Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

мпсу / Лекции pdf / Лекции модуль 1 МПСУ

.pdf
Скачиваний:
34
Добавлен:
10.06.2015
Размер:
645.64 Кб
Скачать

Введение. Излагается эволюция микропроцессоров и микропроцессорных средств и основные технические характеристики поколений микропроцессоров.

В этой лекции рассказывается о базовой терминологии микропроцессорной техники, о принципах организации микропроцессорных систем, о структуре связей, режимах работы и об основных типах микропроцессорных систем.

Введение.

Из истории развития микропроцессорной техники

В литературе до середины 1980-х годов процесс эволюции вычислительной техники принято делить на поколения. Дадим этим поколениям краткие качественные характеристики:

1-е поколение (1945-1954 г.г.) –В этот период формируется типовой набор структурных элементов, входящих в состав ЭВМ. Это – центральный процессор

(ЦП), оперативная память (или оперативное запоминающее устройство – ОЗУ) и

устройства ввода-вывода (УВВ). ЦП, в свою очередь, должен состоять из

арифметико-логического устройства (АЛУ) и управляющего устройства (УУ). Машины этого поколения работали на ламповой элементной базе, из-за чего поглощали огромное количество энергии и были очень ненадежны.

2-е поколение (1955-1964 г.г.). Смену поколений определило появление новой элементной базы: вместо электровакуумной громоздкой лампы в ЭВМ стали применяться полупроводниковые транзисторы, оперативная память на магнитных сердечниках. Это в конечном итоге привело к уменьшению габаритов, повышению надежности и производительности ЭВМ.

3-е поколение (1965-1970 гг.). Смена поколений вновь была обусловлена обновлением элементной базы: вместо транзисторов стали использоваться интегральные микросхемы различной степени интеграции. Это, в свою очередь, не только повысило производительность ЭВМ, но и снизило их габариты и стоимость. Появились сравнительно недорогие и малогабаритные машины – мини-ЭВМ. Они активно использовались для управления различными технологическими производственными процессами в системах сбора и обработки информации. Увеличение мощности ЭВМ сделало возможным одновременное выполнение нескольких программ на одной ЭВМ. Создаются пакеты прикладных программ для самых различных областей жизнедеятельности человека. Наблюдается тенденция к созданию семейств ЭВМ, то есть машины становятся совместимы снизу вверх на программно-аппаратном уровне. Примерами таких семейств была серия IBM System 360 и наш отечественный аналог - ЕС ЭВМ.

4-е поколение (1970-1984 гг.). Очередная смена элементной базы привела к смене поколений. В 1970-е годы активно ведутся работы по созданию больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), которые позволили разместить на одном кристалле десятки тысяч элементов. При такой степени интеграции элементов стало возможным попытаться создать функционально полную ЭВМ на одном кристалле. В 1971 году фирмой Intel (США) был выпущен микропроцессор i4004. И если до этого в мире вычислительной техники были только три

9

направления (суперЭВМ, большие ЭВМ (мэйнфреймы) и мини-ЭВМ), то теперь к ним прибавилось еще одно – микропроцессорное. В общем случае под процессором понимают функциональный блок ЭВМ, предназначенный для логической и арифметической обработки информации на основе принципа микропрограммного управления. По аппаратной реализации процессоры можно разделить на микропроцессоры (полностью интегрирующие все функции процессора) и процессоры с малой и средней интеграцией. Конструктивно это выражается в том, что микропроцессоры реализуют все функции процессора на одном кристалле, а процессоры других типов реализуют их путем соединения большого количества микросхем.

МП i4004 представлял собой 4-разрядное параллельное вычислительное устройство, и его возможности были сильно ограничены, он мог производить четыре основные арифметические операции и применялся поначалу только в карманных калькуляторах. Позднее сфера его применения была расширена за счет использования в различных системах управления (например, для управления светофорами). Фирма Intel, правильно предугадав перспективность микропроцессоров, продолжила интенсивные разработки, и один из ее проектов в конечном итоге привел к крупному успеху, предопределившему будущий путь развития вычислительной техники. Им стал проект по разработке 8-разрядного микропроцессора i8080 (1974 г.). Этот микропроцессор имел довольно развитую систему команд и умел делить числа. Именно он был использован при создании персонального компьютера Альтаир, для которого молодой Билл Гейтс написал один из своих первых интерпретаторов языка Basic.

5-е поколение можно назвать микропроцессорным. Интересно, что 4-е поколение закончилось только в начале 80-х, то есть «родители» в лице больших машин и их быстро взрослеющее и набирающее силы «чадо» в течение почти 10 лет относительно мирно существовали вместе. Для них обоих это время пошло только на пользу. Проектировщики больших компьютеров накопили огромный теоретический и практический опыт, а программисты микропроцессоров сумели найти свою, пусть поначалу очень узкую, нишу на рынке. В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16-разрядного микропроцессора i8086. Он имел достаточно большую разрядность регистров (16 бит) и системной шины адреса (20 бит), за счет чего мог адресовать до 1 Мбайт оперативной памяти. В 1982 году был создан i80286. Этот микропроцессор представлял собой улучшенный вариант i8086. Он поддерживал уже несколько режимов работы: реальный, когда формирование адреса производилось по правилам i8086, и защищенный, который аппаратно реализовывал многозадачность и управление виртуальной памятью, i80286 имел также большую разрядность шины адреса – 24 разряда против 20 у i8086, и поэтому он мог адресовать до 16 Мбайт оперативной памяти. Первые компьютеры на базе этого микропроцессора появились в 1984 году. По своим вычислительным возможностям этот компьютер стал сопоставим с IBM 370. Поэтому можно считать, что на этом 4-е поколение развития ЭВМ завершилось. В 1985 году фирма Intel представила первый 32-разрядный микропроцессор i80386, аппаратно совместимый снизу вверх со всеми предыдущими микропроцессорами этой фирмы. Он был гораздо мощнее своих предшественников, имел 32-разрядную архитектуру и мог прямо адресовать до 4

10

Гбайт оперативной памяти. Микропроцессор i386 стал поддерживать новый режим работы – режим виртуального i8086, который обеспечил не только большую эффективность работы программ, разработанных для i8086, но и позволил осуществлять параллельную работу нескольких таких программ. Еще одно важное нововведение – поддержка страничной организации оперативной памяти – позволило иметь виртуальное пространство памяти размером до 4 Тбайт (терабайт). Микропроцессор i386 был первым микропроцессором, в котором использовалась параллельная обработка. Так, одновременно осуществлялись: доступ к памяти и устройствам ввода-вывода, размещение команд в очереди для выполнения, их декодирование, преобразование линейного адреса в физический, а также страничное преобразование адреса (информация о 32-х наиболее часто используемых страницах помещалась в специальную кэш-память).

Вскоре после микропроцессора i386 появился i486. В его архитектуре получили дальнейшее развитие идеи параллельной обработки. Устройство декодирования и исполнения команд было организовано в виде пятиступенчатого конвейера, на котором в различной стадии исполнения могло находиться до 5 команд. На кристалл была помещена кэш-память первого уровня, которая содержала часто используемые код и данные. Кроме этого, появилась кэш-память второго уровня емкостью до 512 Кбайт. Появилась возможность строить многопроцессорные конфигурации. В систему команд процессора были добавлены новые команды. Все эти нововведения, наряду со значительным (до 133 МГц) повышением тактовой частоты микропроцессора, значительно позволили повысить скорость выполнения программ. С 1993 года стали выпускаться микропроцессоры Intel Pentium. Их появление вначале омрачилось ошибкой в блоке операций с плавающей точкой. Эта ошибка была быстро устранена, но недоверие к этим микропроцессорам еще некоторое время оставалось. Pentium продолжил развитие идей параллельной обработки. В устройство декодирования и исполнения команд был добавлен второй конвейер. Теперь два конвейера (называемых u и v) вместе могли исполнять две инструкции за такт. Внутренний кэш был увеличен вдвое – до 8 Кбайт для кода и 8 Кбайт для данных. Процессор стал более интеллектуальным. В него была добавлена возможность предсказания ветвлений, в связи с чем значительно возросла эффективность исполнения нелинейных алгоритмов. Несмотря на то, что архитектура системы оставалась все еще 32-разрядной, внутри микропроцессора стали использоваться 128- и 256-разрядные шины передачи данных. Внешняя шина данных была увеличена до 64 бит. Продолжили свое развитие технологии, связанные с микропроцессорной обработкой информации.

Появление развитие микропроцессора Pentium было развито в Pentium Pro, Pentium

ММХ, Pentium II, Pentium III, Pentium IV, Pentium Dual, Core 2 Duo и тд.

6-е и последующие поколения: оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Каждое следующее поколение компьютеров имеет по сравнению с предшествующим ему существенно лучшие характеристики. Так,

11

производительность компьютеров и емкость всех запоминающих устройств увеличивается, как правило, больше чем на порядок.

Поколения развития микропроцессорной техники принято рассматривать на примере развития фирмы Intel, хотя в разное время успешную конкуренцию составляли AMD, Cyrix, Motorola и др.

Лекция №1. Принципы организации микропроцессорных систем.

Системы с жесткой логикой.

При создании цифровых автоматизированных систем различного назначения в качестве их вычислительной основы используются два класса средств:

устройства с жесткой структурой, выполненные на базе цифровых логических

схем;

электронные вычислительные машины - ЭВМ (компьютеры) – управляющие и универсальные.

Любая система с жесткой структурой обязательно представляет собой специализированную систему, настроенную исключительно на одну задачу или (реже) на несколько близких, заранее известных задач. Это имеет свои бесспорные преимущества.

12

Во-первых, специализированная система (в отличие от универсальной) никогда не имеет аппаратурной избыточности, то есть каждый ее элемент обязательно работает в полную силу (конечно, если эта система грамотно спроектирована).

Во-вторых, именно специализированная система может обеспечить максимально высокое быстродействие, так как скорость выполнения алгоритмов обработки информации определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов и выбранной схемой путей прохождения информации. А именно логические элементы всегда обладают максимальным на данный момент быстродействием.

Но в то же время большим недостатком цифровой системы на «жесткой логике» является то, что для каждой новой задачи ее надо проектировать и изготавливать заново. Это процесс длительный, дорогостоящий, требующий высокой квалификации исполнителей. А если решаемая задача вдруг изменяется, то вся аппаратура должна быть полностью заменена.

Системы на «жесткой логике» хороши там, где решаемая задача не меняется длительное время, где требуется самое высокое быстродействие, где алгоритмы обработки информации предельно просты. А универсальные, программируемые системы хороши там, где часто меняются решаемые задачи, где высокое быстродействие не слишком важно, где алгоритмы обработки информации сложные. То есть любая система хороша на своем месте.

Однако за последние десятилетия быстродействие универсальных (микропроцессорных) систем сильно выросло (на несколько порядков). К тому же большой объем выпуска микросхем для этих систем привел к резкому снижению их стоимости. Малые размеры, высокая надежность и универсальность функций микропроцессорных средств в принципе любую обработку информации (более точную и быструю), в любом месте технического объекта или технологического процесса. Микропроцессорные системы управления (МПСУ) позволяют:

1.построить более надежные распределенные системы управления, имеющие существенные преимуществ перед централизованными системами;

2.эффективно поддерживать локальную автоматику, расширить возможности существующих технических средств и создания максимальных удобств потребителям;

3.создать высокопроизводительные структуры многопроцессорной и сетевой обработки информации;

4.создать гибкие автоматизированные производства (ГАП), повышения эффективности числового программного управления станками, отдельными механизмами роботов-манипуляторов;

5.осуществить функциональные преобразования сигналов, их первичной и статистической обработки; масштабирования информации, поступающей с датчиков; линеаризации характеристик;

6.сопрягать измерительных средств и приборов с дисплеями и другой периферией

спомощью стандартного интерфейса;

7.проводить автокалибровки, автокомпенсации погрешностей, тестовых методов коррекции и самодиагностики.

13

Таким образом, решение задачи оптимального управления промышленными объектами возможно лишь на основе широкого внедрения микропроцессорных контроллеров и систем управления

Этапы развития МПСУ

Можно определить следующие этапы развития автоматизированного и автоматического управления на базе микропроцессорных систем. Сначала это было централизованное управление. Процессом управлял один компьютер, решая задачи и сбора данных, и непосредственного цифрового управления (НЦУ), и операторского интерфейса (общения человека и системы). Примерами являются отечественные управляющие комплексы типа М-6000, СМ-1 и др.

В результате успехов электроники на смену комплексам централизованного управления приходит технология распределенного управления процессами. В ней задачи оперативного управления и задачи сбора данных и НЦУ распределяются на разные компьютеры. При этом выделяются два уровня: верхний (операторское управление, архивирование, документирование) и нижний (сбор данных и НЦУ). На каждом уровне используется на разное число компьютеров в зависимости от сложности технологического процесса и требованиям к надежности и быстродействию.

Компьютеры верхнего уровня получили название АРМ (автоматизированное рабочее место), а нижнего PLC или ПЛК (programmable controller - программируемый логический контроллер). Сначала на обоих уровнях никакой стандартизации в области аппаратной платформы не было. Как правило, один производитель выпускал комплексные системы управления, включающие и АРМ и

PLC. Эти системы получили название DCS (distributed control system -

распределенные системы управления). Причем даже в рамках одной системы DCS аппаратные решения для контроллеров и АРМ принимались абсолютно разные. И естественно для их программирования использовались разные инструментальные средства.

Для обмена данными между верхним и нижнем уровнями каждый производитель DCS разрабатывал собственные решения – полевые шины, включающие в себя физическую аппаратуру и логические протоколы передачи данных.

Из-за отсутствия стандартов на аппаратуру и протоколы передачи данных было невозможно использовать отдельные компоненты одной DCS совместно с компонентами другой. В результате пользователь был привязан к одному поставщику средств управления. Переход на другую DCS требовал очень больших затрат.

Стремительное развитие персональных компьютеров (PC) одной и той же архитектуры (IBM PC - подобные) привело к вытеснению с рынка другие решения и PC-платформа стала фактическим стандартом. Наличие этого стандарта сильно отразилось на архитектуре аппаратных комплексов промышленных систем управления. Большинство производителей перевели свои АРМы на PC-платформу. Чем обусловлены эти решения? Причин несколько:

14

в развитие PC - архитектуры вкладывались огромные средства. На нее работали мощные фирмы производители микросхем. Это обеспечивало стремительный рост их производительности, повышения надежности, снижение энергопотребления и цены, расширение температурного диапазона и других характеристик. Ни один производитель DCS не мог самостоятельно предложить реально конкурентоспособные решения;

по мере развития электроники PC-платформа из-за ее массовости и открытости оказалась наиболее проработанной и надежной;

стандартизация программных средств на уровне операционных систем (ОС). Производители систем управления в области программного обеспечения (ПО) могли сконцентрировать свои усилия на разработке инструментальных средств и использовать уже имеющиеся на рынке операционные системы.

PC-платформа из-за своей открытой архитектуры позволяет очень легко интегрировать различную периферию в системы управления. Переход на PC- платформу в АРМ породил такое понятие как SoftDCS. Оно обозначает программно- аппаратный комплекс, в котором отдельные компоненты интегрируются на уровне программного обеспечения и с помощью унифицированных аппаратных средств. SoftDCS включает в себя программное обеспечение для разработки полномасштабных распределенных систем управления в рамках идеологии DCS, но реализует эти системы на базе PC-архитектуры.

После распространения PC-архитектуры на уровне АРМ следующим шагом развития систем управления стало ее использование в контроллерах. Такие контроллеры называются PC-based (основанные на PC платформе). Такая унификация аппаратных средств на разных уровнях системы позволяет существенно сократить затраты на их интеграцию и имеет много других преимуществ.

Важным фактором продвижения PC-архитектуры в области PLC является наличие программного обеспечения независимых производителей, не привязанного к одной какой-то марке контроллера – Softlogic системы.

В результате PC-based архитектура практически стала стандартом для рабочих мест операторов, а PC-based контроллеры все больше вытесняют с рынка другие PLC, построенные на базе менее распространенных аппаратных платформ.

Преимущества МПСУ не обеспечиваются сами собой, автоматически, а являются результатом глубокого анализа, грамотной постановки и решения задачи на основе разумных компромиссов, оптимального выбора структуры автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП). Обязательным условием эффективного применения МПСУ является использование средств комплексной отладки, совместная работа инженера-автоматчика и инженера-технолога.

15

Лекция №2. Электронно-логическое содержимое микропроцессорных систем.

Общие сведения.

Современные вычислительные машины построены на электронных цифровых устройствах.

Электронные логические устройства - это цифровые интегральные микросхемы, предназначенные для преобразования и хранения информации в форме двоичных сигналов. Преобразующие устройства выполняют логические операции над входными сигналами. Устройства, реализующие простейшие логические операции типа НЕ, И, ИЛИ, называют логическими элементами. На основе таких элементов строят более сложные логические устройства, выполняющие функции комбинационных схем или простых логических автоматов. Преобразующие устройства, помимо выполнения логических операций, могут проводить и арифметические действия над кодами. В этом случае коды воспринимаются как двоичные числа с соответствующими каждому разряду весами.

Электронные логические элементы и устройства конструируют на основе транзисторов, работающих в ключевом режиме. При определенных условиях транзисторы открывают свои каналы связи и подключают напряжение питания к выходным цепям. Электрическая мощность логических элементов и устройств обычно мала, поэтому их выходные сигналы, подаваемые на исполнительные устройства, нуждаются в дополнительном усилении.

Для построения логических устройств используют как цифровые интегральные микросхемы общего назначения (например, серии К155), так и специализированные логические элементы (например, серии "Логика-И").

Классификация интегральных схем.

Интегральные микросхемы содержат различное число транзисторов. Функциональные возможности и сложность интегральной схемы (ИС) оценивают степенью интеграции, которая характеризует число транзисторов и других компонентов, включенных в микросхему.

В зависимости от степени интеграции ИС называют малыми (МИС), средними (СИС), большими (БИС) и сверхбольшими (СБИС) при содержании в них соответственно до 10, до 100, до 1000 и более 1000 транзисторов.

По схемотехническому принципу цифровые интегральные микросхемы разделяют на следующие классы: диодно-транзисторная логика (ДТЛ), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), эмиттерно-связная логика (ЭСЛ), комплиментарная металл-окисел-полупроводниковая логика (КМОПЛ). Здесь последовательность перечисления классов дана в порядке их разработки и роста перспективности, причем ДТЛ-микросхемы (например, серии К511) используют только для комплектации ранее разработанных устройств.

Напряжения для различных типов логических устройств

Таблица 1

16

 

Типы микросхем

 

 

 

Напряжение, В

ДТЛ

ТТЛ

ЭСЛ

КМОПЛ

 

 

(серия K511)

 

 

 

 

Питания

15

5

-5,2

3-15

 

Логического

1,5

0,5

-1,65

0,005

 

нуля

 

 

 

 

 

Логической

12

2,3

-0,96

(3

 

единицы

 

 

 

15)±0,05

 

Вмикросхемах типа ТТЛ хорошо сочетаются различные эксплуатационные характеристики, они являются наиболее массовыми изделиями. Выпускают следующие разновидности ТТЛ-микросхем: универсальные (серии 133, К155); повышенного быстродействия (серии 130, К131); с уменьшенной мощностью потребления (серии 134, КР134); максимального быстродействия с умеренной мощностью потребления (серии 530, К531, 533, К555 с использованием транзисторов Шоттки - ТТЛШ).

Микросхемы типа ЭСЛ (серии К500, К1500, К1800) - наиболее быстродействующие цифровые элементы, но с большим потреблением энергии. Микросхемы типа КМОПЛ (серии 164, К176, К561, 564, 764) характеризуются очень малой мощностью, однако имеют пониженное (по сравнению с ТТЛ-микросхемами) быстродействие. Для систем промышленной автоматики быстродействие всех перечисленных микросхем, как правило, приемлемо.

Втабл. 1 для микросхем, выполненных по различной схемотехнике, приведены номинальные значения напряжений питания, максимальные значения напряжений, соответствующие логическому "0", и минимальные значения напряжений, соответствующие логической "1".

Микросхемы малой степени интеграции

К малым интегральным схемам (МИС) относят логические элементы и триггеры.

Логические элементы. Простейшие логические операции выполняют логические элементы, представленные в табл. 2. Совокупность минимального числа элементов, с помощью которых можно реализовать любую логическую функцию, образует функционально полную систему элементов. Так, элементы НЕ, И, ИЛИ образуют полную систему. Логические элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ по отдельности также являются функционально полными. На практике использование одного функционально полного элемента и даже полной системы элементов часто вызывает избыточный расход микросхем. Поэтому в большинстве серий МИС выпускают наборы элементов, превышающие функционально полную систему.

Элемент НЕ вырабатывает сигнал на выходе, противоположный по значению сигналу на единственном входе.

Логические элементы И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ могут иметь более двух входов. Выходной сигнал элемента И равен "1", если все входные сигналы x1 и х2

17

равны "1". Выходной сигнал у элемента ИЛИ равен "1", если хотя бы один из входных сигналов х1, х2 равен "1". Выходной сигнал элемента И-НЕ равен "1", если хотя бы один из входных сигналов равен "0". Выходной сигнал элемента ИЛИ-НЕ равен "1", если все входные сигналы равны "0". На выходе элемента "Исключающее ИЛИ" сигнал равен "1", если логическая "1" есть только на одном из нескольких входов. Работа двухвходового элемента "Исключающее ИЛИ" подобна работе двухвходового элемента "Сумматор по модулю 2", который на выходе вырабатывает логическую "1", если на нечетном числе входов сигналы равны "1", "Сумматор по модулю 2" обозначают на схемах как М2, а реализуемую им логическую операцию записывают с использованием знака , например у = х1 х2. Выходной сигнал элемента "Запрет" равен "0" при запрещающем сигнале "1" на инверсном входе, независимо от сигнала на прямом входе.

Интегральные микросхемы обычно содержат несколько однотипных логических элементов или их комбинации. МИС с одноступенчатой логикой содержат только независимые логические элементы, подобные тем, что представлены в табл. 2. МИС с двухступенчатой логикой содержат два последовательно включенных элемента с одноступенчатой логикой. На рис. 1 показаны условные обозначения некоторых типовых элементов МИС различных серий.

Соответствие входных и выходных сигналов логических элементов

Taблицa 2

Логический

Обозначение

Логическое

 

Значения у при

 

элемент

 

выражение

 

 

х1, х2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0, 0

 

0, 1

1, 0

 

1, 1

НЕ

 

y =

 

1

 

 

 

 

1

 

1

0

 

0

 

x

 

 

(инвертор)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И

 

y = x1x2

0

 

0

0

 

1

(коньюнктор)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИЛИ

 

y = x1 x2

0

 

1

1

 

1

(дизыонктор)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И-НЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

1

 

0

 

y = x1x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИЛИ-НЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

0

0

 

0

 

y = x1 x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исключающее

 

y = x1

 

 

2

 

 

1x2

0

 

1

1

 

0

 

x

x

 

 

ИЛИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

Соседние файлы в папке Лекции pdf