Состав, принципы организации и функционирования микропроцессора и микро ЭВМ

 

Из ранее рассмотренных импульсных и цифровых устройств (логические элементы, триггеры, счетчики, регистры и т.д.) возможно создать в принципе электронную систему любой сложности. На начальных этапах применения электроники для автоматизации судовых процессов так и поступали. Однако, с повышением сложности решаемых задач увеличивался объем электроники, снижалась надежность, поскольку требовались сотни и тысячи электронных компонентов. Выход из этого тупика был найден с разработкой микропроцессоров. Можно утверждать, что появление микропроцессоров оказало революционное воздействие на все сферы человеческой деятельности, которое можно сопоставить с овладением человечеством энергией водяного пара. Достигнутый к настоящему времени уровень автоматизации морских судов, характеризуемый частично или полностью безвахтенным обслуживанием энергетической установки, почти двухкратным сокращением численности судового экипажа (наряду со значительным улучшением условий труда и отдыха) стал возможен благодаря системам комплексной автоматизации, построенным на основе микропроцессоров.

Микропроцессор – программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровых данных и выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных микросхем (БИС). Первый микропроцессор был разработан фирмой Intel в начале 70-х годов 20-го столетия. В 70-е, в начале 80-х годов были разработаны микропроцессоры типов 8080, 8086, 8088 к настоящему времени широко применяемые на судах. Классическим, со всеми характерными чертами микропроцессора, стал микропроцессор 8080 фирмы Intel, аналог которого выпускался и в СССР. Он выполнен в виде одной БИС, содержащей около 5000 транзисторов.

Микропроцессор самостоятельно функционировать не может. Он входит составной (основной) частью в микроЭВМ.

МикроЭВМ – это ЭВМ, содержащая микропроцессор, запоминающее устройство и контроллеры устройств ввода/вывода. На основе микроЭВМ строятся судовые микропроцессорные системы управления (МПСУ). Под МПСУ понимается управляющая система, включающая в себя микроЭВМ, средства сопряжения с объектом управления (датчики, исполнительные механизмы) и средства связи с оператором (человеком).

Основные элементы микропроцессора и микроЭВМ приведены на рис. 4.18.

Показанные на рис. 4.18 блоки микропроцессора и микроЭВМ имеют следующие значения:

АЛУ – арифметико–логическое устройство, выполняет логические и простейшие арифметические операции.

Регистры – ячейки памяти для временного хранения информации.

Дешифратор - по двоичному коду команды распознает её существо.

Счетчик команд – задает в двоичном коде адрес ячейки, в которой находится очередная команда, подлежащая выполнению.

Устройство управления – управляет работой микропроцессора и ЭВМ.

ГТИ – генератор тактовых импульсов, задаёт темп работы процессора.

ЗУ – запоминающее устройство.

ЗУП – запоминающее устройство программ.

ЗУД – запоминающее устройство данных.

Контроллеры (адаптеры) – для ввода или вывода информации из микро ЭВМ

Для взаимодействия этих блоков они связаны между собой электрическими линиями, которые по функциональному признаку сведены в 3 группы (шины). По шине данных информация передаётся между микропроцессором и другими устройствами микро ЭВМ. Информация выражена в двоичном коде с определенной разрядностью.

Разрядность микропроцессора – число разрядов двоичного кода, которым представляется информация в микропроцессоре. Характерным являются 8 или 16 разрядный код. Чем выше разрядность, тем выше производительность микроЭВМ.

По шине адреса в виде двоичного кода передается адрес ячейки памяти, к которой обращается микропроцессор или адрес контролера.

По шине управления передаются сигналы, сопровождающие передаваемую по шине данных информацию. Например: RD -считать содержимое ячейки памяти; WR – записать (RD, WR – наименование сигналов).

После подачи питания счётчик команд задает адрес ячейки, находящейся в ЗУП, в которой содержится первая выполняемая команда.

На втором этапе по шине управления передаётся сигнал “RD” и содержимое этой ячейки через шину данных поступает в микропроцессор. В дешифраторе эта команда распознаётся и микропроцессором выполняются оговорённые ею действия (например в АЛУ). Результат их помещается в один из регистров памяти или в одну из ячеек ЗУД. По завершении выполнения этой команды счетчик команд получает приращение, т.е. двоичный код адреса увеличивается. Этот адрес поступает снова на шину адреса и происходит считывание и выполнение очередной команды и т.д.

Если существо очередной выполняемой команды состоит в передаче информации на одно из УВВ, то по шине адреса задаётся адрес контроллера адаптера этого УВВ.

Таким образом, процесс выполнения каждой команды протекает в несколько этапов, называемых машинными тактами. Длительность машинного такта равна периоду импульсов, вырабатываемых ГТИ. Чем выше частота тактовых импульсов, тем большее число команд в единицу времени может выполнить микропроцессор и микроЭВМ. Однако максимальное значение тактовой частоты ограничено быстродействием элементов (транзисторов), на которых построен микропроцессор.

Так, 8-разрядный микропроцессор 8080 способен работать с тактовой частотой 2,5 МГц, что позволяет ему выполнять около 600 тысяч простых команд, каждая из которых занимает 4 машинных такта. Более совершенный микропроцессор 8088 имеет тактовую частоту 8 МГц, что обеспечивает ему, наряду с вдвое большей разрядностью (16 разрядов) в несколько раз большую производительность.

Данные микропроцессоры разработаны в 70-х годах и их тактовая частота к настоящему времени представляется весьма скромной. Однако их производительность вполне достаточна для решения задач автоматизации отдельных объектов судового энергетического оборудования, что и обеспечивает им широкое применение. Современные же высокопроизводительные 32-, 64-разрядные микропроцессоры, тактовая частота которых достигает 1000 МГц, используются в судовых ЭВМ, выполняющих роль диспетчерских станций. Эти ЭВМ связывают отдельные, локальные подсистемы автоматики, построенные на более простых ЭВМ в единую систему комплексной автоматизации СЭУ, координируют их работу, являются по существу пультом контроля и управления всей СЭУ. Их структура и параметры, построение программного обеспечения близки к таковым у персональных ЭВМ.

Персональные ЭВМ не являются предметом изучения данного курса. Поэтому ниже будут рассмотрены специфические вопросы, характерные для судовых ЭВМ, непосредственно управляющих энергетическим оборудованием.

 

 4.7. Память микроЭВМ. Средства реального времени

Память микроЭВМ.

Запоминающее устройство управляющей судовой микроЭВМ выполнено на основе микросхем памяти. Каждая из микросхем характеризуется емкостью – числом ячеек памяти. Физические принципы хранения информации различны для разных типов микросхем памяти.

Ячейки памяти оперативного запоминающего устройства (англ. RAM), служащего для хранения данных, получаемых в процессе работы (запоминающее устройство данных) строятся по двум принципам:

- на основе Д-триггеров;

- на основе конденсаторов.

Ячейки памяти первого типа ничем не отличаются от рассмотренных ранее параллельных регистров. Микросхемы памяти такого типа являются наиболее быстродействующими, однако их емкость относительно невелика, а стоимость значительна. Их называют статическими ОЗУ.

В микросхемах второго типа в качестве запоминающего элемента используется конденсатор. Если его зарядить, то определенное время на нем будет присутствовать напряжение, что можно рассматривать как сохранение сигнала логической единицы. Если конденсатор разряжен, то можно считать, что он хранит сигнал логического нуля. Такие микросхемы обладают очень высокой емкостью, дешевы. Однако, заряженный конденсатор постепенно разряжается и чтобы информация не была потеряна, его нужно периодически подзаряжать (эта операция называется регенерация памяти). Пока идет подзаряд, ячейка памяти не может быть использована, что снижает быстродействие такой памяти. Микросхемы памяти этого типа называют динамическими ОЗУ,

Оба типа микросхем ОЗУ позволяют в процессе работы микроЭВМ как записывать в их ячейки памяти информацию, так и считывать. Информация хранится до тех пор, пока есть питание.

Ячейки памяти микросхем постоянного запоминающего устройства (ПЗУ, агнл. ROM), служащие для хранения программ (ЗУП), по способу занесения в них информации и ее обновления также имеют ряд разновидностей. В судовых управляющих микроЭВМ применяются в основном два типа ПЗУ:

- однократно-программируемые;

- перепрограммируемые.

Ячейки памяти однократно-программируемого ПЗУ (англ. PROM) в простейшем случае представляют набор электрических перемычек, выполненных из легкоплавкого сплава и включенных по определенной схеме. В исходном состоянии все перемычки целы, т.е. в микросхему ничего не записано. Фирма-разработчик (или изготовитель) судовой микроЭВМ записывают управляющую программу в такую микросхему с помощью программатора (специальный блок, на основе ЭВМ), который пережигает (расплавляет) ненужные перемычки. После программирования часть перемычек удалена и это состояние можно рассматривать как запись логической единицы. Там, где перемычки сохранены, можно считать, что записан логический ноль. Такие микросхемы используются для хранения управляющей программы. Однажды запрограммированная микросхема не может быть использована для повторного программирования, поскольку перемычки восстановить уже нельзя.

Ячейки памяти перепрограммируемых ПЗУ (англ. EPROM, EEPROM) допускают многократную очистку и повторную запись программ. Ячейка памяти такого ПЗУ представляет собою зону из проводящего материала, окруженную диэлектриком. При программировании к конкретной ячейке памяти подводится повышенное напряжение, что придает электронам высокую энергию, они преодолевают слой диэлектрика и попадают в область проводника. После снятия повышенного напряжения электроны не в состоянии преодолеть диэлектрический слой и сохраняются в области проводника длительное время – десятки-сотни тысяч часов, независимо от наличия питания микросхемы. Объемный электрический заряд, который получил проводник, можно рассматривать как логическую единицу, записанную в данную ячейку.

Очистка микросхемы программируемого ПЗУ осуществляется либо электрическим воздействием (микросхемы типа EEPROM) – подачей повышенного напряжения на ячейку памяти, но другим образом, по сравнению с ее программированием, либо облучением кристалла ПЗУ ультрафиолетом. В последнем случае микросхема имеет стеклянное окошко в корпусе и обозначается как EPROM.

Электрически стираемые ПЗУ (EEPROM) более удобны в применении. Кроме управляющей программы в таких ПЗУ могут храниться настроечные параметры систем автоматики – уставки на срабатывание сигнализации, коэффициенты, настроечные параметры резисторов и т.д. Эти параметры в эксплуатации можно менять путем выборочного стирания (электрически) и записи новых значений в требуемые ячейки памяти.

В заключение следует отметить, что все рассмотренные типы микросхем ПЗУ не обладают 100% надежностью в плане длительного хранения информации. Продукты пережигания плавких перемычек со временем (годы) претерпевают такие химические изменения, что в конечном итоге приводит к восстановлению перемычек, т.е. к изменению хранимой информации. В микросхемах ПЗУ второго типа из-за неидеальности и старения диэлектрика электроны постепенно (годы) уходят из области проводника, что также приводит к изменению хранимой информации. В практике эксплуатации судовой автоматики, построенной на базе микроЭВМ, имелись случаи отказов по причине нарушения содержимого ПЗУ. Микросхемы ПЗУ в эксплуатации могут легко заменяться. Для этого они, как правило, устанавливаются в специальные контактные панельки (сокеты) на плате микроЭВМ. Эта возможность обеспечивает исключительную универсальность микроЭВМ простой заменой микросхемы ПЗУ, с другой программой, можно заставить ту же ЭВМ решать совершенно другую задачу. Современные судовые системы комплексной автоматизации построены по существу на одинаковых по электрической схеме микроЭВМ, а их специализация определяется исключительно содержимым ПЗУ.

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться: