Різні комп'ютерні системи та мікропроцесорні. Вступ: мікропроцесори, мікропроцесорні системи

Мікропроцесор (МП) - це виконаний на одній або декількох ВІС пристрій цифрової обробки інформації, що здійснюється за програмою. За призначенням він ідентичний ЕОМ, але має менші функціональні можливості.

Сучасні процесори можуть містити мільйони транзисторів в одній мікросхемі. Узагальнена структурна схема МП показано на рис.6.1.

Основу мікропроцесора становить арифметико-логічний пристрій АЛП. Воно виконує арифметичні (додавання, віднімання) і логічні (порівняння, диз'юнкція, кон'юнкція) операції над двома числами і видає результат операції. Реєстри Рслужать для зберігання та видачі команд (реєстр команд), адрес (реєстр адрес) і даних (реєстр даних або акумулятор).

Пристрій управління служить для перетворення команд, що надходять з регістрів і зовнішнього ЗУ сигнали, що безпосередньо впливають на всі елементи МП і стимулюють виконання команд.

Усі блоки МП з'єднані між собою та із зовнішніми пристроями трьома багаторозрядними шинами: шиною даних ШД, шиною адрес ША ​​і шиною управління ШУ. Шина - це група паралельних провідників, якими передається багаторозрядний код. УУ розподіляє в часі зв'язку між блоками по одній і тій же шині мультиплексування.

Сукупність шин називається магістраллю. Шина даних служить обміну операндами - кодами вихідних даних чи кодами команд. Шина адрес служить передачі кодів осередків пам'яті в ЗУ.

Отже, в мікропроцесорах, як й у ЕОМ, використовується магістральний принцип передачі.

Мікропроцесор використовується спільно з іншими мікроелектронними пристроями: пристроєм даних (ЗУД), запам'ятовуючим пристроєм програми (ЗУП) і пристроєм вводу-виводу (УВВ). Об'єднання цих елементів називається мікропроцесорною системою або мікроконтролером-рис. 6.2.

Запам'ятовуючі пристрої ЗУ призначені для прийому, зберігання та видачі програми та даних. При цьому ЗУП являє собою постійний пристрій (ПЗУ), що працює тільки на зчитування. Запис програми в ЗУП відбувається одноразово під час її виготовлення чи налагодження. ЗУД є оперативне запам'ятовуючий пристрій (ОЗУ), що працює як в режимі запису, так і в режимі зчитування.

УВВ призначене прийому сигналів від зовнішніх пристроїв в процесор чи ЗУ й у виведення результатів зовнішні пристрої. Генератор тактів синхронізує через МП роботу всіх блоків системи. У деяких типах МП може входити до складу самого процесора.

Програма, по якій працює МП зазвичай зберігається в постійному пристрої. Запис програми відбувається одноразово. Можливе застосування репрограмованих (перепрограмованих) ПЗП, що допускають багаторазовий запис та стирання інформації. Інформація у ПЗП зберігається при відключенні джерела живлення.

Для зберігання даних застосовують оперативні запам'ятовуючі пристрої (ОЗП), які інформація може бути видана з МП або від зовнішніх пристроїв (клавіатура, датчики) через УВВ. У разі відключення джерела живлення інформація в ОЗУ втрачається.

У випадках, коли розробники мікропроцесорної системи передбачають для споживача приєднання до магістралі будь-яких додаткових блоків (відкритий варіант системи), магістраль забезпечується буфером магістралі,що збільшує її навантажувальну здатність або адаптером магістралі,якщо треба як посилення, а й перетворення сигналів.

Конструктивно мікроконтролери можуть бути однокристальними, якщо всі елементи мікропроцесорної системи виконані в одній інтегральній схемі або одноплатними, якщо вони розташовані на одній друкованій платі. Одноплатні мікроконтролери часто мають вбудовану клавіатуру та індикатор. У такому вигляді вони можуть становити самостійну обчислювальну частину цифрових систем вимірювання, управління тощо.

Промисловість випускає величезну номенклатуру мікроконтролерів, що відрізняються розрядністю, архітектурою, характеристиками та можливостями функціонування. Загальною ознакою всіх мікроконтролерів є їхнє гнучке (тобто програмне) структурування. Мікроконтролери можуть бути спеціалізованими (наприклад мікроконтролер клавіатури персонального комп'ютера) або універсальними, призначеними для вирішення різних завдань одного класу, наприклад контролери для систем промислової автоматики.

Мікропроцесори характеризуються такими параметрами:

1. Вид мікропроцесора: універсальний чи спеціалізований, сигнальний тощо.

2. Спосіб управління: схемний (жорсткий), або мікропрограмний (гнучкий).

3. Розрядність – довжина слова, яке може бути одночасно оброблено процесором (4, 8, 16,32).

4. Місткість пам'яті, що адресується. Характеризує можливості мікропроцесора за складністю програм, що реалізуються.

5. Швидкодія. Характеризується тривалістю однієї

операції типу «регістр-реєстр» або числом операцій на секунду.

6. Потужність споживання.

7. Живлення напруги.

8. Конструктивні властивості.

Роботу підготував Сергій

Магнітогорський Державний Професійно-педагогічний коледж

Магнітогорськ, 2005 р.

1. Логічна структура мікропроцесорної системи

При проектуванні систем контролю, управління або обчислень на основі мікропроцесора необхідно з'ясувати та описати функції, що підлягають виконанню в системі, а потім узгодити їх з можливостями тих мікропроцесорів, які можуть бути використані в системі, що проектується.

Реальна електронна система на основі мікропроцесора містить значну кількість функціональних пристроїв, одним із яких є мікропроцесор. Усі пристрої системи мають стандартний інтерфейс і підключаються до єдиної інформаційної магістралі, як показано на рис.1.

Мікропроцесор в залежності від вимог, що пред'являються до системи, може бути однокристальним або одноплатним пристроєм, створеним на основі багатокристального комплекту мікропроцесорних БІС. У високопродуктивних системах мікропроцесор будується з урахуванням біполярних мікропроцесорних секцій БИС.

Мікропроцесор виконує в системі функції центрального пристрою управління та пристрої арифметично-логічного перетворення даних. Як пристрій управління він генерує послідовності синхронізуючих та логічних сигналів, які визначають послідовності спрацьовування всіх логічних пристроїв системи. Мікропроцесор задає та послідовно здійснює мікрооперації вилучення команд програми з пам'яті системи, їх розшифровку та виконання. Тип операцій мікропроцесора визначається кодом операції у команді. Відповідно до цих кодів мікропроцесор виконує арифметичні, логічні чи інші операції над числами, представленими в двійковому або кодованому двійково-десятковому коді.

Числа, що піддаються операційним перетворенням в арифметично-логічному блоці мікропроцесора, називають операндами. Операнд може бути одним із вихідних чисел, результатом, константою або деяким параметром. Операція в мікропроцесорі провадиться над одним або двома операндами.

Пам'ять мікропроцесорної системи фізично реалізується з урахуванням різних ЗУ. Техніко-економічна доцільність веде до побудови ієрархічної пам'яті на основі напівпровідникових постійних і оперативних пристроїв, що запам'ятовують, і магнітних зовнішніх пристроїв, що запам'ятовують.

Рис.1 Логічна структура мікропроцесорної системи

Напівпровідникові постійні пристрої ПЗУ, що запам'ятовують, дозволяють в процесі роботи системи здійснювати тільки читання заздалегідь записаних даних. Мають високу швидкість і енергонезалежні, тобто. зберігають інформацію при вимкненні живлення.

Напівпровідникові оперативні пристрої ОЗУ, що запам'ятовують, працюють в режимах оперативного (збігається з темпом роботи мікропроцесора) запису і читання даних. Нестача ОЗП – їх енергозалежність, тобто. втрата записаної інформації при вимкненні живлення.

Пам'ять системи адресована, тобто. кожне слово записується в осередку пам'яті зі своєю унікальною адресою. Слово – сукупність двійкових одиниць (біт) – двійкових розрядів, інтерпретованих як окреме число чи кілька смислових груп двійкових розрядів. Для отримання числа з пам'яті або запису числа в пам'ять необхідно точно встановити його адресу в пам'яті і здійснити операцію зчитування даних з пам'яті.

Пристрої введення даних (УВв) – будь-які засоби, призначені для передачі даних ззовні в регістри мікропроцесора або в пам'ять (клавіатура пульта управління, введення з перфострічок і перфокарт, зовнішні пристрої на магнітних стрічках, касетах, дисках, дисплеї і т.д.). .

Пристрої виведення даних (УВвив) - будь-які засоби, здатні сприймати дані, що передаються з регістрів мікропроцесора або осередків пам'яті (дисплеї, пристрої друку, зовнішні запам'ятовуючі пристрої, пульт управління і т.д.).

Для підключення різноманітних пристроїв введення чи виведення даних (а також комбінованих пристроїв введення-виведення) необхідно привести їх усі зв'язки та сигнали до стандартного вигляду, тобто. провести узгодження інтерфейсів. І тому використовується спеціальний апаратурний блок – інформаційний контролер ІЧ, має стандартний інтерфейс із боку підключення до інформаційної магістралі і нестандартний інтерфейс із боку пристроїв вводу-виводу, тобто. є перетворювачем інтерфейсних сполучень.

Мікропроцесор МП, ОЗУ та ПЗУ разом з УВвив, призначеними для операцій з людиною або іншою електронною системою, називається мікро-ЕОМ. Мікро-ЕОМ - це ЕОМ, центральна частина якої у складі процесора, ОЗУ, ПЗУ, інформаційного контролера побудована на основі БІС. Застосування БІС як основні елементні компоненти забезпечують мікро-ЕОМ такі переваги перед іншими типами ЕОМ, як компактність, надійність, мала матеріаломісткість, низькі потужність споживання та вартість. Але магістральна структура мікро-ЕОМ та швидкісні обмеження мікропроцесора визначають помірні характеристики продуктивності мікро-ЕОМ. Це стосується мікро-ЕОМ на основі мікропроцесорів на одному або декількох кристалах. У мікро-ЕОМ на основі біполярних мікропроцесорних секцій можна отримати високу швидкодію за рахунок реалізації конвеєрної обробки даних та швидкісного високоефективного управління обчислювальним процесом навіть за магістральної структури.

Мікро-ЕОМ стає центральною частиною електронної системи контролю, управління та обчислень, коли вона вводиться в контур управління деякого об'єкта (процесу). Для сполучення з мікро-ЕОМ об'єкт (процес) має бути оснащений датчиками стану та виконавчими механізмами. Датчики виступають як джерела інформації, що вводиться для мікро-ЕОМ, а виконавчі механізми – як приймачі інформації, що виводиться. Для узгодження інтерфейсів підключення датчиків та виконавчих механізмів у системі здійснюється через блоки сполучення датчиків та виконавчих механізмів.

Залежно від особливостей об'єкта (процесу) і можливостей мікропроцесора, складність кожного пристрою або блоку встановлюється на етапі проектування. Частини системи можуть розвиватися або вироджуватися, але має бути забезпечений загальний принцип побудови та роботи всіх електронних систем управління. Внаслідок прямої залежності між функціями програмних та апаратурних засобів можна при побудові електронної системи розвивати або апаратуру, або ускладнювати програмне забезпечення. Саме ці обставини визначають масові можливості застосування мікропроцесорних систем управління практично у всіх сферах.

Логічна структура універсального програмованого контролера.

Контролер (блок місцевого управління) необхідний управління апаратами вводу-вывода інформації (АВВ). Він забезпечує електромеханічне та логічне сполучення інформаційного каналу ЕОМ та частин АВВ, що є джерелами або приймачами керуючої інформації та даних, задає порядок проходження, кількість, електричні параметри, положення в часі та напрямок проходження інформації між інформаційними каналами та АВВ. Основне завдання контролера полягає у забезпеченні умов відмикання та замикання одиночних вентилів або їх груп, а також у запуску різноманітних електричних двигунів, електромеханічних перемикачів, збудженні соленоїдів, прийомі посилених та сформованих різноманітних сигналів датчиків інформації АВВ.

За будь-яких варіантів функціонального розбиття системи на частини апаратурні засоби блоку сполучення з АВВ або інтегрується із засобами БІС мікропроцесора, або виконуються окремо у вигляді інтерфейсної (інтерфейсних) БІС.

Контролер можна зробити жорстким з'єднанням між групами вентилів, тригерів і т.д. як цифровий автомат з урахуванням апаратурної логіки. Мінімізація кількості електронних елементів для корпусів інтегральних схем зазвичай призводить до неупорядкованої електронної структури, спеціалізованої на конкретне використання тільки в даному пристрої. Зміна в часовій діаграмі або введення нових сигналів в апаратурному контролері спричиняють необхідність перепроектування та переконструювання всього контролера або його частини.

Універсальні програмовані контролери реалізуються у вигляді однокристальних ВІС або на основі секцій мікропроцесорних комплектів ВІС. У таких контролерах різноманітні часові діаграми сигналів та його послідовності породжуються не розподілом регулярних сигналів тактових генераторів шляхом провідних з'єднань, а перетворенням послідовностей команд (мікрокоманд). Через гнучкість програмних і мікропрограмних засобів адаптації програмованого контролера до конкретної області застосування здійснюється за рахунок перепрограмування, що не зачіпає апаратурну реалізацію контролера або викликає тільки перезапис вмісту пристроїв, що управляють.

Техніко-економічні параметри інтегральних схем з високим ступенем інтеграції елементів дозволяють здійснювати управління АВВ інформації ЕОМ за допомогою електронних структур, подібних до структур керуючих ЕОМ. При цьому забезпечуються: 1) функціональна гнучкість за рахунок використання розвинених систем команд і побудови різноманітних складних послідовностей сигналів на їх основі з можливістю обліку реакції системи на сигнали, що видаються; 2) використання розподілених методів управління в ієрархічних керуючих системах, коли оптимізація процесу перетворення інформації ведеться на верхньому рівні управління, а безпосереднє локальне управління здійснюється вбудованим контролером, що сприймає та інтерпретує як стан АВВ, так і керуючі сигнали засобів вищого рівня управління; 3) простота спеціалізації та модифікації пристрою управління АВВ.

Сучасні мікропроцесорні системи є універсальним і виключно ефективним засобом при вирішенні найрізноманітніших проблем у галузі збирання та перетворення інформації, автоматичного та автоматизованого управління, вироблення та перетворення енергії.

У сучасному світі важко знайти область техніки, де б не застосовувалися мікропроцесори. Сфера застосування мікропроцесорів розширюється.

Практично кожна досить складна технічна система оснащується електронними та мікропроцесорними пристроями управління. Важко назвати технологічний процес, управління яким здійснювалося без використання електроніки і мікропроцесорної техніки.

Вони застосовуються при обчисленнях, виконують функції управління, вони використовуються при обробці звуку та зображення.

Залежно від сфери застосування мікропроцесора змінюються вимоги до нього. У сфері промислового виробництва мікро-ЕОМ можна використовувати у складі інформаційно-керуючих обчислювальних систем (ИУВС).

У системах технічного управління об'єктами та технологічними процесами та в системах організаційно-технічного управління цехами, підприємствами, галузями тощо. У таких системах мікро-ЕОМ використовуються для збору та обробки даних, виконання складних економічних та технічних розрахунків, планування, управління та контролю.

В управлінні складними технічними системами мікро-ЕОМ найчастіше використовуються у складі вбудованих засобів управління та контролю. Заміна високопродуктивної та дорогої ЕОМ, що використовується як центральний управляючий орган, мережею мікро-ЕОМ підвищує надійність, ефективність і гнучкість управління складною технічною системою, дозволяє організувати управління в реальному часі і знижує вартість загальних витрат на управління.

Застосування мікро-ЕОМ у машинобудуванні дозволяє перейти від існуючих конструкцій верстатів з числовим програмним управлінням до більш досконалих високопродуктивних робототехнічних конвеєрних систем та організації на їх основі гнучких автоматизованих виробництв.

Розширення сфери використання ЕОМ (особливо останніми роками) сприяло поява нового класу мікро-ЕОМ - персональних ЕОМ (ПЕОМ).

Під ПЕОМ мається на увазі мікро-ЕОМ, призначена для індивідуального користування (подібно до друкарської машинки, телевізора, магнітофона), але зі значно ширшими функціональними можливостями, що дозволяють використовувати її для вирішення найрізноманітніших завдань - від найскладніших професійних розрахунків до найдрібніших побутових. Зазвичай ПЕОМ так і класифікуються: професійні та побутові.

Професійні ПЕОМ використовуються професіоналами-конструкторами, технологами, інженерами, науковцями, журналістами, редакторами тощо. Вони виявляються корисними при індивідуальній обробці технічної, економічної, медичної та іншої інформації у викладацькій діяльності; дозволяють забезпечити оперативний доступом до галузевим, регіональним інформаційним джерелам через локальні мережі ЕОМ.

Побутові ПЕОМ можуть бути використані як домашній інформаційний центр. З їх допомогою можна проводити розважальні та пізнавальні ігри, організовувати навчальні курси (наприклад, вивчення іноземних мов або курсів за шкільною програмою), забезпечувати доступ до довідкової інформації: адрес, телефонів, рецептів тощо.

Мікро-ЕОМ, що випускаються промисловістю, є надто складними, щоб брати їх за зразок при спробі самостійної побудови.

Цифрові мікросхеми до теперішнього часу досягли вражаючої швидкодії при прийнятному струмі споживання. Найбільш швидкі з цифрових мікросхем мають швидкість перемикання порядку 3..5 нс. (Серія мікросхем 74ALS). У той же час доводиться платити за швидкодію мікросхем підвищеним струмом споживання. Винятком є ​​мікросхеми, побудовані на основі КМОП технології (наприклад, мікросхеми серій 1564, 74HC, 74AHC). У цих мікросхемах споживаний струм прямо пропорційний швидкості перемикання логічних вентилів у мікросхемі. Тобто. мікросхема автоматично збільшує струм споживання, якщо від неї потрібна більша швидкодія, тому в даний час переважна більшість мікросхем випускається саме за цією технологією.

Часто цифрові пристрої виконують складні завдання. Виникає питання - якщо мікросхеми досягли такої високої швидкодії, то чи не можна використовувати одну і ту ж мікросхему багаторазово? Тоді можна буде обмінювати швидкодію мікросхем на складність розв'язуваного завдання. Саме цей обмін дозволяють здійснювати мікропроцесори. У цих мікросхемах багаторазово використовується один і той же пристрій - АЛУ (арифметично-логічний пристрій). Тому можливий обмін граничної швидкодії мікроконтролера на складність пристрою, що реалізується. Саме з цієї причини намагаються максимально збільшити швидкодію мікропроцесорів - це дозволяє реалізовувати все більш складні пристрої в тому самому обсязі.

Ще однією причиною поширення мікропроцесорів стало те, що мікропроцесор - це універсальна мікросхема, яка може виконувати практично будь-які функції. Універсальність забезпечує широкий попит цих мікросхеми, отже масовість виробництва. Вартість ж мікросхем обернено пропорційна масовості їх виробництва, тобто мікропроцесори стають дешевими мікросхемами і тим самим ще більше збільшують попит.

Найбільшою мірою всі вищеперелічені властивості проявляються в однокристальних мікроЕОМ або як їх частіше називають за сферою застосування: мікроконтролерів. У мікроконтролерах одному кристалі об'єднуються всі складові частини комп'ютера: мікропроцесор (часто називають ядро ​​мікроконтролера), ОЗУ, ПЗУ, таймери і порти ввода-вывода.

Висновки:

КМОП технологія дозволяє обмінювати швидкість роботи на споживаний струм (що з більшою швидкістю перемикаються логічні елементи мікросхеми, тим більший струм споживає мікросхема);

Мікроконтролери дозволяють реалізовувати схему керування практично будь-якої складності на одній універсальній мікросхемі;

Мікроконтролери дозволяють обмінювати швидкість своєї роботи на складність пристрою, що проектується.

Мікроконтролери дозволяють реалізовувати апаратуру з мінімальною вартістю, габаритами та струмом споживання.

Термін розробки апаратури на мікроконтролерах мінімальний.

Модернізація апаратури полягає у зміні керуючої програми.

Мікропроцесорна система(МС) - це сукупність взаємодіючих великих інтегральних схем (ВІС) мікропроцесорного комплекту, організована в систему, тобто обчислювальна або управляюча система з мікропроцесором як вузл обробки інформації.

Типова структура мікропроцесорної системи зображено на рис. 2.49.

Генератор тактових імпульсів (ГТІ) - джерело послідовності прямокутних імпульсів, за допомогою яких здійснюється керування подіями в часі. Він задає цикл команди – інтервал часу, необхідний для зчитування вибірки команди із пам'яті та її виконання. Цикл команди складається з певної послідовності елементарних дій, які називаються станами (тактами).

Оперативний пристрій (ОЗУ), яке інакше називають пам'яттю даних, що підлягають обробці, і результатів обчислень, а в деяких мікропроцесорних системах - також програм, які часто змінюються. Його характерна властивість полягає в тому, що час, необхідний для доступу до будь-якої з клітинок пам'яті, не залежить від адреси цієї комірки. ОЗП допускає як запис, і зчитування слів. По відношенню до цього пам'ятного пристрою прийнятна аналогія з класною дошкою, на якій крейдою записані числа: їх можна багаторазово зчитувати, не руйнуючи, а при необхідності - стерти число і записати на нове, що звільнилося. Слід мати на увазі, що інформація, що міститься в ОЗП, зникає, стирається, якщо напруга живлення переривається.

Постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ) - це пристрій, у якому зберігається програма (і за необхідності сукупність констант). Вміст ПЗУ може бути стерто. Воно використовується як пам'ять програми, складеної заздалегідь виробником відповідно до вимог її користувачів. У таких випадках кажуть, що програма жорстко «зашита» в пристрої. Щоб здійснити іншу програму, необхідно застосувати інше ПЗП чи його частину. З ПЗУ можна тільки вибирати слова, що зберігаються там, але не можна вносити нові, прати і замінювати записані слова іншими. Воно подібно до надрукованої таблиці виграшів за облігаціями: можна лише зчитувати наявні там числа, але замінювати їх або вносити нові неможливо. Крім ПЗУ використовуються також ППЗУ та РППЗУ.

Мал. 2.49. Структура типової мікропроцесорної системи:

ГТІ - генератор тактових імпульсів; МП – мікропроцесор; ОЗУ - оперативне запам'ятовуючий пристрій; ПЗУ – постійний пристрій, що запам'ятовує

Програмований постійний запам'ятовуючий пристрій (ППЗП) відрізняється від ПЗУ тим, що користувач може самостійно запрограмувати ПЗУ (ввести в нього програму) за допомогою спеціального пристрою - програматора, але тільки один раз (після введення програми вміст пам'яті вже не можна змінити).

Репрограмований постійний запам'ятовуючий пристрій (РППЗУ), зване також ПЗУ, що стирається, має таку особливість: збережена інформація може стиратися кілька разів (при цьому вона руйнується). Інакше висловлюючись, РППЗУ допускає перепрограмування, здійснюване з допомогою програматора. Це полегшує виправлення виявлених помилок та дозволяє змінювати вміст пам'яті.

Інтерфейсом називають пристрій сполучення. Під інтерфейсом розуміють сукупність електричних, механічних та програмних засобів, що дозволяють з'єднувати модулі системи між собою та з периферійними пристроями. Його складовими частинами є апаратні засоби для обміну даними між вузлами і програмні засоби - протокол, що описує процедуру взаємодії модулів при обміні даними.

Інтерфейс мікропроцесорної системи відноситься до машинних інтерфейсів. У мікропроцесорній системі застосовують спеціальні інтерфейсні БІС для сполучення периферійних пристроїв із системою (на рис. 2.49 вони показані у вигляді модулів інтерфейсу введення та виводу). Для цих ВІС характерна універсальність, що здійснюється шляхом програмної зміни виконуваних ними функцій.

Пристрій введення здійснює введення в систему даних, що підлягають обробці, та команд.

Пристрій виведення перетворює вихідні дані (результат обробки інформації) у форму, зручну для сприйняття користувачем або зберігання. Пристроями введення-виведення служать блоки зчитування інформації з перфострічки та магнітної стрічки (або записи на них), касетні магнітофони, гнучкі диски, клавіатури, дисплеї, аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі, графобудівники, телетайпи і т.п.

Особливість структури мікропроцесорної системи полягає в магістральній організації зв'язків між модулями, що входять до її складу. Вона здійснюється за допомогою трьох шин. По них передаються вся інформація та сигнали, необхідні для роботи системи. Ці шини з'єднують мікропроцесор із зовнішньою пам'яттю (ОЗУ, ПЗУ) та інтерфейсами введення-виводу, в результаті чого створюється можливість обміну даними між мікропроцесором та іншими модулями системи, а також передачі сигналів, що управляють.

Мікропроцесор (МП ) є функціонально завершеним універсальним програмно-керованим пристроєм цифрової обробки даних, виконаним у вигляді однієї або декількох мікропроцесорних БІС. Мікропроцесорні ВІС відносяться до нового класу мікросхем, однією з особливостей якого є можливість програмного управління роботою ВІС за допомогою певного набору команд. Ця особливість знайшла свій відбиток у програмно - апаратному принципі побудови мікропроцесорних систем (МС) – цифрових пристроїв чи систем обробки даних, контролю та управління, побудованих з урахуванням однієї чи кількох МП.

Програмно - апаратний принцип побудови МС одна із основних засад їх організації та у тому, що реалізація цільового призначення МС досягається як апаратними засобами, а й з допомогою програмного забезпечення – організованого набору програм і даних.

За конструктивною ознакою мікропроцесори можна розділити на два різновиди:

Однокристальні мікропроцесори з фіксованою довжиною (розрядністю) слова та певною системою команд;

Багатокристальні (секціоновані) мікропроцесори з нарощуваною розрядністю слова та мікропрограмним управлінням, які складаються з двох і більше ВІС.

В даний час випускаються однокристальні мікропроцесори з мікропрограмним управлінням.

Внутрішня логічна організація однокристальних мікропроцесорів значною мірою подібна до організації ЕОМ загального призначення. Це дає можливість при розробці мікропроцесорної системи на основі однокристального мікропроцесора спиратися на методи проектування та використання звичайних ЕОМ малої та середньої продуктивності.

Наприклад розглянемо структуру однокристального універсального восьмирозрядного мікропроцесора (рис. 2.50). До складу мікропроцесора входять арифметично-логічний пристрій, керуючий пристрій та блок внутрішніх регістрів.

Арифметично-логічний пристрій (АЛУ) є ядром мікропроцесора, яке, як правило, складається з двійкового суматора зі схемами прискореного перенесення, зсув регістру і регістрів для тимчасового зберігання операндів. Цей пристрій за командами виконує кілька найпростіших операцій: додавання, віднімання, зсув, пересилання, логічне складання (АБО), логічне множення (І).

Реєстром називається електронна схема для тимчасового зберігання двійкової інформації (машинного слова). Її будують на тригерах, загальна кількість яких визначає розрядність регістру. Кожен тригер регістру використовується для введення, зберігання та виведення одного розряду (1 або 0) двійкового числа. Розрядність регістру вибирають відповідно до довжини слова, що зберігається в ньому.

Мал. 2.50. Структура однокристального восьмирозрядного

мікропроцесора

Регістри, які є лише для введення, зберігання та виведення двійкової інформації, називають накопичувальними. Від них відрізняються зсувні регістри, які, крім виконання зазначених функцій, дозволяють здійснювати зсув двійкового числа вправо або вліво (а іноді – в обох напрямках). Якщо накопичувальний регістр вводять числа в паралельному коді, тобто одночасно у всі тригери, то введення чисел в зсувний регістр часто виробляють у послідовному коді, подаючи послідовно один розряд за іншим, хоча можливий і вод чисел у паралельному коді.

Тригер – це пристрій, що володіє двома стійкими станами 0 і 1, здатне під впливом зовнішнього сигналу керуючого стрибком переходити з одного стану в інший .

Операндом називають число або символ, що у машинної операції. Так, у виразі у = а + bабо ω = 2k- 1 операнди – це а, b, 2, k 1. Типовим прикладом операнда, що використовується при процедурі обробки даних мікропроцесором, служить байт.

У обчислювальній техніці взагалі і мікропроцесорної техніки зокрема, що мають справу з числами, широко використовуються такі терміни, як «біт», «слово», «байт».

Біт – це розряд двійкового числа: 0 чи 1. Так, 0101 – чотирибітове двійкове число, причому крайня ліва цифра представляє старший розряд цього числа, а крайня права – молодший розряд. Чотирьохбітове двійкове число називається зошитом, а трибітове - тріадою.

Слово – закінчена послідовність символів (нулів та одиниць) певної довжини або сигналів, які представляють ці символи. Машинне слово – спеціальна послідовність нулів та одиниць, яка може бути прочитана чи інтерпретована ЕОМ цього типу. Інакше висловлюючись, машинне слово - це група бітів, яку обробляє ЕОМ за крок. У випадку слово має змінну довжину. Число двійкових розрядів (бітів) у слові може перебувати в межах 1 ≤ z≤ n.Величина пзалежить від технічних можливостей ЕОМ. Зазвичай під довжиною машинного слова розуміють кількість бітів, які у одному регістрі ЕОМ. У техніці великих ЕОМ іноді словом називають послідовність із 32 біт, напівсловом - із 16 біт і подвійним словом - із 64 біт. Для мікропроцесорної техніки основним є байт. Стосовно нього визначається формат даних.

Байт – восьмибітове слово, яке розглядається як одиниця для обміну цифровою інформацією між пристроями мікропроцесорної системи.

Пристрій керування (УУ) «керує» роботою АЛУ та внутрішніх регістрів у процесі виконання команди. Згідно з кодом операції, що міститься в команді, воно формує внутрішні сигнали управління блоками мікропроцесора. Адресна частина команди спільно з сигналами управління використовується для зчитування даних з певної комірки пам'яті (запису даних у комірку). За сигналами УУ здійснюється вибірка кожної нової, чергової команди.

Б
лок внутрішніх регістрів (БВР), що розширює можливості АЛУ, слугує внутрішньою пам'яттю мікропроцесора – використовується для тимчасового зберігання даних та команд. Він також виконує деякі процедури обробки інформації. Зазвичай цей блок містить регістри загального призначення та спеціальні регістри: регістр-акумулятор, буферний регістр адреси, буферний регістр даних, лічильник команд, регістр команд, регістри стека, регістр ознак.

Насправді нерідко застосовують функціональний блок, що містить мікропроцесорний комплект і оформлений конструктивно як плати. Він може виконувати функції мікро-ЕОМ, що вбудовується у вимірювальний прилад або іншу апаратуру (без джерела живлення, корпусу, пульта управління, периферійних вузлів), але не здатна працювати як самостійний, автономний пристрій. Такий блок, який виконує функції управління, називають мікроконтролером . Іноді для скорочення його називають просто контролером . Він може бути програмованим та непрограмованим. Контролери для вимірювальних систем випускають у вигляді автономних пристроїв.

Програмно-технічні комплекси . В даний час автоматизація більшості технологічних процесів здійснюється на базі універсальних мікропроцесорних контролерних засобів, які в Росії отримали назву програмно-технічних комплексів (ПТК). Вони являють собою сукупність мікропроцесорних засобів автоматизації (мікропроцесорних контролерів, пристроїв зв'язку з об'єктом УСО), пультів дисплей оператора і серверів різного призначення, промислових мереж, які дозволяють зв'язати перераховані компоненти, програмне забезпечення контролерів і пультів дисплеїв оператора. ПТК призначені насамперед для створення розподілених систем управління технологічними процесами різної інформаційної потужності (від десятків вхідних/вихідних сигналів до сотні тисяч).

Одна з найпростіших і наочних структур ПТК представлена ​​на рис. 2.51.

Мал. 2.51. Структура ПТК

Усі функціональні можливості системи (рис. 2.51) чітко поділені на два рівні. Перший рівень становлять контролери, другий – пульт оператора, який може бути представлений робочою станцією чи промисловим комп'ютером.

Рівень контролерів у такій системі виконує збирання сигналів від датчиків, встановлених на об'єкті управління; попередню обробку сигналів (фільтрацію та масштабування); реалізацію алгоритмів управління та формування керуючих сигналів на виконавчі механізми об'єкта управління; передача та прийом інформації з промислової мережі.

Пульт оператора формує мережеві запити до контролерів нижнього рівня, отримує від них оперативну інформацію про хід технологічного процесу у зручному для оператора вигляді, здійснює довготривале зберігання динамічної інформації (ведення архіву) про хід процесу, коригує необхідні параметри алгоритмів управління та уставок регуляторів у контролерах нижнього рівня.

Промислові контролери це пристрої, призначені для управління технологічними процесами в промисловості та іншими складними технологічними об'єктами (наприклад, системи управління мікрокліматом, системи управління котельними установками та об'єктами тепло та газопостачання, системи збору даних, системи диспетчеризації та ін.). Принцип їх роботи полягає у збиранні сигналів від датчиківта їх обробці за прикладною програмою користувача з видачею керуючих сигналів на виконавчі пристрої.

В даний час на ринку технічних засобів автоматизації представлений широкий спектр апаратних та програмних пристроїв для побудови надійних та зручних в експлуатації систем. Відповідно до прийнятої зарубіжної термінології промислові контролери (ПК) поділяються на три категорії: програмовані логічні контролери (ПЛК), розподілені керуючі системи ( distributedcontrolsystemsDCS) та контролери на базіPC-технологій (PC- based).

В архітектурі АСУ ТП ПЛК займають місце між рівнем датчиків та виконавчих механізмів та системами верхнього рівня управління процесом. Основна функція контролерів у системі – збирання, обробка та передача на верхній рівень первинної інформації, а також вироблення керуючих впливів, згідно із запрограмованими алгоритмами управління та передача цих впливів на виконавчі механізми.

Більшість сучасних контролерів виготовляється за секційно-блочним принципом. Кожен логічний модуль фізично є окремим блоком, який встановлюється або в монтажний кошик, або на єдину монтажну шину. Комутація між модулями здійснюється через єдиний монтажний крос. Така конструкція дозволяє широко варіювати кількість модулів і оптимально підлаштовувати фізичну архітектуру контролера до розв'язуваної задачі. Крім того, така побудова зручна в обслуговуванні, модернізації та ремонті. За потреби замінюються лише окремі модулі без зміни архітектури всієї системи.

У розподілених керуючих системах(Рис. 2.51) в єдину мережу пов'язані малогабаритні контролери, інтелектуальні модулі вводу/виводу та комп'ютери, які можуть бути рознесені один від одного на досить великі відстані. Така розподілена архітектура системи управління має такі переваги:

- Висока надійність роботи системи. Чіткий розподіл обов'язків у розподіленій системі робить її працездатною навіть при виході з ладу чи зависання будь-якого вузла. При цьому працездатні вузли продовжують здійснювати збирання даних та управління процесом або здійснюють послідовну зупинку технологічного обладнання;

- мала кількість провідних з'єднань. Контролери мають можливість працювати у важких промислових умовах, тому вони зазвичай встановлюються в безпосередній близькості від об'єкта управління. У зв'язку з цим істотно знижується витрата кабельної продукції, а для організації мережі, як правило, достатньо двох або чотирьох проводів;

- Легка розширюваність системи. З появою додаткових точок контролю та управління достатньо додати до системи новий вузол (контролер, інтелектуальний модуль введення-виведення).

Нині на Російських підприємствах функціонує велика кількість контролерів як імпортних, і вітчизняного виробництва, дозволяють будувати розподілені АСУ ТП. Серед них контролери КРОС та комплекс польових приладів ТРАСА (ВАТ «ЗЕіМ», м. Чебоксари), комплекс Деконт (фірма «ДЕП», м. Москва), Теконік (АТ «Текон», м. Москва), DCS-2000 (ЗАТ "Емікон", м. Москва), СІКОН (фірма "КОК", м. Москва), ЕЛСІ-2000 (фірма "ЕлеСі", м. Томськ), ADAM-4000, 5000, 6000 (Advantech), I-7000, 8000 (ICP DAS), мережеві контролери фірм Siemens, Analog Device та ін.

Наприклад розглянемо деякі типи промислових програмованих контролерів, що застосовуються в системах автоматичного керування процесами теплогазопостачання та вентиляції.

Промислові контролери СПЕКОН.Спеціалізовані промислові контролери СПЕКОН СК (рис. 2.52) призначені для автоматизованого управління паровими та водогрійними котлами, що працюють на газі або рідкому паливі, а також котельнями, ЦТП, теплогенераторами, полум'яними печами та іншими технологічними об'єктами у різних галузях промисловості.

Мал. 2.52. Зовнішній вигляд контролера (вигляд спереду)

Для подання інформації про перебіг технологічного процесу, значення параметрів, склад системи тощо. на лицьовій панелі контролера розташовуються алфавітно-цифрове табло та світлові індикатори. Алфавітно-цифрове табло рідкокристалічне, дворядкове, має по 16 знаків у кожному рядку. Табло має підсвічування "Мережа", "Робота", "Нештатна ситуація". Введення бази даних, виведення значень параметрів, керування техпроцесом тощо. здійснюється з клавіатури лицьової панелі.

Модифікації контролерів СПЕКОН СК:

СК2-20 (А/Б) – СК2-29 (А/Б) – контролери для керування паровими та/або водогрійними котлами, що працюють на газі та/або рідкому паливі.

СК2-32 (А/Б) - СК2-35 (А/Б) – контролери для керування паровими та/або водогрійними котлами з імпортними пальниками, що працюють на газі та/або рідкому паливі.

СК2-12(А/Б) та СК2-14(А/Б) – контролери для автоматизованого керування підігрівачами нафти та газу, теплогенераторними пристроями, пальниками.

СК2-50(А/Б) – контролер для автоматизованого керування котлом (типу ДКВР) із двома пальниками.

СК2-53(А/Б) – контролер для автоматизованого керування котлом (типу ДКВР) із трьома пальниками.

З
К2-80(А/Б) – контролер для автоматизованого управління котлами, котельнями, ЦТП, ТП, іншими технологічними об'єктами з відображенням об'єкта, значень параметрів, що вимірюються і т.д. на лицьовій сенсорній панелі у реальному часі.

СК3-01 (А/Б) – контролери для автоматизованого керування загальнокотельним обладнанням з водогрійними або паровими котлами, що працюють на газі та/або рідкому паливі, автоматизація яких виконана на базі контролерів СПЕКОН СК2.

СК3-13 (А/Б) – контролери для автоматизованого керування обладнанням котельні та котлами, автоматизація

яких виконано не так на основі контролерів СПЕКОН СК2.

СК3-21 (А/Б) – контролери для управління ІТП, ЦТП та загальнокотельним обладнанням з водогрійними та паровими котлами на газоподібному або рідкому паливі. Можуть використовуватися як багатокональні регулятори, що вільно конфігуруються.

Контролер управління системами припливної вентиляції БіКуб-ВК02 (ТОВ «НВП «Гірське Плюс»). Контролер є регулюючим пристроєм, виконаним на базі мікроконтролера з резидентним програмним забезпеченням, і призначений для регулювання температури припливного повітря в системах повітряного опалення. Контролер може бути конфігурований працювати в різних модифікаціях систем припливної вентиляції.

Контролер може застосовуватися в автоматизованих системах контролю та управління. Прилад спільно з іншими виробами фірми ТОВ «НВП «Гірське Плюс» та виробами сторонніх фірм, що мають можливість підключення до інформаційних систем (електролічильники, теплолічильники), дозволяє організувати комплексне управління інженер інженерним обладнанням на рівні будівлі або комплексу будівель.

Принципова схема застосування контролера "БіКуб-ВК02" представлена ​​на рис. 2.53.

Мал. 2.53. Приклад застосування контролера "БіКуб-ВК02"

У цьому прикладі контролер управляє вентилятором, заслінкою з електронагрівачем, насосом і двоходовим клапаном з електроприводом. Сигнали з датчиків температури надходять на відповідні входи приладу та піддаються аналого-цифровому перетворенню. Далі здійснюються перетворення відповідно до номінальних функцій перетворення для того, щоб отримати в цифровій формі значення вимірюваних температур. Виміряні значення температур можна спостерігати на дисплеї або прочитати через мережу.

В режимі «Контроль», прилад виконує операції, спрямовані на підтримку оптимальної температури теплоносія у зворотному трубопроводі, для запобігання заморожування системи та перевищення температури теплоносія у зворотному трубопроводі.

В режимі «Робота»контролер послідовно виконує функції запуску системи вентиляції, а потім функції, пов'язані з підтримкою заданої температури припливного повітря. У процесі роботи в цьому режимі контролер може переводити систему в різні стани, такі як:

Прогрівання калориферу. Перед початком роботи контролер здійснює прогрів калорифера, для чого при закритих жалюзі та вимкненому вентиляторі здійснює відкриття регулюючого клапана, включення насоса та включення електронагрівача. У цьому стані система знаходиться протягом часу, заданого користувачем. Якщо температура зовнішнього повітря більша за значення, що визначає «літній режим», то ця система не переводиться в цей стан.

Управління системою вентиляції припливу. Після прогрівання система переводиться у робочий стан. У цьому стані прилад підтримує значення температури повітря припливу відповідно до заданого.

Захист від заморожування. При падінні температури припливного повітря або температури теплоносія у зворотному трубопроводі нижче заданих користувачем значень або виникненні несправностей контролер переводить систему в стан захисту від заморожування. У цьому стані прилад закриває жалюзі, вимикає вентилятор та відкриває виконавчий механізм. Система перебуватиме в цьому режимі доти, доки значення температур припливного повітря та зворотної води не прийдуть у норму.

Черговий режим. Черговий режим передбачений для тих випадків, коли в роботі вентиляції не потрібно. У цьому режимі прилад контролює лише температуру зворотної води, при цьому жалюзі закриті, а вентилятор вимкнений. Перехід у черговий режим здійснюється шляхом завдання часового інтервалу, що відповідає цьому режиму. Якщо перехід у черговий режим здійснено з «літнього» режиму, контроль зворотної води не виконується.

Літній режим. У цьому режимі керування температурою повітря не здійснюється. І циркуляцію теплоносія через калорифер припинено. Контролер просто відкриває жалюзі та включає вентилятор.

До онтролер мікропроцесорний ТРМ3(підприємство «ПО ОВЕН») Прилад спільно з вхідними термоперетворювачами (датчиками) та виконавчими механізмами призначений для контролю та регулювання температури в системі опалення та гарячого водопостачання (ГВП). Крім функцій регулювання, прилад здійснює захист системи від завищення температури зворотної води, що повертається теплоцентраль.

При роботі у складі системи ТРМ32 контролює температуру зовнішнього повітря, температуру води в контурах опалення та гарячого водопостачання, а також температуру зворотної води, що повертається в теплоцентраль. За результатами вимірювань прилад формує сигнали керування двома запірно-регулюючими клапанами, один з яких служить для підтримки заданої температури в контурі опалення, а інший - у контурі гарячого водопостачання. Під час експлуатації робота приладу здійснюється в одному з трьох основних режимів: "Регулювання", "Перегляд" або "Програмування".