Микропроцессорные управляющие системы.
Микропроцессоры проникают почти во все деятельности человека: управление датчиками, устройствами, управление производством. Основными областями применения микропроцессоров являются: промышленная автоматика – 18%, информационно–измерительная техника – 16, космонавтика – 15%, системы связи – 14%, вычислительная техника – 13%, военная техника – 9%, бытовая и медицинская техника – 3%, 3%, прочие – 7%. Проникновение в автоматизацию идёт наивысшими темпами. На сегодняшний день без микропроцессоров невозможно создать интеллектуальную компьютерную систему управления. Среди исторических предпосылок появления микропроцессоров следует выделить изобретение в 1948 году, транзистора. В 1959 году инженеры фирмы TI разместили несколько транзисторов на одной основе и соединили их между собой, так появились интегрированные схемы. С их помощью Арифметико-Логическими Устройствами АЛУ можно было совершать операции сложения и вычитания. Но в 1971 году появилась возможность разместить в одном кристалле полупроводника: АЛУ и элементы памяти. Первым микропроцессором был четырёхразрядный микропроцессор Intel 4004, в 1972 году – Intel 8008, в конце 1973 года Intel выпустила восьмиразрядный микропроцессор Intel 8080, который был 8 10 раз быстрее 8008 и мог адресовать 64К ячеек. Через несколько лет на одном кристалле полупроводника кроме АЛУ стали размещать ПЗУ (постоянные запоминающие устройства), память с произвольной выборкой ОЗУ (оперативные запоминающие устройства), устройства управления. Их стали называть микроконтроллерами (однокристальные микроЭВМ), а микросхемы, в которых размещались микропроцессор и микроконтроллер, получили названия: БИС (большие интегральные схемы) и СБИС (сверхбольшие интегральные схемы). БИС содержала 6 транзисторов в одном кристалле. СБИС содержат миллионы и 10 миллионов транзисторов в одном кристалле. Применения интегральных схем в сложных системах автоматизации технологических процессов не только существенно улучшила их эксплуатационные характеристики: надёжность, энергопотребляемость, массогабаритные параметры, стоимость, но и открыла широкие возможности реализации сложных алгоритмов обработки сигналов, что сблизило области аналоговой и цифровой техники.
До появления микропроцессоров эти области имели чётко выраженные границы. К компетенции инженеров–автоматизаторов входило создание устройств и формирование сигналов, в том числе и цифровых с жёсткой или зашитой логикой.
Разработка специальных средств обработки информации и создание программ относились к компетенции инженеров по вычислительной техники.
С появлением микропроцессоров вычислительные устройства органически внедряются в системы автоматизации, и для специалистов–автоматчиков возникает потребность адекватного (глубокого) овладения арсеналом средств вычислительной техники, необходимого при разработке и эксплуатации систем автоматизации.
Современные микропроцессорные системы достаточно сложны, по этому изучение их начинают с упрощённого типового микропроцессора, затем рассматривают более подробно широко распространённые микропроцессорные системы.
Микропроцессор – сложное устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управление им, построенное на одной или нескольких интегральных схемах. Микропроцессор, как и любая ЭВМ работает под управлением программы, по этому микропроцессор кроме собственных, в которой хранится программа.
1.Общая структура эвм
Рис.1 Общая структура ЭВМ
Традиционный состав или архитектура содержат, по крайней мере, 5 устройств:
-
Ввода исходной информации и программы;
-
Устройства управления и арифметического действия;
-
Памяти
-
Устройство вывода результатов обработки информации.
Приведённая схема и физические устройства её образуют аппаратные средства. Данная система функционирует в следующем порядке:
Программа и данные загружаются через Устройство ввода УВ и Центральный процессор ЦП в память, где располагаются в предназначенных для них областях. ЦП считывает из памяти первую команду программы, расшифровывает её и выполняет, затем вторую и т. д. Команды эти достаточно просты: сложить два числа, передать данные, перейти в другую область памяти, ввести и др.
Как только обработка данных закончится, результат передаётся на Вывод ЭВМ. Большинство действий ЦП подчинено командам, размещённым в памяти.
Структура микроЭВМ
Классификация микро производится не только из–за малых размеров и стоимости, а в результате используемых в них микропроцессоров. Роль ЦП здесь выполняет микропроцессор.
Рассмотрим структуру типовой микроЭВМ
Рис.2 Структура ЭВМ
При внешнем рассмотрении видно, что данная структура содержит 5 основных элементов:
Микропроцессор, осуществляющий управление всеми элементами структуры посредством линий управления. Шина данных ШД (8 проводников) является двунаправленной и служит для передачи данных в микропроцессор и из него. Адресная шина АШ (16 проводников) выбирает ячейки памяти данных, а так же порты ввода и вывода данных (регистры). В программируемых микропроцессорных контроллерах, используемая для автоматизации программа в памяти содержатся постоянно, она располагается в устройстве ПЗУ. Данные хранятся в ОЗУ. Программы могут размещаться и в ОЗУ вместе с данными.
Вычислительные системы спроектированы в соответствии с концепцией разделения памяти на 2 вида: программная память и память данных, называемая машинами Гарвардского типа. В соответствии со второй концепцией различия между программной памятью и памятью данных не производятся. Соответствующие компоненты называются машинами Фон Нейманского типа.
2.Общая архитектура микропроцессора
Обобщённую архитектуру микропроцессора можно представить так:
Рис.3 Обобщённая архитектура микропроцессора
Операционный блок – основной блок микропроцессора. Состоит из арифметико–логического устройства АЛУ и специальных регистров (временного хранения данных, регистр–аккумулятор). Содержит схему аппаратной поддержки действий.
Блок управления – осуществляет приём и расшифровку программной команды, хранящейся в памяти. Формирует управляющие сигналы для других блоков микропроцессора. Он может менять естественный порядок следования команд программы, т.е. осуществлять её ветвление. Здесь же осуществляются операции по обработке прерываний программы.
Адресный блок – определяет способы адресации и объём адресуемой памяти. Адресация может быть: прямой, непосредственной, регистровой, индексной, базово–индексной, стековой, относительной и др.
Различные способы адресации обесточивания микропроцессора с перемещёнными программами с процедурой выборки данных из массива, с алгоритмами вычисления адресов. В соответствии с этим в АБ микропроцессора имеют регистры: индексные, базы, сегментные, регистры смещения и ряд других.
Блок регистров – в разных типах микропроцессор имеет различную структуру, однако, он обязательно имеет группу программ, доступных регистрам, адреса которых явно указываются в кодах команд и группу многофункциональных регистров общего назначения, которые могут использоваться в разных целях в качестве индексных, накопительных и т. п., т. е. регистры общего назначения могут выполнять функции регистров других блоков микропроцессора, операционного блока, адресного. Имеется ряд регистров специального назначения, выполняющих только одну функцию, например, указатель стека (память магазинного типа) или счётчика команд (адреса счётчика) (last in first out).
Блок системной магистрали – служит для связи внутренней магистральной микропроцессорной с внешней шиной данных ШД, управляет буферами данных и выдачей данных на совмещённые выводы адреса данных АД.
Интерфейсный блок – осуществляет управление, обменом информацией между микропроцессором и устройствами системой магистрали вычислительной системы. Арбитраж при прямом доступе в память и предварительную обработку запроса на прерывание.
Микропроцессор – основа автоматизации производства на любом уровне автоматизации. Основную часть устройств автоматизации, построенных с применением микропроцессора, называют программно–логическим микро контроллером ПЛК.