Курсовая работа: Организация и применение микропроцессорных систем обработки данных и управления

Работу подготовил Сергей

Магнитогорский Государственный Профессионально-педагогический колледж

Магнитогорск, 2005 г.

1. Логическая структура микропроцессорной системы

При проектировании систем контроля, управления или вычислений на основе микропроцессора необходимо выяснить и описать функции, подлежащие выполнению в системе, а затем согласовать их с возможностями тех микропроцессоров, которые могут быть использованы в проектируемой системе.

Реальная электронная система на основе микропроцессора содержит значительное число функциональных устройств, одним из которых является микропроцессор. Все устройства системы имеют стандартный интерфейс и подключаются к единой информационной магистрали, как это показано на рис.1.

Микропроцессор в зависимости от требований, предъявляемых к системе, может быть устройством однокристальным или одноплатным, созданным на основе многокристального комплекта микропроцессорных БИС. В высокопроизводительных системах микропроцессор строится на основе биполярных микропроцессорных секций БИС.

Микропроцессор выполняет в системе функции центрального устройства управления и устройства арифметическо-логического преобразования данных. В качестве устройства управления он генерирует последовательности синхронизирующих и логических сигналов, которые определяют последовательности срабатывания всех логических устройств системы. Микропроцессор задает и последовательно осуществляет микрооперации извлечения команд программы из памяти системы, их расшифровку и исполнение. Тип операций микропроцессора определяется кодом операции в команде. В соответствии с этими кодами микропроцессор выполняет арифметические, логические или иные операции над числами, представленными в двоичном или кодированном двоично-десятичном коде.

Числа, подвергающиеся операционным преобразованиям в арифметическо-логическом блоке микропроцессора, называют операндами. Операнд может быть одним из исходных чисел, результатом, константой или некоторым параметром. Операция в микропроцессоре производится над одним или двумя операндами.

Память микропроцессорной системы физически реализуется на основе различных ЗУ. Технико-экономическая целесообразность ведет к построению иерархической памяти на основе полупроводниковых постоянных и оперативных запоминающих устройств и магнитных внешних запоминающих устройств.

Рис.1 Логическая структура микропроцессорной системы

Полупроводниковые постоянные запоминающие устройства ПЗУ позволяют в процессе работы системы осуществлять только чтение заранее записанных данных. Имеют высокую скорость работы и энергонезависимы, т.е. сохраняют информацию при выключении питания.

Полупроводниковые оперативные запоминающие устройства ОЗУ работают в режимах оперативной (совпадающей с темпом работы микропроцессора) записи и чтения данных. Недостаток ОЗУ – их энергозависимость, т.е. потеря записанной информации при выключении питания.

Память системы адресуема, т.е. каждое слово записывается в ячейке памяти со своим уникальным адресом. Слово – совокупность двоичных единиц (бит) – двоичных разрядов, интерпретируемых как отдельное число или несколько смысловых групп двоичных разрядов. Для получения числа из памяти или записи числа в память необходимо точно задать его адрес в памяти и осуществить операцию считывания данных из памяти.

Устройства ввода данных (УВв) – любые средства, предназначенные для передачи данных извне в регистры микропроцессора или в память (клавиатура пульта управления, ввод с перфолент и перфокарт, внешние запоминающие устройства на магнитных лентах, кассетах, дисках, дисплеи и т.д.).

Устройства вывода данных (УВвыв) – любые средства, способные воспринимать данные, передаваемые из регистров микропроцессора или ячеек памяти (дисплеи, печатающие устройства, внешние запоминающие устройства, пульт управления и т.д.).

Для подключения разнообразных устройств ввода или вывода данных (а также комбинированных устройств ввода-вывода) необходимо привести их все связи и сигналы к стандартному виду, т.е. провести согласование интерфейсов. Для этого используется специальный аппаратурный блок – информационный контроллер ИК, имеющий стандартный интерфейс со стороны подключения к информационной магистрали и нестандартный интерфейс со стороны устройств ввода-вывода, т.е. являющийся преобразователем интерфейсных сопряжений.

Микропроцессор МП, ОЗУ и ПЗУ вместе с УВвыв, предназначенными для операций с человеком или другой электронной системой, называется микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ – это ЭВМ, центральная часть которой в составе процессора, ОЗУ, ПЗУ, информационного контроллера построена на основе БИС. Применение БИС в качестве основных элементных компонентов обеспечивают микро-ЭВМ такие преимущества перед другими типами ЭВМ, как компактность, надежность, малая материалоемкость, низкие мощность потребления и стоимость. Но магистральная структура микро-ЭВМ и скоростные ограничения микропроцессора определяют умеренные характеристики производительности микро-ЭВМ. Это относится к микро-ЭВМ на основе микропроцессоров на одном или нескольких кристаллах. В микро-ЭВМ на основе биполярных микропроцессорных секций можно получить высокое быстродействие за счет реализации конвейерной обработки данных и скоростного высокоэффективного управления вычислительным процессом даже при магистральной структуре.

Микро-ЭВМ становится центральной частью электронной системы контроля, управления и вычислений, когда она вводится в контур управления некоторого объекта (процесса). Для сопряжения с микро-ЭВМ объект (процесс) должен быть оснащен датчиками состояния и исполнительными механизмами. Датчики выступают как источники вводимой для микро-ЭВМ информации, а исполнительные механизмы – как приемники выводимой информации. Для согласования интерфейсов подключение датчиков и исполнительных механизмов в системе осуществляется через блоки сопряжения датчиков и исполнительных механизмов.

В зависимости от особенностей объекта (процесса) и возможностей микропроцессора сложность каждого устройства или блока устанавливается на этапе проектирования. Части системы могут развиваться или вырождаться, но должен быть обеспечен общий принцип построения и работы всех электронных систем управления. Вследствие прямой зависимости между функциями программных и аппаратурных средств можно при построении электронной системы развивать либо аппаратуру, либо усложнять программное обеспечение. Именно эти обстоятельства и определяют массовые возможности применения микропроцессорных систем управления практически во всех сферах.

Логическая структура универсального программируемого контроллера.

Контроллер (блок местного управления) необходим для управления аппаратами ввода-вывода информации (АВВ). Он обеспечивает электромеханическое и логическое сопряжения информационного канала ЭВМ и частей АВВ, являющихся источниками или приемниками управляющей информации и данных, задает порядок следования, количество, электрические параметры, положение во времени и направление прохождения информации между информационными каналами и АВВ. Основная задача контроллера заключается в обеспечении условий отпирания и запирания одиночных вентилей или их групп, а также в запуске различного рода электрических двигателей, электромеханических переключателей, возбуждении соленоидов, приеме усиленных и сформированных разнообразных сигналов датчиков информации АВВ.

При любых вариантах функционального разбиения системы на части аппаратурные средства блока сопряжения с АВВ либо интегрируется со средствами БИС микропроцессора, либо выполняются отдельно в виде интерфейсной (интерфейсных) БИС.

Контроллер можно выполнить жестким соединением между группами вентилей, триггеров и т.д. как цифровой автомат на основе аппаратурной логики. Минимизация количества электронных элементов для корпусов интегральных схем, как правило, приводит к неупорядоченной электронной структуре, специализированной на конкретное использование только в данном устройстве. Изменение во временной диаграмме или введение новых сигналов в аппаратурном контроллере влекут за собой необходимость перепроектирования и переконструирования всего контроллера или его части.

Универсальные программируемые контроллеры реализуются в виде однокристальных БИС или на основе секций микропроцессорных комплектов БИС. В таких контроллерах разнообразные временные диаграммы сигналов и их последовательности порождаются не распределением регулярных сигналов тактовых генераторов путем проводных соединений, а преобразованием последовательностей команд (микрокоманд). Из-за гибкости программных и микропрограммных средств адаптации программируемого контроллера к конкретной области применения осуществляется за счет перепрограммирования, не затрагивающего аппаратурную реализацию контроллера или вызывающего только перезапись содержимого управляющих запоминающих устройств.

Технико-экономические параметры интегральных схем с высокой степенью интеграции элементов позволяют осуществлять управление АВВ информации ЭВМ посредством электронных структур, подобных структурам управляющих ЭВМ. При этом обеспечиваются: 1) функциональная гибкость за счет использования развитых систем команд и построения разнообразных сложных последовательностей сигналов на их основе с возможностью учета реакции системы на выдаваемые сигналы; 2) использование распределенных методов управления в иерархических управляющих системах, когда оптимизация процесса преобразования информации ведется на верхнем уровне управления, а непосредственное локальное управление осуществляется встроенным контроллером, воспринимающим и интерпретирующим как состояние АВВ, так и управляющие сигналы средств более высокого уровня управления; 3) простота специализации и модификации устройства управления АВВ.

Алгоритм управления определенным типом АВВ задается однозначно и в виде программы может быть записан в ПЗУ. Таким образом, программируемый контроллер в процессе работы многократно может выполнять одну и ту же программу, получая с более высокого уровня управления исходные данные и задания и функционируя автономно, независимо и параллельно с работой средств более высокого уровня.

Рис.2 Логическая структура универсального программного контроллера

Логическая структура универсального программируемого контроллера приведена на рис.2. Контроллер имеет магистральную структуру. Управление АВВ обеспечивают микропроцессор МП, микроконтроллер и микро-ЭВМ, выполненная на одном кристалле. Если аппаратурных возможностей микропроцессора МП недостаточно, то к магистралям подключаются расширяющие ОЗУ и ПЗУ; поле памяти этих устройств может управлять дополнительным контроллером. Однако в отличие от микро-ЭВМ в контроллере системные функции расширяющих ОЗУ и ПЗУ развиты очень слабо и поэтому для управления ими достаточно простейших аппаратурных средств, обычно закладываемых в кристаллы БИС ОЗУ и ПЗУ. Узлы программируемого интерфейса УПИ и узлы сопряжения УС с пультом управления ПУ и АВВ имеют модульную структуру, что позволяет наращивать их при усложнении АВВ и увеличении их числа. Контроллер работает по жестко заданной, заранее отработанной и введенной в него программе. Во время работы контроллера нет необходимости в его взаимодействии с человеком.

Узлы программируемого интерфейса УПИ дают возможность учесть специфику АВВ и осуществить переход от внутрисистемного интерфейса информационной магистрали к интерфейсу разнообразных АВВ. Специализация шин управления АВВ обеспечивается подачей сигналов при выполнении определенной последовательности команд МП; их число зависит от числа узлов программируемого интерфейса УПИ.

Рис.3 Обобщенная логическая структура микро-ЭВМ с микропроцессорными контроллерами

Логическая структура развитой микропроцессорной системы

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--