65863

Микропроцессорные системы (МП системы)

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Модуль вода вывода является специфическим для управляющих систем и содержит узлы позволяющие общаться с внешними переферийными устройствами датчиками и исполнительными механизмами. Периферийные устройства работающие с системой могут быть многочисленными.

Русский

2014-08-09

90.5 KB

3 чел.

Микропроцессорные системы (МП системы)

I. Основные понятия о системах

МП-системы включают в себя:

МП, ГТИ, ЗУ команд (ПЗУ), ЗУ данных (ОЗУ), набор вспомогательных микросхем, обеспечивающих взаимодействие МП с внешними устройствами (контроль, измерение и управление).

МПС могут быть:

  •  общего назначения (МПС ОН)
  •  специализированные (МПС СН)

МПС ОН - это МКЭВМ, то есть конструктивно завершенное универсальное вычислительное устройство, имеющее собственный источник питания, панель управления, комплект программного обеспечения.

МПС СН   называют еще МК - микроконтроллерами.

МК решают, как правило, только задачи контроля или управления по одному и тому же алгоритму, то есть упрощенная МКЭВМ без собственного источника питания.

МК могут быть встроены в отдельные приборы, аппараты и оборудование. Это обеспечивает создание полностью автоматизированных устройств и процессов.

 

МПС СН могут заменять аппаратурные логические схемы (схемы логического умножения, триггеры, дешифраторы, счетчики и т.д.). В этом случае программа работы МП системы моделирует структуру связей между отдельными логическими элементами в аппаратных логических схемах.

МПС возникли как следствие совершенствования аппаратурных цифровых схем управления, а не в результате развития вычислительной техники обычного применения.

Типовой вычислительный процесс в системах любого типа может быть организован с помощью трех функциональных устройств:

  •  обрабатывающего;
  •  управляющего;
  •  запоминающего;

Совокупность обрабатывающего и управляющего устройств, реализованное в виде одной или нескольких БНС, называется МП (микропроцессором).

Микропроцессор осуществляет запрограммированную обработку информации.

Конструктивно управляющая МПС может быть выполнена в виде четырех модулей. В эти модули помимо основных функциональных блоков входят ряд вспомогательных элементов.

Модуль ПЗУ может хранить комманды и константы.

Модуль ОЗУ может хранить числа (операнды), а в МКЭВМ и комманды.

Модуль вода/вывода является специфическим для управляющих систем и содержит узлы, позволяющие общаться с внешними (переферийными) устройствами (датчиками и исполнительными механизмами).

Все модули связаны между собой набором шин. Шина - это набор из нескольких проводов для передачи информации. Так как набор шин один для всей системы, то передача информации от разных модулей может производиться только в разные моменты времени.

Каждый модуль может быть выполнен в виде отдельной печатной платы с напаянными на нее корпусами ИМС. В этом случае МПС называется многоплатной. Все модули могут быть смонтированы на одной печатной плате - одноплатная МПС. Если все модули выполняются в одном корпусе ИМС, то МПС называется однокристальной.

II. Обобщенная структура МП системы

Ядром системы является МП, который производит обработку поступающих сигналов.

Темп обработки задается ГТИ, который называется таймером.

Цепь начального запуска служит для того, чтобы включить систему в работу только после полного установления напряжения питания на выходах МП при его включении.

Арифметический расширитель позволяет ускорить выполнение некоторых арифметических или логических операций микропроцессором.

 

Периферийные устройства, работающие с системой могут быть многочисленными. Например, накопитель МД, служит для  долговременного хранения больших массивов информации.

 Дисплей и клавиатура нужны для общения системы с оператором.

 Инженерный пульт позволяет выявлять причины отказов в работе и налаживать систему.

С помощью набора шин МП обменивается информацией с двумя большими группами ВУ (внешних устройств):

  1.  Периферийные;
  2.  Устройства памяти;

К устройствам памяти относятся ПЗУ и ОЗУ.

Обмен информацией производится через устройство сопряжения - интерфейс (ИФ). Он содержит две части: общую для всех ВУ и индивидуальную - для каждого ВУ отдельно. Индивидуальную часть ИФ относящуюся к периферийным устройствам называют устройством ввода/вывода. В простейшем случае, когда индивидуальная часть ИФ представляет собой РП (регистр памяти), она называется портом.

Функции ИФ разнообразны и они могут меняться при изменении назначения системы и состава ВУ. Наиболее часто ИФ выполняет следующие функции:

  •  усиление электрической мощности сигнала;
  •  временное запоминание информации;
  •  инвертирование сигнала для логического согласования работы отдельных блоков;
  •  дешифрация кодов для обращения к какому-либо отдельному блоку;
  •  синхронизация работы МП с выбранным блоком.

Кроме аппаратной части, ИФ включает в себя также алгоритмы  и сигналы, управляющие обменом информации между МП, периферийными устройствами ПУ, устройствами памяти. То есть интерфейс определяет состав шин связывающих отдельные устройства между собой, назначение каждого отдельного провода в шине и режимы ввода и вывода информации.

Интерфейсные устройства подразделяются на два класса:

  1.  Параллельные;
  2.  Последовательные;
  3.  Параллельные ИФ обеспечивают передачу информации с шины на шину сразу по всем линиям, если количество линий в шинах одинаково.
  4.  Последовательные ИФ передают информацию с шины на шину с разным количеством линий. В частности, одна из шин может иметь всего одну линию. Последовательные ИФ работают в режиме с разделением времени, когда информация передается в несколько приемов. Эти ИФ снижают быстродействие системы, однако, позволяют сократить число линий ввода/вывода.

В зависимости от конструкции системы, часть узлов ИФ может входить в состав МП, вообще отсутствовать или их функции могут выполняться программным путем.

Шины, в зависимости от направления потоков информации, по отношению к МП могут быть входные, выходные и двунаправленные.

Наиболее часто используется один из двух наборов шин. Первый набор содержит три шины: выходную шину адресов, двунаправленную шину управления и двунаправленную шину данных.

Второй набор содержит пять шин: выходную шину данных, входную шину данных, двунаправленную шину управления, выходную шину адресов и выходную шину данных из периферийных устройств.

Второй набор шин усложняет коммутацию устройств, но зато повышает быстродействие системы, так как в ней одновременно может передаваться информация из всех трех основных устройств: МП, устройств в памяти и ПУ.

III. Режимы работы системы

Режимы работы системы определяются способом передачи информации между периферийными устройствами и МП. Существует следующая классификация режимов:

  1.  Без прерывания программы:
    •  с синхронным способом передачи;
    •  с асинхронным способом передачи;
  2.  С прерыванием программы:
  •  без опроса;
  •  с опросом;
  •  приоритетное;
  •  векторное;
  1.  С прямым доступом к памяти (ПДП):
  •  без опроса;
  •  с опросом;
  •  приоритетное;
  •  векторное;

  1.  В режиме без прерывания программы обращение к периферийному устройству происходит в моменты, заданные программой. В этом режиме МПС может обходиться без интерфейсных устройств. В режиме без прерывания программы существует два способа обмена информацией: синхронный и асинхронный.

При «синхронном способе» обмен информацией производится в темпе, задаваемом микропроцессором, что предполагает использование устройств МПС, обладающих не меньшим быстродействием, чем сам МП.

При «асинхронном способе» внешние по отношению к МП устройства имеют малое быстродействие и поэтому МП должен проверять их готовность к обмену информацией, и, если они не готовы, то переходит в режим ожидания. Поскольку периферийные устройства имеют малое быстродействие, то режим без прерывания программы может существенно снизить скорость вычислений по программе.

  1.  В режиме с прерыванием программы периферийное устройство в момент готовности к обмену информацией посылает в МП запрос о прерывании его работы по основной программе. МП после получения запроса прерывает вычисления, заносит в ОЗУ все промежуточные данные и далее переходит к обслуживанию периферийного устройства. В простейшем случае обслуживание состоит просто в выполнении команды ввода или вывода данных. В более сложном случае для обслуживания вводится в работу специальная программа. Закончив обслуживание устройства, МП извлекает из ОЗУ промежуточные данные и продолжает прерванные вычисления.

Рассмотренная последовательность действий относится к режиму «без опроса». Используется, когда есть всего одно периферийное устройство. Если в системе находится несколько ПУ, то необходимы дополнительные действия для определения, запрашивающего устройства.

В режиме «с опросом» такое определение выполняется путем поочередного опроса состояния всех устройств. Недостаток этого режима состоит в том, что при обслуживании выбранного периферийного устройства запросы от других устройств не воспринимаются микропроцессором. Это может привести к потере важной информации.

Режим «приоритетное прерывание» допускает прерывание обслуживания одного периферийного устройства, если на МП поступает запрос от другого более важного или боле быстродействующего устройства. Часто за более важное устройство принимается клавиатура оператора. Наиболее быстродействующим является накопитель на МД.

При использовании разнородных периферийных устройств обслуживающие программы для каждого из них могут быть разными. Выбор нужный программы для каждого устройства осуществляется в режиме «с векторным прерыванием».

В режиме с прерыванием программы функции интерфейса могут быть дополнены такими операциями, как формирование запросов на прерывание и определение приоритетов запросов от различных периферийных устройств.

Обслуживание периферийных устройств часто состоит в том, что от устройства необходимо передать большой массив информации в ОЗУ. Тогда целесообразно использовать режим с прямым доступом к памяти. В этом режиме данные от устройства не проходят через микропроцессор, а передаются непосредственно в ОЗУ по шинам МП системы. На период этой передачи МП останавливает свою работу и отключается от системы шин, но время этой остановки гораздо меньше, чем при передаче информации посредством МП. Это связано с тем, что при передаче через МП необходимо дополнительно выполнить два цикла по приему информации: прием информации в его внутренний регистр и передачу информации из его внутреннего регистра.

  1.  В режиме с прямым доступом памяти ПДП часть функций МП по считыванию и пересылке информации должно взять на себя интерфейсное устройство, в результате чего оно получается наиболее сложным. Использование шин для передачи информации между периферийными устройствами и ОЗУ называется захватом шин. Разрешение на захват шин МП дает после получения запроса от периферийного устройства.

IV. Классификация МПС

Существует около двух десятков классификационных признаков, по которым оценивают и сравнивают системы. Эти признаки определяют, например, следующие характеристики систем:

технология изготовления, число БИС в МП, число шин, разрядность шин, способ управления работой микропроцессора, число регистров в МП, число команд, число источников питания, виды адресации, емкость стека.

Свойства систем различают по следующим признакам:

  1.  Технология изготовления.

МДП транзисторы  с p-каналом - малое быстродействие;

   с n-каналом - повышенное быстродействие;

Комплиментарные    -  высокая помехоустойчивость и малое потребление

спаренные    энергии

МДП структуры

ТТЛ        - высокое быстродействие, малый уровень интеграции

ИЛ (инжекционная логика) - высокое быстродействие, менее трудоемка в изготовлении

  1.  Работа от разных уровней напряжений питания.

(до трех)

  1.  Способ управления работой.
    1.  Командный;
    2.  Микропрограммный;

-шины;

РК - регистр команд

ДК - дешифратор команд

Сч. тактов - счетчик тактов

К управляющему устройству подводятся импульсы от ГТИ. Команда (многоразрядный двоичный код) вводится в РК и далее в ДК. Сч. тактов определяет число тактов, необходимое для выполнения команды, конкретный вид узлов МП, принимающих участие в выполнении на каждом такте (например, в какой регистр МП необходимо вводить данные), и режим работы узлов (например, тип операции, которую должно выполнить АЛУ).

Информация о конкретном виде узлов и их режимах работы поступает на БУ генератором чисел. БУ так настраивает генератор чисел, чтобы тот вырабатывал на своих выходных линиях нужную комбинацию сигналов в каждом такте, так как выходные линии генератора подключены ко входам управления различных узлов МП, то эти связи обеспечивают срабатывание различных узлов МП, в каждом такте. После того, как счетчик тактов отсчитывает нужное число тактов для выполнения команды, на его выходе сформируется сигнал, информирующий о том, что регистр команд может быть введена следующая информация.

Командное устройство управления находится в корпусе, где расположено обрабатывающее устройство МП, и не допускает никаких изменений в своей работе. Невозможность перестройки командного устройства управления (изменения набора выполняемых МПом команд) сужает возможности системы.

Бóльшую гибкость в применении систем даю микропрограммные устройства управления. Это устройство представляет собой отдельный корпус БИС, и его можно настраивать так, что МПая система будет воспринимать любой выбранный набор команд и в том числе команды языков программирования высокого уровня.

В этом устройстве есть дополнительное ПЗУ, которое хранит микрокоманды Мк, необходимые для выполнения команды основной программы МПС. После введения команды в регистр команд РК схема формирования адреса определяет адрес ячейки дополнительного ПЗУ, в которой находится первая Мк. Этот адрес заносится в регистр адреса микрокоманд РАМк и вызывает вывод из ПЗУ первой микрокоманды, которая помещается в РеМк. Первая Мк представляет собой комбинацию сигналов управления узлами МПа в первом такте. Из ПЗУ устройства управления одновременно с Мк-ой извлекается адрес ячейки, в которой хранится последующая Мк, или правила перехода к следующему адресу. В любом случае схема формирования адреса вводит в РАМк новый адрес, и из ПЗУ извлекается вторая Мк. Таким образом, для выполнения команды используется микропрограмма, состоящая из микрокоманд. Последняя микрокоманда содержит разряд который информирует о том, что микропрограмма полностью выполнена и регистр команд готов принять новую команду. Так как ПЗУ устройства управления можно перепрограммировать, то это позволяет синтезировать  любую нужную микропрограмму.

7


МП-модуль

Модуль ПЗУ

Модуль ОЗУ

Модуль ввода/вывода

Набор шин

ериферийные устройства

Набор шин

Т

Р

О

П

Устройство ввода

Печатающее устр-во

Накопитель на МД

Дисплей

Инженерный пульт

Испол.мех. или ЦАП

Датчики или АЦП

ПЗУ

ОЗУ

Устройства ввода/вывода

Интерфейс (ИФ)

Блок

питания

Регистры (8)

УУ

АЛУ

МП

Арифметич. расширитель

Цепь начального запуска

Таймер

ГТИ

РК

ДК

Сч. тактов

БУ генератором чисел

Генератор чисел

Структурная схема командного устройства управления

РК

схема формирования

адреса

РАМк

ПЗУ

 Мк Правила перехода к

следующему адресу

РеМк

Структура МПого УУ


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11046. Промышленные роботы. Основные определения и классификация 295.5 KB
  Промышленные роботы. Основные определения и классификация. Общие сведения о промышленных роботах Исторически мехатроника развивается в основном на базе робототехники. Однако мехатронный подход может быть реализован отнюдь не только в робото
11047. Манипуляторы робототехнических систем 219.5 KB
  Манипуляторы робототехнических систем 6.1. Манипулятор. Кинематические пары цепи и схемы. Базовым элементом робота является манипулятор механизм обладающий несколькими степенями подвижности который предназначен для перемещения и ориентации объектов ...
11048. Кинематика манипулятора. Прямая и обратная задача. Геометрия рабочего пространства 179.5 KB
  Кинематика манипулятора. Прямая и обратная задача. Геометрия рабочего пространства. 7.1 Общие сведения о кинематике манипуляторов. В процессе изучения кинематических свойств многозвенных механизмов возникает необходимость описания движения их звеньев без уче...
11049. Мехатронные транспортные средства, устройства бытового и медицинского назначения. Периферийные устройства компьютеров как мехатронные объекты 513.5 KB
  Мехатронные транспортные средства устройства бытового и медицинского назначения. Периферийные устройства компьютеров как мехатронные объекты. 8.1 Мехатронные транспортные средства. Современная автомобильная МС включает как правило целый ряд подсистем выполн
11050. Информационные системы в мехатронике 96.5 KB
  Информационные системы в мехатронике 1. Место и роль информационных систем Информационная система ИС представляет собой совокупность функционально объединенных измерительных вычислительных и других вспомогательных технических средств предназначенных для получ
11051. Первичные измерительные преобразователи 139.5 KB
  Первичные измерительные преобразователи Основные определения Измерительный преобразователь ИП средство измерения предназначенное для преобразования входного измерительного сигнала измеряемой величины в выходной сигнал более удобный для дальнейшего преобра...
11052. Принципы передачи и преобразования информации 130 KB
  Принципы передачи и преобразования информации Во многих встречающихся на практике случаях функциональный блок мехатронного устройства являющийся потребителем информации удален от первичного источника информации например датчика на некоторое иногда довольно зна...
11053. Системы управления мехатронными объектами 123 KB
  Системы управления мехатронными объектами Мехатронные объекты являются ярким примером реализации сложных законов управления. Системы управления применимы в тех случаях когда объект процесс обладает управляемостью т.е. существует возможность изменения его некотор...
11054. Построение структуры системы управления, программная реализация регуляторов 136 KB
  Построение структуры системы управления программная реализация регуляторов Большинство систем процессорного компьютерного управления содержат в своем составе различные регуляторы выполненные программным образом либо реализованные аппаратно. В настоящее время н...