Файл: Микропроцессорные устройства систем управления (Ю.И. Иванов, 2005).pdf

троллеры - наиболее известные результаты таких компромиссов. И те, и другие средства реализации являются продуктом достижений микроэлек­ тронных технологий и представляют большие интегральные схемы со зна­ чительными функциональными возможностями, необходимой универсаль­ ностью и гибкостью. В определенном смысле в них используются противо­ положные подходы, поэтому они обладают разными свойствами и разными основными областями применений.

В основе ПЛИС лежит аппаратная реализация. ПЛИС определенного ти­ па содержит ограниченный набор типовых элементов (комбинационные логические схемы, триггеры, счетчики, регистры и т.п.). Для достижения необходимой гибкости функциональные связи между элементами не зада­ ются жестко, а могут изменяться в довольно широких пределах с помощью процедур, аналогичных записи данных в программируемые постоянные за­ поминающие устройства (PROM).

Процедуры создания функциональных связей принято называть про­ граммированием. Для реализации заданного алгоритма работы необходимо выбрать тип ПЛИС с необходимым набором элементов и реализуемых функций, разработать требуемую структуру функциональных связей и да­ лее произвести программирование этих связей. Как правило, ПЛИС допус­ кает многократное программирование, т.е. при неудовлетворительных по­ лученных результатах устройство можно перепрограммировать, выполнив требуемую корректировку. Естественно, что все эти операции выполняют­ ся с помощью специальных средств. Эти средства обычно включают инст­ рументальные пакеты прикладных программ для персональных компьюте­ ров, в которых реализуемые функции описываются с помощью формализо­ ванных процедур. Подготовленные файлы для реализации требуемых функций ПЛИС записываются через стандартные программаторы непо­ средственно из персонального компьютера. Таким образом, возможность программирования функций приближает ПЛИС по функциональной гибко­ сти к программной реализации, а сама реализация функций близка к аппа­ ратной. Обычные области применения ПЛИС - задачи, требующие высоко­ го быстродействия, но реализующие один и тот же повторяющийся алго­ ритм преобразования, который не может существенно изменяться в про­ цессе работы.

Микроконтроллеры в силу программной реализации основных функций обладают более высокой гибкостью и универсальностью, чем ПЛИС. Для повышения быстродействия и эффективности работы в микроконтроллеры дополнительно вводят средства аппаратной реализации типовых функций, что позволяет, наряду с последовательной программной реализацией необ­ ходимых алгоритмов, использовать и параллельную аппаратную реализа­ цию. Как правило, аппаратные средства выполняют стандартные интер­ фейсные функции. Тогда алгоритмы преобразования, выполняемые микро-

7

контроллерами, можно представить в виде двух параллельно реализуемых составляющих

где 4*sw - профаммная (последовательная) реализация, обеспечивающая универсальность и гибкость;

4*HW - аппаратная (параллельная) реализация типовых функций стан­ дартных периферийных устройств.

Такое сочетание позволяет сохранить универсальность профаммной реализации, повысить быстродействие, реализуя большинство интерфейс­ ных функций аппаратно (УРнн)- Профамма обработки данных (4*Sw) упро­ щается, она не содержит функций, реализуемых аппаратно, но должна обеспечивать корректное взаимодействие с аппаратно реализуемыми ин­ терфейсами. Микроконтроллеры применяют для решения самых разнооб­ разных задач, набор средств аппаратной реализации может быть различ­ ным, поэтому существует несколько классов микроконтроллеров с разными возможностями. Микроконтроллеры выпускаются многими фирмамипроизводителями интефальных схем и являются массовыми, относительно недорогими и доступными изделиями.

Интегрируя на одном кристалле высокопроизводительный процессор, память и стандартные периферийные устройства, микроконтроллеры по­ зволяют с минимальными затратами создавать системы управления раз­ личными объектами и процессами. В настоящее время микроконтроллеры являются наиболее универсальными и распространенными компонентами технических средств автоматизации.

Особенности применения микроконтроллеров в системах автоматиче­ ского управления в первую очередь определяются средствами профамм­ ной реализации. Основой практически любой профаммной реализации яв­ ляется стандартная структура микропроцессорной системы. Рассмотрим свойства такой системы на примере классического микропроцессора Intel 8080. Несмотря на значительные изменения в микропроцессорной технике, произошедшие в течение 30 лет после его появления, свойства Intel 8080 отражают основные особенности средств профаммной реализации алго­ ритмов преобразования данных.

8

1.0РГАНИЗАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

Появление микропроцессорных устройств в начале 70-х годов XX века было результатом работы по созданию универсальных средств для реали­ зации цифровых алгоритмов преобразования данных. Как известно, в осно­ ву микропроцессорной системы была положена классическая архитектура электронно-вычислительной машины - компьютера. Принципы программ­ ной реализации цифровых алгоритмов и организация работы компьютера позволяют использовать одни и те же аппаратные средства дня решения весьма разнообразных задач, обеспечивая необходимую универсальность и многофункциональность. Многие архитектурные решения, отработанные в компьютерах, были использованы при создании интегральных схем - мик­ ропроцессоров, они содержат все основные компоненты универсального компьютера и используют аналогичные принципы организации работы.

1.1.Структура микропроцессорной системы

Вмикропроцессорной системе, как уже указывалось, используются принципы организации работы и особенности архитектуры классических компьютерных средств. Любой алгоритм преобразования данных должен быть описан в форме программы ~ конечной последовательности элемен­ тарных операций. Центральный элемент такой системы - микропроцессор, который выполняет операции преобразования данных, производит ввод и вывод всех необходимых данных, в том числе и кодов самой программы, и управляет взаимодействием всех элементов системы.

Набор операций (выполняемых команд) микропроцессора должен обла­ дать функциональной полнотой, т.е. обеспечивать выполнение необходи­ мого множества операций преобразования данных, управления, обмена данных. Так как преобразуемые данные и коды программы могут быть представлены в достаточно близких форматах, как правило, строгого раз­ граничения между ними не делают. Такой подход расширяет возможности программной обработки: данные могут использоваться как элементы кодов программы, а элементы кодов программы можно преобразовывать в про­ цессе работы.

Для хранения данных и кодов программы микропроцессорная система содержит запоминающее устройство. Стандартная организация микропро­ цессорной системы предполагает доступность для микропроцессора всех данных в запоминающем устройстве. Так как объем запоминающего уст­ ройства достаточно большой, доступ к выбранным данным обычно произ­ водится через средства адресации. Каждому элементу сохраняемых данных (например, каждому байту) соответствует определенный код хранения, на­ зываемый адресом в запоминающем устройстве. Как правило, в микропро­ цессорной системе предполагается постоянная готовность запоминающего устройства к обмену данными, для обмена данными микропроцессор дол-

9

жен передать определенный код адреса данных и соответствующие сигна­ лы управления.

Процедуры ввода-вывода данных также должны выполняться стандарт­ ными для микропроцессора алгоритмами. Эти алгоритмы, эффективные для управления микропроцессорной системы, могут не соответствовать особенностям работы различных периферийных устройств. Поэтому мик­ ропроцессорная система обычно содержит устройства ввода-вывода, обес­ печивающие согласование алгоритмов управления обменом данными.

Еще один важный компонент микропроцессорной системы - топология линий связи для передачи сигналов между микропроцессором и другими устройствами. Топология должна быть такой, чтобы изменение структуры микропроцессорной системы не требовало изменения структуры исполь­ зуемых линий связи и формируемых сигналов. Этому требованию удовле­ творяет магистрально-модульный (шинный) принцип организации взаимо­ действия. При шинной организации все устройства подключаются парал­ лельно к используемым линиям связи. Линии связи можно условно объе­ динить в три группы - шины. По шине данных (ШД) передаются требуе­ мые данные, шина адреса (ША) служит для выбора устройств, участвую­ щих в обмене данными, а шина управления (ШУ) необходима для передачи управляющих сигналов.

Шинная организация максимально универсальна: подключение допол­ нительных устройств абсолютно не затрагивает уже действующую струк­ туру микропроцессорной системы. Конечно, такая организация накладыва­ ет и ограничения на обмен данными. Во-первых, управление обменом дан­ ными должно производиться только одним устройством, иначе могут воз­ никнуть конфликты между управляющими устройствами, приводящие к некорректной работе шины. Во-вторых, обязательно требуется адресация устройств, параллельное подключение к шине требует выполнения проце­ дур выбора только одного из нескольких устройств для обмена данными. В-третьих, одновременный обмен данными с несколькими устройствами невозможен, если шины в текущий интервал времени уже заняты, передача каких-либо других данных невозможна. В микропроцессорной системе эти ограничения не создают особых проблем. Управляющим устройством сис­ темы, в том числе и для шины, обычно является микропроцессор, при нор­ мальной работе он обменивается данными с другими устройствами систе­ мы поочередно, адресация используется не только для устройств, но и для данных.

Типичная структура микропроцессорной системы, построенной в соот­ ветствии с указанными принципами, приведена на рис. 2. В этой структуре, отражающей особенности построения типовой микропроцессорной систе-

10

Программный счетчик

Указательстека

Рис. 2. Структурная схема микропроцессорной системы

мы, рассматривается работа микропроцессора Intel 8080 (отечественный аналог - К580ВМ80). Так как детальное описание этого микропроцессора можно найти в многочисленной литературе, изданной ранее (например, [1]), будем рассматривать только наиболее общие вопросы организации работы микропроцессорной системы (логическое взаимодействие), но с учетом особенностей реализации Intel 8080.

В микропроцессорной системе (рис. 2) запоминающие устройства (па­ мять) и устройства ввода-вывода (периферийные устройства) представлены в обобщенном виде, хотя в действительности они могут состоять из разно­ родных устройств с различными свойствами и реализуемыми функциями. Данные в параллельном формате в виде отдельных байт (8 бит) могут пере­ даваться из микропроцессора или в микропроцессор по ШД. Сигналы ША практически всегда формируются микропроцессором и являются адресом (16 бит) байта данных, который микропроцессором передается или прини­ мается. Сигналы ШУ в основном формируются устройством управления микропроцессора, хотя отдельные сигналы этой шины могут поступать и от других устройств, выполняя, например, функции запросов или подтвер­ ждений.

Структура микропроцессора (рис. 2) представлена в форме, отображаю­ щей только логическую организацию работы, ряд элементов, без которых невозможно корректное физическое взаимодействие, в этой структуре не показан. Микропроцессор содержит элементы, необходимые для выполне­ ния требуемого набора команд (операций), и представляет собой средство выполнения этих команд, без программы - последовательности команд, реализующих заданный алгоритм работы микропроцессорной системы, ни­ какие операции невозможны. Любые действия в микропроцессоре начина­ ются с чтения из запоминающего устройства (памяти) кода очередной ко­ манды и его ввода в регистр команд. Поэтому любую микропроцессорную систему необходимо рассматривать как программно-аппаратный комплекс. Аппаратные (hardware) и программные (software) средства тесно связаны и могут работать только в едином комплексе.

Код команды, поступивший в регистр команд микропроцессора, сигна­ лами устройства управления определяет необходимые функции, как внут­ ренних элементов микропроцессора, так и других устройств микропроцес­ сорной системы через ШУ. Операции преобразования данных выполняют­ ся арифметико-логическим устройством - АЛУ (рис. 2). Набор этих опера­ ций обычно стандартный и включает сложение, вычитание, инкремент (увеличение переменной на единицу), декремент (уменьшение переменной на единицу), логические операции И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, инверсия и т.п. В рассматриваемой системе основной формат данных АЛУ - байт (8 бит), АЛУ предназначено только для преобразования и не содержит эле­ ментов для хранения данных.

12