16. Использование микропроцессорной техники

Микропроцессор (МП) - это устройство для обработки данных за определенной программой, реализованный с использованием интегральных технологий микроэлектроники на одной или нескольких больших интегральных микросхемах (БИС).

Данные, которые обрабатывает МП, имеют вид двоичных чисел. Единица информации, один бит, это одноразрядное двоичное число. Кванты информации по 4, 8, 16, 32 бита называют словом данных.

Основными составляющими МП является устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) и регистры общее назначение (РОН). Устройство управления разрешает выполнять набор команд программы, размещенной во внешнем устройстве памяти. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции обработки данных. Регистры общего назначения используются для сохранения нужной оперативной информации, которая разрешает сократить количество обращений к внешнему устройству памяти и ускорить выполнения программы. Большинство операций МП происходит с использованием аккумулятора - регистра, в котором получаются результат операции обработки данных.

Совокупность микропроцессора с устройствами памяти, органами управления и связи (интерфейсами) МП с внешними устройствами, внешними устройствами ввода-вывода и устройствами согласование низковольтных цепей интегральных микросхем с цепями устройств, что работают в промышленной электросети, создает микропроцессорную систему (МПС) управления техническим объектом.

МПС способны воспринимать от внешних устройств дискретные (типа "включено–выключено") и аналоговые сигналы, пропорциональные определенному значению контролируемого параметра. Так же МПС способны выдавать во внешние устройства дискретные и аналоговые сигналы. Преобразование входных аналоговых сигналов в цифровую двоичную форму осуществляют аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Преобразование цифровых данных, которыми оперирует МП, в аналоговые сигналы вывода осуществляют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

Устройства памяти разделяют на постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) и оперативные запоминающие устройства (ОЗУ). При отключении питания ПЗУ сохраняют записанные к ним программы. При отключении питания вся информация в ОЗУ исчезает, если не предусмотреть аккумуляторную поддержку питания.

Все устройства МПС связанные между собою шиной адресов ША, шиной данных ШД и шиной управления ШУ. Количество разрядов ША определяет объем памяти, к которой способный обратиться МП. Количество разрядов ШД определяет длину слова данных. По ШД передаются все цифровые данные, которые обрабатывает процессор. По ШУ передаются сигналы, благодаря которым нужны элементы МПС работают в определенный момент в режиме передачи данных, другие - в режиме приема данных, а остальные элементы переводится в состояние отсоединения от ША и ШД.

Каждая команда МП содержит в себе код операции, которая выполняется в соответствии с данной командой, и операнд - то есть число или адрес ячейки памяти, в которой записано число. Для упрощения записи команд используют язык Ассемблера, которая изображает код операции в виде аббревиатуры начальных букв английских слов, которые отображают содержание, команды, а для записи операнда использует восьмеричную или шестнадцатеричную систему исчисления.

Мощность МП оценивается тремя параметрами: длиной слова данных, длиной слова памяти и скоростью выполнение команд. Последняя в значительной мере определяется частотой генератора тактовых импульсов, которая ограниченная быстродействием логических элементов и лежит обычно в МПС управление техническими устройствами в границах 0,5-40 МГц. Чем большая тактовая частота, тем большая вероятность индуцирования в шинах МПС внешними полями импульсов, которые могут вызвать сбои в работе системы. Поэтому шины МПС должны быть по возможности менее короткими и экранированными.

Каждый процессор имеет свою систему команд, но строение и принцип организации команд имеют общие черты. В командах микропроцессоров используют такие способы задания адреса операнда: прямая и косвенная регистровая адресация, прямая адресация и непосредственная адресация.

В зависимости от назначения и способа адресации команды могут быть одно-, двух- и трехбайтными. Соответственно изменяется и время выполнения команды (командный цикл). Процесс выполнения каждой команды состоит из двух этапов: выборки и выполнения.

Каждый процессор имеет регистр признаков, в определенных разрядах которого устанавливаются единицы или нули в зависимости от некоторых результатов предшествующих действий (наличия переноса из младшего байта к старшего, переноса из старшего байта, наличия в аккумуляторе нулей, наличия единицы в старшем разряде аккумулятора, наличия парного или нечетного числа единиц в аккумуляторе). Это разрешает программисту организовывать разветвления при выполнении программы.

Десятичный корректор в составе МП разрешает вести вычисление с представлением результатов в десятичной системе исчисления.

При необходимости прекращения выполнения основной программы и перехода к подпрограмме в связи с поступлением от внешнего устройства запроса на прерывание, МП может закончить выполнение бегущей команды и запомнить состояние всех своих регистров и адреса возвращения к основной программе после выполнения подпрограммы. Все запоминается в оперативной памяти, которая организовывается по принципу "последний зашел - первый вышел" и называется стековою памятью. Адрес первой ячейки такой памяти программист записывает в специальном регистре МП - регистре указателя стека.

Для связи МПС с внешними устройствами ввода - вывода используют параллельные или последовательные интерфейсы, выполненные в виде больших интегральных микросхем. Широко распространенный параллельный программированный интерфейс (ППИ) КР580 ВВ55 имеет три восьмиразрядных канала ввода - вывода. За командами программы ППИ может связывать восьмиразрядную шину данных МП с определенным каналом вывода, то есть вывести и удерживать неизменным определенный набор единиц и нулей на выходах канала, или считывать информацию из канала ввода и передавать ее по ШД к процессору. Настройка всех каналов на ввод или вывод происходит путем программирования ППИ командами процессора в начале выполнения программы.

Если внешние устройства включены к промышленной сети, то связь их с низковольтными микросхемами процессора возможно только при использовании оптоэлектронных устройств, входы и выходы которых отделены оптическим каналом с соответствующим уровнем прочности изоляции.

Для создания МПС управления техническими устройствами удобно использовать готовые микроконтроллеры, которые выпускает промышленность. Микроконтроллер оснащений устройствами ввода-вывода в виде цифровой и функциональной клавиатуры, цифровым дисплеем и программным обеспечением, которое разрешает выполнять ввод и наладки программ пользователя с использованием оперативной памяти микроконтроллера. Обычно микроконтроллеры имеют встроенные каналы ввода - вывода, то есть микросхемы параллельного и последовательного интерфейса.

При разработке программы МПС управления следует составить алгоритм выполнения программы, то есть последовательность действий по опросу входных данных, их обработке и формированию команд в соответствующих каналах ввода-вывода. Потом следует разбить алгоритм программы на отдельные фрагменты и детализировать действия в каждом фрагменте к уровню, который отвечает возможностям системы команд конкретного МП.

Перед записью программы языком Ассемблера (или сразу в машинных кодах) следует разбить имеющееся поле памяти на поле записи исходных и промежуточных числовых данных и поле записи непосредственно программы.

Для перевода программы, составленной языком Ассемблера, в машинные коды следует использовать специальную программу - транслятор, которая проверяет правильность записей всех команд языком Ассемблера и сама определяет адреса расположения отдельных команд и данных в поле памяти. Программист должен лишь задать начальный адрес программы и указать специальными директивами резервные зоны для расположения вспомогательных данных. Запись программ языком Ассемблера можно выполнять на ЭВМ–совместимых компьютерах в любом текстовом редакторе, а потом с помощью программы-транслятора переводить в машинные коды.

Одной из главных преимуществ МПС есть возможность практически без аппаратных перемен изменять ее функции управления техническим объектом путем внесения изменений в управляющую программу.

ЛИТЕРАТУРА

1. Морозов А.Г. Электротехника, электроника, импульсная техника. -М.: Высшая шк., 1987. - 448 с.

2. Герасимов В.В. Основы промышленной электроники. - М.: Высшая шк., 1986. - 480 с.

3. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие / Под ред. С.В. Якубовського. - .М: Радио и связь, 1985. - 423 с.

4. Федотов В.Н. Основы электроники. - М.: Высшая шк., 1990. - 288 с.

5. Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники. - Киев: Высшая школа, 1987. - 422 с.

6. Будіщев М.С. Электротехника, электроника и микропроцессорная техника. - Львов: Вид. "Афиша", 2001. - 424 с.

59