1.2. Микропроцессорные системы управления
Микропроцессорная система (МПС) – это вычислительная, контрольно-измерительная или управляющая система, построенная на базе микропроцессора (МП).
МПС обычно состоит из двух компонентов:
- аппаратных средств, которые выбираются в результате проектирования и таким образом являются жестко-заданными не меняющимися в процессе эксплуатации;
– программного обеспечения, которое пишется по заданному алгоритму и может сравнительно легко изменяться после проектирования и даже после конструирования схемы.
Рассмотрим МПС для систем автоматического регулирования. Работа любого технического агрегата или ход любого технологического процесса характеризуются различными физическими величинами, например температурой, давлением, скоростью, расходом вещества. Эти величины должны поддерживаться на заданном уровне или изменятся по заданному закону.
Обозначим через y(t) функцию, описывающую изменение во времени регулируемой величины. Величина g(t) является задающим воздействием, но с использованием МПС данное значение можно задать в виде программы и записать в модуль памяти которое будет использоваться как эталонное значение. В процессе регулирования данное значение можно легко изменить под заданный алгоритм управления.
Основная задача автоматического регулирования сводится к обеспечению равенства y(t) = g(t). Большинство САР решают задачу, используя принцип регулирования по отклонению.
На рис. 2 представлена структурная схема САР, которая использует принцип регулирования по отклонению.
Рис. 2. Структурная схема системы автоматического регулирования
Суть принципа регулирования по отклонению заключается в следующем. Регулируемая величина y(t) измеряется с помощью первичного преобразователя (ПП) и поступает на вход МПС. В модуле памяти храниться заданное значение g(t). В МПС величины g(t) и y(t) сравниваются, и в результате процесса обработки информации по заданному алгоритму вырабатывается исполнительный сигнал. Этот сигнал поступает на элемент согласования (ЭС) и исполнительный элемент (ИЭ), который и оказывает регулирующее воздействие на объект регулирования (ОР).
Системы управления могут быть построены с использованием сигналов различной физической природы: электрических, механических, пневматических, гидравлических.
1.3. Архитектурные особенности микропроцессоров
Как было сказано ранее, МП состоит из аппаратного и ПО, которое взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов и системных программ.
1.3.1. Гарвардская и принстонская архитектура
Аппаратное обеспечение имеет принстонскую или гарвардскую архитектуру. Принстонский университет разработал компьютер, который имел общую память для хранения программ и данных. Такая архитектура компьютеров больше известна как архитектура Фон-Неймана (рис. 3).
В этой архитектуре блок интерфейса с памятью выполняет арбитраж запросов к памяти, обеспечивая выборку команд, чтение и запись данных, размещаемых в памяти или внутренних регистрах. Может показаться, что блок интерфейса является наиболее узким местом между процессором и памятью, так как одновременно с данными требуется выбирать из памяти очередную команду. Однако во многих процессорах с принстонской архитектурой эта проблема решается путем выборки следующей команды во время выполнения предыдущей. Такая операция называется предварительной выборкой (предвыборка), и она реализуется в большинстве процессоров с такой архитектурой.
Принстонская архитектура выиграла соревнование, так как она больше соответствовала уровню технологии того времени. Использование общей памяти оказалось более предпочтительным из-за ненадежности ламповой электроники – при этом возникало меньше отказов.
Основным преимуществом архитектуры Фон Неймана является то, что она упрощает устройство МП, так как реализует обращение только к одной общей памяти. Для МП самым важным является то, что содержимое оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) может быть использовано как для хранения данных, так и для хранения программ. В некоторых приложениях программе необходимо иметь доступ к содержимому стека.
Гарвардский университет представил разработку компьютера, в котором для хранения программ, данных и стека использовались отдельные банки памяти (рис. 4).
Гарвардская архитектура почти не использовалась до конца 70-х годов, когда производители МК поняли, что эта архитектура дает преимущества устройствам, которые они разрабатывали.
В гарвардской архитектуре команды выполняются за меньшее количество тактов, чем в архитектуре Фон Неймана. Это обусловлено тем, что в гарвардской архитектуре больше возможностей для реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей команды, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды.
Например, если процессору с принстонской архитектурой необходимо считать байт и поместить его в аккумулятор, то он производит последовательность действий:
– в первом цикле из памяти выбирается команда;
– в следующем цикле данные, которые должны быть помещены в аккумулятор, считываются из памяти.
В Гарвардской архитектуре, обеспечивающей более высокую степень параллелизма операций, выполнение текущей операции может совмещаться с выборкой следующей команды. Команда также выполняется за два цикла, но выборка очередной команды проводится одновременно с выполнением предыдущей. Таким образом, команда выполняется всего за один цикл (во время чтения следующей команды), и производит следующую последовательность действий:
– в первом цикле происходит завершение выполнения предыдущей команды – чтение команды;
– в следующем цикле происходит выполнение команды – чтение следующей команды.
Этот метод реализации операций (параллелизм) позволяет командам выполняться за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критических участков программы.
Например, МК PIC фирмы Microchip выполняет любую команду, кроме тех, которые модифицируют содержимое программного счетчика, за четыре такта (один цикл). Это упрощает реализацию критических ко времени процедур по сравнению с МК Intel 8051, где для выполнения команд может потребоваться от 16 до 64 тактов.