Программное обеспечение микропроцессорных приборов

Современные приборы работают в измерительных системах (ИС) или системах автоматического управления и регулирования (САУ и САР), поэтому рассмотрим вопросы системного и программного обеспечения систем и приборов.

В соответствии с ГОСТ 26.203−81 программными компонентами ИС являются системное обеспечение и общее прикладное программное обеспечение. Программные компоненты системы образуют в совокупности математическое обеспечение системы и входят в комплект ИС.

Системное, программное обеспечение ИС представляет собой совокупность программного обеспечения компьютера (или компьютеров), используемого в ИС, и дополнительных программных средств, которые позволяют:

• — работать в диалоговом режиме с системой контроля;
• — управлять средствами измерений;
• — обмениваться измерительной информацией с измерительными модулями;
• — проверять работоспособность отдельных компонентов ИС и системы в целом;
• — изменять и дополнять состав общего прикладного программного обеспечения.

Программа (греч. лроурарра — объявление) — это данные, предназначенные для управления конкретными компонентами системы обработки информации в целях реализации определённого алгоритма.

Программное обеспечение (ГОСТ 19 781−90) — совокупность программ системы обработки информации и программных документов, необходимых для эксплуатации этих программ. Оно включает в себя операционную систему, системные программы, тестовую систему.

Базовое (системное) программное обеспечение организует процесс обработки информации и создаёт нормальную рабочую среду для прикладных программ. Базовое программное обеспечение связано с аппаратными средствами.

Прикладное программное обеспечение непосредственно нацелено на решение профессиональных задач пользователя, оно предназначено для разработки и выполнения конкретных задач (приложений).

Различают следующие типы прикладного программного обеспечения:

• — общего назначения (текстовые и программные редакторы, электронные таблицы, системы управления базами данных — СУБД, интегрированные пакеты, Case-технологии, оболочки экспертных систем и систем искусственного интеллекта);
• — методо-ориентированное (математическое программирование, т.с. линейное, динамическое и статистическое, сетевое планирование и управление, теория массового обслуживания, математическая статистика);
• — проблемно-ориентированное (для промышленной и непромышленной сферы, бухгалтерского учёта и менеджмента, справочно-правовые системы);
• — для глобальных систем. В качестве примера можно привести программное обеспечение для глобальной сети интернет: средства доступа и навигации — Netscape Navigator, Internet Explorer, программы для электронной почты e-mail, среди которых наиболее распространёнными являются MS Outlook Express, The Bat, Eudora, почтовая программа из пакета Netscape Communicator — Netscape Messenger;
• — для организации (администрирования) вычислительного процесса. Наибольшее распространение получило прикладное программное обеспечение фирмы Bay Network (США), управляющее администрированием данных, коммутаторами, концентраторами, маршрутизаторами, трафиком сообщений.

Операционная система — это совокупность системных программ, предназначенная для обеспечения определённого уровня эффективности системы обработки информации за счёт автоматизированного управления её работой и предоставления пользователю определённого набора услуг (ГОСТ 15 971−90). Операционная система является посредником между ИС и пользователем, она анализирует, интерпретирует запросы и обеспечивает их выполнение.

Существует три основных категории операционных систем, каждая из которых характеризуется как определённым типом взаимодействия пользователя с его заданиями, так и ограничениями на время ответа ИС.

• 1. Операционная система пакетной обработки — система, которая обеспечивает обработку заданий, поступающих в виде последовательных пакетов данных на входных устройствах. Во время такой обработки отсутствует взаимодействие между пользователем и его заданием, а время ответа ИС является временем выполнения задания.
• 2. Операционная система разделения времени — система, которая обеспечивает одновременное обслуживание многих пользователей, работающих в режиме непосредственной связи с ЭВМ, и позволяет каждому пользователю взаимодействовать со своей программой и данными. Это достигается разделением времени работы процессора и других ресурсов ИС между пользователями таким образом, что гарантируется ответ на каждую команду пользователя в течение выделяемого ему «кванта времени» (нем. Quant, от лат. quantum — сколько).
• 3. Операционная система реального времени — система, которая обслуживает процессы, протекающие в устройствах, работающих в режиме непосредственной связи с ЭВМ.

Эта система характеризуется эффективным использованием ресурсов, быстрой реакцией на события в реальном времени и обеспечивает следующее:

• — мультипрограммный режим выполнения программ в реальном времени;
• — приоритетную диспетчеризацию задач и приоритетное разделение ресурсов;
• — управление файлами (англ, file — подшивка бумаг, картотека, набор данных) на различных накопителях;
• — использование и программную поддержку широкого набора внешних устройств;
• — многопользовательский режим работы;
• — включение пользовательских драйверов для нестандартных внешних устройств;
• — динамическое разделение и уплотнение памяти;
• — динамическую загрузку задач с диска и выгрузку их на диск;
• — работу с расширенной памятью.

Операционная система состоит из монитора, файловой системы, системных утилит, драйверов внешних (периферийных) устройств.

Монитор (от лат. monitor — напоминающий, надзирающий), диспетчер (от англ, dispatch — быстро выполнять), супервизор (от англ, supervisor, букв. — надсмотрщик) — совокупность взаимодействующих программ, используемых в качестве сопряжения между оборудованием и программой, реализуемой в ИС, а также между системой и пользователями.

Файловая система — совокупность программных средств и структур, обеспечивающих для пользователя независимость хранения данных по отношению к используемому процессору и внешним физическим устройствам. Файловая система обеспечивает целостность информации, а также безопасность от неправомочного доступа. Кроме того, файловая система организует экономное распределение внешней памяти под файлы, а также предоставляет эффективные команды для работы с ними. Наконец, файловая система обеспечивает пользователю операционной системой простые средства взаимодействия с файлами.

Системные утилиты (англ, utilita) — набор отдельных программ, работающих под управлением монитора и выполняющих такие операции, как транслирование (лат. translator — переносчик) и ассемблирование (англ, assembler, от assemble — собирать, монтировать) программ, связывание, внесение изменений, перемещение, отладка и т. д.

Драйверы (англ, driver — водитель, проводник) внешних устройств выполняют функции управления и обмена информацией между монитором и периферийными устройствами, обеспечивают унифицированный интерфейс для взаимодействия с периферийными устройствами на уровне системных запросов монитора.

Системные программы, входящие в состав программного обеспечения ЭВМ, могут обеспечивать разнообразные функции, нс реализованные в конкретной системе. Это могут быть дополнительные языковые трансляторы, пакеты сетевой взаимосвязи, специализированные утилиты и т. д.

Тестовая (англ, test — проба, исследование, испытание) система состоит из тестового монитора, предназначенного для разработки и исполнения тестовых программ, и набора тестов, включая тесты отдельных устройств и ИС в целом.

Программное обеспечение ЭВМ является базой, на которой строится программное обеспечение ИС. По объёму и выполняемым функциям программное обеспечение ЭВМ составляет основную часть системного обеспечения ИС.

Дополнительные программные средства системного программного обеспечения делят на объектовые и вспомогательные. К объектовым программным средствам относят программы управления и обмена со средствами получения информации, обеспечения диалогового режима. Отличительной особенностью этих программ является то, что с их помощью и соответствующим программным обеспечением ЭВМ осуществляются процессы получения, обработки, хранения и представления результатов в ИС.

К вспомогательным программным средствам относят программы проверки работоспособности измерительных каналов ИС и системы в целом, а также средства для внесения изменений и дополнений.

Основной удельный все объектового программного обеспечения составляют средства управления и получения информации ИС. В функции этого обеспечения входит организация взаимосвязи со средствами получения информации, ведение различных режимов работы, включая режим реального времени. Программное обеспечение получения информации строится двумя способами.

Первый основывается на универсальных средствах языкового характера, представляющих собой набор функций или операторов, встраиваемых в тот или иной стандартный язык программирования, и обеспечивающих функции управления и обмена. Примерами подобных средств является язык QUASIC для ИС на базе КАМАК, Бейсик и т. п.

Второй способ состоит в создании систем макрокоманд, включённых в программное обеспечение ИС на уровне языка ассемблер соответствующих ЭВМ. При таком подходе, с одной стороны, используется язык макрокоманд сравнительно высокого уровня для программирования сложных задач ввода-вывода и организации взаимодействия параллельных процессов, с другой стороны, применяются все возможности языка низкого уровня, т. е. ассемблера.

Основная часть вспомогательных программных средств системного программного обеспечения ИС состоит из программ тестирования устройств ИС и системы в целом. Тесты представляют собой программы, основными функциями которых является выявление возможных ошибок в работе устройств и ИИС в целом. Алгоритмы (алгорифм, от лат. algorithm/, algorismus — первоначально — латинская транскрипция имени среднеазиатского математика IX века аль-Хорезми), лежащие в основе их реализации, построены с расчётом на возможно более полную и глубокую проверку всех допустимых для устройств режимов работы.

Дополнительные программные средства системного программного обеспечения ИС создаёт организация-разработчик, а в соответствии с ГОСТ 26.023−81 обеспечивает ими потребителя предприятие-изготовитель на носителях информации, принятых для используемой системы.

Общее прикладное программное обеспечение ИС представляет собой организованную совокупность программных модулей, реализующих:

• — типовые алгоритмы обработки измерительной информации (в том числе при косвенных, совместных и совокупных измерениях, а также с целью коррекции погрешностей);
• — типовые алгоритмы планирования эксперимента;
• — метрологическое обслуживание ИС (поверка, экспериментальное определение метрологических характеристик каналов, метрологическая аттестация).

Модули системного прикладного программного обеспечения реализуются посредством системного программного обеспечения ИС и должны быть согласованы друг с другом так, чтобы обеспечить их функционирование в соответствии с назначением и задачами исследований, проводимых с помощью ИС.

Различают следующие виды программирования: структурное, объектно-ориентированное и логическое.

Процесс обработки данных есть система действий, реализующих определённую функцию в системе обработки информации и оформленная так, что управляющая программа данной системы может перераспределять ресурсы этой системы в целях обеспечения мультипрограммирования.

В табл. 2.3 (разд. 2.3) приведена такая функция микропроцессора, как управление уравновешиванием измерительной цепи. Измерительная цепь состоит из измеряемой величины, изменяемого канала сравнения и компаратора выходных сигналов каналов. Подпрограмма «balance» позволяет микроконтроллеру осуществлять операции считывания состояния компаратора и управление коэффициентом передачи канала сравнения. Критерием состояния равновесия являегся измерение единицы младшего разряда выходного сигнала компаратора с 0 на 1 или наоборот.

Описание алгоритма функционирования подпрограммы «balance» показано на рис. 2.5.

• 1. Очистить значение результата.
• 2. Установить маску сдвига со значением старшего разряда ЦАП.
• 3. Установить счётчик циклов (12).
• 4. Выполнить логическое «ИЛИ» результата и маски (установить проверяемый разряд).
• 5. Результат операции переслать в ЦАП.
• 6. Если значение ЦАП меньше входного значения (бит компаратора = 0), то перейти к п. 8.
• 7. Очистить проверяемый разряд в значении результата.
• 8. Произвести сдвиг маски вправо.
• 9. Если не конец цикла, то перейти к п. 4.
• 10. Результат готов.
• 11. Выход из подпрограммы.

Рис. 2.5. Подпрограмма «balance»

Текст этой подпрограммы на языке С показан ниже, на рис. 2.6.

/*.

* Подпрограммы для измерения входного сигнала.

* методом поразрядного уравновешивания.

* для кондуктометра KS-lm.

* Процессор — ATtiny2313.

* ЦАП — DAC8043.

* Среда программирования — AVR Studio */.

//————Include——————-;

«include.

#include.

//————Defines——————-;

«define byte uint8_t «define word uintl6_t.

«define F_OSC 12 000 000 // частота резонатора.

«define PB PORTB «define PD PORTD.

IIРВ — порт В #definc b_ld 5 «define b_sri 6 «define b_clk 7 //PD — порт D «define d_tst 2 // бит компаратора.

II биты управления DAC8043.

//———-Macros————————;

«define SET WR PB |= _BV (b_srw).

«define SETRD PB &=~_BV (b_srw).

// биты управления ЦАП с поел, входом «define SRI ON PB |= _BV (b_sri).

«define SRI OFF PB &=~_BV (b_sri).

«define CLKON PB |= _BV (b_clk).

«define CLKOFF PB &=~_BV (b_clk).

«define LDON PB |= _BV (b_ld).

«define LD OFF PB &=~_BV (b_ld).

//———-Subroutines—————-;

I/?11— п/п вывода данных на ЦАП (12р) void dac_8043(word cd) {.

«define dly _delay_us (2); char i;

volatile word w;

LD ON; CLK OFF; dly;

w = cd* 16; // сдвиг влево на 4 разряда.

for (i=0;i<12;i++) {.

w = w*2; // сдвиг влево на 1 разряд.

if (bit_is_set (SREG, 0)) // проверить бит переноса С.

SRI ON;

else.

SRl_OFF;

dly; CLK ON; // «защелкнуть» dly; CLKOFF;

dly;

}.

LD OFF; dly;

}.

//?11— п/п опроса бита компаратора byte tst_bit_ms (int n) { word i, w, top, sum;

top = 73*n; // циклов для периода 1 мс.

sum = 0; // накопитель битов.

for (i=0;i.

_dclay_us (10);

w = PIND; w /= 4; w &= 1; // выделить бит d tst.

sum += w; // суммировать полученный бит.

}.

if (sum > top/2) retum (1); // полусумма else retum (O);

}.

//?//— п/п уравновешивания вх. сигнала word balance (void) { byte i;

word result, mask; result = 0; //.

// начинаем со старшего разряда.

mask = 0×0800; for (i=0;i<12;i++) { wdt_reset (); result |= mask; dac_8043(rcsult);

// время заряда конденсаторов СД // для 1 периода частоты 50 Гц // очистить бит.

_dclay_ms (20); if (tst_bit_ms (20) == 1) result &= -mask; mask = mask «1;

return (result);

//—————-Main —.

int main (void) { word val;

whilc (l) { val = balance ();

>

}.

Рис. 2.6. Текст подпрограммы «balance»

Внешний вид программатора, позволяющего запрограмми ровать микроконтроллер, показан на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Программатор.