1.1. Принципы построения цифровых систем управления
1.2. Развитие средств микропроцессорной техники
1.1. Принципы построения цифровых систем управления
В современных системах управления широко применяются микропроцессоры, микроконтроллеры и другие средства микропроцессорной техники. Такая элементная база позволяет унифицировать аппаратные средства, а также реализовать сложные алгоритмы управления, обеспечивающие высокие качественные характеристики для широкого круга технических объектов.
Структура аппаратных средств типовой микропроцессорной системы управления приведена на рис. 1.1. Система содержит микроЭВМ, в состав которой входят микропроцессор, память, а также устройства связи с объектом (интерфейсы), которые обеспечивают преобразование цифровых кодов на выходе микроЭВМ в сигналы, воспринимаемые объектом управления, а также преобразование выходных сигналов датчиков в двоичные коды, поступающие в микроЭВМ. Такое управляющее устройство с некоторым тактом(интервалом квантования) на основании информации о текущем состоянии объекта, а также командных сигналов рассчитывает управляющее воздействие.
При построении систем управления на базе микропроцессоров и микроЭВМ следует учитывать следующие особенности программной реализации алгоритмов управления:
• запаздывание, вносимое микроЭВМ;
• временное и амплитудное квантование сигналов;
• возможности реализации сложных логических и вычислительных процедур, обеспечивающих адаптацию к изменениям параметров объектов и возмущающих воздействий.
Рис. 1.1. Система управления на базе микроЭВМ
Следует заметить, что цифровые системы управления на базе микропроцессоров и микроЭВМ иногда называют устройствами на основе «программируемой» (гибкой) логики, что означает возможность их перенастройки для управления различными объектами путем изменения программы. Альтернативным методом построения цифровых систем управления является использование «жесткой» логики, при которой ядром устройства является заказная БИС, реализующая алгоритмы управления для узкого круга объектов. Очевидно, что второй метод на сегодняшний день является более дорогостоящим, однако он широко используется при массовом производстве устройств управления для типовых объектов либо при создании систем управления объектами специального назначения. Для промышленного применения наиболее рациональным является первый метод, основанный на применении микропроцессоров и микроконтроллеров.
1.2. Развитие средств микропроцессорной техники
История создания программируемых вычислительных устройств началась еще в 1830 г. с идеи, предложенной английским математиком Чарльзом Бэбиджем (Charles Babage). Практическое же появление вычислительных машин стало возможным только в XX в. в связи с развитием электроники. При этом можно проследить несколько этапов развития ЭВМ.
Первый этап (до 1955 г.) – ламповые ЭВМ, масса которых достигала 30 т, число электронных ламп – 18 тыс., потребляемая мощность – 150 кВт (мощность, достаточная для небольшого завода), объем памяти – 20 десятиразрядных десятичных чисел, время выполнения операций: сложения – 0,0002 с, умножения – 0,0028 с. Числа в ЭВМ вводились с помощью перфокарт и набора на переключателях, а программа задавалась соединением гнезд на специальных наборных полях. Для ускорения процесса подготовки программ стали создавать первые языки автоматизации программирования (языки символического кодирования).
Второй этап (до 1965 г.) – появление ЭВМ, построенных на транзисторах, привело к уменьшению их габаритов, массы, энергопотребления и стоимости, а также к увеличению надежности и производительности. На этом этапе были созданы специальные алгоритмические языки для инженерно-технических и экономических расчетов, а также операционные системы (комплексы служебных программ, обеспечивающих лучшее распределение ресурсов ЭВМ при исполнении пользовательских задач). Развитие операционных систем шла в направлении обработки пакетов заданий, а также мультипрограммного режима обработки данных.
Третий этап (до 1970 г.) – прогресс в области технологии производства интегральных микросхем (ИС) позволил повысить производительность и снизить стоимость универсальных ЭВМ, а также создать малогабаритные, простые, дешевые и надежные машины– мини-ЭВМ. Мини-ЭВМ первоначально предназначались для замены аппаратно-реализованных контроллеров (устройств управления) в контуре управления каким-либо объектом, в автоматизированных системах управления технологическими процессами, системах сбора и обработки экспериментальных данных, различных управляющих комплексах на подвижных объектах и т.д. Низкая цена серийной мини-ЭВМ, большое число серийных устройств связи с объектом управления и хорошее программное обеспечение обусловили экономическую эффективность использования таких устройств.
Четвертый этап (до 1978 г.) – успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС), где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электрических элементов. Это позволило разработать более дешевые ЭВМ, имеющие большую память и меньший цикл выполнения команды. Но так как затраты на программирование оставались высокими, то на первый план вышла задача экономии человеческих, а не машинных ресурсов. В1971 г. Фирмой Intel был изготовлен первый микропроцессорi4004 – БИС, в котором полностью размещался простой четырехразрядный процессор. Появились управляющие устройства, построенные на одной или нескольких БИС, содержащих процессор, память, схемы сопряжения с датчиками и исполнительными органами в объекте управления.
Пятый этап (c 80-х г.г.) – улучшение технологии производства БИС позволило изготавливать дешевые электронные схемы, содержащие сотни тысяч элементов в кристалле – схемы сверхбольшой степени интеграции(СБИС). Появилась возможность создать устройство с габаритами массового телевизора, в котором размещались микроЭВМ, клавиатура, экран, дисковый накопитель, а также схемы сопряжения с малогабаритным печатающим устройством, измерительной аппаратурой, другими ЭВМ и т.д. Наиболее широкое применение нашли микроЭВМ в гибких системах автоматизации производства и научных исследований. В настоящее время развитие идет в направлении повышения микропроцессорной мощности компьютеров, так и создания однокристальных микроконтроллеров, ориентированных на управление различными техническими объектами.
За всю историю развития микропроцессорной техники, ведущие позиции в этой области занимает американская фирма Intel (Integrated Electronics). В 1971 году она разработала и выпустила первый в мире 4-битный микропроцессор 4004. Он содержал 2300 транзисторов, выполненный по технологии 10 мкм, работал на частоте 108 кГц, адресовал 640 байт памяти и имел производительность 0,06 MIPS. Но подлинный успех фирме Intel принес 8-битный микропроцессор 8080, который был выпущен в 1974 году. Он имел частоту 2 мГц, адресовал 64 Кбайта памяти, вмещал 6000 транзисторов благодаря технологии 6 мкм. Процессор требовал трех источников питания (+5, +12, -5 В) и сложной двухтактной синхронизации. Этот микропроцессор получил очень широкое распространение во всем мире. Сейчас в нашей стране его аналог - микропроцессор К580ИК80 применяется во многих бытовых и персональных компьютерах и разнообразных контроллерах.
Следующим этапом стал микропроцессор 8085, выполненный по технологии 3 мкм, размещал на кристалле 6500 транзисторов, имел тактовую частоту 5 мГц и производительность 0,37 MIPS. Архитектура этого микропроцессора соответствовала архитектуре 8080, но в него добавили порт последовательного интерфейса, и перешли на единое питающее напряжение +5 В.
В 1979 году фирма Intel первой выпустила 16-битный микропроцессор 8086, возможности которого были близки к возможностям процессоров миникомпьютеров 70-х годов. Этот микропроцессор работал на частоте 5 мГц, производительность его составляла 0,33 MIPS, но обрабатывал 16-битные операнды. Был выполнен по технологии 3 мкм с 29000 транзисторами на кристалле. Микропроцессор 8086 оказался "прародителем" целого семейства, которое обычно называют семейством 80х86. Аналог этого микропроцессора К1810ВМ86 применяется в персональных компьютерах, выпускаемых в нашей стране.
Желание расширить адресное пространство памяти до 1 Мбайта в процессоре с 16 - битными регистрами заставило использовать в микропроцессоре 8086 сегментную организацию памяти, которая в последующих микропроцессорах фирмы Intel было сохранено ради совместимости.
Через год появился МП 8088, архитектурно повторяющий МП 8086 и имеющий 16- битные внутренние регистры, но ее внешняя шина данных составляет 8 бит. Широкой популярности МП 8088 способствовало его применение фирмой IBM в ПК РС и РС/ХТ. Очень быстро для этих компьютеров был накоплен такой огромный объем программного обеспечения, что в последующих МП фирме Intel пришлось предусматривать специальный режим эмуляции МП 8086. Обычно этот режим называется режимом реального адреса (Real Addres Mode) или R-режим.
В 1981 году появились МП 80186/80188, которые сохраняли базовую архитектуру МП 8086/8088, но содержали на кристалле контроллер прямого доступа к памяти, счетчик/таймер и контроллер прерываний. Кроме того, была расширена система команд. Однако широкого распространения эти МП (как и ПК PCjr на их основе) не получили.
Следующим крупным шагом в разработке новых идей стал МП 80286, появившийся в 1982 году. Разработанный по технологии 1,5 мкм, он содержал 134000 транзисторов. При разработке этого МП были учтены достижения в архитектуре миникомпьютеров и больших компьютеров. МП 80286 может работать в двух режимах: в режиме реального адреса он эмулирует МП 8086, а в защищенном режиме виртуального адреса или Р-режиме предоставляет программисту много новых возможностей и средств. Среди них отметим расширение адресного пространства до 16 Мбайт, появление дескрипторов сегментов и дескрипторных таблиц, наличие защиты по четырем уровням привилегий, поддержку организации виртуальной памяти (1 Гбайт) и мультизадачности. МП 80286 применялся в ПК РС/АТ и младших моделях PS/2.
В 1986 году появился новый микропроцессор фирмы Intel 80386 (275000 транзисторов, 1,5 мкм). При разработке этого 32-битного МП потребовалось решать две задачи: совместимость и производительность. Первая из них решена путем введения трех режимов работы.
В R-режиме, который действует после включения питания или системного сброса, процессор копирует работу МП 8086 и использует 16-битные регистры; адресное пространство составляет 1 Мбайт памяти.
В Р-режиме МП 80386 может выполнять 16-битные программы МП 80286 без каких- либо модификаций. Вместе с тем в этом режиме он может выполнять свои "естественные" 32-битные программы, что обеспечивает повышение производительности системы. В этом режиме реализуются все новые возможности и средства МП 80386, такие как масштабированная индексная адресация памяти, ортогональное использование РОН, новые команды, средства отладки, а также введен режим страничного управления памятью. Адресное пространство памяти в этом режиме составляет 4 Гбайта. Операционная система Р- режима может создать задачу, которая работает в режиме виртуального процессора 8086 или V-режим. Прикладная программа, которая выполняется в этом режиме, полагает, что она работает на процессоре 8086. Однако, программе запрещается выполнять некоторые команды, связанные с управлением ввода вывода. Поэтому при нарушении правил защиты генерируется прерывание и управление передается ОС.
Позже, в 1988 году появился МП 80386 SX, который полностью совместим с процессором 80386, но имеет внешнюю шину данных 16 бит и адресное пространство 16 Мбайт. После этого полноразрядный вариант получил официальное название 80386 DX. В 1990 году был выпущен МП 80386 SL в миниатюрном корпусе и с пониженным потреблением энергии, разработанный специально для портативных компьютеров.
В 1989 году фирма Intel выпустила на рынок МП 80486, содержащий в кристалле 1,2 миллиона транзисторов и выполненный по технологии 1 мкм. Два главных отличия от предыдущего МП состоит в том, математический сопроцессор реализован на одном кристалле с центральным процессором FPU (Floating Point Unit) и имеется внутренняя совмещенная кэш-память команд и данных емкостью 8 КБайт. Кроме того, для повышения производительности в этом CISC-процессоре применено RISC-ядро.
Контрольные вопросы.
Пояснить структуру аппаратных средств типовой микропроцессорной системы управления.
Объяснить особенности программной реализации алгоритмов управления.
Что является альтернативным методом построения цифровых систем управления?
Охарактеризовать основные этапы развития ЭВМ.
ЛЕКЦИЯ 2. Микропроцессорная система и алгоритм её работы
2.1. Структура микропроцессорной системы и назначение ее основных частей
2.2. Типовая структурная схема цифровой МПС
2.3. Структурные схемы систем с Фон Неймановской и Гарвардской архитектурой
2.4. Обмен информацией между МПС и внешними устройствами
2.5. Классификация МПС
Микропроцессорная система является устройством, способным решать задачи и обрабатывать информацию под управлением программы, состоящей из команд. Аппаратные средства микропроцессорной системы – это комплекс цифровых логических схем, которые получают информацию из одного или более источников, обрабатывают ее, и посылают результаты в одно или несколько мест назначения. Микропроцессорные системы предоставляют недорогой способ решать сложные задачи по сохранению, передаче и обработке информации и могут быть встроены в приборы, и являться основой распределенных систем управления производственными процессами.