Главная → Платежные системы → Микропроцессорные системы. Основы микропроцессорной техники В чем суть микропроцессорной техники

Микропроцессорные системы. Основы микропроцессорной техники В чем суть микропроцессорной техники

Тема 3

Рекомедуемая литература

1. Хофманн М. Микромикроконтроллеры для начинающих: Пер. с нем. – СПб.: БХВ – Петербург, 2010. – 304 с.

2. Голубцов М.С. Микромикроконтроллеры AVR: от простого к сложному. – М.: СОЛОН-Пресс, 2003. – 288 с.

3. Схемотехника электронных систем. Микропроцессоры и микромикроконтроллеры / В.И. Бойко, А.Н. Гуржий, В.Я. Жуйков, А.А. Зори, В.М. Спивак, Т.А. Терещенко, Ю.С. Петергеря. – СПб.: БХВ – Петербург, 2004. – 464 с.

Основные понятия и определения микропроцессорной техники

Микропроцессорная система (микроконтроллер, компьютер) представляют собой совокупность аппаратных средств (АС) и программного обеспечения (ПО), которые тесно взаимосвязаны и практически бесполезны друг без друга.

Микропроцессорная система (МП система) - информационная или управляющая система, построенная с применением микропроцессорных средств.

Микропроцессор (МП - CPU) – устройство обработки данных (информации) - выполняет арифметические и логические операции и осуществляет программное управление процессом обработки.

Микромикроконтроллер (МК - МС) – микропроцессорное устройство, в основном, с небольшими вычислительными ресурсами и упрощенной системой команд, ориентированный не на производство вычислений, а на выполнение логического управления машинами или, технологическими процессами.

Адаптер – устройство для согласования физических параметров (входных и выходных сигналов) устройств с целью их сопряжения.

Интерфейс – полная совокупность физических и логических соглашений о входных и выходных сигналах устройств с целью их сопряжения.

Совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, обеспечивающих взаимодействие функциональных устройств ЭВМ, называется внутренним системным интерфейсом (ШУ, ШД, ША).

Структура микропроцессора

Внешний вид микропроцессора приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Внешний вид микропроцессора

Микропроцессор (МП) состоит из следующих структурных блоков (см. рисунок 1):

─ внутренней шины;

─ регистров общего назначения;

─ арифметико-логического устройства (АЛУ);

─ буфера шины адреса;

─ буфера шины данных;

─ устройства управления и синхронизации;

─ регистра команд.

(Регистр- последовательное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове.

Для связи между собой структурных блоков микропроцессора предназначена внутренняя шина.

Регистры общего назначения (РОН) содержат регистр адреса; программный счетчик; указатель стека; оперативные парные регистры: W Z; D C. D E, H L,мультиплексор.

В состав АЛУ входят буфер и аккумулятор для промежуточного хранения исходной цифровой информации; арифметико-логическое устройство; регистр признаков.

Регистр адреса служит для промежуточного хранения адреса обращения микропроцессора к конкретному структурному блоку системы. Этот адрес в регистр заносится перед посылкой его в шину адреса.

Рисунок 1 – Структурная схема микропроцессора

Программный счетчик служит для формирования адреса обращения к ячейкам памяти, в которых хранятся команды программы управления микропроцессорной системы. При выполнении очередной команды алгоритма управления объектом содержание счетчика увеличивается автоматически на единицу, если этот алгоритм линейный.

Стеком называют часть оперативной памяти, в ячейки которой последовательно записывают оперативную информацию. При записи этой информации указатель стека автоматически увеличивается на число заполненных при записи ячеек памяти. И наоборот, при считывании информации из стека его ячейки последовательно очищаются, а указатель стека уменьшается на число таких очищенных ячеек.

Кроме того, для хранения оперативной информации служат парные оперативные регистры общего назначения W и Z, B и C, D и E, H и L, обращение к которым осуществляется через мультиплексор. Часть этих регистров предназначена для хранения адресной части команд, в то время как их исполнительная часть хранится в регистре команд.

Структура микроконтроллера

На рисунке 1 приведена упрощённая типичная структура микроконтроллер (МК) предназначенного для обработки данных или управления некоторой машиной или технологическим процессом.

В этой структуре центральное место занимает микропроцессор (МП), который выполняет арифметические и логические операции над данными, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств входящих в МК.

Работа МП происходит под воздействием сигналов (тактовых прямоугольных импульсов – ГТИ) схемы синхронизации и начальной установки.

Приведенная структура МК, отражает магистрально-модульный принцип организации микропроцессорного устройства. Отдельные блоки являются унифицированными функционально законченными модулями со своими схемами управления.

Обмен информацией между модулями микроконтроллера осуществляется посредством коллективных шин (магистралей – ША, ШД, ШУ) к которым имеют доступ модули микроконтроллера, то есть обмен информацией производится путём разделения использования во времени, модулями системы коллективных шин. Магистральный принцип сопряжения модулей предполагает наличие унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, обеспечивающих установление связей и взаимодействие всех модулей микроконтроллера, и называется внутренним системным интерфейсом.

Для микроконтроллера характерна трех шинная структура, содержащая шину адреса (ША), шину данных (ШД) и шину управления (ШУ). Типовая структура микроконтроллера, предполагает наличие общего сопряжения (интерфейса) для модулей памяти - постоянных и оперативных запоминающих устройств (ПЗУ и ОЗУ) и периферийных устройств ввода/вывода (УВВ) и внешнего ОЗУ.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения отлаженного алгоритма управления объектом или для хранения мало меняющейся цифровой информации, используемой в управлении объектом. Микропроцессор может только считывать информацию из ПЗУ.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для хранения любой информации, используемой в управлении объектом, в том числе и для хранения программ управления объектом. ОЗУ имеет двустороннюю связь с микропроцессором.

В качестве внешних (периферийных) устройств для микроконтроллера являются: органы управления, клавиатура, дисплей, органы индикации, внешняя память, различные датчики, исполнительные устройства и. т. д.

Периферийные устройства подключаются к шинам интерфейса через интерфейсные БИС – параллельный программируемый адаптер (ППА – PPI), микроконтроллер клавиатуры и дисплея (ККД), программируемый универсальный синхронно-асинхронный приёмник-передатчик (УСАПП – USART)- последовательный интерфейс и другие аппаратные средства.

Программируемый параллельный интерфейс служит для связи микропроцессора с дискретными или аналоговыми объектами управления, в качестве которых могут быть датчики или исполнительные устройства объектов управления.

Программируемый последовательный интерфейс служит для передачи в последовательном коде цифровых сигналов к объектам управления или к другим микропроцессорным системам, расположенным на значительном расстоянии от микропроцессора. Двусторонняя (дуплексная) передача сигнала по линии последовательной связи осуществляется по некоторым правилам, которые называют протоколом передачи данных

Внутренний системный интерфейс

Шина адреса - ША

Шина данных ШД

Шина управления - ШУ

Интерфейс памяти Устройства ввода-вывода - УВВ

Интерфейс периферийного оборудования

Рисунок 1- Структурная схема микроконтроллера

В структуре микроконтроллера интерфейс является узким местом из-за ограниченного числа выводов корпуса МП. Узкий интерфейс приводит к необходимости применения двунаправленных линий передачи информации, что усложняет схемы буферов и вызывает необходимость использования временного мультиплексирования шин. Мультиплексирование шин позволяет при ограниченном числе линий интерфейса передавать по ним различную информацию; адреса, данные, команды. Однако это приводит к снижению скорости передачи информации через интерфейс.

Принцип работы микроконтроллера при автоматизации технологических машин или процессов состоит в выполнение следующего

цикла операций:

1. Сбор сигналов с датчиков;

2. Обработка сигналов согласно прикладному алгоритму управления;

3. Выдача управляющих воздействий на исполнительные устройства.

В нормальном режиме работы микроконтроллер непрерывно выполняет

этот цикл с частотой от 50 раз в секунду. Время, затрачиваемое контроллером на выполнение полного цикла, часто называют временем (или периодом) сканирования; в большинстве современных ПЛК сканирование может настраиваться пользователем в диапазоне от 20 до 30000 миллисекунд. Для быстрых технологических процессов, где критична скорость реакции системы и требуется оперативное регулирование, время сканирования может составлять 20 мс, однако для большинства непрерывных процессов период 100 мс считается вполне приемлемым.

В отличие от персонального компьютера он рассчитан на решение ограниченного круга задач и должен обладать следующими основными свойствами:

1) работа в режиме реального времени, т.е. обеспечение высокой

реактивности (быстродействия) на запросы обслуживания со стороны объекта управления (обеспечение управления в темпе протекания технологического процесса);

2) повышенные требования к надежности функционирования:

– автоматический перезапуск в случае «зависания» программы;

– конструкция, приспособленная для работы в подземных условиях шахт;

– минимальное потребление энергии и рассеяние тепла в условиях

ограниченной мощности источника питания и отсутствия элементов

принудительной вентиляции и охлаждения;

3) модульность архитектуры и возможность встраивания дополнительных блоков управляющей, регистрирующей, сопрягающей аппаратуры, что помимо специальных конструкторских решений обеспечивается использованием стандартных шин и увеличением числа плат расширения.

Программное обеспечение

Основные требования к программному обеспечению для PLC:

автономность;

поддержка процессов сбора, анализа информации и управления, а также локальных баз данных в реальном времени;

возможность дистанционного управления со стороны диспетчерского пункта (уровень SCADA-систем);

сетевая поддержка.

Программное обеспечение включает следующие основные компоненты:

тестовое программное обеспечение;

базовое программное обеспечение;

прикладное технологическое программное обеспечение.

Тестовое программное обеспечение. Выполняет тестирование (отладку) отдельных PLC и системы в целом (включая тестирование и диагностику различных конфигураций) и содержит следующие компоненты:

программы инициализации и конфигурирования, а также начальные тесты для PLC и сетевых адаптеров (внутреннее программное обеспечение, расположенное в ПЗУ);

программы для тестирования PLC через линию связи с компьютером высшего уровня или специализированной наладочной аппаратурой;

программы для тестирования, наладки и сбора статистики локальной сети распределенной системы;

комплексное тестирование распределенной системы в целом;

специализированное тестовое программное обеспечение для наладочных пультов, панелей, стендов, эмуляторов и т.д.

Отладка PLC выполняется с помощью компьютеров или специальных пультов, обеспечивающих доступ к памяти и портам PLC с целью отладки и оперативного ввода данных, уставок, управляющей информации. Отладчик позволяет перевести работу PLC в режим пошагового исполнения внутренних программ, эмулировать подачу внешних сигналов, отслеживать изменения состояний регистров и т. п.

Базовое программное обеспечение . В его состав входят:

операционные системы реального времени, управляющие выполнением прикладной технологической программы и устройствами PLC;

сетевые программные средства, обеспечивающие информационный обмен между отдельными узлами и возможность дистанционного доступа и управления в распределенной системе.

Прикладное технологическое программное обеспечение . Прикладное технологическое программное обеспечение – это машинно-ориентированые языки (ассемблеры), используемые для разработки прикладных программ, Языки ассемблера представлены в виде перечня команд конкретного микропроцессора. Команды ассемблера включают в себя обычно арифметические и логические операции, средства организации циклов подключения и отключения портов, средства управления прерываниями (запрет/разрешение, установка приоритетов), средства работы с интервалами времени и обработки событий, а также средства для динамической загрузки и запуска программ. Элементами языка являются имена портов ввода-вывода и отдельных их разрядов, имена счетчиков, таймеров и контактов, флаги, а также параметры технологического процесса. Преимуществом языков ассемблера является компактность итогового машинного кода, высокое быстродействие. Недостатком – высокая трудоемкость разработки, большой объем текста, отсутствие сложных математических функций (тригонометрических, логарифмических и т.д.). Для реализации сложных алгебраических вычислений необходимо создавать громоздкие подпрограммы.

Для разработки технологических программ используются следующие средства: редакторы, системы программирования (поддержка тассемблеров и языков высокого уровня, а также языков технологического программирования), средства отладки и тестирования, а также инструментарий для функционально-ориентированных языков программирования, позволяющих с минимальными трудозатратами осуществлять проектирование системы «под ключ».

Современные средства автоматизации проектирования технологических программ позволяют программировать PLC с использованием библиотеки стандартных программных модулей – «алгоблоков»,реализующих типовые алгоритмы управления АСУТП: компараторы, формирователи широтно-импусных сигналов (ШИМ) и др.

Применение микропроцессорных систем практически во всех электрических устройствах - важнейшая черта технической инфраструктуры современного общества. Электроэнергетика, промышленность, транспорт, системы связи существенно зависят от компьютерных систем управления. Микропроцессорные системы встраиваются в измерительные приборы, электрические аппараты, осветительные установки и д.р.

Всё это обязывает электрика знать хотя бы основы работы микропроцессорной техники.

Предназначены для автоматизации обработки информации и управления различными процессами.

Понятие «Микропроцессорная система» очень широко и объединяет такие понятия как «Электронно-вычислительная машина (ЭВМ)», «управляющая ЭВМ», «Компьютер» и т.п.

Микропроцессорная система включает в себя аппаратное обеспечение или по-английски – hardware и программное обеспечение (ПО) - software.

Цифровая информация

Микропроцессорная система работает с цифровой информацией , которая представляет собой последовательность цифровых кодов.

В основе любой микропроцессорной системы лежит микропроцессор , который способен воспринимать только двоичные числа (составленные из 0 и 1). Двоичные числа записываются посредством двоичной системы счисления. Например, в повседневной жизни мы пользуемся десятичной системой счисления, в которой для записи чисел используются десять символов или цифр 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Соответственно в двоичной системе таких символов (или цифр) всего два – 0 и 1.

Необходимо понимать, что система счисления – это всего лишь правила записи чисел, и выбор типа системы определятся удобством применения. Выбор двоичной системы обусловлен её простотой, а значит надёжностью работы цифровых устройств и лёгкостью их технической реализации.

Рассмотрим единицы измерения цифровой информации:

Бит (от английского "BInary digiT" - двоичная цифра) принимает только два значения: 0 или 1. Можно закодировать логическое значение «да»» или «нет», состояние «включено» или «выключено», состояние «открыто» или «закрыто» и т.п.

Группа из восьми бит называется байтом, например 10010111. Один байт позволяет кодировать 256 значений: 00000000 – 0, 11111111 - 255.

Бит – наименьшая единица представления информации.

Байт - наименьшая единица обработки информации. Байт- часть машинного слова, состоящая обычно из 8 бит и используемая как единица количества информации при её хранении, передаче и обработке на ЭВМ. Байт служит для представления букв, слогов и специальных символов (занимающих обычно все 8 бит) или десятичных цифр (по 2 цифры в 1 байт).

Два взаимосвязанных байта называется словом, 4 байта – двойное слово, 8 байт – учетверённое слово.

Почти вся информация, которая нас окружает, является аналоговой. Поэтому, прежде чем информация попадёт на обработку в процессор, она подвергается преобразованию посредством АЦП (аналого-цифровой преобразователь). Кроме того, информация кодируется в определённом формате и может быть числовой, логической, текстовой (символьной), графической, видео и д.р.

Например, для кодирования текстовой информации используется таблица кодов ASCII (от англ. American Standard Code for Information Interchange - Американский стандартный код для обмена информацией). Запись одного символа осуществляется одним байтом, который может принимать 256 значений. Графическая информация разбивается на точки (пиксели) и производится кодирование цвета и положение каждой точки по горизонтали и вертикали.

Кроме двоичной и десятичной системы в МС используют шестнадцатеричную систему, в которой для записи чисел используются символы 0...9 и A...F. Её применение обуславливается тем, что один байт описывается двухразрядным шестнадцатеричным числом, что значительно сокращает запись цифрового кода и делает его более читаемым (11111111 – FF).

Таблица 1 – Запись чисел в различных системах счисления

Для определения значения числа (например, значения числа 100 для разных систем счисления может составлять 42, 10010, 25616), в конце числа добавляют латинскую букву, обозначающую систему счисления: для двоичных чисел букву b, для шестнадцатеричных - h, для десятичных – d. Число без дополнительного обозначения считается десятичным.

Перевод чисел из одной системы в другую и основные арифметические и логические операции над числами позволяет производить инженерный калькулятор (стандартное приложение операционной системы Windows).

Основу микропроцессорной системы составляет микропроцессор (процессор), который выполняет функции обработки информации и управления. Остальные устройства, входящие в состав микропроцессорной системы, обслуживают процессор, помогая ему в работе.

Обязательными устройствами для создания микропроцессорной системы являются порты ввода/вывода и отчасти память . Порты ввода/вывода связывают процессор с внешним миром, обеспечивая ввод информации для обработки и вывод результатов обработки, либо управляющих воздействий. К портам ввода подключают кнопки (клавиатуру), различные датчики; к портам вывода - устройства, которые допускают электрическое управление: индикаторы, дисплеи, контакторы, электроклапаны, электродвигатели и т.д.

Память нужна в первую очередь для хранения программы (либо набора программ), необходимой для работы процессора. Программа - это последовательность команд, понятных процессору, написанная человеком (чаще программистом).

Структура микропроцессорной системы представлена на рисунке 1. В упрощённом виде процессор состоит из арифметически-логического устройства (АЛУ), осуществляющего обработку цифровой информации и устройства управления (УУ).

Память обычно включает постоянно-запоминающее устройство (ПЗУ), являющееся энергонезависимым и предназначенное для долговременного хранения информации (например, программ), и оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для временного хранения данных.

Рисунок 1 – Структура микропроцессорной системы

Процессор, порты и память взаимодействуют между собой посредством шин. Шина – это набор проводников, объединённых по функциональному признаку. Единый набор системных шин называют внутрисистемная магистраль , в которой выделяют:

шину данных DB (Data Bus), по которой производится обмен данными между ЦП, памятью и портами;

шину адреса AB (Address Bus), используемой для адресации процессором ячеек памяти и портов;

шину управления CB (Control Bus), набор линий, передающих различные управляющие сигналы от процессора на внешние устройства и обратно.

Микропроцессоры

Микропроцессор - программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной (или нескольких) интегральной схемы с высокой степенью интеграции электронных элементов.

Микропроцессор характеризуется большим числом параметров, поскольку он одновременно является сложным программно-управляемым устройством и электронным прибором (микросхемой). Поэтому для микропроцессора важны, как тип корпуса, так и система команд процессора . Возможности микропроцессора определяются понятием архитектуры микропроцессора.

Приставка «микро» в названии процессора означает, что выполняется он по микронной технологии.

Рисунок 2 – Внешний вид микропроцессора Intel Pentium 4

В ходе работы микропроцессор считывает команды программы из памяти или порта ввода и исполняет их. Что означает каждая команда, определяется системой команд процессора. Система команд заложена в архитектуре микропроцессора и выполнение кода команды выражается в проведении внутренними элементами процессора определённых микроопераций.

Архитектура микропроцессора - это его логическая организация; она определяет возможности микропроцессора по аппаратной и программной реализации функций, необходимых для построения микропроцессорной системы.

Основные характеристики микропроцессоров:

1) Тактовая частота (единица измерения МГц или ГГц) – количество тактовых импульсов за 1 секунду. Тактовые импульсы вырабатывает тактовый генератор, который чаще всего находится внутри процессора. Т.к. все операции (инструкции) выполняются по тактам, то от значения тактовой частоты зависит производительность работы (количество выполняемых операций в единицу времени). Частотой процессора можно варьировать в определённых пределах.

2) Разрядность процессора (8, 16, 32, 64 бит и т.д.) – определяет число байтов данных, обрабатываемых за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью его внутренних регистров. Процессор может быть 8-разрядным, 16-разрядным, 32-разрядным, 64-разрядным и т.д., т.е. данные обрабатываются порциями по 1, 2, 4, 8 байт. Понятно, что чем больше разрядность, тем выше производительность работы.

Внутренняя архитектура микропроцессора

Упрощенная внутренняя архитектура типового 8-разрядного микропроцессора показана на рисунке 3. В структуре микропроцессора можно выделить три основных части:

1) Регистры для временного хранения команд, данных и адресов;

2) Арифметико-логическое устройство (АЛУ) , которое реализует арифметические и ло-гические операции;

3) Схема управления и синхронизации - обеспечивает выборку команд, организует функционирование АЛУ, обеспечивает доступ ко всем регистрам микропроцессора, воспринимает и генерирует внешние управляющие сигналы.

Рисунок 3 - Упрощенная внутренняя архитектура 8-разрядного микропроцессора

Как видно из схемы, основу процессора составляют регистры, которые делятся на специальные (имеющие определенное назначение) и регистры общего назначения.

Программный счетчик (PC) - регистр, содержащий адрес следующего командного байта. Процессор должен знать, какая команда будет выполняться следующей.

Аккумулятор – регистр, используемый в подавляющем большинстве команд логической и арифметической отработки; он одновременно является и источником одного из байт данных, которые требуются для операции АЛУ, и местом, куда помещается результат операции АЛУ.

Регистр признаков (или регистр флагов) содержит информацию о внутреннем состоянии микропроцессора, в частности о результате последней операции АЛУ. Регистр флагов не является регистром в обычном смысле, а представляет собой просто набор триггер-защелок (флаг поднят или опущен. Обычно имеются флаж¬ки нуля, переполнения, отрицательного результата и переноса.

Указатель стека (SP) - следит за положением стека, т. е. содержит адрес последней его использованной ячейки. Стек – способ организации хранения данных.

Регистр команды содержит текущий командный байт, который декодируется дешифратором команды.

Линии внешних шин изолированы от линий внутренней шины с помощью буферов, а основные внутренние элементы связаны быстродействующей внутренней шиной данных.

Для повышения производительности многопроцессорной системы функции центрального процессора могут распределяться между несколькими процессорами. В помощь центральному процессору в компьютер часто вводят сопроцессоры , ориентированные на эффективное исполнение каких-либо специфических функций. Широко распространены математические и графические , сопроцессоры ввода-вывода , разгружающие центральный процессор от несложных, но многочисленных операций взаимодействия с внешними устройствами.

На современном этапе основным направлением повышения производительности является разработка многоядерных процессоров , т.е. объединение в одном корпусе двух и более процессоров, с целью выполнения нескольких операций параллельно (одновременно).

Лидирующими компаниями по разработке и изготовлению процессоров являются Intel и AMD.

Алгоритм работы микропроцессорной системы

Алгоритм - точное предписание, однозначно задающее процесс преобразования исходной информации в последовательность операций, позволяющих решать совокупность задач определённого класса и получать искомый результат.

Главным управляющим элементом всей микропроцессорной системы является процессор . Именно он, за исключением нескольких особых случаев, управляет всеми остальными устройствами. Остальные же устройства, такие, как ОЗУ, ПЗУ и порты ввода/вывода являются ведомыми.

Сразу после включения процессор начинает читать цифровые коды из той области памяти, которая отведена для хранения программ. Чтение происходит последовательно ячейка за ячейкой, начиная с самой первой. В ячейке записаны данные, адреса и команды. Команда - это одно из элементарных действий, которое способен выполнить микропроцессор. Вся работа микропроцессора сводится к последовательному чтению и выполнению команд.

Рассмотрим последовательность действий микропроцессор во время выполнения команд программы:

1) Перед выполнением очередной команды микропроцессор содержит ее адрес в программном счетчике РС.

2) МП обращается к памяти по адресу, содержащемуся в РС, и считывает из памяти первый байт очередной команды в регистр команд.

3) Дешифратор команд декодирует (расшифровывает) код команды.

4) В соответствии с полученной от дешифратора информацией устройство управления вырабатывает упорядоченную во времени последовательность микроопераций, реализующих предписания команды, в том числе:

Извлекает операнды из регистров и памяти;

Выполняет над ними предписанные кодом команды арифметические, логические или другие операции;

В зависимости от длины команды модифицирует содержимое РС;

Передает управление очередной команде, адрес которой снова находится в программном счетчике РС.

Совокупность команд микропроцессора можно разделить на три группы:

1) Команды перемещения данных

Перемещение происходит между памятью, процессором, портами ввода/вывода (каждый порт имеет свой собственный адрес), между регистрами процессора.

2) Команды преобразования данных

Любые данные (текст, рисунок, видеоролик и т.д.) представляют собой числа, а с числами можно выполнять только арифметические и логические операции. Поэтому к командам этой группы относятся сложение, вычитание, сравнение, логические операции и т.п.

3) Команда передачи управления

Очень редко программа состоит из одной последовательной команд. Подавляющее число алгоритмов требуют разветвления программы. Для того, чтобы программа имела возможность менять алгоритм своей работы в зависимости от какого-либо условия, и служат команды передачи управления. Данные команды обеспечивают протекание выполнения программы по разным путям и организуют циклы.

Внешние устройства

К внешним, относятся все устройства, находящиеся вне процессора (кроме оперативной памяти) и подключаемые через порты ввода/вывода. Внешние устройства можно подразделить на три группы:

1) устройства для связи человек-ЭВМ (клавиатура, монитор, принтер и т.д.);

2) устройства для связи с объектами управления (датчики, исполнительные механизмы, АЦП и ЦАП);

3) внешние запоминающие устройтсва большой ёмкости (жёсткий диск, дисководы).

Внешние устройства подключаются к микропроцессорной системе физически - с помощью разъёмов, и логически - с помощью портов (контроллеров).

Для взаимодействия процессора и внешних устройств применяется система (механизм) прерываний.

Система прерываний

Это специальный механизм, который позволяет в любой момент, по внешнему сигналу заставить процессор приостановить выполнение основной программы, выполнить операции, связанные с вызывающим прерывание событием, а затем вернуться к выполнению основной программы.

У любого микропроцессора имеется хотя бы один вход запроса на прерывание INT (от слова Interrupt - прерывание).

Рассмотрим пример взаимодействия процессора персонального компьютера с клавиатурой (рисунок 4).

Клавиатура - устройство для ввода символьной информации и команд управления. Для подключения клавиатуры в компьютере имеется специальный порт клавиатуры (микросхема).

Рисунок 4 – Работа процессора с клавиатурой

Алгоритм работы:

1) При нажатии клавиши контроллер клавиатуры формирует цифровой код. Этот сигнал поступает в микросхему порта клавиатуры.

2) Порт клавиатуры посылает процессору сигнал прерывания. Каждое внешнее устройство имеет свой номер прерывания, по которому процессор его и распознаёт.

3) Получив прерывание от клавиатуры, процессор прерывает выполнение программы (например, редактор Microsoft Office Word) и загружает из памяти программу обработки кодов с клавиатуры. Такая программа называет драйвер.

4) Эта программа направляет процессор к порту клавиатуры, и цифровой код загружается в регистр процессора.

5) Цифровой код сохраняется в памяти, и процессор переходит к выполнению другой задачи.

Благодаря высокой скорости работы, процессор выполняет одновременно большое количество процессов.

Согласно приведенному определению микропроцессорная система -- это собранная в единое целое совокупность взаимодействующих БИС микро-процессорного комплекта (иногда дополненная БИС из других комплектов)организованная в систему, т. е. вычислительная или управляющая система с микропроцессором в качестве узла обработки информации. Общая структурная схема. Типовая структура микропроцессорной системы изображена на рис. 3. Кратко охарактеризуем узлы-модули, входящие в ее состав, за исключением уже описанного микропроцессора.

Генератор тактовых импульсов -- источник последовательности прямоугольных импульсов, с помощью которых осуществляется управление событиями во времени. Он задает цикл команды -- интервал времени, необходимый для считывания выборки команды из памяти и ее исполнения. Цикл команды состоит из определенной последовательности элементарных действий, называемых состояниями (тактами). Для некоторых микропроцессоров не требуется внешний генератор тактовых импульсов: он содержится непосредственно в схеме однокристального микропроцессора.

Основная память системы (внешняя по отношению к микропроцессору) состоит из ПЗУ и ОЗУ.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) -- это устройство, в котором хранится программа (и при необходимости совокупность констант). Содержимое ПЗУ не может быть стерто. Оно используется как память программы, составленной заранее изготовителем в соответствии с требованиями ее пользователей. В таких случаях говорят, что программа жестко «зашита» в запоминающем устройстве. Чтобы осуществить иную программу, необходимо применить другое ПЗУ или его часть. Из ПЗУ можно только выбирать хранимые там слова, но нельзя вносить новые, стирать и заменять записанные слова другими. Оно подобно напечатанной таблице выигрышей по облигациям: можно лишь считывать имеющиеся там числа, но заменять их или вносить новые невозможно.

Помимо ПЗУ используются также ППЗУ и РППЗУ.

Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) отличается от ПЗУ тем, что пользователь может самостоятельно запрограммировать ПЗУ (ввести в него программу) с помощью специального устройства -- программатора, но только один раз (после введения программы содержимое памяти уже нельзя изменить).

Репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РППЗУ), называемое также стираемым ПЗУ, имеет такую особенность: хранимая информация может стираться несколько раз (при этом она разрушается). Иначе говоря, РППЗУ допускает перепрограммирование, осуществляемое с помощью программатора. Это облегчает исправление обнаруженных ошибок и позволяет изменять содержимое памяти.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое иначе называют запоминающим устройством с произвольной выборкой (ЗУПВ) или произвольным доступом (ЗУПД), служит памятью данных, подлежащих обработке, и результатов вычислений, а в некоторых микропроцессорных системах -- также программ, которые часто меняются. Его характерное свойство заключается в том, что время, требуемое для доступа к любой из ячеек памяти, не зависит от адреса этой ячейки. ОЗУ допускает как запись, так и считывание слов. По отношению к этому запоминающему устройству приемлема аналогия с классной доской, на которой мелом записаны числа: их можно многократно считывать, не разрушая, а при необходимости -- стереть число и записать на освободившемся месте новое. Следует иметь в виду, что информация, содержащаяся в ОЗУ, исчезает, стирается, если прерывается напряжение питания.

Интерфейсом называют устройство сопряжения. Это упрощенное определение. В более строгом толковании под интерфейсом понимают совокупность электрических, механических и программных средств, позволяющих соединять модули системы между собой и с периферийными устройствами. Его составными частями служат аппаратные средства для обмена данными между узлами и программные средства -- протокол, описывающий процедуру взаимодействия модулей при обмене данными. Интерфейс микропроцессорной системы относится к машинным интерфейсам. В микропроцессорной системе применяют специальные интерфейсные БИС для сопряжения периферийных устройств с системой (на рис. 2 они показаны в виде модулей интерфейса ввода и интерфейса вывода). Для этих БИС характерна универсальность, осуществляемая путем программного изменения выполняемых ими функций.

Более простые задачи решают порты ввода-вывода -- схемы, спроектированные (запрограммированные) для обмена данными с конкретными периферийными устройствами: приема данных с клавиатуры или устройства считывания, передачи их дисплею, телетайпу и т. п.

Порт -- это схема средней степени интеграции, содержащая адресуемый многорежимный буферный регистр ввода-вывода (МБР) с выходными тристабильными схемами (о них идет речь ниже при описании схемы ОЗУ), логикой управления и разъемом для подключения устройств ввода-вывода. Возможности перепрограммирования порта ограничены.

Когда периферийные устройства, входящие в состав микропроцессорной системы, сложны, выполняют многочисленные разнообразные операции, то для сопряжения применяют усложненный интерфейс, называемый периферийным программируемым адаптером. Он содержит набор встроенных портов и других регистров, облегчающих программирование и осуществление временного согласования. К одному периферийному программируемому адаптеру может быть подключено несколько простых устройств ввода-вывода. Подобный интерфейс считают универсальным интерфейсом широкого применения, поскольку его можно сочетать почти со всеми имеющимися периферийными устройствами.

Для многих микропроцессорных систем и микро-ЭВМ характерно несоответствие между относительно высокой скоростью обработки информации внутри микропроцессора и низкой скоростью обмена данными между модулями через интерфейс.

Устройство ввода осуществляет введение в систему данных, подлежащих обработке, и команд. Устройство вывода преобразует выходные данные (результат обработки информации) в форму, удобную для восприятия пользователем или хранения. Устройствами ввода-вывода служат блоки считывания информации с перфоленты и магнитной ленты (или записи на них), кассетные магнитофоны, гибкие диски, клавиатуры, дисплеи, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, графопостроители, телетайпы и т.п.

Далее предметом нашего внимания будут шины системы. Шиной называют группу линий передачи, используемых для выполнения определенной функции (по одной линии на каждый передаваемый бит). Особенность структуры микропроцессорной системы заключается в магистральной организации связей между входящими в ее состав модулями. Она осуществляется с помощью трех шин. По ним передаются вся информация и сигналы, необходимые для работы системы. Эти шины соединяют микропроцессор с внешней памятью (ОЗУ, ПЗУ) и интерфейсами ввода-вывода, в результате чего создается возможность обмена данными между микропроцессором и другими модулями системы, а также передачи управляющих сигналов.

Рассмотрим назначение и функции каждой из трех шин (на примере 8-разрядного микропроцессора), показанных на рис. 3.

Шина данных. Это двунаправленная шина: по ней данные могут направляться либо в микропроцессор, либо из него (на рис. 3 такая особенность шины данных подчеркнута стрелкой с двумя остриями, одно из которых обращено к микропроцессору, а другое -- от него). При этом необходимо еще раз подчеркнуть, что невозможна одновременная передача данных в обоих направлениях. Эти процедуры разнесены во времени в результате применения временного мультиплексирования.

Шина адреса (или адресная шина). По ней информация передается только в одном направлении -- от микропроцессора к модулям памяти или ввода-вывода.

Шина управления. Служит для передачи сигналов, обусловливающих взаимодействие, синхронизацию работы всех модулей системы и внутренних узлов микропроцессора. Одна часть линий шины управления служит для передачи сигналов, выходящих из микропроцессора (на рис. 3 это условно показано стрелкой, острие которой направлено вправо), а по другой части линий передаются сигналы к микропроцессору (на рис. 3 -- стрелка с острием, направленным влево).

Достоинством шинной структуры является возможность подключения к микропроцессорной системе новых модулей, например нескольких блоков ОЗУ и ПЗУ для получения требуемой емкости памяти.

За несколько десятков лет развития микропроцессор проделал путь от объекта применения в узкоспециализированных областях к товару широкой эксплуатации. Сегодня в том или ином виде данные устройства вместе с контроллерами применяются практически в любой сфере производства. В широком смысле микропроцессорная техника обеспечивает процессы управления и автоматизации, но в рамках этого направления формируются и утверждаются все новые области развития высокотехнологичных устройств вплоть до появления признаков искусственного интеллекта.

Общее представление о микропроцессорах

Для управления или контроля определенными процессами требуется соответствующая поддержка программного обеспечения на реальной технической базе. В этом качестве выступает одна или набор микросхем на базовых матричных кристаллах. Для практических нужд почти всегда используются модули chip-set, то есть наборы микросхем, которые связаны общей системой питания, сигналами, форматами информационной обработки и так далее. В научной интерпретации, как отмечается в теоретических основах микропроцессорной техники, такие устройства представляют собой место (основная память) для хранения операндов и команд в закодированном виде. Непосредственное управление реализуется на более высоком уровне, но также через микропроцессора. Для этого используют контроллеры.

Говорить о контроллерах можно только применительно к микрокомпьютерам или микро-ЭВМ, состоящим из микропроцессоров. Собственно, это и есть рабочая техника, в принципе способная выполнять те или иные операции или команды в рамках заданного алгоритма. Как отмечается в учебнике по микропроцессорной технике Ливенцова С. Н., под микроконтроллером следует понимать компьютер, ориентированный на выполнение логических операций в рамках управления оборудованием. Он базируется на тех же схемах, но с ограниченным вычислительным ресурсом. Задача микроконтроллера в большей степени заключается в реализации ответственных, но простых процедур без сложных схем. Впрочем, технологически примитивными такие устройства тоже нельзя назвать, так как на современных производствах микроконтроллеры могут одновременно управлять сотнями и даже тысячами операций одновременно, учитывая и косвенные параметры их выполнения. В целом логическая структура микроконтроллера проектируется с расчетом на мощность, универсальность и надежность.

Архитектура

Разработчики микропроцессорных устройств имеют дело с набором функциональных компонентов, которые в итоге образуют единый рабочий комплекс. Даже простая модель микрокомпьютера предусматривает использование целого ряда элементов, обеспечивающих выполнение поставленных перед машиной задач. Способ взаимодействия между этими компонентами, а также средства коммуникации с входными и выходными сигналами во многом и определяют архитектуру микропроцессора. Что касается самого понятия архитектуры, то оно выражается разными определениями. Это может быть набор технико-физических и эксплуатационных параметров, среди которых число регистров памяти, разрядность, быстродействие и так далее. Но, в соответствии с теоретическими основами микропроцессорной техники, под архитектурой в данном случае следует понимать логическую организацию функций, реализуемых в процессе взаимосвязанной работы аппаратной и программной начинки. Более конкретно отражает следующее:

Совокупность физических элементов, которые образуют микропроцессор, а также связи между его функциональными блоками.
Форматы и способы предоставления информации.
Каналы обращения к доступным для использования модулям структуры с параметрами их дальнейшего применения.
Операции, которые может выполнять конкретный микропроцессор.
Характеристики управляющих команд, которые вырабатывает или принимает устройство.
Реакции на сигналы извне.

Внешние интерфейсы

Микропроцессор крайне редко рассматривается как изолированная система для выполнения односложных команд в статичном формате. Встречаются устройства, обрабатывающие один сигнал по заданной схеме, но чаще всего микропроцессорная техника работает с большим количеством коммуникационных связей от источников, которые и сами не являются линейными в плане обрабатываемых команд. Для организации взаимодействия со сторонней аппаратурой и источниками данных предусматриваются специальные форматы соединения - интерфейсы. Но для начала следует определить, с чем именно выполняется коммуникация. Как правило, в этом качестве выступают управляемые устройства, то есть на них от микропроцессора подается команда, а в режиме обратной связи могут поступать данные о статусе исполнительного органа.

Что касается внешних интерфейсов, то они служат не просто для возможности взаимодействия определенного исполнительного механизма, но и для его интеграции в структуру управляющего комплекса. Применительно к сложной компьютерной и микропроцессорной технике это может быть целая совокупность аппаратно-программных средств, тесно связанных с контроллером. Более того, микроконтроллеры зачастую и объединяют в себе функции обработки и подачи команд с задачами обеспечения коммуникации между микропроцессорами и внешними устройствами.

Характеристики микропроцессора

К основным характеристикам микропроцессорных устройств можно отнести следующие:

Тактовая частота. Временной период, в течение которого происходит переключение компонентов вычислительной машины.
Разрядность. Число максимально возможных для одновременной обработки двоичных разрядов.
Архитектура. Конфигурация размещения и способы взаимодействия рабочих элементов микропроцессора.

О характере эксплуатационного процесса можно судить и по критериям регулярности с магистральностью. В первом случае речь идет о том, насколько в конкретной единице вычислительной микропроцессорной техники реализуем принцип закономерной повторяемости. Иными словами, каков условный процент дублирующих друг друга связей и рабочих элементов. Регулярность может применяться и в целом к структуре организации схемы в рамках одной системы обработки данных.

Магистральность же указывает на способ обмена данными между внутренними модулями системы, затрагивая также характер упорядочения связей. Объединяя принципы магистральности и регулярности, можно выработать стратегию создания унифицированных под определенный стандарт микропроцессоров. Такой подход имеет преимущество в виде облегчения коммуникационной организации на разных уровнях в плане взаимодействия через интерфейсы. С другой стороны, стандартизация не позволяет расширять возможности системы и повышать ее устойчивость перед внешними нагрузками.

Память в микропроцессорной технике

Хранение информации организуется с помощью специальных запоминающих устройств, выполненных из полупроводников. Это касается внутренней памяти, но также могут применяться внешние оптические и магнитные носители. Также элементы хранения данных на основе полупроводниковых материалов можно представить в качестве интегральных схем, которые включаются в состав микропроцессора. Такие ячейки памяти используются не только для хранения программ, но и для обслуживания памяти центрального процессора с контроллерами.

Если глубже рассматривать структурную основу запоминающих устройств, то на первый план выйдут схемы из металла, диэлектрика и полупроводника из кремния. В качестве диэлектриков используются компоненты из металла, оксида и полупроводника. Уровень интеграции запоминающего устройства определяется целевыми задачами и характеристиками аппаратной части. В цифровой микропроцессорной технике с обеспечением функции видеопамяти к универсальным требованиям надежной интеграции и соответствия электротехническим параметрам также добавляется помехоустойчивость, стабильность работы, быстродействие и так далее. Оптимальным решением с точки зрения критериев быстродействия и универсальности по интеграции являются биполярные цифровые микросхемы, которые в зависимости от текущих задач могут также использоваться в качестве триггера, процессора или инвертора.

Функции

Спектр функций в значительной степени основывается на задачах, которые микропроцессор будет решать в рамках того или иного технологического процесса. Универсальный набор функций в обобщенном варианте можно представить так:

Чтение данных.
Обработка данных.
Обмен информацией с внутренней памятью, модулями или внешними подключенными устройствами.
Запись данных.
Ввод и вывод данных.

Значение каждой из вышеназванных операций определяется контекстом общей системы, в которой используется устройство. К примеру, в рамках арифметическо-логических операций электронная и микропроцессорная техника в результате обработки входной информации может представлять новую информацию, которая, в свою очередь, станет поводом для того или иного командного сигнала. Также стоит отметить внутренний функционал, за счет которого регулируются рабочие параметры самого процессора, контроллера, питания, исполнительных устройств и прочих модулей, работающих в рамках управляющей системы.

Производители устройств

У истоков создания микропроцессорных устройств стояли инженеры компании Intel, выпустившие целую линейку 8-разрядных микроконтроллеров на платформе MCS-51, которые в некоторых сферах применяются и сегодня. Также многие другие изготовители использовали семейство x51 для собственных проектов уже в рамках развития новых поколений электроники и микропроцессорной техники, в числе представителей которой значатся и отечественные разработки наподобие однокристальной ЭВМ К1816ВЕ51.

Выйдя в сегмент более сложных процессоров, фирма Intel уступила место микроконтроллеров другим компаниям, в числе которых оказались Analog Device и Atmel. Принципиально новый взгляд на архитектуру микропроцессоров предлагают фирмы Zilog, Microchip, NEC и др. На сегодняшний день в контексте развития микропроцессорной техники можно рассматривать линейки x51, AVR и PIC как наиболее успешные. Если же говорить о тенденциях разработки, то в наши дни на первое место выходят требования к расширению спектра задач внутреннего управления, компактности и низкому энергопотреблению. Иными словами, микроконтроллеры становятся меньше и рациональнее с точки зрения обслуживания, но при этом наращивают мощностный потенциал.

Обслуживание техники на базе микропроцессора

В соответствии с нормативными положениями, микропроцессорные системы обслуживаются бригадами рабочих во главе с электромехаником. Среди основных задач техобслуживания в данной сфере можно назвать следующие:

Фиксация сбоев в процессе работы системы и их анализ с определением причин нарушения.
Предупреждение отказов устройства и его компонентов за счет назначенного регламентного обслуживания.
Устранение отказов устройства путем ремонта поврежденных элементов или их замены на исправные аналогичные детали.
Производство своевременного ремонта компонентов системы.

Непосредственно обслуживание микропроцессорной техники может быть комплексным или мелкооперационным. В первом случае объединяется перечень технических операций независимо от их трудоемкости и уровня сложности. При мелкооперационном подходе акцент делается на индивидуализации каждой операции, то есть отдельные ремонтные или обслуживающие действия производятся в изолированном с точки зрения организации формате в соответствии с технологической картой. Недостатки данного метода связаны с высокими затратами на рабочий процесс, что в рамках масштабной системы может быть экономически неоправданным. С другой стороны, мелкооперационное обслуживание повышает качество технической поддержки аппаратуры, минимизируя риски ее дальнейшего выхода из строя вместе с отдельными компонентами.

Применение микропроцессорной техники

Перед широким внедрением микропроцессоров в разных сферах промышленности, бытового и народного хозяйства стоит все меньше барьеров. Это вновь обуславливается оптимизацией данных устройств, их удешевлением и ростом потребности в элементах автоматизации. К областям наиболее распространенного использования таких устройств можно отнести:

Промышленность. Микропроцессоры используются в управлении рабочими операциями, координации машин, систем контроля и сбора производственных показателей.
Торговля. В данной сфере эксплуатация микропроцессорной техники связана не только с вычислительными операциями, но и с обслуживанием логистических моделей при управлении товарами, запасами, а также информационными потоками.
Системы безопасности. Электроника в современных комплексах охраны и сигнализации задает высокие требования к автоматизации и интеллектуальному контролю, что и позволяют обеспечивать микропроцессоры новых поколений.
Связь. Разумеется, и коммуникационные технологии не могут обходиться без программируемых контролеров, обслуживающих мультиплексоры, дистанционные терминалы и схемы коммутации.

Несколько слов в заключение

Широкая аудитория потребителей не в полной мере может представить себе даже сегодняшние возможности микропроцессорной техники, но производители не стоят на месте и уже сейчас продумывают перспективные направления развития данной продукции. Например, все еще исправно поддерживается правило компьютерной индустрии, согласно которому каждые два года в схемах процессоров будет уменьшаться количество транзисторов. Но не только конструкционной оптимизацией могут похвастаться современные микропроцессоры. Специалисты также прогнозируют множество инноваций в части организации новой схемотехники, которая облегчит технологический подход к разработке процессоров и снизит их базовую стоимость.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

План работы

микропроцессор прибор метрологический

Введение

1. Введение в микропроцессорную технику

1.4 Микропроцессорная система

3.2 Логический анализ

3.3 Сигнатурный анализ

Заключение

Список литературы

Введение

Нелегко поверить, что до 1971 г. человечество не знало микропроцессора -- самого выдающегося достижения электроники после изобретения транзистора. А сегодня микропроцессоры прочно вошли в нашу жизнь, и буквально с каждым днем открываются все новые и новые возможности их применения. Сейчас уже трудно назвать такие области техники или научных исследований, в которых бы не использовались микропроцессоры.

По широте и эффективности применения микропроцессоров одно из первых мест занимает контрольно-измерительная техника. Все нарастающее распространение они получают в системах управления, технике связи, радиотехнике, электронике, медицинской диагностической и лечебной аппаратуре, сфере обслуживания и даже в детских игрушках. Само собой разумеется, что микропроцессоры, разработки которых становятся все более разнообразными, а производство непрерывно растет, служат основой создания новых поколений электронных вычислительных машин (микро-ЭВМ).

Микропроцессорные системы стали органической частью электронных измерительных приборов, применяемых для измерения многочисленных и разнообразных параметров электрических сигналов, а также характеристик неэлектрических физических величин.

Проникновение микропроцессоров в измерительную технику во много раз повысило точность приборов, значительно расширило их функциональные возможности, упростило управление работой, повысило надежность, быстродействие, открыло пути решения задач, которые ранее вообще не решались. Трудно переоценить значение микропроцессоров для создания измерительно-вычислительных комплексов -- автоматизированных средств измерений, предназначенных для исследования, контроля и испытаний сложных объектов.

Когда целесообразно применять микропроцессоры?

В каждом конкретном случае вопрос об эффективности использования микропроцессора в проектируемом измерительном приборе решает разработчик прибора. Тем не менее, анализ уже имеющихся приборов и литературных источников позволяет привести общие соображения, облегчающие ориентацию специалистам, перед которыми возникла дилемма: «Применить микропроцессор или традиционное схемное решение в рамках жесткой логики?» Они сводятся к тому, что использование микропроцессоров в средствах измерения оправданно в следующих типичных ситуациях:

Требуемое для решения задачи число интегральных схем (корпусов) 30 (некоторые специалисты считают, что следует ориентироваться на микропроцессор при 50).

Прибор должен быть многофункциональным, программируемым, необходима функциональная гибкость.

Предвидятся дальнейшие развитие измерительной системы, наращивание, расширение ее функций.

Измерительная система должна взаимодействовать с большим числом входных и выходных устройств.

Требуется запоминание группы данных.

Предвидится фиксация в памяти большого числа логических состояний.

Используются алгоритмы косвенных и совокупных измерений, а вычислительные процедуры должны быть автоматизированы.

Обязательны высокие метрологические характеристики, трудно достижимые или не достижимые обычными путями.

Требуются самокалибровка и самодиагностика.

Статистическая обработка результатов измерений должна быть органической частью измерительной процедуры и должна выполняться автоматически.

Значения погрешностей измерений должны определяться по ходу измерения и отображаться на дисплее прибора.

Требуются новые возможности прибора, которые могут быть осуществлены только с помощью микропроцессора.

Быстродействие микропроцессора достаточно высоко для работы проектируемого средства измерения в реальном масштабе времени, а если он не удовлетворяет этому требованию, то приемлемо применение мультимикропроцессорной системы, позволяющей получать необходимое быстродействие.

Велик объем измерений, и при их выполнении требуется высокая производительность Введение в микропроцессорную технику.

1.1 Микропроцессор, микропроцессорный комплект, микропроцессорная система

Микропроцессор -- это процессор, выполненный в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). Приставка «микро» к слову «процессор» подчеркивает миниатюризацию процессора в результате высокой степени интеграции образующих его схем. Таким образом, микропроцессор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из одной или нескольких программно-управляемых БИС и выполняющий функции автоматической обработки цифровой информации. Его миниатюрные габаритные размеры и незначительная масса, малое потребление энергии открыли возможность введения микропроцессора непосредственно в электронную схему измерительного прибора, средств управления, и других устройств. Микропроцессор намного дешевле, более экономичен и надежен в работе, чем обычный процессор, построенный из набора интегральных схем малого и среднего уровней интеграции.

Так как микропроцессор -- это универсальная БИС с программируемой логикой работы, то он заменил многие типы интегральных схем с жесткой, фиксированной логикой. Изменением программы достигается возможность решения с помощью микропроцессора множества разнообразных задач.

Необходимо подчеркнуть, что микропроцессор рассчитан на совместную работу с запоминающими устройствами н устройствами ввода-вывода информации. В зависимости от функциональных возможностей микропроцессоры делят на универсальные и специализированные.

Под универсальным микропроцессором (называемым иначе микропроцессором общего назначения) понимают микропроцессор, которому присущи все особенности центрального процессора. Такие микропроцессоры служат основой микро-ЭВМ, используются для решения широкого круга задан в системах управления, измерительных приборах, диагностических устройствах и т. п.

Специализированный микропроцессор рассчитан на узкое применение, решение конкретной задачи и оптимизирован по определенному параметру. Так, специализированный матричный перемножитель (его называют также арифметическим расширителем) решает только одну задачу -- умножение двух чисел, но выполняет эту процедуру во много раз быстрее, чем универсальный микропроцессор.

Микропроцессорный комплект или набор -- это совокупность специально разработанных отдельных микропроцессорных и других интегральных схем, которые совместимы по своим конструктивно-технологическим данным: могут быть собраны в единое целое. Они предназначены для совместной работы в микро-ЭВМ, микропроцессорных системах, микроконтроллерах и т. п. Обычно в комплект входят БИС микропроцессора, запоминающих устройств, ввода-вывода информации, микропрограммного управления и др.

Микропроцессорная система -- это собранная в единое целое совокупность взаимодействующих БИС микропроцессорного комплекта -- модулей (иногда дополненная БИС из других комплектов), организованная в работающую систему, т. е. вычислительная или управляющая система с микропроцессором в качестве узла обработки информации. Система, в которой используются два или более микропроцессоров, называется мультимикропроцессорной системой.

Помимо рассмотренных понятий микропроцессора, микропроцессорного комплекта и микропроцессорной системы приведем еще определения микро-ЭВМ и микроконтроллера.

Микро-ЭВМ -- это конструктивно законченное вычислительное устройство, построенное на основе микропроцессорного комплекта БИС или модулей в отдельном корпусе и имеющее свой источник питания, пульт управления, узлы ввода-вывода информации, что позволяет использовать его в качестве автономного, независимо работающего устройства со своим программным обеспеченней.

На практике нередко применяют функциональный блок, содержащий микропроцессорный комплект и оформленный конструктивно в виде платы. Он может выполнять роль микро-ЭВМ, встраиваемой в измерительный прибор или Другую аппаратуру (без источника питания, корпуса, пульта управления, периферийных узлов), но не могущей работать как самостоятельное, автономное устройство. Такой блок, выполняющий функции управления, называют микроконтроллером. Иногда для сокращения его называют просто контроллером. Он может быть программируемым и непрограммируемым. Контроллеры для измерительных систем выпускают и в виде автономных устройств.

1.2 Характеристики микропроцессоров

Свойства микропроцессоров могут быть описаны многими характеристиками. К основным из их, которыми пользуются при сопоставлении и выборе микропроцессоров, можно отнести:

Вид микропроцессора (универсальный или специализированный, однокристальный или многокристальный).

Технология изготовления: р-канальная МОП (p-МОП), п-канальная МОП {п-МОП), комплементарная МОП (КМОП), кремний на сапфире, биполярная ТТЛ, ТТЛ с диодами Шотки (ТТЛДШ), иижекционной интегральной логики {И 2 Л), эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ). Информация о технологии изготовления дает представление о потреблении энергии и среднем быстродействии микропроцессора.

Разрядность (4; 8; 16; 32) -- длина информационного слова, которое может быть одновременно обработано микропроцессором. Она может быть фиксированной или наращиваемой (у многокристальных микропроцессоров).

Емкость адресуемой памяти. Характеризует возможности микропроцессора по взаимодействию с запоминающим устройством.

Принцип управления: программное управление с «жесткой логикой», микропрограммное управление (хранимая в памяти логика).

Быстродействие. В справочниках наиболее часто его характеризуют продолжительностью выполнения одной операции (или числом операций «(регистр- регистр» в секунду), а также тактовой частотой продолжительностью цикла простой команды.

Мощность потребления.

Питающие напряжения (число уровней, номиналы).

Конструктивные данные: габаритные размеры корпуса, число выводов.

Условия эксплуатации (интервал рабочих температур, относительная влажность воздуха, допускаемые вибрационные нагрузки и т. п.).

Надежность.

Стоимость

У ЭВМ каждое новое поколение имело более высокие основные технико-экономические характеристики по отношению к предыдущему поколению и поэтому вытесняло его. В микропроцессорной технике появление новой разработки не исключает применения ранее созданных микропроцессоров, а расширяет технические возможности применения микропроцессорных систем. Различные «поколения» микропроцессоров существуют совместно в течение продолжительного периода, часто взаимно дополняя (а не исключая) друг друга.

1.3 Архитектура микропроцессора

Под архитектурой микропроцессора понимают принцип его внутренней организации, общую структуру, конкретную логическую структуру отдельных устройств, совокупность команд и взаимодействие между аппаратной частью (устройствами, входящими в состав микропроцессора) и программой обработки информации системой, выполненной на основе микропроцессора. Иначе говоря, архитектуру микропроцессора определяют как совокупность его свойств и характеристик, рассматриваемую с позиции пользователя.

Архитектуры микропроцессоров во многом сходны с архитектурами процессоров ЭВМ, но имеют и свою специфику.

Множество выпускаемых промышленностью универсальных микропроцессоров можно разделить по конструктивному признаку на две разновидности:

однокристальные микропроцессоры с фиксированной длиной (разрядностью) слова и определенной системой команд;

многокристальные (секционированные) микропроцессоры с наращиваемой разрядностью слова на микропрограммным управлением. Они составляются из двух и более БИС. В последнее время появились и однокристальные микропроцессоры с микропрограммным управлением.

Внутренняя логическая организация однокристальных микропроцессоров в значительной степени подобна организации ЭВМ общего назначения. Это дает возможность при разработке микропроцессорной системы на основе однокристального микропроцессора опираться на методы проектирования и использования обычных ЭВМ малой и средней производительности.

Структура многокристального микропроцессора, микропрограммное управление позволяют достичь гибкости в его применении, улучшить характеристики и сравнительно простыми средствами организовать распараллеливание отдельных машинных операций, что повышает производительность ЭВМ, выполняемых на таких микропроцессорах. Однако, хотя возможности многокристальных микропроцессоров существенно выше, чем однокристальных, многие прикладные задачи, в том числе построения автоматических измерительных приборов, успешно решаются на основе использования однокристального микропроцессора. Поэтому ограничимся знакомством со структурой последнего.

Структура микропроцессора. Рассмотрим структуру однокристального универсального микропроцессора, причем для определенности выберем восьмиразрядный прибор. Как видно из приведенной на рис. 1 структурной схемы, в состав микропроцессора входят арифметическо-логическое устройство, управляющее устройство и блок внутренних регистров. Кратко охарактеризуем эти узлы.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ), служащее ядром микропроцессора, как правило, состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, сдвигающего регистра н регистров для временного хранения операндов. Обычно это устройство выполняет по командам несколько простейших операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2.

Теперь коснемся вопроса о связи между ними. Как видно из рис. 1, для структуры микропроцессора характерно наличие внутренней шины данных, соединяющей между собой его основные части.

Шиной называют группу линий передачи информации, объединенных общим функциональным признаком. В микропроцессорной системе используются три вида шин: данных, адресов и управления.

Разрядность внутренней шины данных, т. е. количество передаваемых по ней одновременно (параллельно) битов числа, соответствует разрядности слов, которыми оперирует микропроцессор. Очевидно, что разрядность внутренней и внешней шин данных должна быть одной н той же. У 8-разрядного микропроцессора внутренняя шина состоит из восьми линий, по которым можно передавать последовательно 8-разр"Ядные слова -- байты. Следует иметь в виду, что по шине данных передаются не только обрабатываемые АЛУ слова, но и командная информация. Следовательно, недостаточно высокая разрядность шины данных может ограничить состав (сложность) команд и их число. Поэтому разрядность шины данных относят к важным характеристикам микропроцессора -- она в большой мере определяет его структуру.

Шина данных работает в режиме двунаправленной передачи. Это означает, что по ней можно передавать слова в обоих направлениях, но, разумеется, не одновременно: требуется применение специальных буферных схем и мультиплексного режима обмена данными между микропроцессором и внешней памятью. Мультиплексный режим (от англ. multiple--многократный, множественный), иногда называемый многоточечным режимом -- режим одновременного использования канала передачи большим числом абонентов с разделением во времени средств управления обменом.

Мультиплексором называют устройство, которое выбирает данные от одного, двух или более входных информационных каналов и подает эти данные на свой выход (рис. 2 а.)

По схемному решению он представляет совокупность логических элементов И-ИЛИ, управляемых распределителем импульсов. Мультиплексоры могут входить в состав Микропроцессора. Они также выпускаются в виде отдельных БИС, как, например, мультиплексор восьмивходовый одноразрядный; двухвходовый четырехразрядный; трехвходовый четырехразрядный и др.

Противоположную мультиплексору функцию выполняет демультиплексор-- устройство, которое подает данные, подводимые к его входу, на один или более выходных информационных каналов (рис. 2,б).

1.4 Микропроцессорная система

Основная память системы (внешняя по отношению к микропроцессору) состоит из ПЗУ и ОЗУ.

Помимо ПЗУ используются также ППЗУ и РППЗУ.

1.5 Управление работой микропроцессорной системы

Вводные замечания. Нормальное функционирование любой системы, в которой циркулируют электрические сигналы, немыслимо без четкого взаимодействия ее составных частей, координации их работы. Для достижения этого необходимо организовать управление во времени всеми событиями, происходящими в системе, синхронизировать ее работу.

Само собой разумеется, что для микропроцессорной системы, представляющей собой сложную цифровую систему с многократным обменом данными, передачей команд, одновременным участием многих блоков в выполнении операции, синхронизация обязательна. Это можно проиллюстрировать простым примером. Пусть требуется передать байт, полученный в результате выполнения операции, из АЛУ через шину данных в ячейку ОЗУ. Очевидно, что в течение интервала времени, пока на адресных входах ОЗУ находится код адреса, на линиях шины данных должен быть только байт, посланный из АЛУ (и никакой иной). В противном случае либо произойдет ошибочная запись, либо указанный байт вообще не попадет в память.

Задача временного согласования в микропроцессорной системе решается с помощью специальных сигналов, получаемых из управляющего устройства микропроцессора. Рассмотрение действия всей совокупности управляющих сигналов, вопросов синхронизации работы системы при выполнении всевозможных операций не представляется осуществимым в главе столь малого объема. Поэтому ограничимся освещением основных понятий и типовых примеров, поясняющих принцип временного согласования главным образом применительно к микропроцессору.

Управляющее устройство. Это устройство, выполняющее функции управления и синхронизации, «руководит» сменой событий в требуемой последовательности, согласуя их с сигналами тактового генератора. Оно состоит из управляющего автомата (его называют первичным), служащего для управления процессами внутри микропроцессора, и схемы, которая, получая сигналы извне, вырабатывает сигналы, управляющие системой. Поступающий из памяти в составе команды код операции дешифрируется в управляющем устройстве (дешифратором кода операции) -- преобразуется в двоичные сигналы, воздействующие на модули и блоки микропроцессорной системы, которые должны участвовать в выполнении данной команды.

Режим прерывания. По ходу работы микропроцессорной системы иногда появляется необходимость немедленной передачи данных в микропроцессор из устройства ввода-вывода, не предусмотренной программой. Иначе говоря, система должна реагировать на неожиданно возникшее внешнее условие. В таких ситуациях требуется, чтобы микропроцессор, получив из соответствующей линии шины управления сигнал «запрос на обслуживание внешних устройств» (он поступает на ввод ЗПр), прервал работу по программе и начал выполнение программы обработки внешнего условия. Такой режим называют прерыванием. Оно возможно тогда, когда имеется команда, позволяющая микропроцессору реагировать на запрос прерывания. Только в этом случае микропроцессор выдает на вывод РПр сигнал «разрешение на обслуживание внешнего устройства», т. е. разрешение прерывания, и выполняет подготовительные операции для того, чтобы начать работу по программе прерывания.

Различают три вида прерывания: простое, векторное и приоритетное. Простое прерывание сигнализирует о том, что единственное устройство ввода или вывода нуждается в обслуживании микропроцессором. Векторное прерывание позволяет распознать прерывание, требуемое любым из периферийных устройств. Это осуществляется с помощью поля данных или «вектора», в котором указывается конкретное устройство, диктующее необходимость прерывания. Приоритетное (первоочередное) прерывание заключается в том, что помимо распознавания прерывания, запрашиваемого любым из устройств ввода-вывода, определяется, какое из устройств имеет приоритет в обслуживании по сравнению с другими. Такой вид прерывания, иначе называемый многоуровневой обработкой, может осуществляться лишь в нескольких типах микропроцессоров.

2. Общие вопросы применения микропроцессоров в измерительных приборах

2.1 Функции, выполняемые микропроцессорами в приборах

Конкретное рассмотрение функций микропроцессорных систем в измерительных приборах показывает, что с помощью этих систем достигаются многофункциональность приборов, упрощение управления процессом измерения, автоматизация регулировок, самокалибровка и автоматическая поверка, улучшение метрологических характеристик прибора, выполнение вычислительных процедур, статистическая обработка результатов наблюдений, определение и перевод в линейную форму функции измеряемой физической величины, создание программируемых, полностью автоматизированных приборов. Появился новый класс «интеллектуальных» приборов, называемых также «думающими» или «разумными».

Радикально изменилась идеология построения приборов. Микропроцессор стал основной частью собственно прибора, что привело к изменению конструкции и схемных решений, компоновки, управления, включению обработки данных в измерительную процедуру (выполняемую без участия экспериментатора). Внедрение микропроцессоров открыло возможность построения многофункциональных приборов с гибкими программами работы, сделало приборы более экономичными, облегчило решение задачи выхода на стандартную интерфейсную шину [канал общего пользования (КОП)] и управления интерфейсом. Все это упростило эксплуатацию приборов, резко повысило производительность труда их пользователей.

Рассмотрим более подробно основные возможности, особенности приборов, содержащих микропроцессорные системы, и выясним, в результате чего достигаются эти возможности.

Многофункциональность. Идея построения многофункциональных измерительных приборов, предназначенных для измерения нескольких параметров сигналов или характеристик объекта исследования, не нова.

Она осуществляется уже более двух десятилетий. Но до применения микропроцессоров многофункциональные приборы представляли собой совокупность нескольких функциональных узлов, объединенных в одно конструктивное целое. При эксплуатации таких приборов переход от одной функции к другой производится с помощью коммутирующих устройств. В результате коммутации соединительных цепей пользователь составляет, «собирает» из отдельных узлов определенный прибор для измерения конкретного параметра сигнала или характеристики испытуемого объекта. Алгоритм работы средства измерений, заложенный мри его разработке, в процессе эксплуатации сохраняется неизменным. Иначе говоря, традиционные многофункциональные приборы выполнены по схеме с жесткой логикой. Для нее характерно противоречие между многофункциональностью, числом возможных функций прибора, с одной стороны, и экономической, а также технической эффективностью -- с другой. Проблема коммутации и управления никогда не теряла остроты при конструировании приборов, предназначенных для выполнения ряда функций, и далеко не всегда решалась успешно.

Микропроцессорная система, введенная в состав многофункционального средства измерения, радикально изменила его, преобразовала устройство с жесткой логикой работы в программно-управляемое устройство. Функциональные возможности такого устройства определяются выполняемой программой, и могут быть, легко видоизменены путем перехода к другой программе, хранимой в ПЗУ. Поэтому программируемую логику работы подобных приборов иногда называют «хранимой». Она создает гибкость перестройки, позволяет наращивать функции при модернизации прибора без существенных изменений в его схеме. Применение программируемой логики, как правило, уменьшает стоимость прибора.

Расширение измерительных возможностей приборов.

Применение микропроцессоров позволяет существенно расширить возможности измерений широкого перечня параметров сигналов и характеристик устройств. Это связано прежде всего с использованием, казалось бы устаревших, видов измерений: косвенных и совокупных.

Известно, что косвенное измерение заключается в нахождении искомого значения физической величины по известной математической зависимости между этой величиной и физическими величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Иначе говоря, искомое значение данной физической величины вычисляется по результатам прямых измерений других физических величин.

Из-за необходимости применения нескольких приборов, снятия ряда отсчетов и последующих вычислений косвенные измерения воспринимаются многими экспериментаторами как примитивные, несовременные. Даже при использовании микрокалькуляторов вычисления в некоторых случаях могут занимать значительное время, и, главное, они, требуя постоянного внимания и работы экспериментатора, не позволяют достичь высокой производительности.

Кроме того, не очень проста процедура оценки погрешностей косвенных измерений, а без этого никакое измерение не может быть признано достоверным.

Коренным образом меняется положение при включении в состав прибора микропроцессорной системы. По команде, получаемой с клавиатуры, она автоматически в соответствии с заданной программой выбирает режимы измерений, запоминает результаты прямых измерений, проводит необходимые вычисления и выдает найденное значение измеряемой физической величины на дисплей. Хотя измерения по своей природе остаются косвенными, экспериментатор воспринимает их как прямые, поскольку, подключив прибор к объекту исследования, непосредственно получает результат измерения.

Однако на практике нередко возникает необходимость нахождения косвенным путем значений и таких физических величин, которые зависят от большого числа непосредственно измеряемых других физических величин. Применение микропроцессорных систем делает эти измерения простыми и удобными для пользователя, получающего прямые показания прибора и не ощущающего того, что фактически выполняются сложные косвенные измерения.

Еще более эффективны микропроцессорные системы при совокупных измерениях, т. е. производимых одновременно измерениях нескольких одноименных физических величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Упрощение и облегчение управления прибором. На первый взгляд расширение функций, выполняемых программируемыми приборами, должно было бы привести к увеличению числа органов управления. Но в действительности это не так. Одним из критериев высокого уровня программного обеспечения измерительного прибора является степень сложности его передней панели.

Принято считать, что «разумный» прибор должен иметь простой набор органов управления. Для современных приборов, содержащих микропроцессоры, характерна кнопочная система управления, конструктивно оформляемая в виде клавиатур (выносной или на передней панели прибора), внешне напоминающей клавиатуру калькулятора.

Так, например, у одного из цифровых мультиметров, обладающего многими функциональными возможностями, управление изменением функций, диапазонов измерений и режимов работы (всего 44 сочетания) осуществляется с помощью клавиатуры, состоящей всего из 17 клавиш. Этого удалось достичь вследствие того, что каждая клавиша управляет аналоговыми схемами косвенным образом -- через микропроцессор, а последний селектирует различные сочетания сигналов, вводимых при нажатии клавиш.

Радикально уменьшает число органов управления автоматизация выбора пределов измерений, интервала дискретизации напряжения исследуемого сигнала и других режимов работы прибора. В некоторых приборах предусмотрены сигнализация о некорректных шагах экспериментатора и выдача на дисплей инструкций, указывающих, что должен предпринять экспериментатор, какова правильная последовательность действий.

Возможность получения математических функций измеренных значений. В зависимости от решаемой задачи экспериментатора могут интересовать не непосредственно получаемое при измерении значение физической величины, а его различные математические функции. Многие приборы, содержащие микропроцессорные системы, позволяют автоматически выполнять запрограммированные функциональные преобразования.

В некоторых приборах предусмотрена возможность вычисления по желанию пользователя произвольных (разумеется, в определенных пределах) математических соотношений.

Получение статистических характеристик.

Микропроцессорные приборы, специально предназначенные для измерения статистических характеристик сигналов, обладают более широкими возможностями.

Миниатюризация и экономичность аппаратуры. Резкое уменьшение числа компонентов в схеме прибора вследствие выполнения многих функций микропроцессорной системой, их относительно невысокая стоимость, значительное снижение потребляемой мощности позволяют строить малогабаритные и экономичные приборы.

Повышение надежности приборов.

Оно обусловлено уменьшением числа элементов схем, осуществлением автодиагностики, применением узлов с некалиброванными характеристиками (например, усилителя в канале вертикального отклонения осциллографа), возможностью выполнения коррекции погрешностей, улучшающей метрологическую надежность.

Сокращение продолжительности разработки. Часто для получения новых свойств прибора, выполняемого на основе микропроцессорной системы, не требуется значительных изменений в схеме и тем более в конструкции прибора. Основное содержание разработки заключается в создании необходимого программного обеспечения.

Организация измерительных систем.

2.2 Улучшение метрологических характеристик приборов

Общие сведения.

Метрологическими характеристиками средства измерения называют характеристики свойств средства измерения, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Не приводя полной классификации погрешностей измерений и измерительных приборов, отмечаем, что по закономерности проявления различают систематические, случайные и грубые погрешности. Напомним их определения:

систематическая погрешность -- составляющая погрешности измерений, остающаяся постоянной по величине и знаку или проявляющаяся с определенной закономерностью при повторных измерениях одной и той же физической величины;

случайная погрешность -- составляющая погрешности измерений, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины, т. е. погрешность, значение и знак которой не могут быть точно предсказаны;

грубые погрешности -- погрешности, существенно превышающие ожидаемую при данных условиях погрешность (грубые искажения результатов измерения).

Рассмотрим в общем плане возможности и способы уменьшения погрешностей в приборах, содержащих микропроцессорные системы.

Исключение систематической погрешности. Наиболее часто систематические погрешности обусловлены смещением нуля, несоответствием реального значения коэффициента передачи тракта сигнала номинальному значению, неравномерностью амплитудно частотной характеристики тракта передачи сигнала, влиянием характеристики аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Наличие в приборе микропроцессорной системы позволяет скорректировать, исключить систематические погрешности.

Микропроцессорная система, входящая в состав измерительного прибора, позволяет накапливать результаты многократных наблюдений и обрабатывать по определенному алгоритму.

Компенсация внутренних шумов.

Эта операция позволяет повысить чувствительность измерительного прибора, расширить диапазон измеряемых значений напряжения в сторону малых значений.

2.3 Что осложняет и ограничивает использование микропроцессоров в средствах измерения

Трудности выбора базового микропроцессора. Промышленность уже выпускает много типов микропроцессоров, и число новых разработок лавинообразно нарастает. Нередко говорят о высоких темпах появления новых поколений микропроцессоров. Но, в отличие от ЭВМ, у которых каждое последующее поколение по основным технико-экономическим показателям превосходит предыдущее и обычно вытесняет его, микропроцессоры всех поколений сосуществуют и взаимно дополняют (а не вытесняют) друг друга. Так, например, появление 16- или 32-разрядных микропроцессоров, ничуть не уменьшив роли 8-разрядных микропроцессоров, расширило круг решаемых задач, позволило повысить быстродействие устройств, открыло возможности получения новых свойств разрабатываемых систем. Более того, иногда микропроцессорные комплекты, характеризующиеся одинаковой разрядностью микропроцессора, различаются по быстродействию, емкости запоминающих устройств. Очевидно, что каждый из этих микропроцессорных комплектов может с одинаковым успехом быть использован в «своем» проектируемом приборе в соответствии с решаемой задачей, заданными характеристиками прибора.

Но это еще не все. Дело в том, что появление большого числа типов универсальных микропроцессоров вовсе не уменьшило количества разработок специализированных микропроцессоров, которые рассчитаны на конкретные применения и часто оптимизированы по различным параметрам. Поэтому далеко не всегда поставленные задачи должны решаться с помощью универсального микропроцессора. Нередки ситуации, когда намного эффективнее специализированный микропроцессор. Так, операция перемножения двух однобайтовых чисел универсальным микропроцессором, структура которого предопределяет вычисления по программе сложение со сдвигом», требует значительного времени. Например, микропроцессор, характеризуемый быстродействием 1 млн. регистровых операций в секунду перемножает два однобайтовых числа примерно за 50 мкс (могут быть колебания в зависимости от программы). В то же время специализированные микропроцессоры, выполняемые в однокристальном исполнении, -- матричные перемножители (в отечественной литературе их также называют арифметическими расширителями) -- обладают гораздо более высоким быстродействием: два 8-разрядных числа они перемножают за: интервал времени, не превышающий сотых долей микросекунды. Поэтому в ситуациях, когда необходима высокая скорость перемножения, исключительную ценность представляет специализированный микропроцессор.

Выпускаются большие интегральные схемы, выполняющие быстрое преобразование Фурье, монолитные корреляторы, схемы, представляющие однокристальное сочетание АЦП и микропроцессора, «аналоговый» микропроцессор и т. п.

Обилие разнообразных микропроцессорных средств, не всегда с достаточной полнотой освещенных в справочных изданиях, хотя и представляет большие возможности, несомненно, осложняет процедуру выбора базового микропроцессора для проектируемого средства измерения.

Ограниченное быстродействие микропроцессоров. Рассматривая вопрос о применении микропроцессора, следует внимательно проанализировать его быстродействие, выяснить, достаточно ли оно для решения сформулированной задачи. При этом важно правильно ориентироваться в справочных данных, характеризующих быстродействие микропроцессора.

В общем плане по аналогии с ЭВМ быстродействие микропроцессора интерпретируется как средняя скорость выполнениям некоторого алгоритма. Очевидно, что эта усредненная характеристика может довольно сильно расходиться с числовым значением скорости выполнения алгоритма, определяющего последовательность выполнения операций для решения конкретной задачи.

Программное обеспечение. При разработке измерительных систем и приборов, содержащих микропроцессоры, наибольшую трудность представляет программное обеспечение. Сложность решения этой задачи определяется: необходимостью овладения специалистами в области электроники, хорошо знающими микропроцессоры, искусством программирования микропроцессорных систем, в частности умением рационально выбрать язык программирования;

большим разнообразием программ, которые с достаточной полнотой удовлетворили бы потребности различных пользователей прибора;

высокой стоимостью программного обеспечения, во много раз превышающей аппаратурные затраты;

трудностью отладочной процедуры, требующей применения специальных средств отладки программ.

В определенной степени задачу программного обеспечения вновь создаваемых устройств облегчает наличие уже разработанных пакетов прикладных программ для широко используемых микропроцессоров.

2.4 Программируемые мультиметры

Под мультиметром понимают универсальный многофункциональный измерительный прибор, позволяющий измерить несколько параметров электрических сигналов и компонентов цепей электронных устройств. Наиболее часто мультиметры измеряют напряжения постоянного и переменного тока, сопротивление резистора, емкость конденсатора, коэффициент усиления, затухание четырехполюсника, частоту н другие параметры.

Программируемые мультиметры строятся на основе микропроцессора и выполняют много функций. Но, большое число функций присуще и микропроцессорным цифровым вольтметрам. Поэтому в тех случаях, когда нахождение значений параметров с помощью мультиметра базируется на прямых измерениях напряжения с последующими вычислениями, нелегко четко провести грань, разделяющую эти два вида измерительных приборов. Нередко можно столкнуться с тем, что два прибора выполняют почти одинаковые функции, но один из них назван цифровым вольтметром, а второй -- цифровым мультиметром. Отсюда понятно, что все основные положения относятся и к микропроцессорным мультиметрам.

Тем не менее, вообще говоря, функциональные возможности цифровых мультиметров шире, чем у цифровых вольтметров. Например, где описан программируемый мультиметр, хотя и отмечается, что он сохраняет все свойства цифровых вольтметров высокой точности, подчеркиваются дополнительные, новые возможности, создаваемые выносной клавиатурой. Она позволяет программировать мультиметр на языке символических обозначений, которые нанесены на клавишах. Иначе говоря, программа вводится с клавиатуры. С ее помощью пользователь мультиметра имеет возможность набирать и задавать программы, определяющие измеряемый параметр, режим измерений, запоминание результатов наблюдений, алгебраические и тригонометрические вычисления при осуществлении косвенных измерений, статистическую обработку Конструктивно такой мультиметр состоит из основного прибора с клавиатурой на передней панели (как у цифрового вольтметра) и дополнительного блока -- вычислительного контроллера, выполненного на основе отдельного, второго микропроцессора. В составе микроконтроллера имеются внутренняя логическая плата и внешняя клавиатура (подобная применяемой в микрокалькуляторах). С ее помощью пользователь получает доступ к управляющему микропроцессору, находящемуся внутри основного прибора. Логическая плата микроконтроллера выполняет требуемую обработку данных и дополнительных инструкций по интерпретации команд, вводимых с клавиатуры. Микропроцессор либо сразу выполняет команды, либо направляет их в модуль памяти для хранения и использования впоследствии.

Система команд, набираемых на клавиатуре, включает операции вычисления алгебраических (в том числе логарифмических) и тригонометрических функций, определяемых пользователем, а также команды, относящиеся к чисто программной процедуре: условных переходов, адресации, вывода на дисплей и т. п.

Одна из возможностей прибора -- косвенное измерение мощности, рассеиваемой на резисторе сопротивления R (рис. 4).

По программе предполагаются измерение падения напряжения U на резисторе и последующее вычисление мощности по известной формуле P = U 2 /R. При выполнении указанной программы прибор фактически представляет собой уже не вольтметр, а измеритель мощности. Характерно то, что эта функция прибора задана программным путем, причем требуются всего 10 шагов программы.

Для набора определенной программы время затрачивается только один раз, так как ее можно записать в съемный модуль памяти программ.

3. Методы тестирования микропроцессорных систем измерительных приборов

3.1 Специфика контроля и диагностики

Испытание микропроцессоров и микропроцессорных систем называют тестированием. Его проводят для проверки качества функционирования системы, диагностики и отыскания неисправностей.

В современной электронной технике диагностические процедуры стали очень сложными.

Если еще на стадии проектирования микропроцессорной системы не продуманы вопросы ее тестирования, то в процессе эксплуатации системы они могут вырасти в трудно разрешимую проблему.

Каковы же основные особенности устройства и работы микропроцессорной системы, влияющие на организацию ее контроля и диагностики, определяющие специфику требуемой для тестирования аппаратуры. Можно отметить шесть таких особенностей:

В микропроцессорных системах "циркулируют потоки цифровых данных, представляющие собой разнообразные комбинации битов, слова различной длины, появление которых зачастую апериодично. К тому же длительности цифровых сигналов могут изменяться в широких пределах.

Микропроцессоры -- это устройства со сложной внутренней структурой и многочисленными внутренними.путями передачи информации, данных. Процедура, последовательность передачи информации внутри микропроцессора определяется программой. Ее успешное выполнение зависит от временных соотношений для различных входных и выходных сигналов.

Трудность описания схем, обусловленная принципиальным отличием микропроцессорной системы от многофункциональных приборов, построенных то схемам с жесткой логикой.

Высокая скорость процессов, протекающих в устройствах с микропроцессорами; элементарные сигналы существуют в течение очень малого интервала времени (часто -- доли микросекунды) и кодовые комбинации, как правило, не повторяются, во всяком случае регулярно.

Наличие двунаправленных шин -- шин, по которым цифровые сигналы передаются в обоих направлениях. Это затрудняет интерпретацию данных и адресов. Значительные осложнения при отыскании неисправностей создает параллельная структура шин, к которым подключено сразу несколько устройств.

Большое число элементарных операций, за которыми должны следить контрольно-испытательные устройства. Так, например, в измерительных приборах с микропроцессорным управлением число шагов процессорных программ может достигать нескольких тысяч.

...

Подобные документы

Измерительная техника на сетях современных телекоммуникаций. Состояние развития рынка измерительной техники. Системное и эксплуатационное измерительное оборудование. Типовые каналы и тракты первичной сети. Современные оптические системы передачи.

дипломная работа , добавлен 01.06.2012

Функции микропроцессоров в измерительных приборах. Цифровые вольтметры постоянного тока с время - импульсным преобразованием. Назначение, принцип действия и устройство цифровых частотомера, спидометра, термометра электронного весового оборудования.

реферат , добавлен 10.06.2014

Техника безопасности и охраны труда на предприятии. Общие сведения о диспетчерском радиолокаторе, его технические характеристики, принцип работы и структура. Устройство и принцип работы прибора передатчик-приемник, электрические параметры ячейки Д2ХК251.

отчет по практике , добавлен 21.12.2010

Арифметико-логическое устройство микропроцессора: его структура и составные части, назначение, функции, основные технические характеристики. Организация системы ввода/вывода микро ЭВМ. Реальный режим работы микропроцессора, его значение и описание.

контрольная работа , добавлен 12.02.2014

Экспериментальное определение метрологических характеристик АЦП, их сравнение с паспортными данными и методическими погрешностями АЦП с помощью NI ELVIS и LabVIEW. Преобразование входного аналогового сигнала в дискретный код. Схема измерительной цепи.

контрольная работа , добавлен 06.12.2013

Принципы действия приборов для измерения электрического тока, напряжения и сопротивления; расчет параметров многопредельного амперметра магнитоэлектрической системы и четырехплечего уравновешенного моста постоянного тока; метрологические характеристики.

курсовая работа , добавлен 18.06.2012

Анализ устройства подсистемы утилизации паров бензина из бензобака в системе "Mono-Motronic" (ПУПБ). Структурная схема информационно-измерительной системы. Определение функции преобразования измерительного канала. Выбор элементов электрической схемы.

курсовая работа , добавлен 10.01.2013

Дистанционная передача измерительной информации. Общий вид цилиндрического дифференциально-трансформаторного преобразователя. Изменение взаимоиндуктивности двух систем обмоток при перемещении элемента магнитопровода. Принципиальная схема системы ДТП.

контрольная работа , добавлен 01.02.2013

Метрологические, динамические и эксплуатационные характеристики измерительных систем, показатели их надежности, помехозащищенности и безопасности. Средства и методы проверки; схема, принцип устройства и действия типичной контрольно-измерительной системы.

контрольная работа , добавлен 11.10.2010

Выбор силовой исполнительной и измерительной части системы (двигателя и усилителя мощности). Составление уравнения динамики и передаточных функций. Синтез последовательного корректирующего устройства методом логарифмических частотных характеристик.

Это интересно: