18.5.2. Процессор 80286

Процессор 80286 представляет второе поколение 16-разрядных процессоров. Он имеет специальные средства для работы в многопользовательных и многозадачных системах. Самым существенным отличием от 8086/88 является механизм управления адресацией памяти, который обеспечивает четырёхуровневую систему данных и поддержку виртуальной памяти. Специальные средства предназначены для поддержки механизма переключения задач. Процессор имеет расширенную систему команд, которая кроме команд управления защитой включает все команды 8086 и несколько новых команд общего назначения. Процессор может работать в двух режимах:

8086 Real Address Mode – режим реальной адресации (реальный режим), полностью совместимый с 8086. В этом режиме возможна адресация до 1 Мбайт физической памяти.

Protected Virtual Address Mode – защищённый режим виртуальной адресации (защитный режим). В этом режиме процессор позволяет адресовать до 16Мб физической памяти, через которые при использовании механизма страничной адресации могут отображаться до 1Гб виртуальной памяти каждой задачи. Система команд в этом режиме так же включает набор команд 8086, расширенный для обеспечения аппаратной функции супервизора многозадачной операционной системы и виртуальной памяти.

По составу и назначению в реальном режиме регистры 80286 в основном совпадают с регистрами 8086/88. Изменения касаются назначения бит регистра флагов и использования сегментных регистров в защищённом режиме. МП 80286 имеет 16–битную шину данных и очередь команд 16байт. За счёт архитектуры сокращено время выполнения операций: процессор 80286 с тактовой частотой 12,5МГц работает более чем в 6 раз быстрее, чем 8086 с частотой 5МГц.

18.5.3. 32 – Разрядные процессоры

Первыми 32 – разрядными процессорами фирмы Intel были процессоры i386. Эти процессоры вобрали в себя все свойства своих 16–разрядных предшественников 8086/88 и 80286 для обеспечения программной совместимости с огромным объёмом ранее написанного программного обеспечения. В них преодолено очень жёсткое ограничение на длину непрерывного сегмента памяти – 64Кб. В защищенном режиме 32–битных процессоров оно составляет 4Гб – предела физически адресуемой памяти. Все эти процессоры имеют поддержку виртуальной памяти объёмом до 64Тб, встроенный блок управления памяти поддерживает механизмы сегментации и страничной трансляции адресов. Процессоры обеспечивают четырехуровневую систему защиты памяти и ввода-вывода, переключения задач. Они имеют расширенную систему команд, включающую все команды 8086, 80286. Процессор может работать в двух режимах, между которыми обеспечивается достаточно быстрое переключение в обе стороны:

Real Address Mode – режим реальной адресации (реальный режим), полностью совместимый с 8086. В этом режиме возможна адресация до 1 Мб физической памяти.

Protected Virtual Address Mode – защищённый режим виртуальной адресации (защищённый режим). В этом режиме процессор позволяет адресовать до 4Гб физической памяти, через которые при использовании механизма страничной адресации могут отображаться до 16Тб виртуальной памяти каждой задачи. Дополнением является Virtual 8086 Mode – режим виртуального процессора 8086. Этот режим является особым состоянием задачи защищённого режима, в котором процессор функционирует как 8086.

Процессоры могут оперировать с 8, 16 и 32–битными операндами, строками байт, слов и двойных слов, а также с битами, битовыми полями и строками бит. В архитектуру процессоров введены средства отладки и тестирования.

К группе 32–разрядных относятся: 386, 486, Pentium, Pentium Pro и Pentium 2.

18.6. Встроенные микропроцессорные системы управления

Начало 21 века, по мнению специалистов в области автоматизированного электропривода и систем управления, является началом широкого внедрения систем встроенного управления оборудованием – высокопроизводительных и надежных цифровых, микропроцессорных систем управления, интегрированных в рабочую машину, механизм, прибор, изделие – станок, робот и т.д. [3-9].

Встроенной системой управления называется система управления, конструктивно интегрированная в оборудование. Например, система управления, встроенная в статический преобразователь частоты для асинхронных двигателей представляет собой, как правило, одно- или многоплатную микроЭВМ с необходимым набором интерфейсов для обеспечения как непосредственного управления инвертором и приводом в целом, так и взаимодействия с человеком-оператором. Обязательным компонентом такой системы является интерфейс с системой управления более высокого уровня (промышленным программируемым контроллером), что позволяет решать задачи комплексной автоматизации с использованием заданного числа единиц технологического оборудования, объединенного в единую распределенную систему управления.

В зависимости от сложности решаемой задачи встроенная система управления может быть однопроцессорной или многопроцессорной (мультипроцессорной), одноуровневой или многоуровневой. В последнем случае на нижнем уровне решаются задачи непосредственного управления отдельными компонентами оборудования (например, отдельными осями привода), а на следующем, более высоком, - задачи совместного управления в реальном времени, связи с оператором, системой верхнего уровня и т.д. Типичными примерами являются станки с ЧПУ, роботы-манипуляторы и др.

Главное отличие промышленного контроллера от промышленного компьютера состоит в адаптации языка программирования под конкретную область применения. Большинство промышленных контроллеров, выпускаемых иностранными фирмами, являются по существу программируемыми логическими контроллерами (PLC) и имеют встроенные интерпретаторы с языка релейной автоматики или языка Булевой алгебры, что позволяет неспециалисту программировать системы управления.

Встраиваемое управляющее устройство является микропроцессорной системой управления, в состав которой кроме центрального процессора на базе однокристального микропроцессора и микроконтроллера входят необходимые дополнительные элементы памяти и периферийные интерфейсные БИС для организации сопряжения с датчиками, объектом управления и системой управления более высокого уровня.

Все задачи, решаемые системами встроенного управления, делятся на два больших класса: управление событиями в реальном времени и управление потоками данных.

К первому классу относятся задачи, требующие быстрой реакции микропроцессорной системы на изменение внешних условий (на срабатывание технологических датчиков и т.п.). Системы управления приводами, роботами относятся к системам первого класса. Эти задачи требуют применения микроконтроллеров с большим объемом интегрированной на кристалл периферии, включая память программ, память данных и устройства ввода-вывода, что сокращает аппаратные затраты и удешевляет изделие со встроенной системой управления. Для реализации алгоритма управления в системах этого класса требуется память относительно небольшого объема (до 32Кбайт).

Продукция фирмы Intel для встроенных применений может быть разделена на следующие группы:

• 8-битовые микроконтроллеры первого поколения (семейство MCSR-48);

• современные 8-разрядные микроконтроллеры (MCSR-51, MCSR-251);

• современные 16-разрядные микроконтроллеры для управления в реальном времени (MCSR-96, MCSR-196, MCSR-296);

• встраиваемые 16-разрядные и 32-разрядные микропроцессоры РС-подобной архитектуры (80С186, 386ЕХ и др.);

• высокопроизводительные микропроцессоры, построенные по RISC-технологии (i960).

Первые три группы изделий ориентированы на управление событиями в реальном времени. Две последние предназначены для управления процессами.

Серия микроконтроллеров Intel MCSR-196/296 является на сегодняшний день наиболее интересной для специалистов в области автоматизированного электропривода, так как имеет уникальную регистр-регистровую архитектуру, эффективную систему команд и широкую гамму встроенных периферийных устройств, позволяющих решать самые разнообразные задачи от прямого цифрового управления силовыми ключами в режиме широтно-импульсной модуляции до автоматической идентификации положения и скорости по сигналам датчиков, установленных на вал двигателя. Эта серия ориентированна на управление событиями в реальном времени и имеет необходимые для этого специализированные периферийные устройства: контроллер прерываний, процессор событий и др.