Глава 2. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

2.1. УПРАВЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА БАЗЕ МИКРОЭВМ И МИКРОПРОЦЕССОРНБ1Х КОМПЛЕКТОВ БИС

Термины и определения. Приведем определения основных терминов, используемых при дальнейшем изложении материала.

Большая интегральная схема (БИС)-полупроводниковая интегральная микросхема, содержащая 500 и более элементов.

Интерфейс-устройство сопряжения, обеспечивающее информационную, электрическую и конструктивную совместимости, а также взаимодействие технических средств в составе системы.

Микропроцессор (МП) программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управление им, построенное на одной или нескольких интегральных микросхемах. В состав микропроцессора входят: арифметическо-логи-ческое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические, логические и другие операции; блок регистров, реализующий внутреннюю память МП; устройство управления (УУ), вырабатывающее управляющие и синхронизирующие сигналы и определяющее алгоритм функционирования МП в соответствии с кодом поступившей команды, и интерфейс для связи с внешними устройствами.

Разрядность микропроцессора - максимальное число двоичных разрядов в слове, которое обрабатывается в МП параллельно. Например, 8-разрядный МП может обработать параллельно слово с максимальной длиной в один байт (8 бит). Обработка 16-разрядного слова осуществляется в этом МП последовательно, с разделением слова на два байта, каждый из которых обрабатывается параллельно. Таким образом, разрядность МП существенно влияет на его производительность -число производимых операций в единицу времени. Так, при обработке 16-разрядных слов производительность 16-разрядного МП в два раза выше, чем 8-разрядного МП при условии, что оба процессора имеют одинаковую архитектуру, построены на одной и той же элементной базе и работают с одной и той же тактовой частотой.

Микропроцессорная интегральная микросхема - интегральная микросхема, выполняющая функцию микропроцессора или его части.

Микропроцессорная секция - микропроцессорная интегральная микросхема, реализующая часть микропроцессора и обладающая средствами простого функционального объединения с однотипными или другими ИМС для построения законченных микропроцессоров, микроконтроллеров или микроЭВМ.

Секционированный микропроцессор - микропроцессор, выполненный на основе нескольких ( ) идентичных микропроцессорных секций и других микропроцессорных интегральных схем, объединенных специальными связями или схемами. Число п микропроцессорных секций в составе секционированного МП может меняться, благодаря чему могут изменяться (наращиваться) его .разрядность и функциональные возможности.

Однокристальный микропроцессор (ОМП) - микропроцессор, выполненный в виде одной БИС.

Запоминаюи/ее устройство (ЗУ) - устройство, предназначенное для записи, хранения и выдачи информации. В зависимости от используемого физического принципа может быть построено на ферритах, полупроводниках, цилиндрических магнитных доменах и т. д.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - запоминающее устройство, обеспечивающее возможность оперативного изменения информации, в том числе во время выполнения программы, и имеющее длительность цикла обращения, соизмеримую с длительностью цикла выполнения МП основных операций. При отключении электропитания информация в ОЗУ, как правило, не сохраняется. При использовании аварийного электропитания получают энергонезависимое ОЗУ.

Поипомнное запоминающее устройство (ПЗУ) - запоминающее устройство с неизменяемым содержимым памяти. В полупроводниковые ПЗУ информация записывается в процессе изготовления микросхемы путем соответствующего соединения запоминающих элементов на поверхности кристалла. В процессе работы информация из ПЗУ может только считываться. Постоянное ЗУ является энергонезависимым, т. е. при отключении электропитания информация, записанная в ПЗУ, не разрушается.

Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ)-постоянное запоминающее устройство, в которое информация заносится однократно потребителем и не может быть впоследствии изменена. В полупроводниковые ППЗУ информация заносится путем пережигания плавких перемычек на поверхности кристалла.

Репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РПЗУ)-постоянное запоминающее устройство, в котором информация может неоднократно изменяться специальными средствами стирания и записи. Для записи новой информации микросхема РПЗУ, как правило, извлекается из изделия и соединяется со специальным программатором. Стирание информации осуществляется при помощи ультрафиолетового облучения (УФ РПЗУ), электрически (Э РПЗУ) и т. п. Запись новой информации производится посредством подачи электрических сигналов на соответствующие выводы интегральной микросхемы РПЗУ.

ОЗУ

ПЗУ

ту iz.

\У

Интерфейс bioaa

/f увь 4

Интерфейс 8 ч Вода

Магистраль

Рис. 2.1. Обобщенная структурная схема микроЭВМ

Микропроцессорная электронная вычислительная машина (микроэвм) - цифровая электронная вычислительная машина, включающая микропроцессор (МП), интерфейсы ввода и вывода, запоминающее устройство (ЗУ) и при необходимости пульт управления и источники электропитания, объединенные общей несущей конструкцией (рис. 2.1).

Однокристальная микроЭВМ (ОЭВМ) - микроЭВМ, выполненная в виде одной БИС.

Микропрог^ессориый комплект (МПК) БИС- совокупность микропроцессорных и других ИМС, совместимых по информационным, электрическим и конструктивным параметрам и предназначенных для совместного использования в составе МП, микроэвм и других технических средств.

Архитектура микроЭВМ-совокупность взаимосвязанных аппаратных и программных средств, доступных пользователю и обеспечивающих реализацию алгоритмов обработки информации.

Шина (магистраль, канал)- набор определенного числа линий (соединительных проводников), связывающих между собой одноименные выводы различных устройств. По каждой линии связи шины может быть передано значение одного разряда двоичного кода в виде уровней напряжения (тока), соответствующих логическому О или логической 1 , а по всей пшне в целом, параллельно - значение кода, число разрядов в котором равно числу проводников в шине. Особенностью шин является то, что каждая линия связи шины может объединять несколько (более двух) одноименных выводов и, например, соединять выходы нескольких передатчиков и входы нескольких приемников информации. Выбор приемника или передатчика информации в этом случае осуществляется с помощью специальных сигналов ВК (выбор кристалла) или ВМ (выбор модуля). Из нескольких передатчиков информации, связанных с одним приемником, в каждый момент времени может быть подключен только один. Это реализуется с помощью схем с открытым коллектором или с тремя устойчивыми состояниями. Третье (пассивное) состояние передатчика, характеризуемое его высоким выходным сопротивлением, эквивалентно отключению передатчика от линии связи.

Двуиаправлеиная шина (магистраль) - шина (магистраль), по которой осуществляется двунаправленный обмен информацией между различными устройствами. Следует заметить, что в каждый фиксированный момент времени информация по шине (магистрали) может передаваться только в одном направлении. Например, сначала по магистрали микроЭВМ (см. рис. 2.1) передается информация из ЗУ в МП, затем по той же магистрали передается информация в обратном направлении из МП в ЗУ и т. д.

Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) - запоминающее устройство большого объема (сотни, тысячи и более килобайт), предназначенное для длительного хранения данных, создания архива данных и обмена файлами этих данных с ОЗУ микропроцессорной системы. Внешнее ЗУ в общем случае состоит из накопителя (на магнитной ленте, магнитных дисках, магнитных картах и т. д.) и контроллера.

Контроллер ВЗУ - устройство, обеспечивающее управление работой накопителя и сопряжение с интерфейсом микропроцессорной системы.

Устройства ввода-вывода (УВВ) - устройства, служащие для ввода или вывода информации, например клавиатура, алфавитно-цифровой или графический дисплей, печатающие устройства различных типов, нерфоленточные устройства и т. д. В последнее время в качестве УВВ активно применяются накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и кассетные накопители на магнитной ленте (КНМЛ), которые заменяют устройства ввода с перфоленты и перфокарты.

Периферийные или внешние устройства - обобщающее название ВЗУ и УВВ.

Порты ввода или вывода-регистры для подключения внешних устройств. Каждому из этих регистров обычно присваивается свой номер (адрес). С помощью сигналов выбора кристалла (ВК) или выбора модуля (ВМ), подаваемых с дешифратора адреса, регистры приводятся в активное состояние.

Микроконтроллер (МК)-устройство локального управления, выполненное на одной или нескольких ИМС. Микроконтроллер предназначен для автономного встраивания в аппаратуру и содержит микропроцессор, ОЗУ и ПЗУ ограниченного объема, средства связи с источниками и приемниками информации, а также средства объединения в микропроцессорные локальные сети.

Устройство связи с объектом (УСО) - устройство, осуществляющее связь микроэвм с объектом управления (датчиками и исполнительными устройствами объекта управления) и позволяющее производить прием аналоговых и дискретных сигналов, выдачу команд на аналоговые и дискретные устройства, усиление и нормирование сигналов, аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразования, логические преобразования, преобразования фор-

Микроэвм

Магистриль

Рис. 2.2. Обобщенная структурная схема микропроцессорной системы управления

матов данных, развязку внешних цепей и защиту их от короткого замыкания, контроль и диагностику, а также внутренние преобразования, связанные с хранением адресов и данных.

В состав УСО входят интерфейсы для связи с микроЭВМ и объектом управления, регистры для хранения адресов и данных, аналого-цифровой (АЦП) и цифроаналоговый (ЦАП) преобразователи, логические устройства, формирователи сигналов, устройства оптронной развязки, устройства индикации и защиты и т. д.

Микропроцессорная система управления (МПСУ)-система (рис. 2.2), содержащая микроЭВМ, объект управления (ОУ) с датчиками (Д) и исполнительными устройствами (ИУ), устройства связи с объектом (УСО) и при необходимости периферийные устройства (дисплей, алфавитно-цифровое печатающее устройство, накопитель на гибких магнитных дисках и т. п.).

Регистры общего назначения (РОИ) - программно-доступные регистры, которые реализуют внутреннюю память МП. Используются для оперативного хранения как данных, так и адресов.

Счетчик команд-программно-доступный регистр МП, который содержит адрес очередной команды. При выполнении команды содержимое счетчика команд автоматически изменяется.

Стек-любая область ОЗУ, работа с которой осуществляется по принципу последний пришел - первый ушел . Для адресации ячеек памяти, входящих в стековую область, ис1юльзуется специальный адресный регистр SP-указатель стека. Перед началом работы в регистр SP загружается адрес верхушки стека, т. е. максимальный из адресов ячеек памяти, входящих в стековую область ОЗУ. Так как емкость ячейки ОЗУ обычно составляет один байт, то запись любого слова в стек происходит побайтно. При занесении в стек 16-разрядного слова содержимое SP автоматически уменьшается на единицу и в ячейку памяти, адрес которой находится в SP, записывается старший байт слова. Далее содержимое SP снова автоматически уменьшается на единицу и в ячейку памяти с адресом на единицу меньше предыдущего записывается младший байт слова. Извлечение данного слова из 48

стека происходит в обратном порядке. После извлечения каждого байта содержимое указателя стека автоматически увеличивается на единицу. Таким образом, при каждом обращении к стеку можно либо извлечь ранее записанное слово из ячейки памяти, адрес которой хранится в указателе стека SP, либо записать новое слово по адресу, который на единицу меньше, чем содержимое регистра SP. Указанные возможности реализуются с помощью двух типов команд. Выполнение одной из них приводит к извлечению ранее записанного слова из стека, выполнение другой - к занесению нового слова в стек.

Операнд- исходные данные, представленные в виде двоичного слова длиной от одного до нескольких байт, над которым выполняется операция.

Команда - двоичный код, длина (формат) которого составляет от одного до нескольких байт. Первый байт любой команды содержит код операции. Он определяет формат команды и те действия, которые должны быть произведены МП над операндом (операндами), чтобы получить результат. В последующих байтах команды содержится прямой или косвенный адрес операнда, либо непосредственно сам операнд. Под прямым адресом операнда понимается адрес ячейки ОЗУ или номер внутреннего регистра МП, в которой (котором) хранится операнд. Косвенный адрес операпда - но.мер внутреннего регистра МП, в котором хранится прямой адрес операнда.

Прерывание - временное прекращение МП вьшолнения текущей программы и переход к программе обслуживания периферийного устройства, вызвавшего прерывание. Например, в ходе выполнения микропроцессором программы вычислений устройство ввода информации выдает сигнал Запрос прерывания , который поступает на соответствующий вход МП. По окончании текущей команды МП выдает сигнал Разрешение прерывания , временно прекращает выполнение текущей программы и переходит к программе обслуживания устройства ввода, которая начинается с занесения содержимого всех программно-доступных регистров МП в стек. В конце программы обслуживания устройства, вызвавшего прерывание, содержимое всех внутренних регистров МП восстанавливается, и МП возобновляет выполнение текущей программы.

Режим прямого доступа к памяти-предоставление микропроцессором шин адресов и данных для обмена информацией УВВ с ЗУ. На время, в течение которого существует этот режим, МП отключается от указанных шин (соответствующие выходы МП устанавливаются в состояние с высоким выходным сопротивлением).

Типы микропроцессорных комплектов БИС и архитектура микропроцессоров, микроЭВМ и микропроцессорных систем управления. Основу любой микроэвм составляет микропроцессор.

Микропроцессор осуществляет процессы обработки, хранения, обмена над тремя видами информационных словадресами, командами, данными-и управляет этими процессами.

Обработка информации выполняется в самом МП. Хранение (память) информации реализуется с помощью внутренних регистров МП, БИС ОЗУ и БИС ПЗУ, а обмен информацией- по внутренним и внешним шинам или магистралям.

Микропроцессор выставляет необходимые адреса, выбирает команды из ЗУ, декодирует эти команды и исполняет их, осуществляет обмен данными с УВВ и ЗУ, выполняет арифметические, логические и другие операции обработки информации, передает и принимает синхронизирующие и управляющие сигналы.

Промышленность СССР в настоящее время выпускает более 20 микропроцессорных комплектов БИС. Характеристики некоторых из них представлены в табл. 2.1.

Микропроцессор как ИМС (или совокупность нескольких микропроцессорных ИМС) характеризуется видом технологии изготовления, типом корпуса и числом его выводов, нагрузочной способностью активных выходов, номиналами источников питания, потребляемой мощностью, помехоустойчивостью, устойчивостью к механическим, климатическим и радиационным воздействиям и т. д.

Таблица 2.1. Характеристики микропроцессорных комплектов БИС

Примечание: --число объединяемых микропроцессорных секций.

Микропроцессор как вычислительное устройство характеризуется разрядностью и возможностью ее наращивания, тактовой частотой, числом команд и способом их реализации (способом управления), числом внутренних регистров и объемом адресуемой памяти, числом входных и выходных шин и их разрядностью, типом интерфейса, объемом программного обеспечения и т. д.

Сравнительный анализ БИС, изготовленных по различным технологиям, показывает, что наибольшую плотность упаковки (степень интеграции) имеют элементы ИИЛ (интегрально-инжек-ционной логики)* 150 вентилей /мм~. Наивысшим быстродействием (минимальным временем задержки распространения сигнала) обладают элементы ЭСЛ (эмиттерно-связаниой логики) и ТТЛДШ (транзисторно-транзисторной логики с диодами Шотки), что позволяет им работать с тактовыми частотами 10... 100 МГц (ЭСЛ) и 5...10 МГц (ТТЛДШ). Однако плотность упаковки элементов ЭСЛ и ТТЛДШ невысокая и составляет 25 венти-лей/мм . Минимальную потребляемую мощность (0,01 ...0,2 Вт/ кристалл) имеют элементы А'-МДПТЛ (транзисторной логики на основе полевых транзисторов со структурой металл-диэлектрик-полупроводник с каналами п- и р-типов). Для фавнения заметим, что потребляемая ТТЛДШ мощность составляет 2...3 Вт/кристалл. Элементы и-МДПТЛ и i-МДПТЛ обеспечивают достаточно высокук; степень интеграции ( 100 вентилей/мм ), но в основном уступают элементам ИИЛ, имеющим лучшую перспективу использования.

Микропроцессор обеспечивает автоматическое выполнение операций обработки цифровой информации в строгом соответствии с программой, т. е. заданной последовательностью команд.

Существуют два способа реализации команд, т. е. два способа управления- аппаратный (макропрограммный) и микропрограммный.

При аппаратном способе управления используются дешифраторы кодов команд, которые преобразуют код каждой команды в набор микроинструкций, необходимых для ее выполнения.

При микропрограммном способе управления каждая сложная команда представляется в виде микропрограммы, состоящей из микрокоманд. Процесс составления таких микропрограмм называется микропрограммированием. Микропрограммная реализация сложных команд позволяет установить собственный набор команд, оптимальных для решения некоторых конкретных задач. Это делает МП наиболее гибким , т. е. дает возможность максимально приспособить его для решения широкого круга задач, а также интерпретировать архитектуру различных ЭВМ, используя их программное обеспечение. Аппаратный способ реализации команд принципиально не допускает такой возможности.

Широкое распространение получили два типа микропроцессоров: секционированные с наращиваемой разрядностью и микропрограммным управлением и однокристальные (ОМП) с фиксированными разрядностью и системой команд.

Секционированный микропроцессор реализуется на основе нескольких идентичных микропроцессорных секций и других микросхем, объединенных специальными связями или схемами. Например, 2-, 4-, 8-разрядные микропроцессорные секции МПК БИС серий К589, К1800, К1802 (см. табл. 2.1) соответственно объединяются с помощью схем ускоренного переноса и вместе с БИС ПЗУ, предназначенной для хранения микрокоманд, образуют секционированные микропроцессоры с наращиваемой разрядностью 2и, 4и, 8и и микропрограммным управлением, набор команд для которых может быть определен произвольно. Микропроцессорные секции, как правило, строятся на элементах ЭСЛ и ТТЛДШ. Поэтому секционированные МП позволяют реализовать микроЭВМ с максимальным быстродействием (10 элементарных операций/с и больше).

Однокристальные микропроцессоры рассмотрим на примере 8-разрядного ОМП КР580ИК80А и 16-разрядного ОМП К1801ВМ1, предназначенных для обработки информации в микропроцессорных системах управления технологическими процессами, контрольно-измерительной аппаратуре и различных микроэвм.

ОМП КР580ИК80А (рис. 23,а) содержит следующие устройства и программно-доступные регистры:

8-разрядные арифметическо-логическое устройство (АЛУ);

8-разрядный регистр А (аккумулятор), который используется для оперативного хранения операнда и результата операции, производимой в АЛУ;

8-разрядный регистр F, в котором вырабатываются двоичные признаки состояния, соответствующие определенным разрядам регистра F, например: Z-признак нуля (устанавливается в состояние 1 , если результат вьшолнения команды равен 0), S - признак знака (устанавливается в состояние 1 , если результат выполнения команд отрицательный), Р-признак четности (устанавливается в состояние 1 , если в двоичном коде результата выполнения команды содержится четное число единиц), С - признак переноса (устанавливается в состояние 1 , если в результате сложения двух 8-разрядных чисел возникает перенос из самого старшего разряда), АС-признак вспомогательного переноса (устанавливается в состояние 1 в случае переноса из четвертого разряда двоичного числа). Значения признаков, содержащихся в регистре F, проверяются при выполнении команд условного перехода. Содержимое пары регистров А и F называют словом состояния программы и обозначают PSW;

ША (IB)

вводные a выходные > сигналы управления и синхронизации

MAlA (1В)

Входные и Выходные сигналы управления и синхронизаи,ии

Рис. 2.3. Логическая структура микропроцессоров с фиксированными разрядностью и системой команд:

а - 8-разрядпый ОМП КР580ИК80А; б-16-разряД11ЫЙ ОМП K180IBM1

шесть 8-разрядных регистров общего назначения: В, С, D, Е, Н, L. При исполнении некоторых команд указанные регистры объединяются в 16-разрядные регистровые пары В и С, D и Е, Н и L с именами В, D, И соответственно;

16-разрядный счетчик команд (РС);

устройство управления (УУ) с аппаратной реализацией фиксированной системы команд;

интерфейс для подключения однонаправленной 16-разрядной шины адреса (ША), двунаправленной 8-разрядной шины данных (ШД) и входных (выходных) линий связи, по которым принимаются (передаются) соответственно сигналы управления и синхронизации.

Шина адреса позволяет микропроцессору обращаться к 64 К(2* = 2-2*° = 64-1024 = 64 К) ячейкам памяти или адресовать 64 К байт, учитывая, что емкость одной ячейки памяти равна 1 байт.

ОМП К1801ВМ1 (рис. 2.3,6) содержит следующие устройства и программно-доступные регистры: