Микропроцессоры в приборах и системах контроля

Совершенствование технологии изготовления полупроводниковых приборов привело к созданию больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем, включающих в себя сотни тысяч и миллионы полупроводниковых компонентов, и позволяющих реализовать достаточно сложные специализированные вычислительные структуры.

Появление микропроцессорных (микро… и англ, processor, от лат. process — обрабатываю) приборов и систем явилось революционным шагом в развитии систем обработки данных, так как коренным образом изменились способы обработки информации.

Внедрение микропроцессоров и микроЭВМ в измерительные средства позволяет повысить надёжность, точность измерений, расширить функциональные возможности приборов и систем. Например, могут быть реализованы следующие функции: автоматическая калибровка; коррекция нуля и температурной погрешности; контроль и управление; преобразование и обработка данных; принятие решений; диагностика и поиск неисправностей; представление информации в удобной для пользователя форме; автоматические испытания; поверка приборов и измерительных каналов комплексов и многое другое.

Микропроцессоры и ЭВМ являются частью вычислительного компонента измерительной системы (ИС) или СИ.

Микропроцессор — самостоятельное или входящее в состав ЭВМ устройство, осуществляющее обработку информации и управляющее этим процессом, выполненное в виде одной или нескольких БИС.

В общем случае в состав микропроцессора входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок управления и синхронизации, запоминающее устройство (постоянное — ПЗУ и оперативное, временное — ОЗУ), регистры и другие блоки, необходимые для выполнения операций вычислительного процесса.

АЛУ осуществляет обработку поступающей из ОЗУ информации по командам программы, хранящейся в ПЗУ, порядок выполнения которых определяется блоком управления и синхронизации. Исходные данные, промежуточные и окончательные результаты вычислений содержатся в ОЗУ, ПЗУ и специальных регистрах. Часть регистров используют для организации выполнения программы.

Как БИС микропроцессор характеризуется степенью интеграции, потребляемой мощностью, помехоустойчивостью, нагрузочной способностью активных выходов, определяющей возможность подключения к данному микропроцессору других БИС, технологией изготовления, типом корпуса, механическим ресурсом, устойчивостью к механическому, климатическому и радиационному воздействиям и др.

Как вычислительное устройство микропроцессор характеризуется производительностью, разрядностью обрабатываемых данных и выполняемых команд, возможностью увеличения разрядности, числом команд (микрокоманд), количеством внутренних регистров, возможностью обеспечения режима прерывания, числом уровней прерывания (уровней приоритета, от лаг. prior — первый, старший), способностью к обработке десятичных кодов (франц. code, от лат. codex — свод, сборник), объемом адресуемой памяти, наличием каналов прямого доступа к памяти, типом и числом входных и выходных шин и их разрядностью, наличием и видом программного обеспечения, способом управления и др.

На рис. 1.5 показана структурная схема однокристального микропроцессора с фиксированной разрядностью обрабатываемых данных.

Такой микропроцессор выполняет функции процессора ЭВМ, все операции которого определяются хранящимися в его памяти командами. Особенностью однокристального микропроцессора является наличие внутренней шины, по которой происходит обмен информацией между устройствами микропроцессора.

В микропроцессоре использован магистральный принцип организации связи между узлами, заключающийся в том, что вес узлы микропроцессора работают поочередно на общую внутреннюю шину.

АЛУ — основной операционный блок микропроцессора, который выполняет арифметические и логические операции, а также операции сдвига.

Система управления включает в себя дешифратор команд, схему синхронизации и управления, регистры временного хранения и мультиплексор регистров.

Блок регистров (от средневек. лат. registrant — список, перечень) предназначен для хранения поступающих данных и промежуточных результатов.

Рис. 1.5. Структурная схема микропроцессора.

Регистр признаков предназначен для хранения признаков разрядов результата операции, а также разрядов, которые отражают состояние микропроцессора на том или ином этапе выполнения программы: разрешение прерывания, вид адресации, состояние стека (англ, stack — стог, груда) и др.

Регистр-аккумулятор (от лат. accumulator — собиратель) — регистр, разрядность которого соответствует разрядности АЛУ, служит для фиксации одного из участвующих в операции операндов, а также хранит результаты выполненной операции. Кроме того, через него реализуют обмен информацией между микропроцессором и внешними устройствами ввода-вывода. Аккумулятор, как и все регистры в микропроцессоре, реализуется на однолибо двухступенчатых триггерах (англ, trigger — защелка, спусковой механизм).

Несколько соединённых определённым образом триггеров образуют регистр или счётчик.

Регистр адреса осуществляет выдачу адресов на тину адреса и, кроме того, позволяет отключить микропроцессор от этой шины.

К основным характеристикам микропроцессора или ЭВМ относят:

• — быстродействие, которое определяется числом операций типа «сложение» в секунду, т. е. во флопах (FLoating point Operations Per Second), или частотой тактового генератора, Гц;
• — ёмкость памяти, измеряемая в байтах. Напомним читателю, что 1кбайт = 2^|0байт = 1024 байт, соответственно 1 Мбайт = = 1024 кбайта;
• — разрядность, т. е. максимальное число одновременно обрабатываемых двоичных разрядов которая обозначается как т/п/к, где т — разрядность внутренних регистров, которая определяет принадлежность к тому или иному разряду процессоров; п — разрядность шины данных, определяющая скорость передачи информации; к — разрядность шины адреса, она определяет размер адресного пространства;
• — стоимость, которая нередко является решающим фактором, влияющим на использование вычислительной техники.

Микропроцессоры классифицируют следующим образом.

По назначению микропроцессоры делят на универсальные, т. е. такие, в системе команд которых заложена универсальность алгоритмов, и специализированные, предназначенные для решения определённого класса задач, а иногда и для решения только одной конкретной задачи.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры — цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в микропроцессор через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами.

По количеству выполняемых программ различают однои многопрограммные микропроцессоры. В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

В многоили мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

По числу БИС в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении её вертикальными плоскостями. Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС микропроцессора в них добавляются средства «стыковки».

Таким образом, микропроцессорная секция — это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определённых управляющих операций. Секционность БИС микропроцессора определяет возможность наращивания разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессором при параллельном включении большего числа БИС.

Микропроцессоры в приборах и системах выполняют следующие функции: контроллерные, вычислительные, тестовые, сервисные и распределённой обработки данных.