Методические указания по микропроцессорным системам
и сети.
Перспективность применения МПС в различных системах управления
обусловлена, в первую очередь, такими достоинствами МП, как малые габариты,
низкая потребляемая мощность, возможность подключения большого количества
процессоров к каналам управления, простота программной настройки и
перестройки.
Внедрение МПС в контрольно-измерительную аппаратуру позволяет повысить
точность измерений, надежность, расширить функциональные возможности
приборов и обеспечивает выполнение следующих функций: калибровка, коррекция
и температурная компенсация, контроль и управление измерительным
комплексом, принятие решений и обработка данных, диагностика
неисправностей, индикация, испытание и проверка 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. Применение МП и МПС в
бытовой технике открывает также широкие возможности последней с точки
зрения повышения надежности, эффективности и разнообразия применений.
Доля применения МПС в различных областях военной техники растет с
каждым годом ( от навигационных систем летательных аппаратов до управления
движением транспортных роботов.
Если определить все множество применений МПС в процентном отношении, то
это будет выглядеть следующим образом: информационно-измерительная техника
( 16% , управление производством ( 18%, авиация и космос ( 15%, системы
связи ( 14 %, вычислительная техника ( 20%, военная техника ( 9%, бытовая
техника ( 3%, медицина ( 3%, транспорт ( 2%, другие области ( 7 %.
1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ
Микропроцессорной системой (МПС) называется система цифровой обработки
информации и управления, содержащая в своем составе, по крайней мере, один
микропроцессор (МП), один или несколько модулей основной (ОЗУ и ПЗУ) и
дополнительной памяти, устройства ввода и вывода, блоки сопряжения
(контроллеры) с устройствами ввода и вывода, которые связаны друг с другом
с помощью системной магистрали, состоящей, в общем случае, из магистралей
(шин) адресов (МА, ША), магистралей (шин) данных (МД, ШД) и магистралей
(шин) управления (МУ, ШУ).
Логическая структура МПС приведена на рис.1.1, где ОУ – объект
управления, Д – датчики, ИМ – исполнительные механизмы, ИК – информационные
контроллеры, БСД – блок сопряжения с датчиками, БСИК – блок сопряжения с
информационными контроллерами, ОП – основная память, ДП – дополнительная
память.
[pic]
Рис. 1.1. Логическая структура МПС
ОЗУ МПС обеспечивает чтение и запись информации и реализуется как
энергозависимая память, содержимое которой стирается при выключении МПС.
ПЗУ обеспечивает только чтение информации и реализуется в виде
энергонезависимой памяти. Контроллеры представляют собой устройства
сопряжения аппаратуры ввода-вывода с системной магистралью и реализуют
определенный интерфейс. Магистраль обеспечивает коммуникацию аппаратных
средств МПС и представляет собой набор проводников и усилителей сигналов.
В зависимости от областей применения МПС подразделяются на
специализированные и универсальные, встроенные и автономные.
Основой любой МПС является микроЭВМ ( вычислительная или управляющая
система, выполненная на основе МП, в состав которой, как правило, входят:
постоянная (программируемая) память программ (ПЗУ), память данных (ОЗУ),
генератор тактовых импульсов и информационный контроллер, построенные на
основе БИС или СБИС.
По способу реализации микроЭВМ подразделяются на однокристальные,
одноплатные и многоплатные. В одноплатных микроЭВМ МП выполняется в виде
кристалла БИС (СБИС), на котором кроме самого МП могут располагаться и
другие компоненты микроЭВМ (ПЗУ, ОЗУ, контроллеры и т.п.).
По назначению микроЭВМ разделяются на универсальные и
специализированные (проблемно-ориентированные).
По организации структуры различают одно- и многомагистральные микроЭВМ
(рис. 1.2).
[pic]Рис. 1.2. Общая структура ЭВМ: а – одномагистральная;
б – многомагистральная
В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс
и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются
данные, адреса и управляющие сигналы. В многомагистральных микроЭВМ
устройства группами подключаются к своей информационной магистрали, что
позволяет осуществить одновременную передачу по нескольким (или всем)
магистралям и тем самым увеличить быстродействие системы.
Центральной частью МПС является микропроцессор ( обрабатывающее
устройство, выполненное с использованием технологии БИС (часто на одном
кристалле) и обладающее способностью выполнять под программным управлением
обработку информации (включая ввод-вывод), принятие решений,
арифметические и логические операции.
МП характеризуется очень большим числом параметров и качеств,
поскольку он, с одной стороны, является функционально сложным программно-
управлемым цифровым процессором, т.е. устройством ЭВМ, а с другой стороны
– интегральной схемой с высокой степенью интеграции элементов, т.е.
электронным прибором.
МП классифицируются по следующим признакам.
По числу БИС в микропроцессорном комплекте ( однокристальные и
многокристальные МП. Однокристальные МП получаются при реализации всех
аппаратурных средств процессора в виде одной БИС или СБИС. Для получения
многокристального МП необходимо произвести разбиение его логической
структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС.
По назначению различают универсальные и специализированные МП. По
виду обрабатывающих входных сигналов МП делят на цифровые и аналоговые. По
характеру временной организации работы ( синхронные и асинхронные.
Кроме этого МП, как правило, классифицируются: по технологии
изготовления (p-МОП, п-МОП, к-МОП, И2Л и т.д); по числу шин; по
разрядности; по способу управления (схемное, микропрограммное); по числу
аккумуляторов, уровней прерывания и программных счетчиков; по типу и
емкости стека; по числу и длине команд и по видам адресации.
В общем случае в состав МП входят (рис. 1.3): арифметико-логическое
устройство (АЛУ), блок прерываний (БП), дешифратор команд и схема
управления (ДСК и СУ), регистр команд (РК), буферы адреса и данных (БА,
БД), регистры общего назначения (РОН), индексный регистр (ИР), стек (С),
его указатель (УС), программный счетчик (ПС), регистр-аккумулятор (А),
регистр признаков (РП), схема инкремент-декремент (ИД), блок прерываний
(БП).
Конкретные МП, как правило, не содержат всех узлов и блоков,
показанных на рис. 1.3. В этих случаях соответствующие функции могут
выполняться программно, а в качестве некоторых специальных регистров
[pic]
Рис. 1.3. Логическая структура МП
могут использоваться РОН или ячейки памяти. В ряде микропроцессорных
комплектов отдельные функциональные узлы и блоки выполняются автономно в
виде БИС или схем средней степени интеграции.
При проектировании МПС следует учитывать, что их производительность и
функциональные возможности напрямую зависят от организации внутренних шин
МП ( их число существенно влияет на структуру и характеристики МПС в целом.
При определении оптимального числа шин следует учитывать, что
уменьшение числа шин приводит к уменьшению быстродействия МП и
сопровождается введением дополнительных буферных регистров, увеличивает
площадь на кристалле, отводимую под функциональные элементы, и тем самым
увеличивает функциональные возможности МП и МПС.
В трехшинном МП при определенной внутренней организации РОН возможно
выполнение операций за один такт, включая выборку операндов из РОН и запись
результата в один из регистров. Достоинства: высокое быстродействие и
отсутствие буферных регистров, недостаток ( большая площадь шин на
кристалле.
Двухшинная организация при меньшей площади шин требует введения одного-
двух буферных регистров и операции выполняются за два такта.
Организация МП на основе одной шины позволяет максимально усложнить
архитектуру МП, однако требует введения двух-трех буферных регистров и трех
тактов для выполнения операций.
При использовании магистральной организации МПС возникает сложность в
подключении выходов нескольких элементов к одной шине (к одному проводнику
общей шины). Известны три следующих способа решения этой задачи.
Логическое объединение (рис. 1.4, а) ( выполняется с помощью схемы
ИЛИ, на входы которой поступают сигналы от разных источников информации,
предварительно проклапанированные сигналами управления на входах схем И.
[pic]
Рис. 1.4. Способы подключения устройств к общей шине
Объединение с помощью схем с открытым коллектором (рис. 1.4, б)
характеризуется электрическим соединением выходов нескол
| |  скачать работу |
Методические указания по микропроцессорным системам |
