Представление информации и система команд МП

См. [1], глава 2, с. 16-36.

Связь с внешними устройствами

В системах реального времени управляющая микроЭВМ взаимодействует с большим числом внешних устройств. Сигналы задающих и измерительных устройств являются входными сигналами микроЭВМ, а выходными сигналами являются исполнительные сигналы, с помощью которых осуществляется управление объектом, и сигналы индикации.

Подсоединение к портам ввода-вывода микроЭВМ различных по своей природе внешних устройств обычно требует специальных согласующих элементов, которые должны обеспечить решение целого ряда задач. Рассмотрим их краткую характеристику.

Согласование уровней сигналов, подавление помех и защиту от перегрузок на входах и выходах микроЭВМ.

Уровни сигналов микропроцессорных средств находятся в пределах нескольких вольт (обычно 0-5 В), а нагрузочная способность их выводов невелика. Кроме того, входы и выходы интегральных схем (ИС) чувствительны к перегрузкам (перенапряжениям от помех), которые могут привести к необратимой потери функциональных свойств.

Отсюда вытекают недостатки микропроцессорных средств по сравнению с классической управляющей техникой на основе реле:

¨ высокая чувствительность к напряжениям помех, индуцируемых электромагнитными полями (например, при коммутациях на сильноточных установках);

¨ частые ошибки при сигналах низкого уровня;

¨ необходимость защиты электронных схем от перенапряжений (обычно осуществляется так называемыми оптическими связями);

¨ необходимость усилителей мощности выходных сигналов для воздействия на исполнительные и индикаторные устройства.

При создании жёсткой системы управления на основе релейных элементов, каждая коммутационная функция требует дополнительной печатной платы, что обуславливает ограничения на информационную часть устройства, на число вводимых и выводимых величин.

При проектировании систем управления на основе микропроцессорных средств эти ограничения в значительной мере снимаются, но в качестве новых узких мест появляются проблемы согласования электронных схем с измерительными и исполнительными устройствами. Зачастую объём и стоимость устройств согласования, хотя они и выполняют вспомогательные функции, многократно превосходят те же показатели самих микроЭВМ.

Преобразование сигналов. Следующей задачей является преобразование сигналов для обеспечения ввода и вывода информации в микроЭВМ. Напомним, что микроЭВМ представляет собой цифровое устройство, которое оперирует информацией, представленной двоичными словами определённой длинны. В соответствии с этим информация в микроЭВМ также должна вводится в виде двоичных слов. Но в таком виде поступают очень немногие внешние сигналы. Можно провести следующую принципиальную классификацию сигналов: двоичные, дискретные и аналоговые.

Двоичные сигналы принимают только два состояния и, следовательно, служат для пе­редачи состояний «включено» и «выключено» механических выключателей, оптиче­ских и акустических приёмников или измерительных и исполнительных устройств с двумя состояниями (рис. 1а). Кроме того, они возникают в тактовых, импульсных и счётных системах. Ввод-вывод двоичных сигналов не требует никаких преобразований. Следует лишь установить, будет ли через порт ВВ передан один двоичный сигнал, ко­торый и составит при этом полное слово микроЭВМ (из которого затем нужен только один разряд) или на общем порте ВВ будет произвольно сосредоточено несколько двоичных сигналов.

Если внешнее устройство принимает только конечное число различных состояний, то получится цифровая система (например, клавишные устройства, позиционные измерительные системы с конечным числом уровней и т.д.). Передача информации о состоянии может быть осуществлена с помощью многоуровневого сигнала (рис. 1б). Но всё же предпочтительнее использовать кодированную передачу параллельных двоичных сигналов (рис. 1в), поскольку эта форма прямо соответствует формату ввода-вывода микроЭВМ. Дискретные сигналы с большим числом уровней могут потребовать для своего представления параллельных двоичных сигналов, разрядность которых превосходит длину слова микроЭВМ. Такие сигналы делятся между несколькими портами ВВ и, следовательно, не могут быть введены в обращение только одной операцией ВВ.

Аналоговые сигналы принципиально не могут быть переданы при представлении информации в формате ввода-вывода микроЭВМ. Аналоговый сигнал (рис. 1г) может принимать бесконечное число значений и, следовательно, должен бы быть закодирован двоичным словом бесконечной длины. Решение может состоять только в преобразовании информации, при котором аналоговый сигнал приближается по форме к дискретному. Эта задача решается аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), которые также очень широко распространены как интегральные схемы.

Согласование микроЭВМ и внешних устройств по быстродействию (синхронизация). В качестве следующей проблемы связи между микроЭВМ и внешними устройствами следует назвать согласование их рабочих скоростей. Поскольку микроЭВМ выполняет команды программы последовательно одну за другой, она не в состоянии непрерывно выдавать или принимать информацию. Иными словами, время прохождения программ ВВ и выполнения между ними необходимых операций по обработке данных требует дискретного принципа работы и от микроЭВМ, и от внешних устройств. В зависимости от конкретных условий интервалы времени между операциями ВВ могут колебаться в широких пределах. Это приводит к тому, что при непрерывных сигналах микроЭВМ может вводить только их дискретные отсчёты, а на стороне вывода может формировать только ступенчатые сигналы. В каждом конкретном случае нужно оценивать, достаточна ли скорость реакции микроЭВМ в сравнении с динамикой (скоростью изменения) внешнего процесса.

В случае непрерывных сигналов интервал дискретизации между отсчётами должен соответствовать известной теореме Котельникова. В случае двоичных или дискретных сигналов интерес представляют только те моменты времени, при которых происходит изменение состояния. МикроЭВМ должна быть об этом соответственно информирована.

Чтобы узнать об изменениях состояния входного сигнала предлагаются два следующих метода.

¨ Метод опроса. МикроЭВМ циклически вводит текущее значение входного сигнала и непосредственно анализирует его (см. рис. 2а). Недостатком этого метода является то, что микроЭВМ постоянно загружена наблюдениями за состоянием входного процесса (программа В запускается даже при отсутствии каких либо изменений состояния) и период опроса для конкретного случая может быть слишком большим (время задержки Т - время реакции на изменение состояния входного сигнала).

¨ Метод прерываний. Простая электронная схема гарантирует, что всякое изменение состояния входного сигнала вырабатывает запрос прерывания МП. МикроЭВМ прерывает выполнение текущей программы и запускает подпрограмму обслуживания прерывания, которая осуществляется ввод, анализ и обработку переменного состояния. В этом случае обеспечивается загрузка микроЭВМ только при возникновении изменения состояния, а реакция на это может быть быстрой.

Предпосылкой для обоих методов (а также предпосылкой для использование микроЭВМ вообще) является то, что изменения сигналов по сравнению с быстродействием микроЭВМ происходят относительно редко (можно считать, что временные интервалы между изменениями состояний должны быть 10-100 раз больше, чем время выполнения команды).

До сих пор мы обсуждали только ввод информации. При выводе информации следует отличать устройства, которые подчиняются любому временному режиму микроЭВМ, т.е. могут принимать данные в любой момент времени и с любой скоростью, и устройства, которые сами определяют момент времени для приёма данных и скорость их вывода. В последнем случае с процессом вывода всегда связан процесс ввода, в котором микроЭВМ должна быть информирована о готовности ВУ к приёму данных. Относительно реализации такого ввода снова возникают обе рассмотренные выше возможности: сигнал готовности ВУ может контролироваться микроЭВМ программно путём опроса, либо вызывать прерывание.

Дата добавления: 2015-05-09