Микропроцессор. 
Метрология и измерительная техника. 
Микропроцессорные анализаторы жидкости

Совершенствование технологии изготовления полупроводниковых приборов привело к созданию больших интегральных схем (БИС), 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 или средства измерений.

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, 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 лат. prior — первый, старший), способностью к обработке десятичных кодов, объёмом 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.

На рис. 2.1 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 все его узлы работают поочерёдно 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. registrum — список, перечень) предназначен для хранения поступающих данных и промежуточных результатов.

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 одноили двухступенчатых триггерах (англ, trigger — защёлка, спусковой механизм).

Ряд соединённых определённым образом триггеров образуют регистр или счётчик.

Регистр адреса осуществляет выдачу адресов на шину 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, или частотой тактового генератора, Гц;
• — ёмкость памяти, измеряемая в байтах. Напомним читателю, что 1 кбайт = 2¹⁰ байт = 1024 байт, соответственно 1 Мбайт = = 1024 кбайта;
• — стоимость, которая нередко оказывается решающим фактором, влияющим на использование вычислительной техники.

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

Контроллер (от англ, control — проверять, контролировать) — устройство (рис. 2.2), ориентированное на реализацию алгоритмов цифрового управления различными объектами и процессами. Микроконтроллер содержит все основные компоненты микропроцессорной системы: процессор, память и набор стандартных функциональных модулей различного назначения. Такие интегральные схемы в настоящее время являются основными элементами встроенных систем управления различными приборами и оборудованием.

Контроллер программируемый (ГОСТ Р 51 840−2001) — цифровая электронная система, предназначенная для применения в промышленных условиях. Он использует программируемое запоминающее устройство для внутреннего хранения ориентированных на пользователя инструкций, для выполнения специальных функций, таких, как логические, упорядочения, отсчёта времени, математические действия, управление через цифровые или аналоговые входы и выходы различными типами механизмов или процессов. Программируемые контроллеры и связанные с ним периферийные устройства разрабатывают так, чтобы они могли быть легко интегрированы в промышленную систему.

Рис. 2.2. Микроконтроллер.

Конфигурация программируемого контроллера — совокупность устройств, применяемых пользователем для создания соответствующей автоматизированной системы, в составе программируемого контроллера и связанных с ним периферийных устройств.

Человеко-машинный интерфейс (ЧМИ) — периферийные устройства, внесённые в каталог производителя и снабжённые кнопками, световыми индикаторами, клавиатурой, дисплеями или эквивалентными устройствами и служащие интерфейсом оператору.

Периферийное устройство — устройство из числа внесённых в каталог производителя, внутреннее или внешнее по отношению к конфигурации программируемого контроллера. Функциями периферийных устройств являются программирование, контроль, наблюдение, тестирование и регистрация работы конфигурации контроллера.

Средства программирования и отладки — это периферийные устройства из каталога производителя, служащие для программирования, проверки, ввода в действие и поиска неисправностей в контроллере, а также для документирования и хранения программ, и, возможно, в качестве человеко-машинного интерфейса.

В соответствии с ГОСТ Р 51 318.14.1−99 контроллеры (микропроцессоры) подразделяют на классы, указанные в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Классификация контроллеров_.

Интерфейс (англ, interface — согласовывать, сопрягать) — совокупность средств и правил, обеспечивающих взаимодействие устройств вычислительной машины или системы обработки информации и (или) программ (ГОСТ 15 971−90).

Интерфейс — это устройство сопряжения, а в широком смысле — совокупность механических, электрических и программных средств, позволяющих сопрягать модули в систему.

Стандартизации в интерфейсе обычно подлежат форматы передаваемой информации, команды и состояния, состав и типы линий связи, алгоритм функционирования, передающие и приёмные электронные схемы, параметры сигналов и требования к ним, конструктивные решения.

По своему назначению интерфейсы бывают машинные, системно-модульные и системно-приборные.

Машинный — это такой интерфейс, который соединяет центральный процессор ЭВМ с другими её функциональными блоками.

Системный — интерфейс, решающий задачу унификации сопряжения модулей, предназначенных для работы в системе. Он не рассчитан на работу в качестве автономных приборов.

Приборный — это интерфейс, объединяющий в систему модули-приборы, которые могут работать автономно. Для него характерны значительные функциональные возможности (измерение ряда параметров, различные режимы работы, программируемость и т. п.).

Различают три основные схемы соединения модулей. Каскадная (цепочечная, децентрализованная) схема применяется, когда общий поток информационных сигналов в каждый данный момент времени связывает между собой только один объект исследования, один источник испытательных сигналов и один измерительный прибор.

Радиальная (централизованная) схема характерна для случая, когда к центральному модулю надо подключить несколько модулей. При этом модули присоединяют без коммутатора (непосредственно), т. е. центральный модуль имеет достаточное число каналов для обмена данными.

Магистральная (с централизованным управлением) схема. Если число каналов центрального модуля меньше требуемого числа, то отдельные модули связывают с центральным модулем через общую магистраль с последовательным по времени обращением. При каждом обращении (запросе) к центральному модулю подключается только тот модуль, адрес которого вызывается программой.