Файл: Конспек лекций (основной).doc

3.3. Примеры использования микропроцессоров в иит.

Компактность и дешевизна цифровых систем на базе МП обеспечили возможность встраивать такие системы в разнообразные приборы, устройства и механизмы, придавая им тем самым новые полезные качества. Именно эта "нетрадиционная" область, в которой до последнего времени применение цифровых систем не предполагалось по соображениям стоимости, надежности, габаритов и потребляемой энергии обеспечивает наибольший сбыт МП.

Одним из основных потребителей МП на мировом рынке становится, в частности, информационно-измерительная техника. Применение МП открыло широкие возможности усовершенствования измерительной аппаратуры, повышения ее производительности, расширения функциональных возможностей, позволило увеличить сложность информационно-измерительных систем без существенного увеличения стоимости, существенно улучшить их метрологические характеристики. Так, например, точность может быть увеличена за счет использования цифровых методов коррекции систематических и случайных погрешностей. Надежность может быть повышена применением цифровой фильтрации, статистических методов обработки результатов, путем применения более надежных, но менее прецизионных элементов в аналоговых трактах, широкого использования высоконадежных цифровых элементов. Применение МП позволяет также улучшить эксплуатационные удобства измерительной аппаратуры за счет расширения ее многофункциональности, автоматизации измерительного процесса, получения функций измеряемой величины, использования методов самоконтроля и диагностики. Именно в ИИТ особенно эффективно проявляется такое важное свойство МП, как встраиваемость, возможность приблизить вычислительную технику непосредственно к объекту измерения, а иногда использование МП становится целесообразным в конструктивном объединении с первичными преобразователями информации.

При проектировании измерительной аппаратуры на базе МП разработчик сталкивается с вопросом о том, следует ли ему вообще использовать в приборе МП или прибегнуть к традиционному решению в рамках "жесткой логики". Как показывает накопленный опыт использование МП в средствах измерения оправдано в следующих случаях:

1. требуемое для решения задачи число интегральных схем (корпусов) больше 30-50;

2. прибор должен быть многофункциональным;

3. предвидится дальнейшее развитие измерительной системы, наращивание, расширение ее функций;

4. измерительная система должна взаимодействовать с большим числом входных и выходных устройств;

5. требуется фиксация в памяти большого числа данных;

6. высокие метрологические характеристики трудно достижимы обычным путем;

7. должна производиться статистическая обработка результатов измерения;

8. необходимо выполнение математических функциональных преобразований;

9. требуются самокалибровка и самодиагностика;

10. быстродействие МП достаточно высоко для проектируемого средства измерения.

Короче говоря, применение МП оправдано при построении устройств достаточно большой сложности в случае, если быстродействие МП оказывается приемлемым.

Выбор типа МП определяется требуемым быстродействием, допустимым объемом оборудования, личным опытом разработчика и т.д. При этом следует иметь ввиду, что процесс проектирования систем на базе МП, как правило, является итеративным. Это означает, что при выполнении каждого шага проектирования возможен возврат назад для корректировки принятых решений, причем может оказаться целесообразным смена типа МП.

Наилучшие показатели по объему оборудования и другим параметрам, а также наименьшая трудоемкость проектирования достигаются при использовании однокристальных МП. Если для решаемых задач однокристальные МП не подходят по разрядности, списку команд или быстродействию, переходят к рассмотрению секционированных МП среднего или высокого быстродействия.

Особенный интерес при проектировании измерительных приборов на базе МП представляет использование специализированных сигнальных процессоров. Такие процессоры позволяют осуществлять в реальном масштабе времени обработку сигналов, характеризующих быстропротекающие процессы. Сигнальные процессоры отличаются от универсальных МП своеобразной структурой и системой команд, позволяющей наряду со стандартными операциями по обработке данных реализовывать сложные специфические алгоритмы по обработке сигналов. Среди них алгоритм быстрого преобразования Фурье, благодаря которому осуществляется решение задач спектрального анализа сигналов, цифровой фильтрации и прочих, решение которых с помощью обычных универсальных МП требовало бы значительных затрат времени.

МП уже нашли применение в цифровых вольтметрах, частотомерах, осциллографах, генераторах сигналов, спектральных анализаторах и других приборах в самых различных областях народного хозяйства. В настоящее время наблюдается тенденция интегрирования сигнальных процессоров в персональные ЭВМ. Такое внедрение позволяет строить новые типы приборов, называемые виртуальными. Термин "виртуальные приборы" принадлежит американской фирме National Instruments. Виртуальные приборы - это реализация функций измерительных приборов и средств контроля программными средствами. Данный подход позволяет заменить дорогостоящее оборудование традиционных реальных приборов более дешевым, компактным и гибким, позволяющим "сконструировать" программный аналог измерительного прибора на базе персонального компьютера, оснащенного сигнальным процессором, платами АЦП и другим необходимым оборудованием и используя удобный графический интерфейс программного обеспечения.

4. Принципы организации и применения эвм и микропроцессорных систем.

4.1. Особенности организации структуры эвм.

Часто термины «микропроцессор» и «микроЭВМ» применяют к одному и тому же объекту, однако это неверно. В общем случае в состав МП входят арифметико-логическое устройство, устройство управления, а также связанные с ними вспомогательные регистры. Арифметико-логическое устройство микропроцессора служит для выполнения арифметических и логических операций над данными, поступающими из памяти или из устройств ввода. Устройство управления управляет потоком данных и команд. Это устройство выбирает из памяти команды, дешифрирует и выполняет их, посылает результаты на устройства вывода.

Таким образом МП, взятый отдельно, не может выполнять каких-либо полезных функций. Для реальной пользы от функционирования МП он должен использоваться совместно с памятью и устройствами ввода-вывода. Объединение МП с памятью и средствами связи с внешними устройствами ввода-вывода (такие средства называются интерфейсами) позволяет получить ЭВМ.

Знакомство с принципами работы ЭВМ начнем с рассмотрения ее структурной схемы, представленной на рис. 4.1 и содержащей минимальный набор элементов, которым должна обладать любая ЭВМ.

Рис.4.1. Общая структурная схема ЭВМ.

Элементом, производящим обработку данных, здесь является МП. МП и ряд вспомогательных схем, обеспечивающих его работу и работу всей ЭВМ, образуют так называемый процессорный модуль, к которому с помощью системных шин подключают периферийные модули ЭВМ. Данное разделение ЭВМ на указанные модули носит функциональный характер. Конструктивно все модули могут быть выполнены, например, на одной плате (одноплатные ЭВМ) или даже в одной БИС (однокристальные микроЭВМ).

Системные шины представляют собой набор соединительных проводников-линий, объединяющих одноименные выводы всех периферийных модулей. По каждой линии может быть передано значение одного разряда двоичного кода в виде уровней напряжения, соответствующих логическому нулю или логической единицы.

Периферийными модулями в рассматриваемой ЭВМ являются запоминающие устройства, в состав которых входят постоянное запоминающее устройство ПЗУ и оперативное запоминающее устройство ОЗУ, и регистры для подключения внешних устройств (например, клавиатуры, устройства визуального отображения информации, различных датчиков и исполнительных механизмов), называемые портами ввода или вывода.

В представленной на рис. 4.1 структуре ЭВМ используются раздельные группы шин для связи портов ввода-вывода и запоминающих устройств с процессорным модулем. Такая организация удобна, когда необходимо реализовать параллельный режим обмена данными как с внешними устройствами ввода-вывода, так и с памятью. Каждая группа шин в этом случае отвечает за связь своего типа периферийного модуля с процессорным и позволяет осуществить независимый во времени обмен информацией. Однако это достигается за счет значительного увеличения аппаратных средств, участвующих в построении ЭВМ.

Программа работы встроенной в какое-либо устройство ЭВМ хранится в ПЗУ. ПЗУ - это БИС памяти, в которую необходимая информация (программа, константы) заносится в процессе ее изготовления или непосредственно перед установкой в ЭВМ. Информация в ПЗУ сохраняется независимо от того, включен ли источник питания или выключен. Промежуточные данные в ЭВМ хранятся во внутренних регистрах МП, а также в ОЗУ. Данные могут как записываться в ОЗУ, так и считываться из него. При снятии питающего напряжения данные в ОЗУ теряются. При отладке программ, а также в случае использования ЭВМ в качестве универсальной, то есть выполняющей в разное время различные программы, ОЗУ используется и для хранения программ. В этом случае ЭВМ обычно имеет ПЗУ с малым количеством ячеек (с малым объемом) памяти, куда записывается небольшая программа-загрузчик, под управлением которой в начале работы в ОЗУ с какого-либо внешнего устройства загружается рабочая программа.