Тема 3.3 Микропроцессорные устройства программного управления

1. Структурная схема микропроцессорных устройств

2. Программируемые микроконтроллеры

3. Современные тенденции в разработке МикроЭВМ

 

1. МикроЭВМ оперируют значительно меньшим числом команд, чем большие ЭВМ, но все равно оно достигает нескольких десятков и для их записи в двоичном коде требуется не менее шести разрядов. Так как адресуемый объем ПЗУ обычно составляет несколько десятков тысяч, чаще всего слов, адресная часть команды должна содержать разрядов, т. е. полная «длина» команды должна быть порядка разрядов, что при обычной «длине» ячеек памяти микроЭВМ, составляющей разрядов, требует трех ячеек памяти ПЗУ. Это одна из особенностей мини-ЭВМ и микроЭВМ, усложняющая программирование и снижающая результирующее быстродействие их, которое обычно не превышает 150—200 тыс. операций типа сложения в 1 с.

МикроЭВМ обычно оперирует одноадресной системой команд, при которой адресная часть команды имеет только один адрес — адрес операнда, который необходимо передать в АЛУ. Другой операнд всегда находится в аккумуляторе; результат действия АЛУ над двумя операндами всегда остается в аккумуляторе. Команды бывают нескольких типов: команды пересылок, например, «передать данные из ОЗУ в ЦП»; команды арифметических операций, например, «сложить» или «вычесть»; команды логических операций, например, «сравнить два числа»; команды, перехода «перейти», «вызвать», «возвратить»; специальные команды, например, «останов». Полный список команд, которыми оперирует микроЭВМ, дается в сопроводительной документации на ЭВМ.

В общей сложности в программе может быть много тысяч команд, которые необходимо составить и отработать, а затем записать в ПЗУ.

Структурная схема типового секционного МП показана на рисунке 39, МП состоит из двух функциональных модулей: микропрограммного устройства управления (МПУУ)и операционного устройства (ОУ), построенного из отдельных секций. МПУУвключает в себя: память микрокоманд (ПМК), которая предназначена для хранения принимаемых команд; контрол­лер последовательности микрокоманд (КПМК), основным назначением которого является реализация управляющих структур (фрагментов), встречающихся в микрокомандах. Таким образом, контроллер обеспечивает дешифрацию кода операции команды для обращения к первой микрокоманде микропрограммы, фор­мирует адреса следующих микрокоманд, как линейной последовательности, так и условных или безусловных переходов к микропрограмме. Кроме того, некоторые контроллеры могут хранить признак переходов, уп­равлять прерываниями на микропрограммном уровне. Как правило, в комплект микропроцессора входят мо­дули контроллеров последовательности микрокоманд для организации управления в различных режимах.

 

Рисунок 39 - Структурная схема типового секционного микропроцессора

МПУУработает следующим образом. Код операции (КОП) с регистра команд поступает на вход контроллера последовательности микрокоманд (КПМК), и на выходе регистра адреса микрокоманды (РАМК)контроллера формируется адрес первой микрокоманды (АМК)выполняемой микропрограммы. Микрокоманда, подлежащая реализации в текущем микрокомандном цикле, считывается из памяти в регистры микрокоманд (РМК).

Микрокоманда содержит три основных поля, содержание которых хранится в соответствующих узлах:

1) поле кода микрооперации (КМО), определяющее вид операции, выполняемой одним из устройств микро-ЭВМ;

2) поле, в котором закодированы признаки результата (КПР), поступающие из ОУв контроллер и анализируемые контроллером при выполнении команд условного перехода по данным признакам условия;

3) поле, в котором содержится код адреса для формирования адреса следующей команды (АСМК). После выполнения считанной микрокоманды цикл повторяется. Управляющие сигналы микрокоманд подаются в соответствующие устройства микроэвм.

ОУпредназначено для выполнения всех арифметических и логических операций. ОУсобирают из секций процессорных элементов, каждый из которых содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры общего назначения (РОН), аккумулятор (А) — накапливающий регистр, дешифратор микрооперации (ДШМО), буфер данных (БД)и буфер адреса (БА), позволяющие временно хранить адрес (Л) и данные (Д).

Одной из особенностей ОУявляется вертикальное разбиение, что требует меньшего числа передач кодов между отдельными БИС. Шины данных, шины адреса и кода микроопераций объединяются в общую маги­страль. Основными достоинствами секционных МП являются возможность разработки микроЭВМ с макси­мальным соответствием структуре характеризуемых задач, исключение избыточности структуры и разрядов, выбор произвольной нестандартной разрядности. Наличие независимых адресных шин и шин входных и выходных данных (шины адресов и данных могут быть различных форматов) позволяет организовать сопряжение с памятью и периферийными устройствами без использования мультиплексирования.

2. Программируемые логические микроконтроллеры (ПЛМК) в основном ориентированы на реализацию логических функций и используются вместо релейных схем управления, т.е. для управления полупроводниковыми схемами электроавтоматических устройств технологических объектов.

ПЛМК реализуют функции командоаппаратов и микроконтроллеров и создаются на базе микроЭВМ. Данные микроЭВМ можно рассматривать как универсальную программно-настраиваемую модель цифрового управляющего автомата. Возможность применения ПЛМК в качестве универсального локального устройства управления разными технологическими процессами достигается путем внесения в ПЛМК программы, определяющей алгоритм работы конкретного объекта управления без изменения его электрической структуры.

В состав ПЛМК, как минимум, входят логический микропроцессор с блоком управления, оперативная память, пульт настройки и загрузки управляющей программы и устройство связи с объектом управления (Рисунок 40).

Рисунок 40 - Программируемый логический микроконтроллер

 

На рисунке 40 представлена обобщенная структурная схема ПЛМК, в который входят различные устройства. Центральный логический процессор (ЦЛП) обеспечивает логическую обработку поступающей информации в соответствии с записанной программой в памяти программы и моделирует конкретную релейную схему. Устройство управления логического процессора опрашивает все входы и выходы блока регистров, производит логическое сравнение состояния входов и выходов и по результатам сравнения включает или выключает те или иные исполнительные органы через схему устройства связи с объектом управления. Микроконтроллер с помощью программного таймера и счетчика последовательно, строка за строкой, опрашивает (сканирует) память программ и с помощью ЦЛП производит вычисления логических функций согласно уравнениям, поступающим из памяти программ, и заносит вычисленные значения в память данных. После того, как опрос памяти окончился, устройство управления микроконтроллера выполняет обмен данными между входными и выходными регистрами блока регистров и памятью данных. Затем опрос памяти программ повторяется от начала до конца.

Таким образом, опрос памяти программ и обмен данными периодически повторяется в процессе управления. Однократный проход логического процессора по всей программе называют циклом полного опроса (сканирование) памяти, а время, в течение которого этот цикл исполняется, временем цикла. Оно характеризует быстродействие микроконтроллера.

Программируемые логические микроконтроллеры реализуют относительно простые функции управления и обладают рядом важных особенностей. Первая из них заключается в том, что циклы непрерывно повторяются в режиме управления объектом. Циклы состоят из отдельных фраз следующего содержания: «фотографирования» состояния узлов объекта (опрос выходов), переработки данных совместно с данными новой фразы и выдачи управляющих сигналов на исполнительные органы. «Фотографирование» состояния объекта управления в данный момент времени реализуется вводом в соответствующие ячейки памяти сигналов опроса состояния объекта (получение ответов от соответствующих аппаратов).

Вторая особенность ПЛМК заключается в том, что для программирования используют простейшие специализированные, но эффективные языки программирования или языки символического задания алгоритмов управления: простые, описывающие релейно-контактные схемы; логических функций; описывающие УП с помощью операторов управления; символического кодирования и т. д.

Третьей особенностью ПЛМК является то, что они могут функционировать без постоянного обслуживающего персонала в процессе эксплуатации.

 

3. Широкие возможности для построения устройств ЧПУ открывает применение микропроцессоров и мини-ЭВМ.

Алгоритм функционирования станка или группы станков зависит от сложности конфигурации обрабатываемой детали, получения требуемых точности обработки и шероховатости поверхности.

Для решения задач обработки деталей простой конфигурации при невысоких требованиях к точности и качеству обработки алгоритм функционирования должен быть достаточно простым.

Процессор ЭВМ в этом случае может быть выполнен на базе стандартных блоков, из которых создается управляющее устройство. Оно воспроизводит модель управления станком, допускает параллельное выполнение операций, реализующих несложные функции. Такие управляющие устройства получили название цифровых моделей. Промышленность выпускает такие системы ЧПУ типа Н22, НЗЗ, построенные на микроэлектронных элементах. Они предназначены для управления станками и осуществляют позиционирование, прямоугольное и контурное (в плоскости) управление. Перестройка алгоритмов управления в таких системах невозможна.

Микро ЭВМ отличаются от мини-ЭВМ меньшими разрядностью слова и объемом памяти, реализованы на минимальном числе интегральных схем с большой степенью интеграции и служат для создания автоматических систем управления несложными объектами; устройств связи с мини-ЭВМ, персональными компьютерами (ПК) и др.

Переход от многокристалльного микропроцессора к одно-кристалльному и, наконец, к микроЭВМ, размещенной на одном кристалле, создает наибольший экономический эффект при реализации упрощенных ЭВМ. Многокристальные микропроцессоры обладают большей функциональной полнотой, вычислительной мощностью и производительностью и наиболее эффективны при построении микро- и мини-ЭВМ для управления более сложными установками и технологическими процессами.