Общие сведения. Микропроцессорная техника (МТ) – поколение средств управления, которое включает в себя микропроцессорные интегральные схемы

Микропроцессорная техника (МТ) – поколение средств управления, которое включает в себя микропроцессорные интегральные схемы.

Микропроцессорная техника состоит из аппаратных устройств и программных продуктов.

Технические аппаратные средства предназначены для первич­ной обработки технологической информации, собранной посред­ством датчиков, отображения информации для обслуживающего персонала, обработки, формирования и выдачи управляющих воздействий на исполнительные устройства.

Изобретение в 1969 г. микропроцессора (МП) привело к появлению в 70–х годах нового класса ЭВМ - микроЭВМ. Именно наличие МП служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ.Различают микроЭВМ: универсальные (многопользовательские – мощные микроЭВМ и однопользовательские или персональные) и специализированные (многопользовательские – серверы и однопользовательские – рабочие станции).Многопользовательские микроЭВМ – это мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.Персональные компьютеры (ПК) – однопользовательские микроЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.Рабочие станции – представляют собой однопользовательские мощные микроЭВМ, специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, издательских и др.).Серверы - многопользовательские мощные микроЭВМ в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех станций сети.Основными характеристиками микроЭВМ являются быстродействие, производительность, тактовая частота.Модульный принцип построения средств вычислительной техники позволяет создавать семейства ЭВМ, различающиеся функциональным назначением, техническими характеристиками и конструктивным исполнением.Для локального управления технологическим процессом (ТП) обычно применяются однокристальные ЭВМ со встроенными АЦП и ЦАП. Они обычно исполнены на одной БИС (большой интегральной схеме). Микропроцессоры и микроконтроллеры - гибкие программно-управляемые многофункциональные логические устройства, способные принимать, хранить, обрабатывать (логически или арифметически) и выдавать информацию, представленную в виде многоразрядных двоичных кодов.

Микропроцессор по своим логическим функциям и структуре подобен процессору обычных компьютеров и оперирует короткими словами 2..., 16..-, 32..., 64..., 128... разрядов. Основная функция МП - преобразовывать информацию. Однако сам по себе МП не способен осуществить переработку информации, т. е. решить конкретную задачу, его необходимо соединить с устройством памяти (УП) и устройством ввода-вывода (УВВ), запрограммировать и обеспечить обмен информацией МП с этими устройствами.

Программируемость — возможность изменять алгоритм обработки данных посредством программирования. Программируемость позволяет применять микропроцессорные устройства одного типа для решения различных задач управления.

Программируемый логический контроллер (ПЛК) — микропроцессорное устройство, которое выполняет функции логического анализа и управления по соответствующим алгоритмам согласно требованиям технологического процесса и взаимодействует с оператором..

Микропроцессорная система (МПС) — это совокупность взаимосвязанных устройств, состоящая из одного или нескольких устройств памяти, устройств ввода-вывода и ряда других устройств, обеспечивающих выполнение определенных функций.

В любой МПС имеется 4 основных архитектурных элемента: устройство управления (УУ), арифметически-логическое устройство (АЛУ), устройство памяти (УП), устройство ввода-вывода (УВВ) – рис. 1.

АЛУ выполняет предписанные устройством управления арифметические и логические операции над данными, поступающими из устройства памяти или УВВ (сложение, вычитание, сдвиг, пересылка, логическое сложение ИЛИ, логическое умножение И, сложение по модулю).

УУ декодирует записанные в программе команды и генерирует сигналы управления, необходимые для того, чтобы АЛУ и вся система выполняли требуемые функции. АЛУ и УУ, как правило, изготовлены в виде одной большой интегральной микросхемы (БИС), называемой центральным процессором (ЦП).

Рис. 1. Схема микропроцессорной системы

УВВ обеспечивает связь ЦП с внешними (периферийными устройствами).

УП (устройство памяти или запоминающее устройство) – место хранения программ и данных, закодированных в двоичной форме. УП, входящее в состав МП, является электронным устройством, состоящим из элементов (ячеек) памяти. Каждой ячейке присваивается номер, который называется адресом. Устройства ввода-вывода реализуют связь с внешними (периферийными) устройствами.

Информация в МП вводится и хранится по принципу «высо­кий уровень — низкий уровень» потенциала, что соответствует 1 или 0 в двоичной системе счисления. Эта форма представления информации (программы) называется машинным кодом. Один разряд двоичного числа называется битом — это минимальное количество информации. Запись десятичных цифр и алфавитных символов машинным кодом называется кодированием.

Базовой логической единицей информации в МП является слово — это совокупность двоичных цифр, обрабатываемых одно­временно. Число двоичных цифр, составляющих слово, определя­ется длиной слова. Длина слова характеризует количество кодовыx комбинаций и число адресов, к которым может обращаться УУ. Слово длиною 8 бит называется байтом. Общее число ячеек в УП определяет емкость памяти.

Надо понимать, что МП сам по себе не может быть использован для выполнения контрольно-измерительных или управляющих функций, так как не имеет устройств ввода-вывода, памяти, пульта управления и блока питания. Выполнение функций, предусмотренных пользователем для управления технологическим процессом или сбора и обработки информации, осуществляется МП-системой, укомплектованной перечисленными блоками и устройствами сопряжения с ними, называемом интерфейсом.

Понятие интерфейс охватывает совокупность аппаратуры и программы, выполняющей функции сопряжения отдельных блоков и обеспечивающей обмен информацией между ними. В МП-системах различают внутренний и внешний интерфейсы.

Внутренний интерфейс – это линия связи или шины, обеспечивающие взаимосвязь внутренних элементов МП. Внешний интерфейс обеспечивает взаимосвязь и обмен информацией между МП, устройством памяти и УВВ, внешними устройствами (например, датчиками технологических параметров).

Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами. Протокол – это совокупность технических решений, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Для связи между элементами в МП-системе используются три шины: шина адреса (ША), шина данных (ШД) и шина управления (ШУ). Физически шины выполнены как печатные проводники или кабели, к которым подключаются все блоки системы (рис. 1).

Однонаправленная (передающая информацию в одну сторону) ША дает возможность УУ выбирать любое слово в памяти или любое входное или выходное устройство, соответствующее комбинации нулей и единиц на шине (двоичное число-адрес).

Двунаправленная (действующая в любую сторону) ШД позволяет передавать информацию как от устройства ввода в памяти, так и из памяти в АЛУ или на устройство вывода.

ШУ используется лишь для вывода сигналов и является однонаправленной.

Центральный процессор при обмене информацией с внешними устройствами не имеет непосредственного контакта с ША и ШД. Надежная передача информации осуществляет­ся путем ее временного запоминания (фиксации, «защелкива­ния»), при использовании буферных регистров. Буфер — это уст­ройство, обеспечивающее соединение двух несхожих систем в це­лях согласования их характеристик и совместной работы.

МП система имеет множество внешних устройств, и для согласова­ния их работы вводят устройство — контроллер ввода-вывода, ко­торый определяет необходимый источник при вводе информации и приемник для ее вывода. Буферный регистр с контроллером образует соответственно порт ввода и порт вывода.

Порты — это входные и выходные устройства связи для со­единения центрального процессора с внешними устройствами. В качестве портов ввода-вывода используют специально программируемые БИС.

Архитектура МП разрабатывается исходя из требований гибкости, быстродействия, низкой стоимости МП. Гибкость необходима для создания эффективного математического обеспечения, что позволяет расширить функциональные возможности при создании систем управления. Быстродействие МП достигается за счет параллельной обработки нескольких разрядов информационного слова в АЛУ, использования быстродействующей элементной базы. Снижение стоимости МП обеспечивается однородностью схем и минимальным числом контактов и внешних выводов на кристалле МП. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию – аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, можно собирать из готовых узлов и блоков.

Любой компьютер представляет собой неразрывную связь программного и аппаратного обеспечения. Программы – это упорядоченные последовательности команд. Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программной конфигурацией. Между программами, как и между физическими узлами и блоками, существует взаимосвязь – многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня. Базовый уровень – самый низкий уровень программного обеспечения. Базовое программное обеспечение отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Оно записывается в микросхемах программируемых запоминающих устройств. Программы системного уровня обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств, они входят в состав программного обеспечения системного уровня. Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Эти программные средства называются средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство работы с АРМ.

Совокупность программного обеспечения системногоуровня формирует ядро операционной системы компьютера — это непременное условие для возможности практической работы человека с вычислительной системой.

Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте (АРМ) выполняются конкретные задания.

Для преобразования цифрового информационного сигнала в аналоговый (модуляция) с целью передачи по аналоговым линиям связи и обратного преобразования принятого аналогового сигнала снова в цифровой (демодуляция) служит устройство модем. (Пример аналоговой линии связи – телефонный кабель). Модемы всегда связывают два цифровых терминала, например компьютеры. Модем является периферийным устройством компьютера, который позволяет, например, передавать файл (данные) на другой, удаленный, компьютер по телефонным каналам. Радиомодемы вместо телефонного канала используют радиоканал. При работе модем входит в соединение с другим модемом по схеме «точка-точка», поэтому третий модем не может «вклиниться в передачу». При передаче информационного сигнала от одного терминала к другому необходимо промодулировать несущую частоту, а в конце пути – демодулировать. Исполнение модема: внутренний модем вставляется в компьютер как плата расширения; настольный модем имеет отдельный корпус и соединяется кабелем с портом компьютера. Сотовые модемы – это проводные модемы для использования в мобильной радиотелефонии (сотовая телефонная связь). Эти модемы используют специальные протоколы и часто имеют портативное исполнение.

Языки программирования. Работа МП системы организуется согласно заданной программе, которая состоит из последовательности инструкций, выполняющихся шаг за шагом. Этот шаг последовательности называется командой. Программы управления технологическими процессами можно записать в машинных кодах с использованием двоичной системы. Программирование выполняется в два этапа: сначала программа пишется на символьном (входном) языке, а затем переводится вручную или с помощью ЭВМ в машинный код. Входной язык состоит из определенного набора команд. Мнемокод — простейший из входных языков. Операторы мнемокода — это условные сокращения названий операций на естественном языке, что значительно облегчает запоминание и употребление команд программы. Мнемокоды ускоряют программирование и являются базой для создания алгоритмических языков более высокого уровня. Их можно применить для кодирования не только команд, но и адресов. Условные обозначения (метки) применяются при написании программы, а также отдельных ее частей. В качестве метки удобно использовать символьное обозначение (адрес) части программы, например «СТАРТ», «ЗАДЕРЖКА» и т. д. Метка ставится перед кодом операции, а после нее — двоеточие. При трансляции программы каждой метке присваивается текущее значение счетчика команд, этим фиксируется определенное место в программе, что упрощает переход в нужную точку программы, а также многократное повторение ее отдельных частей.

Широкое применение для технологических объектов управления имеет язык программирования ассемблер. Его основу составляет мнемоника машинных команд МП, а также специальные команды для управления трансляцией исходной программы на шинный язык. Эти команды называются директивами ассемблера, или псевдокомандами. Директивы ассемблера содержат информацию о начале и конце программы и другие сведения, необходимые для формирования данных и размещения их в памяти. Для записи директив применяют и мнемонические сокращения. В метке директивы обязательно должно находиться символьное наименование без заключительного двоеточия. Наиболее распространенными директивами ассемблера являются «ПРИСВОИТЬ» (приравнять) и «МАССИВ» (таблица). Первая директива задает начальные числовые значения всем условным наименованиям, а вторая определяет последовательность упорядоченных чисел.

Перевод программы с ассемблера на машинный язык можно выполнять вручную с помощью специальных кодирующих устройств или программно при помощи ЭВМ и специальной программы - транслятора. Для записи программы следует придерживаться формата, необходимого при машинной трансляции, для распечатки или листинга. Широко используются языки высокого уровня Visual Basic (VB) и Visual Basic for Applications (VBA), Си, Си++, а также языки технологического программирования IEC 1131-3 (SFC, FBD, LD, IL, ST).

Дата добавления: 2014-01-04