2.5. Система команд

На самом нижнем уровне работы с аппаратурой программисту доступны операции, закрепленные в системе команд микропроцессора. Всего таких команд в архитектуре разных ЭВМ насчитывается от 70 до 200.

Эти команды можно условно разделить на несколько групп. Для примера на рис. 2.10 приведена система команд для рассмотренной выше DECовской архитектуры. Нетрудно видеть, что сами по себе эти команды для программиста являются весьма примитивными, так как работают с отдельными кодами, регистрами, иногда с парой регистров. Заметим, что наибольшую группу образуют команды условной и безусловной передачи управления (процессор ЭВМ по сравнению с человеком тем и силен, что имеет большое быстродействие и умеет учитывать большое число условий).

В системе команд архитектуры Intel (рис. 2.11) появились команды, поддерживающие работу с массивами и типовыми приемами программирования.

Практически всегда система команд процессора поддерживается соответствующим ассемблером. Кроме того, мощную поддержку для работы с аппаратурой предоставляет операционная система, включающая в себя специализированные программы-драйверы (для работы со всеми внешними устройствами), программы поддержки для работы с файлами и проч. Перечень команд для работы с операционной системой MS DOS приведен на рис. 2.12.

Лист для рис. 2.10, рис.2.11 Системы команд DEC, Intel

Рис.2.12. Команды MS DOS

В персональных компьютерах фирмы IBM, базирующихся на архитектуре Intel, появилась еще одна промежуточная ступень между программой, операционной системой и ВУ - BIOS (Basic Input/Output System - базовая система ввода/вывода) со своими обращениями и прерываниями. Это специализированное устройство, зашитое в ПЗУ, позволяет скрыть от пользователя тонкости аппаратного взаимодействия со всеми внешними устройствами, но требует соблюдения весьма широкой номенклатуры дополнительных интерфейсных правил при работе с ВУ и системными устройствами самого персонального компьютера.

Фактически программирование на ассемблере и прямое использование операционной системы требуется только тем программистам, которые участвуют в разработке специализированных систем со значительным удельным весом аппаратной составляющей, с новыми внешними устройствами, со сложными алгоритмами обработки событий в реальном времени.

6. Подключение компьютера к объекту управления

Теперь, когда мы имеем представление об основных архитектурных особенностях микропроцессора, можно проанализировать возможности подключения микроЭВМ к объекту управления (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Обобщенная схема подключения микроЭВМ к объекту управления

Объект, подготовленный к автоматизации, содержит специальные датчики и исполнительные механизмы, что позволяет в автоматическом режиме получать данные о сигналах на входе и на выходе объекта и подавать на него электрические сигналы управления. Часть данных, которые нельзя ввести в автоматическом режиме может вводиться в ЭВМ через пульты ручного ввода информации. Кроме того, для оператора обычно используются специализированные пульты отображения информации, и ему предоставляется возможность прямой выдачи команд на исполнительные механизмы для управления объектом.

Датчики, преобразующие неэлектрические величины в электрические, (такие как термопары и термосопротивления, тахометры, динамометры, концевые выключатели и др.) выдают стандартизованные, но весьма разнообразные, сигналы, как по величине, так и даже по самой природе - полезную информацию может нести и напряжение, и ток, и частота переменного напряжения, и число импульсов, и сопротивление проволочного термометра, и т.п. Многообразие сигналов приводит к необходимости (и целесообразности) применять специальное устройство связи с объектом (УСО). Это устройство делают наборным или модульным, что позволяет компоновать большое число вариантов УСО на базе небольшого числа типов преобразователей. Использующаяся в нашей стране Государственная система приборов (ГСП) насчитывает несколько сот преобразователей. Аналоговые сигналы передают информацию о температуре, частоте вращения, направлении на плоскости или в пространстве; такие сигналы чаще всего приводятся к форме напряжения, изменяющегося в диапазоне 0 - 5 В, -5  +5 В или 0 - 10 В. С помощью дискретных сигналов передают информацию о состоянии контактов («включено – выключено»), о числе импульсов (например, числе изготовленных деталей или числе полных оборотов вала). Часто при этом допустимые уровни дискретных сигналов принимают в соответствии с международными стандартами по правилам так называемой транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ): состояние «выключено» (логический «0») - напряжением от 0 до +0,4 В, состояние «включено» (логическая «1») - напряжением от +2,4 до 3,5 В. Для промышленных установок дискретные сигналы чаще всего соответствуют уровню  24 В (обычный уровень напряжений для релейной автоматики).

Что же предлагают микроЭВМ в качестве ответной части интерфейса? Фактически, стали стандартными три способа доступа к компьютеру: через последовательный порт, через параллельный порт и через канал прямого доступа к памяти. В связи с этим возникает два вопроса: 1) как расширить эти возможности? 2) как организовать доступ к необходимым преобразователям со стороны микропроцессора?

Ответ на первый вопрос очевиден: необходимо сделать специальное устройство сопряжения с объектом (куда войдут все необходимые преобразователи) и подключить его как некоторое новое устройство к одному из выходов микроЭВМ. При этом различные способы ввода данных в ЭВМ имеют свои достоинства и недостатки: через канал прямого доступа в память можно пересылать большие порции данных очень быстро, но длина физических линий связи не может превышать нескольких дециметров; параллельный порт за один сеанс обмена пересылает / принимает 1 байт, и длина соединительных проводов может при этом составлять до 2 метров; последовательный порт применяют, когда длина линии связи составляет десятки и сотни метров, а коды передаются, как в телеграфе, в виде последовательности посылок постоянного тока. Обмен по последовательному интерфейсу идет примерно в 100 раз медленнее, чем по параллельному, но зато на расстояние примерно в 100 раз больше.

Подробно вопросы разработки устройств сопряжения для персональных компьютеров IBM PC рассмотрены в книге специалистов из МИФИ [76].

Совместное конструктивное исполнение УСО и микроЭВМ зависит от конкретной области применения. Так для станков с числовым программным управлением (ЧПУ) микроЭВМ и УСО компонуют в одном корпусе в пылебрызгозащищенном оформлении. Все интерфейсные модули здесь подключены непосредственно к магистрали ЭВМ. Для сложных металлообрабатывающих станков с числовым программным управлением (типа обрабатывающий центр) микропроцессорная система управления становится достаточно сложной и содержит фактически три микроЭВМ (рис. 2.14). Для связи машин между собой и с ЭВМ более высокого уровня здесь используется последовательный интерфейс, для подключения пульта оператора - параллельный, специальные интерфейсные модули используются в ЭВМ-2 и ЭВМ-3 для подключения к цепям электроавтоматики, приводам подач и датчикам.

В системах для научных исследований в качестве УСО применяют систему CAMAC (от англ. Computer-Aided Measurement And Control – автоматизированные средства измерения и управления, система КАМАК), содержащую отдельный корпус крейт со сменными преобразователями, собственным внутренним интерфейсом и контроллером крейта, и уже сам контроллер имеет выход через специальный кабель на какой-либо порт или на внутреннюю магистраль, используемую ЭВМ (рис. 2.15).

Рис.2.14. Микропроцессорная система для станков с числовым программным управлением

Система CAMAC разрабатывалась в первую очередь для физиков-ядерщиков как международный стандарт. При этом любой потребитель уже в 70-х годах мог закупить в одной стране крейт, в другой (или других) необходимые модули, и все это сразу стыковалось и работало!

Рис. 2.15. Схема использования системы КАМАК

Одна из первых отечественных публикаций по КАМАКу на русском языке появилась в 1976 году [111, 112], в 80-х годах КАМАК стал стандартом УСО для всех учреждений АН СССР.