Микропроцессорные средства автоматизации в электроэнергетике Вводная лекция к.п.н., доцент Данис Фанисович Амиров

Литература 1. Программирование МПС: / Под ред. Шаньгина. М.: Высшая шко-ла, с. 2. Токхайм Р. Микропроцессоры: Курс и упражнения / Пер. с англ. Под ред. Грасевича. М.: Энергоатомиздат, с. 3. Майоров С. А., Кириллов В. В., Приблуда А. А. Введение в микроЭВМ. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., с. 4. Морисита И. Аппаратные средства микроЭВМ / Пер. с япон. М.: Мир, с. 5. Соучек Б. Микропроцессоры и микроЭВМ / Пер. с англ. Под ред. А. И. Петренко. М.: Сов. радио, с.

Вопросы Понятие микропроцессорной системы. Общие сведения о МПС. Архитектура МПС.

Понятиемикропроцессорнойсистемы Понятие микропроцессорной системы Микропроцессорная система – система, включающая в свой состав хотя бы один микропроцессор, запоминающее устройство, устройство ввода/вывода, устройство сопряжения системной шины с устройствами ввода/вывода (контроллеры), системную шину., Микропроцессорная система может рассматриваться как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов.

Общие сведения о микропроцессорных системах Множество областей применения МП и микроЭВМ позволяет классифицировать МПС на системном уровне следующим образом: встроенные системы контроля и управления; локальные системы накопления и обработки информации; распределенные системы управления сложными объектами; распределенные высокопроизводительные системы параллельных вычислений. Исходя из этого, в настоящее время определились следующие приоритетные области применения МПС: системы управления; контрольно-измерительная аппаратура; техника связи; бытовая и торговая аппаратура; транспорт; военная техника; вычислительные машины, системы, комплексы и сети.

Общие сведения о микропроцессорных системах Внедрение МПС в контрольно-измерительную аппаратуру позволяет повысить точность измерений, надежность, расширить функциональные возможности приборов Внедрение МПС в системы связи обусловлено все большим вытеснением аналоговых методов цифровыми и привело к их широкому использованию в мультиплексорах, преобразователях кодов, устройствах контроля ошибок, блоках управления передающей и приемной аппаратуры. Все шире используются МПС в таких устройствах, как контрольно- расчетные терминалы торговых центров, автоматизированные электронные весы, терминалы и кассовые аппараты для банков и т.п Доля применения МПС в различных областях военной техники растет с каждым годом от навигационных систем летательных аппаратов до управления движением транспортных роботов.

Основные типы микропроцессорных систем Основные типы микропроцессоров следующие: микроконтроллеры; контроллеры; микрокомпьютеры; компьютеры (в том числе персональные)

Основные типы микропроцессорных систем Микроконтроллеры представляют собой универсальные устройства, которые практически всегда используются не сами по себе, а в составе более сложных устройств, в том числе и контроллеров. Контроллеры, как правило, создаются для решения какой-то отдельной задачи или группы близких задач. Они обычно не имеют возможностей подключения дополнительных узлов и устройств, например, большой памяти, средств ввода/вывода. Их системная шина чаще всего недоступна пользователю. Микрокомпьютеры отличаются от контроллеров более открытой структурой, они допускают подключение к системной шине нескольких дополнительных устройств. Производятся микрокомпьютеры в каркасе, корпусе с разъемами системной магистрали, доступными пользователю. Компьютеры и самые распространенные из них персональные компьютеры это самые универсальные из микропроцессорных систем. Они обязательно предусматривают возможность модернизации, а также широкие возможности подключения новых устройств.

Архитектура микропроцессорной системы Логическая структура МПС приведена на рисунке 1: Рис.1. Логическая схема МПС

Архитектура Фон-Неймана С точки зрения организации процессов выборки и исполнения команды в современных МПС применяется одна из двух архитектур: фон-неймановская (принстонская) или гарвардская. Основной особенностью фон-неймановской архитектуры является использование общей памяти для хранения программ и данных.. Рис. 2. Структура МПС с фон-неймановской архитектурой.

Гарвардская архитектура Основной особенностью гарвардской архитектуры является использование раздельных адресных пространств для хранения команд и данных, как показано на рис.3. Рис. 3. Структура МПС с гарвардской архитектурой.

Архитектура с общей шиной Так же эти два типа архитектуры различаются по количеству используемых шин, и в силу этого обстоятельства они имеют другие названия - одношинная, или принстонская, фон- неймановская архитектура и двухшинная, или гарвардская, архитектура. Архитектура с общей шиной (рис.4) распространена гораздо больше, она применяется, например, в персональных компьютерах и в сложных микрокомпьютерах. Архитектура с раздельными шинами (рис.5) применяется в основном в однокристальных микроконтроллерах. Рис. 4. Архитектура с общей шиной данных и команд.

Архитектура с раздельными шинами данных и команд Рис. 5. Архитектура с раздельными шинами данных и команд

Типовая структура микрокомпьютера. Типовая компьютерная система включает пять функциональных блоков: 1. устройство ввода; 2. арифметическое устройство; 3. память; 4. устройство управления; 5. устройство вывода Физические компоненты и схемы,составляющие микрокомпьютер - это его аппаратура (hardware).

Программа - это определенным образом организованная совокупность элементарных машинных операций, называемых командами или инструкциями, с помощью которых осуществляется обработка информации или данных. Программы, написанные для компьютера, образуют его программное обеспечение.

Память Запоминающее устройство (ЗУ)- предназначено для запоминания больших объемов информации; ЗУ подразделяется на подблоки (регистры); Каждый регистр (ячейка памяти) способен хранить одно машинное слово и имеет свой адрес Адрес - это просто целое число, однозначно идентифицирующее ячейку.

Большие универсальные ЭВМ постоянно перепрограммируются; имеют два вида памяти: 1. память, из которой возможно только считывание(ROM-read only memory), или постоянная память; 2. память со считыванием и записью (RWM- read/write memory) или (RАМ-random ac- cess memory)-память с произвольной выборкой.

Арифметическое устройство Главный регистр в арифметическом устройстве называется аккумулятором. В аккумуляторе находится один из операндов перед выполнением операции, и в него же помещается ее результат. Арифметическое устройство несколько вспомогательных регистров, называемых рабочими Арифметическое устройство содержит признаковые биты (флажки). Флажковые биты, характеризующие результаты операций или каких-либо проверок, размещаются вместе с другой важной информацией о состоянии МП в специальном регистре, который называется словом состояния программы (PSW – program status word.)

Устройство управления Устройство управления автоматически, последовательно по одной, получает команды из памяти, декодирует каждую из них и генерирует необходимые для ее выполнения сигналы. Для того чтобы получить команду из памяти, устройство управления знать ее адрес. Команды выбираются из последовательных ячеек памяти, и их адреса указываются программным счетчиком, находящимся в устройстве управления. Чтобы иметь возможность декодировать и выполнить текущую команду, она запоминается в регистре команды. Для того, чтобы правильно декодировать команду, она должна иметь определенную структуру, которая называется форматом команды. код команды, а у некоторых МП и адрес должны присутствовать в команде всегда. код операции - это совокупность двоичных цифр, которые однозначно определяют операцию в процессе декодирования команды.

Устройство управления Адресная часть команды (если она присутствует) указывает на ячейки памяти, к которым нужно обратиться, выполняя команду. Следующей функцией устройства управления является синхронизация работы отдельных блоков компьютера, осуществляется с помощью генератора тактовых импульсов, или тактового генератора. Обработка команды занимает несколько периодов тактового генератора. Выборка команды, ее декодирование я выполнение распадаются на несколько временных интервалов. Каждый из этих интервалов, включающих один или более периодов тактового генератора, представляют собой машинный цикл, а совокупное время выборки, декодирования и выполнения образует командный цикл, или цикл выполнения команды.

Два блока машины - это устройство ввода и устройство вывода. Устройство ввода получает данные и команды, которые поступают в память. Устройство вывода получает вычисленные результаты и передает их человеку-оператору или другой системе. Точки контакта между устройствами ввода/вывода и МП называются портами ввода/вывода, имеют свои адреса, т.е. одному МП может быть подключено несколько устройств ввода/вывода. Устройство ввода/вывода

Системы счисления Компьютер - это устройство обработки информации, представленной в числовой и нечисловой формах. В обоих случаях представляется в виде нулей и единиц. Представление информации с помощью двух символов (0,1) задает двоичную систему счисления. При изучении вычислительной техники представляют интерес три системы счисления - это двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная. Преобразование десятичных чисел в двоичные производится непрерывным делением преобразуемого числа на 2 с одновременным слежением за получающимися остатками. Например, преобразуем десятичное число 9 в двоичную: 2 = 4 остаток = 2 остаток 0I 2 = 1 остаток 0I I 2 = 0 остаток 1II I I I I I двоичное число - 1 О О 1

Системы счисления Преобразование двоичного числа в десятичное можно выполнить следующим образом: = 1*2+0*2+0*2+1*2+1*2 = = 19

Основы построения программных средств Машинный язык – язык, который понимает микропроцессор. Мнемонический код - замена кода каждой команды коротким именем. Программы, написанные с использованием мнемонических обозначений, называются программами на языке ассемблера. Компиляторы – транслирующие программы, переводящие программу, написанную на языке высокого уровня, на машинный язык.

Принципы соединения аппаратных средств МП систем Концепция "шины". Существует три типа шин: 1. однонаправленная адресная шина; 2. двунаправленной шина данных; 3. шина управления (управляющая шина).

Типичные 8-разрядные МП и микроЭВМ. МП 8085 фирмы Intel Упрощенная структура МП 8085, который имеет следующие функциональные узлы: 1. арифметико-логическое устройство; аккумулятор; регистр признаков; регистр команд; 2. дешифратор команд и шифратор машинных циклов; 3. блок регистров общего назначения (В,С,D,Е,Н,L), регистров W, Z, указателя стека SР, программного счетчика РС и регистра адреса со схемой инкремента/декремента; 4. буфер адреса (А8...А15); 5. буфер адреса/данных (АD0...АD7); блоки синхронизации и управления; блок управления прерываниями; 6. блок последовательного ввода и вывода. Аккумулятор соединен с шиной данных и с арифметико- логическим устройством (АЛУ). АЛУ выполняет все преобразования данных.