между узлами МПС и многое другое.

Все операции МП выполняет последовательно, то есть одну за другой, по очереди. Но существуют процессоры с параллельным выполнением некоторых операций.

Программа МП представляет собой набор команд (инструкций), то есть цифровых кодов, расшифровав которые, процессор узнает, что ему надо делать. Программа от начала и до конца составляется программистом, а МП выступает в роли исполнителя программы, никакой инициативы он не проявляет.

Все команды, выполняемые МП, образуют систему команд МП. Структура и объем системы команд процессора определяют его быстродействие, гибкость, удобство использования. Всего команд у процессора может быть от нескольких десятков до нескольких сотен.

Основные узлы МП:

1) Арифметико-логическое устройство (АЛУ или Устройство управления), выполняющее анализ и декодирование потока инструкций, передача их в функциональные устройства, синхронизация узлов.

2) Логика управления, одно или несколько исполнительных устройств, производящих обработку данных: арифметические, логические, сдвиговые операции, пересылки, операции над числами с плавающей запятой и пр.

3) Регистры, выполняющие роль хранилища входных, промежуточных и выходных данных для обработки, а также хранилища управляющей информации.

4) Устройство ввода-вывода (УВВ), обеспечивающее выборку инструкций из памяти, обмен данными с памятью и внешними устройствами;

5) Другие узлы (управление прерываниями, прямым доступом к памяти, мультиплексовры, буферы и др.)

Работа всех узлов синхронизируется общим внешним тактовым сигналом процессора.

Рисунок 3 – Общая структура МП

Обычно разработчик МПС рассматривает МП как "черный ящик", который в ответ на входные и управляющие коды производит ту или иную операцию и выдает выходные сигналы. Разработчику необходимо знать:

- систему команд,

- режимы работы процессора,

- правила взаимодействия процессора с внешними устройствами, протоколы обмена информацией.

Выполнении кода программы в МП

Работа МП при выполнении кода программы разбивается на этапы:

1. Выборка очередной команды (ВК). МП выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на ША, и отдаёт памяти команду чтения. Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на ШД, и сообщает о готовности.

2. Декодирование выбранной команды (ДК). МП получает число с ШД, интерпретирует его как команду из своей системы команд.

3. Формирование адреса операнда (ФА)

4. Прием операнда из памяти (ПО)

5. Выполнение операции (ВО)

6. Размещение результата в памяти (РР)

Если последняя команда не является командой перехода, МП увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды. Снова выполняется п. 1.

Реализация одного этапа занимает один машинный такт.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд (программу), содержащихся в памяти, и исполняет их.

Очерёдность считывания команд может измениться в случаях:

1) Если МП считывает команду перехода — тогда адрес следующей команды может оказаться другим;

2) Получения команды останова;

3) переключение в режим обработки прерывания.

Команды МП являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Основные параметры МП

Набор параметров может варьироваться в зависимости от показателей назначения МПС. Наиболее общие параметры МП:

1. Разрядность;

2. Тактовая частота работы ядра процессора. Хотя это не является единственным показателем скорости работы процессоров – в зависимости от модели процессора в названии может указываться его реальная тактовая частота или же условный рейтинг производительности.

3. Состав инструкций;

4. Рабочее напряжение;

5. Потребляемая мощность;

6. Климатические параметры;

7. Параметры надежности (срок службы, наработка на отказ):

8. Технологический процесс, нм;

9. Площадь кристалла;

10. Разъем;

11. Корпус;

Классификация архитектур микропроцессора

Понятие «Архитектура МП» означает некий набор свойств и параметров отличающих различные группы МП.

Существует несколько подходов к классификации МП по типу архитектуры.

1. Виды архитектур, отличающиеся по характеру исполняемого кода и организации устройства управления выделяется несколько типов архитектур:

- Процессор со сложным набором инструкций, англ. CISC — Complex Instruction Set Computer. Эту архитектуру характеризует большое количество сложных инструкций (полный набор команд) с нефиксированной длиной инструкций, и как следствие сложное АЛУ. Характерны большие времена исполнения инструкций (от нескольких тактов до сотни). Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86.

- Процессор с упрощённым набором инструкций, англ. RISC — Reduced Instruction Set Computer. В этой архитектуре значительно более простое АЛУ. За счет упрощения команд время их выполнения оказывается короче. Большинство инструкций RISC-процессора содержат одинаковое малое число операций (1, иногда 2-3), а сами командные слова в основном имеют одинаковую ширину и выполняются за один такт МП. Примеры: PowerPC, ARM, AVR.

- Прочие архитектуры (с явным параллелизмом, с изменяемым набором инструкций и др.).

2. Виды архитектур, отличающиеся по разрядности. Разрядность означает число бит, которые может одновременно (при выполнении одной инструкции) интерпретировать, обрабатывать, хранить или передавать МП. Наиболее распространены:

8-разрядная (МП 8080, 8051);

16-разрядная (МП 8086, МС68000);

32-разрядная (МП 80486, Pentium, Atom);

64-разрядная (МП Core 2).

В основном используется фиксированная разрядность и список команд.

3. По способу хранения программ в адресных пространствах программ и данных, выделяется две архитектуры:

- Архитектура фон Неймана (Джон фон Нейман разработал архитектуру в 1946 г.). В МП этой архитектуры используется одна шина для обращения к программе и данным. Память программ и память данных находятся в едином пространстве. Отсутствуют специальные признаки, указывающие на тип информации в ячейке памяти. Большинство МП для ПК основаны на данной архитектуре.

- Гарвардская архитектура. Для выборки программ и обмена данным существуют отдельные шины и устройства ввода-вывода. Память программ и память данных разделены, имеют свои адресные пространства и способы доступа к ним.

4. С точки зрения программирования под архитектурой понимают совокупность следующих характеристик:

- состав, имена и назначения регистров МП;

- формат команд;

- режимы адресации;

- классы прерываний, особенностей инициирования и обработки прерываний.

Типичная структура МПС

Типичная структура МПС включает в себя три основных типа устройств:

1) МП;

2) Память. Включает два вида:

- оперативную память (ОЗУ, RAM — Random Access Memory) для временного хранения данных, промежуточной вычислительной обработки;

- постоянную память (ПЗУ, ROM —Read Only Memory), которая служит для хранения данных и программ;

3) Устройства ввода/вывода (УВВ, I/O — Input/Output Devices). Служат для связи (сопряжения) МПС с внешними устройствами:

- приема (ввода, чтения, Read) входных сигналов;

- выдачи (вывода, записи, Write) выходных сигналов.

Для измерительных приборов характерны устройства ввода в виде кнопочного пульта и измерительных преобразователей (АЦП, датчиков, блоки ввода цифровой информации). УВВ обычно представляют цифровые табло, графический экран (дисплей), внешние устройства сопряжения с измерительной системой.

УВВ представляют собой устройства на "жесткой логике", но могут содержать также свой МП.

Дополнительно в МПС обязательно присутствуют:

- генератор тактовых импульсов, который задает временной интервал, который является единицей измерения (квантом) продолжительности выполнения команды;

- схема питания, включающая в себя источник питания, фильтры, элементы защиты от перенапряжений, управляющие схемы для организации сброса.

Все блоки МПС связаны между собой шинами.

Шинная структура МПС

При классической структуре связей все сигналы и коды между устройствами в электронной системе передаются по отдельным линиям связи. Каждое устройство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе получается много линий связи и разных интерфейсов.

Рисунок 6 – Классическая структура связей

Для достижения максимальной универсальности и упрощения протоколов обмена информацией в МПС применяется шинная структура связей между устройствами.

При шинной структуре связей все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (это называется мультиплексированной передачей). Передача по всем линиям связи может осуществляться в обоих направлениях (двунаправленная передача). В результате количество линий связи существенно сокращается, а интерфейсы и протоколы упрощаются.

Группа линий связи, по которым передаются сигналы называется шиной (англ. bus).

Рисунок 7 – Шинная структура связей

Все узлы, отвечающие за обмен с шиной во всех устройствах (микросхемах памяти, УВВ), должны быть единообразны, унифицированы.

Недостаток шинной структуры связан с тем, что все устройства подключаются к каждой линии связи параллельно. Поэтому любая неисправность любого устройства может вывести из строя всю систему, если она портит линию связи.

Рисунок х – Структура микропроцессорной системы

Системная шина включает в себя четыре основные шины:

• шина адреса (ША - Address Bus);

• шина данных (ШД - Data Bus);

• шина управления (ШУ - Control Bus);

• шина питания (ШП - Power Bus).

ША служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству (кроме МП), каждой ячейке памяти в МПС присваивается собственный адрес. Когда код какого-то адреса выставляется процессором на ША, устройство, которому этот адрес приписан, понимает, что ему предстоит обмен информацией.

ШД — это основная шина, которая используется для передачи информации между всеми устройствами МПС. Обычно в пересылке информации участвует МП, который считывает или записывает данные в устройство или в ячейку памяти.

ШУ состоит из отдельных управляющих сигналов (условная шина), каждый из которых имеет свою функцию (стробирование передаваемых или принимаемых данных, . подтверждение приема данных, сброс устройств в исходное состояние, тактирование и т.д.).

ШП предназначена для питания системы. Она состоит из линий питания и общего провода. В МПС может быть один или несколько источников питания. Основной ряд стандартных напряжений питания 5 В, 3,3 В, 1,2 В. Каждому напряжению питания соответствует своя линия связи. Все устройства подключены к этим линиям параллельно.

При считывании данных МП по ША обращается к нужному УВВ или ячейке памяти и принимает по ШД входную информацию. При передаче данных МП обращается по ША к нужному УВВ или ячейке памяти и передает ему по ШД выходную информацию.

Все коды команд и данные передаются по шинам последовательно, по очереди.

Системная память

Для хранения информации в МПС используются запоминающие устройства на основе:

- полупроводниковых материалов,

- магнитные и оптические внешние носители.

Для функционирования МПС необходимо наличие:

- оперативного запоминающего устройства (ОЗУ),

- постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), обеспечивающего сохранение информации при выключении питания.

ПЗУ может быть однократно или многократно программируемым.

Основные характеристики полупроводниковой памяти:

1. Емкость памяти определяется числом бит хранимой информации. Емкость кристалла обычно выражается в битах и составляет 1024 бита, 4 Кбит, 16 Кбит, 64 Кбит и т.п.

Используются также следующие кратные единицы объема памяти:

- килобайт — 2¹⁰ или 1024 байта (обозначается Кбайт),

- мегабайт — 2²⁰ или 1 048 576 байт (обозначается Мбайт),

- гигабайт — 2³⁰ байт (обозначается Гбайт),

- терабайт — 2⁴⁰ (обозначается Тбайт)

2. Временные характеристики памяти. Время доступа - временной интервал, определяемый от момента, когда МП выставил на шину адреса адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.

3. Удельная стоимость запоминающего устройства определяется отношением его стоимости к информационной емкости, т.е. определяется стоимостью бита хранимой информации.

4. Потребляемая энергия (или рассеиваемая мощность) приводится для двух режимов работы кристалла: режима пассивного хранения информации и активного режима, когда операции записи и считывания выполняются с номинальным быстродействием. Кристаллы динамической МОП-памяти в резервном режиме потребляют примерно в десять раз меньше энергии, чем в активном режиме.

5. Плотность упаковки определяется площадью запоминающего элемента и зависит от числа транзисторов в схеме элемента и используемой технологии. Наибольшая плотность упаковки достигнута в кристаллах динамической МОП-памяти.

6. Допустимая температура окружающей среды обычно указывается отдельно для активной работы, для пассивного хранения информации и для нерабочего состояния с отключенным питанием.

Все чаще в составе микропроцессорных систем используется флэш-память (англ. – flash memory), которая представляет собой энергонезависимую память с возможностью многократной перезаписи содержимого. FLASH - ПЗУ отличаются тем, что стирание производится не каждой ячейки отдельно, а всей микросхемы в целом или блока запоминающей матрицы этой микросхемы.

 

Рисунок 10 – Обозначение FLASH-памяти на принципиальных электрических схемах

При обращении к постоянному запоминающему устройству сначала необходимо выставить адрес ячейки памяти на ША, а затем произвести операцию чтения из микросхемы.

Рисунок 11 – Временная диаграмма чтения информации из ПЗУ

На рисунке стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие сигналы. На этом рисунке RD - это сигнал чтения, A - сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в нулевое состояние), D - выходная информация, считанная из выбранной ячейки ПЗУ.

В пространстве памяти МПС могут быть особые области, которые выполняют специальные функции:

- память программы начального запуска, которая всегда выполняется на ПЗУ или флэш-памяти; с этой области процессор начинает работу после включения питания и после сброса его с помощью сигнала RESET;

- область векторов прерываний;

- область стека.

Стек

Память для стека (Stack) — это часть ОЗУ, предназначенная для временного хранения данных в режиме LIFO (Last In — First Out).

Особенность стека по сравнению с другой ОЗУ — это заданный и неизменяемый способ адресации. При записи любого числа (кода) в стек число записывается по адресу, определяемому как содержимое регистра указателя стека, предварительно уменьшенное на единицу (или на два, если 16-разрядные слова расположены в памяти по четным адресам). При чтении из стека число читается из адреса, определяемого содержимым указателя стека, после чего это содержимое указателя стека увеличивается на единицу (или на два). В результате получается, что число, записанное последним, будет прочитано первым, а число, записанное первым, будет прочитано последним.

Принцип действия стека. Пусть, например, текущее состояние указателя стека 1000008, и в него надо записать два числа (слова). Первое слово будет записано по адресу 1000006 (перед записью указатель стека уменьшится на два). Второе — по адресу 1000004. После записи содержимое указателя стека — 1000004. Если затем прочитать из стека два слова, то первым будет прочитано слово из адреса 1000004, а после чтения указатель стека станет равным 1000006. Вторым будет прочитано слово из адреса 1000006, а указатель стека станет равным 1000008. Все вернулось к исходному состоянию. Первое записанное слово читается вторым, а второе — первым.

Рисунок 13 – Принцип работы стека

Такая адресация необходима в случае многократно вложенных подпрограмм.

Пусть, например, выполняется основная программа, и из нее вызывается подпрограмма 1. Если нам надо сохранить значения данных и внутренних регистров основной программы на время выполнения подпрограммы, мы перед вызовом подпрограммы сохраним их в стеке, а после ее окончания извлечем (прочитаем) их из стека. Если же из подпрограммы 1 вызывается подпрограмма 2, то ту же самую операцию мы проделаем с данными и содержимым внутренних регистров подпрограммы 1. Понятно, что внутри подпрограммы 2 крайними в стеке (читаемыми в первую очередь) будут данные из подпрограммы 1, а данные из основной программы будут глубже. При этом в случае чтения из стека автоматически будет соблюдаться нужный порядок читаемой информации. То же самое будет и в случае, когда таких уровней вложения подпрограмм гораздо больше. То есть то, что надо хранить подольше, прячется поглубже, а то, что скоро может потребоваться — с краю.

Прерывания

Прерывание – это изменение последовательного выполнения команд, вызванное обслуживанием запроса внешнего устройства, либо нарушение последовательной работы МП. Например, может быть предусмотрено прерывание по факту некорректного выполнения арифметической операции типа деления на ноль. Или же прерывание может быть программным, когда в программе используется команда перехода на какую-то подпрограмму, из которой затем последует возврат в основную программу.

Процессор, получив аппаратное прерывание, заканчивает выполнение текущей команды и обращается к памяти в область таблицы векторов прерываний, в ту ее строку, которая определяется номером запрошенного прерывания. Затем процессор читает содержимое этой строки (код вектора прерывания) и переходит в адрес памяти, задаваемый этим вектором.

Пусть, например, процессор выполнял основную программу и команду, находящуюся в адресе памяти 5000 (условно). В этот момент он получил запрос прерывания с номером (адресом вектора) 4. Процессор заканчивает выполнение команды из адреса 5000. Затем он сохраняет в стеке текущее значение счетчика команд (5001) и текущее значение PSW. После этого процессор читает из адреса 4 памяти код вектора прерывания. Пусть этот код равен 6000. Процессор переходит в адрес памяти 6000 и приступает к выполнению программы обработки прерывания, начинающейся с этого адреса. Пусть эта программа заканчивается в адресе 6100. Дойдя до этого адреса, процессор возвращается к выполнению прерванной программы. Для этого он извлекает из стека значение адреса (5001), на котором его прервали, и бывшее в тот момент PSW. Затем процессор читает команду из адреса 5001 и дальше последовательно выполняет команды основной программы.

Рисунок 14 – Упрощенный алгоритм обработки прерывания

Устройства ввода-вывода

Устройства ввода-вывода (УВВ) – это периферийные микросхемы, узлы, предназначенные для организации связи с внешними по отношению к данной МПС устройствами.

Примеры УВВ:

- индикаторы, дисплеи, прочие средства отображения информации;

- клавиатура;

- порты цифровой связи и др.

Обычно УВВ конструктивно разрабатывают в составе МПС в виде интерфейсных плат, модулей, узлов.

Рисунок 15 – Программная модель внешнего устройства

Каналы связи

Практически все реальные МПС позволяют выполнять передачу данных. Коммуникационные интерфейсы являются важной частью МПС.

Канал связи – это система технических средств и среда передачи информации между источником сигнала и приемником.

При телефонной передаче источник сообщения – говорящий. Кодирующее устройство, преобразующее звуки слов в электрические импульсы, – микрофон. Канал, по которому передается информация, – телефонный провод или радиоканал. Часть трубки, которая подносится к уху, выполняет роль декодирующего устройства (электрические сигналы снова преобразуются в звуки). Информация поступает в “принимающее устройство” – ухо человека на другом конце провода. Канал включает в себя телефонные аппараты (устройства), провода (предметы) и аппаратуру АТС (устройства). Особенностью этого информационного канала является то обстоятельство, что при поступлении в него информация, представленная в виде звуковых волн, преобразуется в электрические колебания и затем передается. Такой канал называется каналом с преобразованием информации.

Характеристики каналов связи:

- физическая среда передачи;

- параметры сигнала – полоса частот ΔF, несущая частота F, динамический диапазон D = 10lg(Pmax/Pmin)

- разрядность – максимальное количество информации, которое может быть одновременно помещено в канал;

- скорость передачи данных (пропускная способность);

- помехозащищенность;

- предложенная нагрузка – это поток данных, поступающий от источника в канал связи, характеризующаяся скоростью поступления данных в сеть – в битах в секунду (или килобитах, мегабитах и т.д.)

Пропускная способность – метрическая характеристика, показывающая максимального количества информации, данных, проходящей в единицу времени через канал связи. Пропускная способность показывать способность канала передавать информации в «идеальных» условиях и характеризует только сам канал, не затрагивая источник и приемник информации, способы обработки информации.

Основная единица измерения бит/сек. На более высоких уровнях, используется более крупная единица – байт/сек.

Бод – единица измерения символьной скорости, т.е. количество изменений несущего сигнала в секунду. Для квадратурной амплитудной модуляции QAM при символьной скорости 2 400 бод, скорость передачи – 9 600 бит/сек.

Теоретическая верхняя граница скорости передачи информации определяется теоремой Шеннона-Хартли. Пропускная способность канала C, означающая теоретическую верхнюю границу скорости передачи информации, которые можно передать с данной средней мощностью сигнала S через один аналоговый канал связи, подверженный аддитивному белому гауссовскому шуму мощности N равна:

,бит/сек

где

B — полоса пропускания канала в герцах;

S — полная мощность сигнала над полосой пропускания, измеренной в ваттах или вольтах в квадрате;

N — полная шумовая мощность над полосой пропускания, измеренной в ваттах или вольтах в квадрате;

S/N — отношение сигнала к шуму(SNR) сигнала к гауссовскому шуму, выраженное как отношение мощностей.

Шум - это помехи в канале связи при передаче информации.

Физические каналы связи делятся на несколько типов в зависимости от того, могут они передавать информацию в обоих направлениях или нет.

• Дуплексный канал обеспечивает одновременную передачу информации в обоих направлениях.

• Полудуплексный канал также обеспечивает передачу информации в обоих направлениях, но не одновременно, а по очереди.

• Симплексный канал позволяет передавать информацию только в одном направлении.

Типы каналов связи:

1. Проводные. Особым видом проводной связи является волоконно-оптическая связь. В МПС, используемых в электроэнергетике, наиболее распространены такие каналы связи, как RS-232, RS-485, Ethernet, Can-Bus и др.;

2. Беспроводные. Наиболее распространены Wi-Fi, ZigBee, GSM/GPRS, спутниковая связь, КВ-радиомодемы.

В качестве физической среды в коммуникациях используются: металлы (в основном медь), сверхпрозрачное стекло (кварц) или пластик и эфир.

Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель "витая пара", коаксиальные кабель, волоконно-оптический кабель и окружающее пространство.

В одной линии связи можно образовать несколько каналов связи (виртуальных или логических каналов), например путем частотного или временного разделения каналов.

Витая пара (twisted pair) — кабель связи, который представляет собой витую пару медных проводов (или несколько пар проводов), заключенных в экранированную оболочку.

Коаксиальный кабель (coaxial cable) - это кабель с центральным медным проводом, который окружен слоем изолирующего материала для того, чтобы отделить центральный проводник от внешнего проводящего экрана (медной оплетки или слой алюминиевой фольги). Внешний проводящий экран кабеля покрывается изоляцией.

Коаксиальный кабель более помехозащищенный, чем витая пара и снижает собственное излучение. Имеет высокую пропускную способность. Допустимая длина линии связи – несколько километров. Несанкционированное подключение к коаксиальному кабелю сложнее, чем к витой паре.

Кабельные оптоволоконные каналы связи. Оптоволоконный кабель (fiber optic) – это оптическое волокно на кремниевой или пластмассовой основе, заключенное в материал с низким коэффициентом преломления света, который закрыт внешней оболочкой. На передающем конце оптоволоконного кабеля требуется преобразование электрического сигнала в световой, а на приемном конце обратное преобразование. Основное преимущество – чрезвычайно высокий уровень помехозащищенности и отсутствие излучения. Несанкционированное подключение очень сложно. Высокая скорость передачи данных. Основные недостатки оптоволоконного кабеля –  это сложность его монтажа, небольшая механическая прочность и чувствительность к ионизирующим излучениям.

Радиоканалы наземной (радиорелейной и сотовой) и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн и относятся к технологии беспроводной передачи данных.

Радиорелейные каналы связи состоят из последовательности станций, являющихся ретрансляторами. Связь осуществляется в пределах прямой видимости, дальности между соседними станциями - до 50 км. Цифровые радиорелейные линии связи (ЦРРС) применяются в качестве региональных и местных систем связи и передачи данных.

В спутниковых системах используются антенны СВЧ-диапазона частот для приема радиосигналов от наземных станций и ретрансляции этих сигналов обратно на наземные станции. В спутниковых сетях используются три основных типа спутников, которые находятся на геостационарных орбитах, средних или низких орбитах. Целесообразнее использовать спутниковую связь для организации канала связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможности обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках. Пропускная способность высокая – несколько десятков Мбит/c..

Радиоканалы сотовой связи строятся по тем же принципам, что и сотовые телефонные сети. Сотовая связь - это беспроводная телекоммуникационная система, состоящая из сети наземных базовых приемо-передающих станций и сотового коммутатора (или центра коммутации мобильной связи). Базовые станции подключаются к центру коммутации, который обеспечивает связь, как между базовыми станциями, так и с другими телефонными сетями и с глобальной сетью Интернет. По выполняемым функциям центр коммутации аналогичен обычной АТС проводной связи.

Используются стандарты GSM, GPRS.

Радиоканалы для локальных сетей. Стандартом беспроводной связи для локальных сетей является технология Wi-Fi. Wi-Fi обеспечивает подключение в двух режимах: точка-точка (для подключения двух ПК) и инфраструктурное соединение (для подключения несколько ПК к одной точке доступа). Скорость обмена данными до 54 Мбит/с.

Радиоканалы Bluetooht - это технология передачи данных на короткие расстояния (не более 10 м) и может быть использована для близкого локального подключения.

Модуляция сигналов

Так как аппаратура передачи и приема данных работает с данными в дискретном виде (единицы и нули), то при их передаче через аналоговый канал требуется преобразование дискретных данных в аналоговые (модуляция).

Модуляция – это процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастного несущего колебания по закону низкочастного информационного сигнала.

При приеме аналоговых данных необходимо обратное преобразование – демодуляция.

Модуляция/демодуляция – процессы преобразования цифровой информации в аналоговые сигналы и наоборот. При модуляции информация представляется синусоидальным сигналом той частоты, которую хорошо передает канал передачи данных.

Основные способы модуляции:

- амплитудная;

- частотная;

- фазовая.

Для передачи двоичных сигналов преобразование сигналов называется манипуляцией.

Амплитудная манипуляция (amplitude shift keying (ASK) — изменение сигнала, при котором скачкообразно меняется амплитуда несущего колебания

При частотной манипуляции (Frequency Shift Keying (FSK)) значениям «0» и «1» соответствуют определённые частоты при неизменной амплитуде. Частотная манипуляция весьма помехоустойчива, поскольку помехи канала искажают в основном амплитуду, а не частоту сигнала. Однако при частотной манипуляции неэкономно расходуется ресурс полосы частот канала.

Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления

Потенциальное или импульсное кодирование применяется на каналах высокого качества, а модуляция на основе синусоидальных сигналов предпочтительнее в тех случаях, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы.

Форматы последовательной передачи данных по линиям

Существуют два способа передачи данных (слова) информации по линиям данных:

1) Параллельный. При этом по параллельным проводникам (по шине) одновременно пересылаются все биты;

2) Последовательный. При этом используется одна или несколько линий связи, но биты слова пересылаются поочередно, начиная, например, с его младшего разряда.

Преимуществом параллельной передачи является, в первую очередь, более высокая скорость передачи данных (при прочих равных условиях) данные передаются быстрее во столько раз, сколько разрядов в слове.

Недостатком является ограниченная длина – 1-2 м. Это, в первую очередь, связано с наличием электрической емкости между проводниками.

Подавляющее большинство реально используемых каналов связи в МПС имеют последовательную передачу с возможностью передачи от десятков метров до сотен километров и более.

Режимы последовательной передачи данных:

- синхронный

- асинхронный.

При синхронной передаче каждый информационный бит сопровождается сигналом синхронизации по отдельной линии, информирующим приемник о наличии на линии информационного бита.

При асинхронной передаче данных также требуется наличие сигнала синхронизации, но он передается по той же линии, что и информационный поток.

Существует общепринятый стандартный формат асинхронной передачи данных, который содержит:

- стартовый бит;

- n пересылаемых бит информации (7 или 8 бит);

- бит контроля четности или нечетности (может отсутствовать);

- стоповые биты (1 или 2).

Существует мнемоническая запись асинхронного формата, например, 8N1 (8 бит данных, отсутствует бит контроля четности, 1 стоповый бит).

Когда данные не посылаются, на линии сохраняется уровень сигнала, соответствующий логической 1.

Рисунок 17 - Формат асинхронной последовательной передачи данных

Методы передачи на канальном уровне

Прежде чем послать данные в канал связи, посылающий узел данных разбивает их на небольшие блоки, называемые пакетами данных. На узле–получателе пакеты накапливаются и выстраиваются в должном порядке для восстановления исходного вида.

В составе любого пакета должна присутствовать следующая информация: 

- данные или информация, предназначенная для передачи по сети;

- адрес, указывающий место назначения пакета. Каждый узел сети имеет адрес. Кроме того, адрес имеет и приложение. Адрес приложения необходим для того, чтобы идентифицировать, какому именно приложению принадлежит пакет;

- управляющие коды – это информация, которая описывает размер и тип пакета. Управляющие коды включают в себя также коды проверки ошибок и другую информацию.

Существует три принципиально различные схемы коммутации в вычислительных сетях:

- коммутация каналов;

- коммутация пакетов;

- коммутация сообщений.

Кодирование информации

Любое событие или явление может быть выражено по-разному, разными способами, разным алфавитом. Чтобы информацию более точно и экономно передать по каналам связи, ее надо соответственно закодировать.

Кодирование - преобразование дискретной информации, представленной в виде первичного алфавита, в последовательность кодов.

Декодирование – это операция, обратная кодированию.

Традиционно для кодирования одного символа русского о(английского) алфавита используется 1 или 2 байта информации.

Способы кодирования: шифрование, сжатие, защита от шума.

Общая схема передачи информации через канал связи содержит следующие этапы:

1) Кодирование исходной информации от передатчика, включающее в себя шифрование, сжатие, помехозащитное кодирование;

2) Непосредственно передача через физическую среду;

3) Декодирование информации, обратное процессу кодирования, и передача в приемник информации, эквивалентной исходной.

Рисунок 19 - Общая схема передачи информации

В процессе хранения данных и передачи информации по сетям связи неизбежно возникают ошибки. Контроль целостности данных и исправление ошибок – важные задачи при передаче данных.

В системах связи возможны несколько стратегий борьбы с ошибками:

• обнаружение ошибок в блоках данных и автоматический запрос повторной передачи поврежденных блоков;

• обнаружение ошибок в блоках данных и отбрасывание поврежденных блоков, такой подход иногда применяется в системах потокового мультимедиа, где важна минимальная задержка передачи и нет времени на повторную передачу;

• исправление ошибок (англ. forward error correction) применяется на физическом уровне.

Интерфейсы, протоколы обмена

Промышленные МПС, как правило, состоят из различного оборудования разных производителей. Для обеспечения нормального взаимодействия этого оборудования в сетях необходим единый унифицированный стандарт, который определял бы алгоритм передачи информации. В современных МПС за это отвечают сетевые протоколы.

Протоколы состоят из множества модулей, решающих частные задачи, упорядочивают по уровням образующим иерархию, процесс сетевого взаимодействия.

Необходимо организовать согласованную работу двух иерархий, работающих на разных МПС. 

Взаимодействие одноименных функциональных уровней по горизонтали осуществляется посредством протоколов. Протоколом называется набор правил и методов взаимодействия между различными МПС.

Стандартизированный протокол позволяет разрабатывать физические интерфейсы, не привязанные к конкретной аппаратной платформе и производителю, например, USB, Ethernet.

Взаимодействия функциональных уровней по вертикали осуществляется через интерфейсы. Интерфейс определяет набор функций, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему уровню.

В сети Интернет базовым набором протоколов является стек протоколов TCP/IP.

Разработана семиуровневая модель взаимодействия открытых систем - OSI. Эта модель разделяет средства взаимодействия на семь функциональных уровней: прикладной, представительный (уровень представления данных), сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический.

Вычислительная сеть

Вычислительная сеть – это совокупность МПС, объединенных каналами передачи данных. В зависимости от расстояния между МПС различают следующие вычислительные сети:

 локальные вычислительные сети - LAN;

 территориальные вычислительные сети, к которым относятся региональные MAN и глобальные WAN сети;

Локальная сеть - это ЛВС, в которой МПС и коммуникационное оборудование находится на небольшом расстоянии друг от друга. ЛВС обычно предназначена для сбора, хранения, передачи, обработки и предоставления пользователям распределенной информации в пределах предприятия.

По топологии (основным топологиям) ЛВС делятся на:

 топологию "шина";

 топологию "звезда";

 топологию "кольцо".

По архитектуре (основным типам архитектур) ЛВС делятся на:

 Ethernet;

 Arcnet;

 Token ring;

 FDDI. 

Серверы - это высокопроизводительные компьютеры с винчестерами большой емкости и с высокоскоростной сетевой картой, которые отвечают за хранение данных, организацию доступа к этим данным и передачу данных рабочим станциям или клиентам.

Рабочие станции. Компьютеры, с которых осуществляется доступ к информации на сервере, называются рабочими станциями или клиентами.

Сетевые топологии

Геометрическое расположение линий связи относительно узлов сети и физическое подключение узлов к сети называется  физической топологией. В зависимости от топологии различают сети: шинной, кольцевой, звездной, иерархической и произвольной структуры.

Различают физическую и логическую топологию. Логическая и физическая топологии сети независимы друг от друга. Физическая топология - это геометрия построения сети, а логическая топология определяет направления потоков данных между узлами сети и способы передачи данных.

В МПС используются следующие физические топологии:

 "шина" (bus);

 “звезда” (star);

 “кольцо” (ring);

Сети с шинной топологией используют линейный моноканал передачи данных. Каждый узел подключается к каналу с помощью разъема. Информация поступает на все узлы, но принимается только тем узлом, которому она предназначается.

Преимущества сетей шинной топологии:

 отказ одного из узлов не влияет на работу сети в целом;

 сеть легко настраивать и конфигурировать;

 сеть устойчива к неисправностям отдельных узлов. 

В сети построенной по топологии типа “звезда” каждый узел назначения подключается к центральному устройству (концентратору). Концентратор обеспечивает параллельное соединение ПК и, таким образом, все узлы, подключенные к сети, могут общаться друг с другом. 

Информация поступает на все узлы, но принимается только теми, которым она предназначается.

Преимущества сетей топологии звезда:

 легко подключить новый узел;

 имеется возможность централизованного управления;

 сеть устойчива к неисправностям отдельных ПК и к разрывам соединения отдельных ПК. 

В сети с топологией кольцо все узлы соединены каналами связи в неразрывное кольцо (необязательно окружность), по которому передаются данные.

Принимающий узел распознает и получает только адресованное ей сообщение.

Данную сеть очень легко создавать и настраивать. К основному недостатку сетей топологии кольцо является то, что повреждение линии связи в одном месте или отказ ПК приводит к неработоспособности всей сети.

Информация

В общем смысле слова информация – это любые сведения, знания.

«Хорошая информация» должна обладать следующими качествами:

- польза;

- осмысленность

Свойства информации

1. Качество информации — степень её соответствия потребностям потребителей. Свойства информации являются относительными, так как зависят от потребностей потребителя информации.

2. Объективность информации характеризует её независимость от чьего-либо мнения или сознания, а также от методов получения. Более объективна та информация, в которую методы получения и обработки вносят меньший элемент субъективности.

3. Полнота.

Информацию можно считать полной, когда она содержит минимальный, но достаточный для принятия правильного решения набор показателей. Как неполная, так и избыточная информация снижает эффективность принимаемых на основании информации решений.

4. Достоверность - верность информации, не вызывающая сомнений. Объективная информация всегда достоверна, но достоверная информация может быть как объективной, так и субъективной. Причинами недостоверности могут быть: преднамеренное искажение (дезинформация); непреднамеренное искажение субъективного свойства; искажение в результате воздействия помех; ошибки фиксации информации.

В общем случае достоверность информации достигается: указанием времени свершения событий, сведения о которых передаются; сопоставлением данных, полученных из различных источников; своевременным вскрытием дезинформации; исключением искажённой информации и др.

5. Адекватность — степень соответствия смысла реально полученной информации и её ожидаемого содержимого . Например задан вопрос - "Сколько у человека пальцев на руке?" "На руке у человека пять пальцев" - ответ достоверный и адекватный, "У человека две руки" - ответ достоверный но неадекватный.

6. Доступность информации — мера возможности получить ту или иную информацию.

7. Актуальность информации — это степень соответствия информации текущему моменту времени.

Типы информации в МПС:

- аналоговая, непрерывная;

- цифровая, дискретная

Системы счисления

Система счисления – это символический метод записи чисел.

Каждая СС определяется некоторым числом b > 1 (т. н. основание СС) таким, что b единиц в каждом разряде объединяется в одну единицу следующего по старшинству разряда. Система счисления с основанием b также называется b-ричной.

Число x в b-ричной системе счисления представляется в виде линейной комбинации степеней числа b:

, где a_k — это целые числа, называемые цифрами, удовлетворяющие неравенству , k - порядковый номер разряда начиная с нулевого, n - число разрядов.

Каждая степень b^k в такой записи называется разрядом, старшинство разрядов и соответствующих им цифр определяется значением показателя k. Обычно для ненулевого числа x требуют, чтобы старшая цифра a_{n − 1} в b-ричном представлении x была также ненулевой.

Число x записывают в виде последовательности его b-ричных цифр, перечисляемых по убыванию старшинства разрядов слева направо:

Например, в десятичной системе:

Наиболее употребимыми в настоящее время позиционными системами являются:

• 2 — двоичная (в дискретной математике, информатике, программировании)

• 10 — десятичная система счисления

• 16 — шестнадцатеричная (наиболее часто используется в программировании)

Десятичная система счисления — позиционная система счисления по целочисленному основанию 10. Наиболее распространённая система счисления в мире. Для записи чисел используются арабские цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

Двоичная СС (Бинарная) -- для представления чисел используются символы 0 и 1 и используется в МПС.

Преимущества двоичной при использовании в МПС:

1) Цифры и 1 удобно кодировать уровнями напряжения, соответствующим напряжению на шинах питания, „0“ и „+Vсс“; использование большего количества уровней привело бы к усложнению схем;

2) Малое количество состояний у логических элементов повышает помехоустойчивость и быстродействие;

3) Простота двоичной арифметики;

Пример:

10010011₂=1 × 2⁷ + 0 × 2⁶ + 0 × 2⁵ + 1 × 2⁴ + 0 × 2³ + 0 × 2² + 1 × 2¹ + 1 × 2⁰ = 147₁₀

Соответствие первых двух десятков двоичной и десятичной систем счисления]].
Десятичная	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Двоичная	0	1	10	11	100	101	110	111	1000	1001
Десятичная	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19
Двоичная	1010	1011	1100	1101	1110	1111	10000	10001	10010	10011

Чтобы написать какое-нибудь десятичное число в двоичной СС, должно делить его последовательно на 2 и писать подряд, справа налево, остатки от деления.

Допустим, нам нужно перевести число 19 в двоичное:

19 /2 = 9 с остатком 1

9 /2 = 4 c остатком 1

4 /2 = 2 с остатком 0

2 /2 = 1 с остатком 0

1 /2 = 0 с остатком 1

Результат - 10011

Ставим числа из остатка друг за другом, начиная с конца. В результате получаем число 19 в двоичной записи: 10011.

Шестнадцатеричная система счисления (шестнадцатеричные числа) — позиционная система счисления по целочисленному основанию 16. В качестве шестнадцатеричных цифр используются десятичные цифры от 0 до 9 и латинские буквы от A до F для обозначения цифр от 10 до 15.

Для перевода шестнадцатеричного числа в десятичное необходимо это число представить в виде суммы произведений степеней основания шестнадцатеричной системы счисления на соответствующие цифры в разрядах шестнадцатеричного числа.

Например, требуется перевести шестнадцатеричное число 5A3 в десятичное. В этом числе 3 цифры. В соответствии с вышеуказанным правилом представим его в виде суммы степеней с основанием 16:

5A3₁₆=5·16²+10·16¹+3·16⁰ =5·256+10·16+3·1=1280+160+3=1443₁₀

Для перевода многозначного двоичного числа в шестнадцатеричную систему нужно разбить его на тетрады справа налево и заменить каждую тетраду соответствующей шестнадцатеричной цифрой.

Например:

10110100011₂=0101 1010 0011=5A3₁₆

Команды микропроцессора

Команды МП обычно имеют разрядность, совпадающую с разрядностью МП. Команда МП состоит из инструкции и обозначается код операции КОП (или INS в англоязычной литературе). Команда МП может состоять только из кода операции, когда не требуется указывать адрес операнда, или может состоять из кода операции и адресов операндов или данных.

Операнды – это данные, над которыми команда производит какое либо действие

Форматы команд очень зависит от структуры МП. Примеры построения команд:

Рисунок 20 – Форматы различных команд МП

Для выполнения одной и той же операции над разными регистрами МП назначаются разные коды. Запоминать эти коды в цифровом представлении практически невозможно:

Рисунок 2. Фрагмент исполняемого кода МП

Поэтому для увеличения наглядности исходного текста программы, каждой операции МП присвоено мнемоническое обозначение – сокращения английских слов, обозначающих эту операцию. Например, для операции копирования используется мнемоническое обозначение MOV; для операции суммирования используется мнемоническое обозначение ADD; для операции вычитания используется мнемоническое обозначение SUB; для операции умножения используется мнемоническое обозначение MUL и т.д. Скорость написания и отладки программ в мнемонических кодах возрастает. Например:

MOV R0, A ;Скопировать содержимое регистра A в регистр R0

ADD A, R5 ;Просуммировать содержимое регистров R5 и A, результат поместить в регистр A

Языки программирования

Главным квалификационным признаком языков программирования является принадлежность к одному из оформившихся к настоящему времени стилей программирования, каждому из которых соответствует своя собственная модель вычислений.

Программа на процедурном языке программирования состоит из последовательности операторов (инструкций), задающих те или иные действия. Предназначены для однозначного описания алгоритмов. Данные как правило хранятся в виде переменных. Весь процесс вычисления сводится к изменению их содержимого.

Одна инструкция (оператор) языка высокого уровня соответствовала последовательности из нескольких низкоуровневых инструкций, или команд.  Еще одной особенностью стала возможность повторного использования ранее написанных программных блоков, посредством их идентификации и последующего обращения к ним, например по имени.

Объектно-ориентированное программирование. Корни уходят в одну из ветвей логики, в которой первичной является не отношение, а объект. Модульность упрощает разработку сложных программных продуктов. В основе объектно-ориентированных языков (Object Pascal, C++, Java и др.) лежит понятие объекта, сочетающего в себе данные и действия над нами. Программа на объектно-ориентированном языке, решая некоторую задачу, по сути описывает часть мира, относящуюся к этой задаче. Переменные и функции группируются в классы. Благодаря этому достигается более высокий уровень структуризации программы. Объекты, порождённые от классов вызывают методы (функции или процедуры) друг друга и меняют состояние свойств (переменных).

Язык гипертекстовой разметки-HTML (Hyper Text Markup Language) позволяет создавать программы, с помощью которых можно блуждать по Сети.

Рисунок 22 – Диаграмма уровня языков математической записи

Наиболее прогрессивными для прикладного высокоуровневого программирования являются языки, основывающиеся на функциональном и логическом подходах.

Язык человека рассматривается как язык наивысшего уровня. В настоящее время в мире существует несколько сотен реально используемых языков программирования. Для каждого есть своя область применения.

Рассмотрим некоторые языки программирования в порядке увеличения их уровня.

Машинные коды – числовые коды команд МП.

Язык Ассемблера - предназначен для представления в удобочитаемой символической форме программ, написанных на машинном языке.

Язык Fortran (Formula Translator) разработан в 1956 г. Считается основой научных работников за счет своей “приспособленности” к ведению сложных вычислений и широко используется до настоящего времени, несмотря на свою ограниченность.

Ниже приведены на языках Бейсик, Паскаль и Си программы решения одной и той же простой задачи — вычисления суммы S элементов одномерного массива A=(a₁, a₂, ..., a_n).

Программа на Бейсике  

INPUT "N = "; N   :   DIM A(N) 

FOR I = 1 TO N 

PRINT "A("; I; ") ="; 

INPUT A(I) 

NEXT I 

S = 0 

FOR I = 1 TO N 

S = S + A(I) 

NEXT I 

PRINT "Сумма ="; S 

END 

Программа на Паскале  

Program Summa;  

  Type Mas = Array [1 .. 100] of Real; 

  Var A   : Mas; 

          i, n: Integer; 

          S   : Real; 

BEGIN 

  Write('n = ');   ReadLn(n); 

    For  i : = 1 to n do 

      begin 

          Write('A[', i, '] = '); 

          ReadLn(A[i]); 

        end; 

    S : = 0; 

    For  i : = 1 to n do 

          S : = S + A[i]; 

    WriteLn('S = ', S:8:2); 

END.

Программа на СИ 

# include <stdio.h> 

# include <conio.h> 

main() 

{  

float a[100], s; int i, n; 

clrscr(); printf("n="); 

scanf("%i", &n); 

for (i = 1; i <= n; i++) { 

printf("a[%i]=", i); 

     scanf("%f", &a[i]);} 

s=0; 

for (i = 1; i <= n; i++) 

     s = s + a[i]; 

printf("s = % f \ n", s); 

return 0; 

}

В последнее время получили распространение системы программирования, ориентированные на создание Windows-приложений:

- пакет  Delphi,—наследник семейства Borland Pascal, предоставляющий средства визуальной разработки.

- пакет Microsoft Visual Studio — удобный и популярный инструмент для создания Windows-программ с использованием визуальных средств. Содержит инструментарий для создания диаграмм и презентаций.

- свободный пакет Eclipse — для разработки модульных кросс-платформенных приложений.

Измерительные системы

***