Микропроцессоры, микроЭВМ и персональные компьютеры

В настоящее время электронные цифровые вычислительные машины (ЭВМ) находят широкое применение в различных производственных системах управления и в быту. В информационных и управляющих системах используют управляющие и вычислительные машины разного уровня.

Микропроцессор – выполняет простые логические и арифметические операции с двоичными числами, имеет систему команд и тактовых прерываний, систему входных и выходных контактов для связи с другими устройствами. Как правило, он выполнен на одном кристалле, оформлен в виде одной микросхемы. Устройства, работающие с микропроцессором, снабжаются генератором тактовых импульсов на основе задающего кварцевого генератора (синхронизатора) и микросхемами памяти.

Однокристальная микроЭВМ – имеет микропроцессор и встроенные элементы памяти. Фактически это малая вычислительная машина, выполненная в виде одной микросхемы. Содержит процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), имеет контакты для подключения к внешнему запоминающему устройству.Она имеет также свою систему команд и тактовых прерываний, систему входных и выходных контактов для связи с другими устройствами. Различными способностями обладают восьми разрядная и 16-ти разрядная однокристальная ЭВМ.

Контроллер – это однокристальная микроЭВМ с встроенными дополнительными элементами для приема информации от нескольких аналоговых (8 или 16) и логических датчиков (8 или 16). Логические датчики – это датчики, принимающие два значения: 0 – закрыто (выключено), 1- открыто (включено). К встроенным устройствам относятся: мультиплексор (для последовательного опроса датчиков), аналогово-цифровой преобразователь, элементы ввода и вывода команд и данных. К подключаемым устройствам относятся: генератор тактовых импульсов, элементы питания, согласующие элементы к устройствам ввода/вывода.

Структурная схема контроллера приведена на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Структурная схема контроллера

В настоящее время контроллеры широко используются в промышленных системах управления и выполняются в виде больших интегральных микросхем (БИС или микроЭВМ на одном кристалле). Используются они в системах сбора информации и как управляющая ЭВМ (УВМ).

УВМ, или контроллер, содержит следующие основные элементы: МП – микропроцессор, осуществляет управление всеми устройствами, проводит простые вычисления и распределение данных в оперативной памяти (ОЗУ); ЗУ (ОП) – оперативная память (ОЗУ+ПЗУ); ОЗУ служит для запоминания данных; ПЗУ - постоянная память - хранит программы и константы; ВП – внешняя память (внешнее ОЗУ); УВв – устройство ввода данных в процессор; УВыв - устройство ввода данных; ША – шина адресов; ШД – шина данных; ШУ – шина управляющих команд; ГТС – генератор тактовых сигналов.

УВв – входное устройство, служит для согласования данных при вводе процессор; УВыв - устройство связи с объектом управления. УВв имеет входы от 16 логических датчиков (обычно этоконтактные соединения: 1 - да, есть контакт; 0 -нет, нет контакта) и 8 входов от аналоговых датчиков. В УВв встроен мультиплексор и АЦП - аналогово-цифровой преобразователь. В УВыв встроен ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

Управляющая микроЭВМ или контроллер — это устройства на основе МП, а также запоминающих устройств (ЗУ), устройств управления и средств связи с периферийными устройствами (интерфейс). Управляющая микроЭВМ должна иметь средства сопряжения с объектом управления датчиками, АЦП, ЦАП. Совокупность микроЭВМ и средств сопряжения образует микропроцессорную систему сбора информации или систему управления.

Рассмотрим подробнее структурную схему контроллера на рис. 3.11.

В качестве УВв служат магнитные головки, телетайпы и АЦП. В качестве УВыв — дисплеи, печатающие устройства, ЦАП и т.п. Порты ввода и вывода предназначены для кратковременного хранения информации в процессе ввода, вывода и переключения каналов.

Входная информация делится на данные, над которыми выполняются операции, и программу, т. е. последовательность команд, описывающих выполняемые операции. Данные и программа задаются совокупностью двоичных чисел с числом разрядов, кратным 8 (1 байт).

Данные УВв поступают в порт ввода. Сигналы управления выбирают необходимый порт, обеспечивают запись данных, временное хранение в порте, а затем их передачу в шину данных (ШД), состоящую из совокупности т проводящих линий и обеспечивающую передачу m -разрядного слова. При магистральной организации связей элементы контроллера подключаются к общим магистралям – шине данных, шине команд и шине адресов.

Передача данных из порта ввода идет через буфе­рные усилители, которые могут находиться в одном из трех состояний: 1- передача данных в магистраль; 2 - прием данных из магистрали; 3 - отключение от магистрали.

Сигналы управления от микропроцессора задают режим передачи информации в магистраль, другие — в режим приема информации, остальные — отключают ввод. Для того чтобы работа МП не зависела от быстродействия УВв, данные и программа перед ее выполнением записываются в ОЗУ контроллера. Объем ОЗУ для микроЭВМ составляет единицы и десятки килобайт (1 Кбайт = 2¹⁰ байт, т.е. 1024 восьмиразрядных слова). Кроме того, может подключаться внешняя флэш-память, или внешний жесткий диск.

Микропроцессор (МП) работает в следующей последовательности:

1) считывание команды из памяти; при этом номер ячейки памяти, где хранится первая команда, заносится в счетчик команд, а после выполнения команды число в счетчике автоматически увеличивается на 1, что обеспечивает последовательность выполнения следующей команды программы;

2) при каждом положении счетчика команд происходит считывание из памяти следующей информации: кода операции, которая выполняется по данной команде, и числа, над которым команда выполняется или его адреса;

3) проводится выполнение команды.

После выполнения команды выполняется команда «считывание» из следующей ячейки памяти, и цикл повторяется. Устройство управления с помощью генератора тактовых сигналов (ГТС) обеспечивает требуемую последовательность работы и выполнение этапов команды. Выполнение одной команды происходит за несколько машинных циклов, каждый из которых содержит несколько циклов работы кварцевого ГТС.

Команды в МП представляются в виде двоичных 8-ми разрядных слов. Команда записывается вместе с адресами ячеек памяти, где хранятся числа. Программа может быть записана непосредственно в машинных командах, однако этот процесс очень сложен и утомителен. Кроме того возникают трудности при отладке программы. Для упрощения программирования используют компилирующие языки типа Ассемблер, Фортран, ПЛ. При этом перевод программы в машинные команды существенно увеличивает число выполняемых команд, и время обработки данных увеличивается. Поэтому для контроллеров, обрабатывающих данные от быстропротекающих процессов, необходимо программирование в машинных командах.

Контроллеры постоянно усложняются, и существует много их модификаций. Они имеют устройства для обмена данными с центральным процессором (диспетчерской ЭВМ). Обычно в автоматизированной системе управления (АСУ) содержится много контроллеров (УВМ). Связь с центральным процессором может быть непосредственной и через общую шину данных (магистральный интерфейс).