Микропроцессорные системы. Микропроцессорная техника Основы микропроцессорной техники

За несколько десятков лет развития микропроцессор проделал путь от объекта применения в узкоспециализированных областях к товару широкой эксплуатации. Сегодня в том или ином виде данные устройства вместе с контроллерами применяются практически в любой сфере производства. В широком смысле микропроцессорная техника обеспечивает процессы управления и автоматизации, но в рамках этого направления формируются и утверждаются все новые области развития высокотехнологичных устройств вплоть до появления признаков искусственного интеллекта.

Общее представление о микропроцессорах

Для управления или контроля определенными процессами требуется соответствующая поддержка программного обеспечения на реальной технической базе. В этом качестве выступает одна или набор микросхем на базовых матричных кристаллах. Для практических нужд почти всегда используются модули chip-set, то есть наборы микросхем, которые связаны общей системой питания, сигналами, форматами информационной обработки и так далее. В научной интерпретации, как отмечается в теоретических основах микропроцессорной техники, такие устройства представляют собой место (основная память) для хранения операндов и команд в закодированном виде. Непосредственное управление реализуется на более высоком уровне, но также через микропроцессора. Для этого используют контроллеры.

Говорить о контроллерах можно только применительно к микрокомпьютерам или микро-ЭВМ, состоящим из микропроцессоров. Собственно, это и есть рабочая техника, в принципе способная выполнять те или иные операции или команды в рамках заданного алгоритма. Как отмечается в учебнике по микропроцессорной технике Ливенцова С. Н., под микроконтроллером следует понимать компьютер, ориентированный на выполнение логических операций в рамках управления оборудованием. Он базируется на тех же схемах, но с ограниченным вычислительным ресурсом. Задача микроконтроллера в большей степени заключается в реализации ответственных, но простых процедур без сложных схем. Впрочем, технологически примитивными такие устройства тоже нельзя назвать, так как на современных производствах микроконтроллеры могут одновременно управлять сотнями и даже тысячами операций одновременно, учитывая и косвенные параметры их выполнения. В целом логическая структура микроконтроллера проектируется с расчетом на мощность, универсальность и надежность.

Архитектура

Разработчики микропроцессорных устройств имеют дело с набором функциональных компонентов, которые в итоге образуют единый рабочий комплекс. Даже простая модель микрокомпьютера предусматривает использование целого ряда элементов, обеспечивающих выполнение поставленных перед машиной задач. Способ взаимодействия между этими компонентами, а также средства коммуникации с входными и выходными сигналами во многом и определяют архитектуру микропроцессора. Что касается самого понятия архитектуры, то оно выражается разными определениями. Это может быть набор технико-физических и эксплуатационных параметров, среди которых число регистров памяти, разрядность, быстродействие и так далее. Но, в соответствии с теоретическими основами микропроцессорной техники, под архитектурой в данном случае следует понимать логическую организацию функций, реализуемых в процессе взаимосвязанной работы аппаратной и программной начинки. Более конкретно отражает следующее:

• Совокупность физических элементов, которые образуют микропроцессор, а также связи между его функциональными блоками.
• Форматы и способы предоставления информации.
• Каналы обращения к доступным для использования модулям структуры с параметрами их дальнейшего применения.
• Операции, которые может выполнять конкретный микропроцессор.
• Характеристики управляющих команд, которые вырабатывает или принимает устройство.
• Реакции на сигналы извне.

Внешние интерфейсы

Микропроцессор крайне редко рассматривается как изолированная система для выполнения односложных команд в статичном формате. Встречаются устройства, обрабатывающие один сигнал по заданной схеме, но чаще всего микропроцессорная техника работает с большим количеством коммуникационных связей от источников, которые и сами не являются линейными в плане обрабатываемых команд. Для организации взаимодействия со сторонней аппаратурой и источниками данных предусматриваются специальные форматы соединения - интерфейсы. Но для начала следует определить, с чем именно выполняется коммуникация. Как правило, в этом качестве выступают управляемые устройства, то есть на них от микропроцессора подается команда, а в режиме обратной связи могут поступать данные о статусе исполнительного органа.

Что касается внешних интерфейсов, то они служат не просто для возможности взаимодействия определенного исполнительного механизма, но и для его интеграции в структуру управляющего комплекса. Применительно к сложной компьютерной и микропроцессорной технике это может быть целая совокупность аппаратно-программных средств, тесно связанных с контроллером. Более того, микроконтроллеры зачастую и объединяют в себе функции обработки и подачи команд с задачами обеспечения коммуникации между микропроцессорами и внешними устройствами.

Характеристики микропроцессора

К основным характеристикам микропроцессорных устройств можно отнести следующие:

• Тактовая частота. Временной период, в течение которого происходит переключение компонентов вычислительной машины.
• Разрядность. Число максимально возможных для одновременной обработки двоичных разрядов.
• Архитектура. Конфигурация размещения и способы взаимодействия рабочих элементов микропроцессора.

О характере эксплуатационного процесса можно судить и по критериям регулярности с магистральностью. В первом случае речь идет о том, насколько в конкретной единице вычислительной микропроцессорной техники реализуем принцип закономерной повторяемости. Иными словами, каков условный процент дублирующих друг друга связей и рабочих элементов. Регулярность может применяться и в целом к структуре организации схемы в рамках одной системы обработки данных.

Магистральность же указывает на способ обмена данными между внутренними модулями системы, затрагивая также характер упорядочения связей. Объединяя принципы магистральности и регулярности, можно выработать стратегию создания унифицированных под определенный стандарт микропроцессоров. Такой подход имеет преимущество в виде облегчения коммуникационной организации на разных уровнях в плане взаимодействия через интерфейсы. С другой стороны, стандартизация не позволяет расширять возможности системы и повышать ее устойчивость перед внешними нагрузками.

Память в микропроцессорной технике

Хранение информации организуется с помощью специальных запоминающих устройств, выполненных из полупроводников. Это касается внутренней памяти, но также могут применяться внешние оптические и магнитные носители. Также элементы хранения данных на основе полупроводниковых материалов можно представить в качестве интегральных схем, которые включаются в состав микропроцессора. Такие ячейки памяти используются не только для хранения программ, но и для обслуживания памяти центрального процессора с контроллерами.

Если глубже рассматривать структурную основу запоминающих устройств, то на первый план выйдут схемы из металла, диэлектрика и полупроводника из кремния. В качестве диэлектриков используются компоненты из металла, оксида и полупроводника. Уровень интеграции запоминающего устройства определяется целевыми задачами и характеристиками аппаратной части. В цифровой микропроцессорной технике с обеспечением функции видеопамяти к универсальным требованиям надежной интеграции и соответствия электротехническим параметрам также добавляется помехоустойчивость, стабильность работы, быстродействие и так далее. Оптимальным решением с точки зрения критериев быстродействия и универсальности по интеграции являются биполярные цифровые микросхемы, которые в зависимости от текущих задач могут также использоваться в качестве триггера, процессора или инвертора.

Функции

Спектр функций в значительной степени основывается на задачах, которые микропроцессор будет решать в рамках того или иного технологического процесса. Универсальный набор функций в обобщенном варианте можно представить так:

• Чтение данных.
• Обработка данных.
• Обмен информацией с внутренней памятью, модулями или внешними подключенными устройствами.
• Запись данных.
• Ввод и вывод данных.

Значение каждой из вышеназванных операций определяется контекстом общей системы, в которой используется устройство. К примеру, в рамках арифметическо-логических операций электронная и микропроцессорная техника в результате обработки входной информации может представлять новую информацию, которая, в свою очередь, станет поводом для того или иного командного сигнала. Также стоит отметить внутренний функционал, за счет которого регулируются рабочие параметры самого процессора, контроллера, питания, исполнительных устройств и прочих модулей, работающих в рамках управляющей системы.

Производители устройств

У истоков создания микропроцессорных устройств стояли инженеры компании Intel, выпустившие целую линейку 8-разрядных микроконтроллеров на платформе MCS-51, которые в некоторых сферах применяются и сегодня. Также многие другие изготовители использовали семейство x51 для собственных проектов уже в рамках развития новых поколений электроники и микропроцессорной техники, в числе представителей которой значатся и отечественные разработки наподобие однокристальной ЭВМ К1816ВЕ51.

Выйдя в сегмент более сложных процессоров, фирма Intel уступила место микроконтроллеров другим компаниям, в числе которых оказались Analog Device и Atmel. Принципиально новый взгляд на архитектуру микропроцессоров предлагают фирмы Zilog, Microchip, NEC и др. На сегодняшний день в контексте развития микропроцессорной техники можно рассматривать линейки x51, AVR и PIC как наиболее успешные. Если же говорить о тенденциях разработки, то в наши дни на первое место выходят требования к расширению спектра задач внутреннего управления, компактности и низкому энергопотреблению. Иными словами, микроконтроллеры становятся меньше и рациональнее с точки зрения обслуживания, но при этом наращивают мощностный потенциал.

Обслуживание техники на базе микропроцессора

В соответствии с нормативными положениями, микропроцессорные системы обслуживаются бригадами рабочих во главе с электромехаником. Среди основных задач техобслуживания в данной сфере можно назвать следующие:

• Фиксация сбоев в процессе работы системы и их анализ с определением причин нарушения.
• Предупреждение отказов устройства и его компонентов за счет назначенного регламентного обслуживания.
• Устранение отказов устройства путем ремонта поврежденных элементов или их замены на исправные аналогичные детали.
• Производство своевременного ремонта компонентов системы.

Непосредственно обслуживание микропроцессорной техники может быть комплексным или мелкооперационным. В первом случае объединяется перечень технических операций независимо от их трудоемкости и уровня сложности. При мелкооперационном подходе акцент делается на индивидуализации каждой операции, то есть отдельные ремонтные или обслуживающие действия производятся в изолированном с точки зрения организации формате в соответствии с технологической картой. Недостатки данного метода связаны с высокими затратами на рабочий процесс, что в рамках масштабной системы может быть экономически неоправданным. С другой стороны, мелкооперационное обслуживание повышает качество технической поддержки аппаратуры, минимизируя риски ее дальнейшего выхода из строя вместе с отдельными компонентами.

Применение микропроцессорной техники

Перед широким внедрением микропроцессоров в разных сферах промышленности, бытового и народного хозяйства стоит все меньше барьеров. Это вновь обуславливается оптимизацией данных устройств, их удешевлением и ростом потребности в элементах автоматизации. К областям наиболее распространенного использования таких устройств можно отнести:

• Промышленность. Микропроцессоры используются в управлении рабочими операциями, координации машин, систем контроля и сбора производственных показателей.
• Торговля. В данной сфере эксплуатация микропроцессорной техники связана не только с вычислительными операциями, но и с обслуживанием логистических моделей при управлении товарами, запасами, а также информационными потоками.
• Системы безопасности. Электроника в современных комплексах охраны и сигнализации задает высокие требования к автоматизации и интеллектуальному контролю, что и позволяют обеспечивать микропроцессоры новых поколений.
• Связь. Разумеется, и коммуникационные технологии не могут обходиться без программируемых контролеров, обслуживающих мультиплексоры, дистанционные терминалы и схемы коммутации.

Несколько слов в заключение

Широкая аудитория потребителей не в полной мере может представить себе даже сегодняшние возможности микропроцессорной техники, но производители не стоят на месте и уже сейчас продумывают перспективные направления развития данной продукции. Например, все еще исправно поддерживается правило компьютерной индустрии, согласно которому каждые два года в схемах процессоров будет уменьшаться количество транзисторов. Но не только конструкционной оптимизацией могут похвастаться современные микропроцессоры. Специалисты также прогнозируют множество инноваций в части организации новой схемотехники, которая облегчит технологический подход к разработке процессоров и снизит их базовую стоимость.

Основные понятия цифровой техники.

Назначение и области применения микропроцессорных устройств

Замечательным свойством микропроцессорных систем является их высокая гибкость, возможность быстрой перенастройки при необходимости даже значительных изменений алгоритмов управления. Перенастройка осуществляется программным путем без существенных производственных затрат. Создание микропроцессоров позволяет уменьшить стоимость и размеры технических средств обработки информации, увеличить их быстродействие, снизить энергопотребление.

Характерные особенности микропроцессорных информационно-управляющих систем, предназначенных для автоматизации технологических процессов:

Наличие ограниченного набора четко сформулированных задач;

Требования оптимизации структуры системы для конкретного применения;

Работа в реальном масштабе времени, т.е. обеспечение минимального времени реакции на изменение внешних условий;

Наличие развитой системы внешних устройств, их большое разнообразие;

Существенное различие функциональных задач;

Высокие требования по надежности с учетом большой продолжительности непрерывной работы;

Сложные условия эксплуатации;

Обеспечение автоматического режима работы или режима с участием оператора как элемента системы.

Представление информации в микропроцессорных системах

Любой процесс функционирования технического объекта или системы связан с передачей, приемом и переработкой информации.

Информация - совокупность фактов, явлений, событий, представляющих интерес, подлежащих регистрации и обработке. В термине «информация» всегда существуют два элемента: источник и потребитель информации.

Информация, представленная в виде, удобном для обработки, называется данными. Определенная структура информационного объекта, подвергаемого обработке, именуется форматом.

Информация, вложенная и зафиксированная в некоторой материальной форме, называется сообщением. Сообщения делятся на:

Непрерывные (аналоговые);

Дискретные (цифровые).

Непрерывные сообщения могут принимать любые значения и изменяться в произвольные моменты времени. Данные сообщения естественным образом передают речь, музыку и изображения.

Основным примером непрерывного сообщения является аналоговый сигнал, это сигнал, величина которого непрерывно изменяется во времени.

Аналоговый сигнал обеспечивает передачу данных путем непрерывного изменения во времени амплитуды, частоты либо фазы. В соответствии с этим, он имеет бесконечное число значений. К аналоговым относятся и шумо-подобные сигналы.

Под дискретными сообщениями понимаются сообщения, параметры которых могут принимать лишь некоторое конечное число значений в определенном диапазоне.

Основным примером дискретного сообщения является логический (цифровой) сигнал (1/0) или (+/-). Процесс изменения напряжения от низкого уровня (-) к высокому (+), называется фронтом сигнала (положительным перепадом, положительным фронтом), а обратный процесс - спадом (отрицательным перепадом, отрицательным фронтом).

Использование аналоговых и дискретных сигналов

Для обработки аналоговых сигналов необходимо с требуемой степенью точности заменять непрерывные сообщения на цифровые путем квантования непрерывного сообщения по уровню и времени.

Другими словами необходимо определить для сигналов максимальные границы по уровню (по величине) сигнала. Затем необходимо провести дискретизацию по времени.

Последовательный и параллельный способ представления информации

Цифровая информация может быть представлена последовательным и параллельными кодами.

При последовательном коде каждый временной такт предназначен для отображения одного разряда кода слова.

Такт (clock tick) - промежуток времени, между последовательными сигналами синхронизации.

Величина такта выбирается такой, чтобы во время его прохождения в рассматриваемом объекте заканчивались все переходные процессы, вызванные изменением входных сигналов.

При параллельном коде все разряды кода слова представляются в одном временном такте, фиксируются отдельными элементами и проходят через отдельные линии, каждая из которых служит для представления и передачи только одного разряда.

При параллельной передаче информации код слова развертывается в пространстве, в отличие от последовательной, в которой развертывается во времени.

Микропроцессор

Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации - ее перемещения, осуществления арифметических и логических операций по командам, которые он считывает из памяти.

Последовательность команд называется программой .

Микропроцессор включает в себя:

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ), которое служит для выполнения арифметических и логических операций: арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументыи результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение,деление и т.д.). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ и т.д.).

Регистры общего назначения (РОН), которые используются для хранения информации - сверхоперативного запоминающего устройства;

Регистры предназначены для хранения операндов в процессе выполнения операций и функциональных схем, необходимых для выполнения преобразования операндов при передаче их с одного регистра на другой. Количество и назначение РОН в МП зависят от его архитектуры.

Аккумулятор - регистр, из которого берется одно из чисел, с которыми производятся арифметические или логические операции. В него помещается результат;

Счетчик адреса команд, в котором хранится адрес ячейки памяти, в которой записан код текущей команды;

Регистр флагов или условий в него помещаются сведения об особенностях результата выполнения арифметических или логических операций, например, нулевой результат, переполнение (перенос), четность и пр.;

Регистр адреса стека, в котором записан адрес последний занятой под стек ячейки памяти;

Блок управления шинами микропроцессорной системы, схемы формирующей сигналы на внешних шинах микропроцессора и, тем самым, управляющей микропроцессорной системой;

Блок дешифрирования кодов команд.

Таймер - счетчик - предназначен для подсчета внутренних событий, для получения программно-управляемых временных задержек и для выполнения времязадающих функций МП.

ОЗУ - служит для приема, хранения и выдачи информации, используемой в процессе выполнения программы.

ПЗУ - служит для выдачи констант, необходимых при обработке данных в АЛУ.

КЭШ память - хранит внутри МП копии тех команд операндов и данных, к которым производились последние обращения МП. Если МП необходимо считать данные, имеющиеся в КЭШ, то она их представляет, и нет необходимости обращаться к внешней памяти. В КЭШ помещаются результаты вычислений.

ША, ШД, ШУ (адреса, данных, управления) - группы линий, по которым передается однотипная информация.

Шинный интерфейс - выполняет функции согласования действий между внутренними устройствами МП и внешней системой, т.е. управляет потоками и форматами данных между МП и внешними устройствами.

В тех случаях, когда память и средства ввода/вывода размещаются на той же подложке интегральной схемы, что и микропроцессор , последний превращается в микроконтроллер . Более подробный анализ позволяет определить микроконтроллеры как устройства, имеющие память RAM или ROM вместо кэш-памяти, присутствующей обычно в большинстве периферийных устройств. В противоположность микроконтроллерам, микропроцессоры имеют устройство управления памятью и большой объем кэш-памяти. Иногда разница определяется производительностью или разрядностью.

Основные характеристики микропроцессора

Микропроцессор характеризуется:

1) тактовой частотой , определяющей максимальное время выполнения переключения элементов;

2) разрядностью , т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

3) архитектурой

Архитектура МП дает представление о функциональном поведении логической структуры и ее организации (взаимодействие отдельных узлов и блоков МП при выполнении тех или иных вычислительных операций), определяет особенности построения программных средств, описывает внутреннюю организацию потоков данных и управляющей информации.

Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

В зависимости от набора и порядка выполнения команд процессоры исторически сформировались несколько классов.

Архитектуры микропроцессора - RISC и CISC

Основные черты CISC-концепции:

Ранее других появились процессоры CISC. Термин CISC означает сложную систему команд и является аббревиатурой английского определения Complex Instruction Set Computer. Благодаря этому процессоры выполняют самые разнообразные задачи обработки данных.

При разработке набора команд CISC заботились об удобстве программиста/компилятора, а не об эффективности исполнения команд процессором. В систему команд вводили много сложных команд (производящих по несколько простых действий). Часто эти команды представляли собой программы, написанные на микрокоде и записанные в ПЗУ процессора. Команды CISC имеют разную длину и время выполнения. Зато машинный код CISC-процессоров - язык довольно высокого уровня. В наборе команд CISC часто присутствуют, например, команды организации циклов, команды вызова подпрограммы и возврата из подпрограммы, сложная адресация, позволяющая реализовать одной командой доступ к сложным структурам данных. Основной недостаток CISC - большая сложность реализации процессора при малой производительности.

Примеры CISC-процессоров - семейство Motorola 680x0 и процессоры фирмы Intel от 8086 до Pentium II. Наиболее известные микроконтроллеры с CISC-архитектурой фирм Zilog, Intel, Motololla, Siemens.

Основные черты RISC-концепции:

Со временем стало необходимо повысить скорость работы процессоров. Одним из путей к этому стал процессор RISC, который характеризуется сокращенным набором быстро выполняемых команд и происходит от английского Reduced Instruction Set Computer.

Одинаковая длина команд;

Одинаковый формат команд - код команды регистр-приемник два регистра-источника;

Операндами команд могут быть только регистры;

Команды выполняют только простые действия;

Большое количество регистров общего назначения (могут быть использованы любой командой);

Конвейер(ы);

Выполнение команды не дольше, чем за один такт;

Простая адресация.

RISC-концепция предоставляет компилятору большие возможности по оптимизации кода. Наиболее известные микроконтроллеры с RISC-архитектурой это семейства AT90S, ATMega, ARM фирмы Atmel, микроконтроллеры фирм PIC, Scenix, Holtek.

Сравнение архитектур

Основная идея RISC -архитектуры - это тщательный подбор таких комбинаций кодов операций, которые можно было бы выполнить за один такт тактового генератора. Основной выигрыш от такого подхода - резкое упрощение аппаратной реализации ЦП и возможность значительно повысить его производительность.

Однако обычно выигрыш от повышения быстродействия в рамках RISC -архитектуры перекрывает потери от менее эффективной системы команд, что приводит к более высокой эффективности RISC -систем в целом по сравнению с CISC . Так, в процессоре CISC для выполнения одной команды необходимо, в большинстве случаев, 10 и более тактов. Что же касается процессоров RISC, то они близки к тому, чтобы выполнять по одной команде в каждом такте.

Также с упрощением ЦП уменьшается число транзисторов, необходимых для его реализации, следовательно, уменьшается площадь кристалла. А с этим связано снижение стоимости и потребляемой мощности.

Следует также иметь в виду, что благодаря своей простоте процессоры RISC не патентуются. Это также способствует их быстрой разработке и широкому производству. Между тем, в сокращенный набор RISC вошли только наиболее часто используемые команды. Ряд редко встречающихся команд процессора CISC выполняется последовательностями команд процессора RISC.

Быстродействие процессоров определяется в миллионах операций в секунду MIPS.

Память в микропроцессорных устройствах

В микропроцессорных устройствах память служит для хранения исходных данных программ обработки информации промежуточных и окончательных результатов вычисления.

Выделяют два основных типа памяти:

- ОЗУ - оперативное запоминающее устройство, используемое для хранения данных, поэтому эту память называют еще памятью данных. Число циклов чтения и записи в ОЗУ не ограничено, но при отключении питающего напряжения вся информация теряется;

В современных микропроцессорах память ОЗУ представляет собой многоуровневую систему, в которой выделяют уровни сверхоперативной памяти (СОЗУ), ОЗУ, буферной памяти (БЗУ) и внешней памяти (ВЗУ).

Каждый последующий уровень отличается от предыдущего емкостью и быстродействием.

Емкостью называется максимальное количество информации, которая может быть записана в память.

Быстродействие характеризуется длительностью операций чтения и записи двух основных операций, выполняемых памятью. Для указанных уровней памяти емкость растет в направлении от СОЗУ к ВЗУ, а быстродействие в противоположном направлении.

- ПЗУ - постоянное запоминающее устройство, предназначенное

для хранения программ, поэтому часто эту память называют кодовой или памятью программ. Микросхемы ПЗУ способны сохранять информацию при отключенном электропитании, но могут быть запрограммированы только один или очень ограниченное число раз.

Основные характеристики полупроводниковой памяти

Основные характеристики памяти, которые необходимо учитывать при проектировании систем:

Емкость памяти определяется числом бит хранимой информации.

Емкость кристалла обычно выражается также в битах. Важной характеристикой кристалла является информационная организация кристалла памяти MxN, где M- число слов, N- разрядность слова. При одинаковом времени обращения память с большей шириной выборки обладает большей информационной емкостью.

Временные характеристики памяти.

Время доступа временной интервал, определяемый от момента, когда центральный процессор выставил на шину адреса адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных. Время восстановления - это время, необходимое для приведения памяти в исходное состояние после того, как ЦП снял с ША адрес, с ШУ сигнал «чтение» или «запись» и с ШД данные.

Удельная стоимость запоминающего устройства определяется отношением его стоимости к информационной емкости, т.е. определяется стоимостью бита хранимой информации.

Потребляемая энергия (или рассеиваемая мощность) приводится для двух режимов работы кристалла: режима пассивного хранения информации и активного режима, когда операции записи и считывания выполняются с номинальным быстродействием.

Плотность упаковки определяется площадью запоминающего элемента и зависит от числа транзисторов в схеме элемента и используемой технологии. Наибольшая плотность упаковки достигнута в кристаллах динамической памяти.

Допустимая температура окружающей среды обычно указывается отдельно для активной работы, для пассивного хранения информации и для нерабочего состояния с отключенным питанием. Указывается тип корпуса, если он стандартный, или чертеж корпуса с указанием всех размеров, маркировкой и нумерацией контактов, если корпус новый. Приводятся также условия эксплуатации: рабочее положение, механические воздействия, допустимая влажность и другие.

Типы микросхем постоянных запоминающих устройств (ПЗУ)

Существуют следующие основные типы ПЗУ:

- масочные ПЗУ - они программируются в процессе их изготовления путем нанесения маски из замкнутых (высокий уровень) и разомкнутых перемычек (низкий уровень), этот тип ПЗУ наиболее дешев, но при изготовлении крупной партией;

ПЗУ с плавкими перемычками или электрически программируемые (ЭПЗУ ) - эти микросхемы программируются потребителем путем пропускания импульсов тока до разрушения перемычек, соответствующих битам, которые должны стать нулевыми;

Перепрограммируемые ПЗУ с электрической записью информации

и стиранием ультрафиолетовым излучением (УФППЗУ ) - основа ячейки памяти микросхемы данного типа – МОП - транзистор с полностью изолированным «плавающим» затвором, при программировании окисел пробивается и на затворе накапливается заряд, который сохраняется там пока микросхема не будет подвергнута УФ-облучению, под его действием окисел становится проводящим; сопротивление канала транзистора зависит от заряда на затворе и будет определять бит, записанный в ячейку;

Электрически стираемые ПЗУ(ЕЕPRОМ ) устроены аналогично УФППЗУ, но стирание происходит, как и запись, при подаче импульсов напряжения; это самый дорогой, но и самый удобный тип ПЗУ.

- FLASH-память - наиболее популярная в настоящее время. Ее главное достоинство в том, что она построена по принципу электрической перепрограммируемости, т. е. допускает многократное стирание и запись информации с помощью программаторов. Минимальное гарантированное число циклов записи/стирания обычно превышает несколько тысяч. Это существенно увеличивает жизненный цикл и повышает гибкость микропроцессорных систем, так как позволяет вносить изменения в программу микропроцессора, как на этапе разработки системы, так и в процессе его работы в реальном устройстве.

Типы микросхем ОЗУ

Существует два типа микросхем ОЗУ:

Статические ОЗУ, в которых основой запоминающей ячейки служит триггер;

Динамические ОЗУ, в них основой запоминающих ячеек является конденсатор; в качестве конденсатора используется затвор полевого транзистора.

Ячейка динамического ОЗУ проще, поэтому ОЗУ этого типа дешевле и имеют большую емкость при том же количестве компонентов, однако они требуют периодической подзарядки всех запоминающих конденсаторов. Этот процесс называется регенерацией.

Типичное значение периода регенерации - миллисекунды; регенерация осуществляется при каждой операции чтения или записи. Также в динамических ОЗУ используется мультиплексированная адресная шина - адрес передается за два цикла, сначала одна половина разрядов (строки), потом другая (столбцы), для регенерации достаточно перебрать все номера строк.

Основными направлениями совершенствования ОЗУ является разработка:

Квазистатических ОЗУ - динамических «внутри», но со встроенной автономной схемой регенерации;

Энергонезависимых ОЗУ, хотя бы и в течение ограниченного периода времени. Одним из путей решения этой проблемы является использование микромощных статических ОЗУ со встроенным источником электропитания.

Буферная память

В вычислительных системах используются подсистемы с различным быстродействием и, в частности, с различной скоростью передачи данных (рис. 1). Обычно обмен данными между такими подсистемами реализуется с использованием прерываний или канала прямого доступа к памяти. В первую очередь подсистема 1 формирует запрос на обслуживание по мере готовности данных к обмену. Однако обслуживание прерываний связано с непроизводительными потерями времени и при пакетном обмене производительность подсистемы 2 заметно уменьшается. При обмене данными с использованием канала прямого доступа к памяти подсистема 1 передает данные в память подсистемы 2. Данный способ обмена достаточно эффективен с точки зрения быстродействия, но для его реализации необходим довольно сложный контроллер прямого доступа к памяти.

Периферийные устройства в микропроцессорных устройствах

Периферийные устройства предназначены для преобразования формы представления информации в процессе передачи данных от микропроцессора к внешним устройствам.

Типовые примеры - устройства преобразования сигналов (аналого-цифровые и цифро-аналоговые частотные преобразователи), устройства человеко-машинного интерфейса (клавиатура, дисплей), устройства связи с другими системами.

АЦП и ЦАП

Принцип работы АЦП состоит в измерении уровня входного сигнала и выдаче результата в цифровой форме. В результате работы АЦП непрерывный аналоговый сигнал превращается в импульсный, с одновременным измерением амплитуды каждого импульса.

ЦАП получает на входе цифровое значение амплитуды и выдает на выходе импульсы напряжения или тока нужной величины, которые расположенный за ним интегратор (аналоговый фильтр) превращает в непрерывный аналоговый сигнал.

Для правильной работы АЦП входной сигнал не должен изменяться в течение времени преобразования, для чего на его входе обычно помещается схема выборки-хранения, фиксирующая мгновенный уровень сигнала и сохраняющая его в течение всего времени преобразования.

На выходе ЦАП также может устанавливаться подобная схема, подавляющая влияние переходных процессов внутри ЦАП на параметры выходного сигнала.

Основные типы АЦП:

Параллельные - входной сигнал одновременно сравнивается с эталонными уровнями набором схем сравнения (компараторов), которые формируют на выходе двоичное значение. В таком АЦП количество компараторов равно (2 в степени N) - 1, где N - разрядность цифрового кода (для восьмиразрядного - 255), что не позволяет наращивать разрядность свыше 10-12.

Последовательного приближения - преобразователь при помощи вспомогательного ЦАП генерирует эталонный сигнал, сравниваемый со входным. Эталонный сигнал последовательно изменяется по принципу половинного деления (дихотомии), который используется во многих методах сходящегося поиска прикладной математики. Это позволяет завершить преобразование за количество тактов, равное разрядности слова, независимо от величины входного сигнала.

С измерением временных интервалов - широкая группа АЦП, использующая для измерения входного сигнала различные принципы преобразования уровней в пропорциональные временные интервалы, длительность которых измеряется при помощи тактового генератора высокой частоты.

Последовательного счета, или однократного интегрирования (single-slope) - в каждом такте преобразования запускается генератор линейно возрастающего напряжения, которое сравнивается со входным. Обычно такое напряжение получают на вспомогательном ЦАП, подобно АЦП последовательного приближения.

Двойного интегрирования (dual-slope) - в каждом такте преобразования входной сигнал заряжает конденсатор, который затем разряжается на источник опорного напряжения с измерением длительности разряда.

Следящие - вариант АЦП последовательного счета, при котором генератор эталонного напряжения не перезапускается в каждом такте, а изменяет его от предыдущего значения до текущего. Наиболее популярным вариантом следящего АЦП является Sigma-Delta, работающий на частоте, значительно (в 64 и более раз) превышающей частоту дискретизации выходного цифрового сигнала. Компаратор такого АЦП выдает значения пониженной разрядности (обычно однобитовые -0/1), сумма которых на интервале дискретизации пропорциональна величине отсчета. Последовательность малоразрядных значений подвергается цифровой фильтрации и понижению частоты следования (decimation), в результате чего получается серия отсчетов с заданной разрядностью и частотой дискретизации.

Основные типы ЦАП:

Взвешивающие - с суммированием взвешенных токов или напряжений, когда каждый разряд входного слова вносит соответствующий своему двоичному весу вклад в общую величину получаемого аналогового сигнала; такие ЦАП называют также параллельными или многоразрядными (multibit).

Sigma-Delta, по принципу действия обратные АЦП этого же типа.

Входной цифровой сигнал подвергается значительной (64x и более) передискретизации и подается на модулятор, формирующий малоразрядные (обычно однобитовые) значения. Полученные в результате малоразрядные отсчеты управляют схемой выдачи эталонных зарядов, которые со столь же высокой частотой добавляются к выходному сигналу.

Типы ЦАП, выдающих истинно одноразрядный поток, называют

bitstream (поток битов) или PDM (Pulse Density Modulation - модуляция плотностью импульсов). Несколько другой тип представляют ЦАП с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, Pulse Width Modulation, PWM),когда на схему выборки-хранения аналогового сигнала выдаются импульсы постоянной амплитуды и переменной длительности, управляя дозированием выдаваемого на выход заряда.

Параметры АЦП

При последовательном возрастании значений входного аналогового сигнала Uвх(t) от 0 до величины, соответствующей полной шкале АЦП Uпш выходной цифровой сигнал D(t) образует ступенчатую кусочно-постоянную линию. Такую зависимость по аналогии с ЦАП называют обычно характеристикой преобразования АЦП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1 (рис. 1),которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Для количественной оценки отличий реальной характеристики от идеальной используются следующие параметры:

Рис 1. Статическая характеристика преобразования АЦП

Статические параметры

Разрешающая способность - величина, обратная максимальному

числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах. Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/4096, или 0,0245% от полной шкалы, или -72,2 дБ.

Разрешающей способности соответствует шаг квантования, номинальное значение шага квантования h=Uпш/(2N-1), где Uпш номинальное максимальное входное напряжение АЦП (опорное напряжение), соответствующее максимальному значению выходного кода, N - разрядность АЦП.

Погрешность полной шкалы-

относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.

Погрешность смещения нуля - значение выходного кода, когда входной сигнал АЦП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности.

Нелинейность - максимальное отклонение реальной характеристики преобразования D(Uвх) от оптимальной (линия 2 на рис. 24). Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности.

Дифференциальной нелинейностью АЦП в данной точке k характеристики преобразования называется разность между значением кванта преобразования hk и средним значением кванта преобразования h. В спецификациях на конкретные АЦП значения дифференциальной нелинейности выражаются в долях ЕМР или процентах от полной шкалы.

Погрешность дифференциальной линейности определяет два важных свойства АЦП: не пропадание кодов и монотонность характеристики преобразования. Не пропадание кодов - свойство АЦП выдавать все возможные выходные коды при изменении входного напряжения от начальной до конечной точки диапазона преобразования. Пример пропадания кода i+1 приведен на рис. 25. При нормировании непропадания кодов указывается эквивалентная разрядность АЦП - максимальное количество разрядов АЦП, для которых не пропадают соответствующие им кодовые комбинации.

Монотонность характеристики преобразования - это неизменность знака приращения выходного кода D при монотонном изменении

входного преобразуемого сигнала.

Температурная нестабильность АЦ преобразователя характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

Динамические параметры

Возникновение динамических погрешностей связано с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени.

Максимальная частота дискретизации (преобразования) - это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы. Измеряется числом выборок в секунду. Выбранным параметром может быть, например, монотонность характеристики преобразования или погрешность линейности.

Время преобразования (t пр) - это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. Для одних АЦП, например, последовательного счета или многотактного интегрирования, эта величина является переменной, зависящей от значения входного сигнала, для других, таких как параллельные или последовательно-параллельные АЦП, а также АЦП последовательного приближения, примерно постоянной. При работе АЦП без УВХ время преобразования является апертурным временем.

Время выборки (стробирования) - время, в течение которого происходит образование одного выборочного значения. При работе без УВХ равно времени преобразования АЦП.

Параметры ЦАП

При последовательном возрастании значений входного цифрового сигнала D(t) от 0 до 2N-1 через единицу младшего разряда (ЕМР) выходной сигнал Uвых(t) образует ступенчатую кривую. Такую зависимость называют обычно характеристикой преобразования ЦАП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1 рис., которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Большинство параметров аналогично рассмотренным выше параметрам для АЦП, ниже рассмотрены специфические:

Динамические параметры ЦАП определяются по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода, обычно от величины "все нули" до "все единицы" рис. 2.

Рис.2 Статическая характеристика преобразования ЦАП

Рис 3. переходная характеристика ЦАП

Время установления - интервал времени от момента изменения входного кода (на рис. 3 t=0) до момента, когда в последний раз выполня-ется равенство |U вых-U пш|=d /2,

Скорость нарастания - максимальная скорость изменения Uвых(t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения Uвых ко времени, за которое произошло это приращение. Обычно указывается в технических характеристиках ЦАП с выходным сигналом ввиде напряжения. У ЦАП с токовым выходом этот параметр в большой степени зависит от типа выходного ОУ.

Для перемножающих ЦАП с выходом в виде напряжения часто указываются частота единичного усиления и мощностная полоса пропускания, которые в основном определяются свойствами выходного усилителя.

Интерфейсы

Объединение модулей микропроцессорного устройства в единую систему и взаимодействие микропроцессора с внешними устройствами происходит с помощью интерфейса (от английского interface - сопрягать, согласовывать).

Интерфейс должен обеспечивать:

Простое и быстрое соединение данного устройства с любым другим, имеющим такой же интерфейс;

Совместную работу устройств без ухудшения их технических характеристик;

Высокую надежность.

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия функциональных различных компонентов в системах и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости компонентов.

Основными элементами интерфейса являются:

Совокупность правил обмена информацией (временные диаграммы

и диаграммы состояний сигналов интерфейса);

Аппаратная реализация (контроллеры);

Программное обеспечение интерфейса (драйверы).

Для любого интерфейса, соединяющего (физически или логически) два устройства, различают три возможных режима обмена - дуплексный, полудуплексный и симплексный:

- Дуплексный режим позволяет по одному каналу связи одновременно передавать информацию в обоих направлениях. Он может быть асимметричным, если пропускная способность в направлениях «туда» и «обратно» имеет существенно различающиеся значения, или симметричным.

- Полудуплексный режим позволяет передавать информацию «туда» и «обратно» поочередно, при этом интерфейс имеет средства переключения направления канала.

- Симплексный (односторонний) режим предусматривает только одно направление передачи информации (во встречном направлении передаются только вспомогательные сигналы интерфейса).

В зависимости от способа передачи данных различают два вида интерфейса: последовательный и параллельный.

В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно (за один квант времени), то есть информация разворачивается в пространстве. Параллельный способ применяют в тех случаях, когда необходимо получить наивысшую пропускную способность канала передачи информации. Так как между отдельными проводниками шины для параллельной передачи данных существует электрическая емкость, то при изменении сигнала, передаваемого по одному из проводников, возникает помеха (короткий выброс напряжения) на других проводниках. С увеличением длины шины (увеличением емкости проводников) помехи возрастают и могут восприниматься приемником как сигналы. Поэтому рабочее расстояние для шины параллельной передачи данных ограничивается длиной 1-2 м, и только за счет существенного удорожания шины или снижения скорости передачи длину шины можно увеличить до 10-20 м

Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты, передаются друг за другом последовательно, на каждый из них отводится свой квант времени (битовый интервал). При последовательной передачи информации разворачивается во времени. Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и увеличить дальность связи.

В последовательном канале асинхронный режим работы соответствует передаче всего массива информации без специальных сигналов синхронизации и пауз между словами, синхронный - с синхронизацией после передачи каждого слова, при этом возможна пауза любой длительности между моментами передачи.

Пример стандартного последовательного интерфейса - RS-232 (COM-порты в IBM PC совместимых компьютерах).

Последовательный интерфейс подразделяют на синхронный и асинхронный.

В синхронном интерфейсе каждый передаваемый бит данных сопровождается импульсом синхронизации, информирующим приемник о наличии на линии информационного бита. Следовательно, между передатчиком и приемником должны быть протянуты минимум три провода: два для передачи импульсов синхронизации и бит данных, а также общий заземленный проводник. Если же передатчик (например, микропроцессор) и приемник (например, персональный компьютер) разнесены на несколько метров, то каждый из сигналов (информационный и синхронизирующий) придется посылать либо по экранированному кабелю, либо с помощью витой пары проводов, один из которых заземлен или передает сигнал, инверсный основному.

В асинхронном интерфейсе у передатчика и приемника нет общего генератора синхроимпульсов, и синхронизирующий сигнал не посылается вместе с данными. А для синхронизации процесса передачи данных используются внутренние встроенные генераторы, настроенные на одну частоту, и некий оговоренный двумя взаимодействующими сторонами формат передачи данных. Данный формат разработан еще в 70-х годах прошлого столетия поддерживается практически всеми микропроцессорными устройствами.

Стандартный формат последовательной асинхронной передачи данных содержит n пересылаемых бит информации (при пересылке символов n равно 7 или 8 битам) и 3-4 дополнительных бита: стартовый бит, бит контроля четности (или нечетности) и 1 или 2 стоповых бита (рис. 4,а).

Бит четности (или нечетности) может отсутствовать.

Рис. 4 а и б Формат последовательной асинхронной передачи

Передатчик может начать пересылку символа в любой момент времени посредством генерирования стартового бита. Затем происходит передача битов символа, начиная с младшего значащего бита, за которым следует дополнительный бит контроля по четности или нечетности. Далее с помощью стопового бита линия переводится в состояние логической 1 (рис.4,б). Состояние логической 1 должно поддерживаться в течение промежутка времени, равного 1 или 2 временам передачи бита.

Промежуток времени от начала стартового бита до конца стопового бита (стоповых бит) называется кадром. Сразу после стоповых бит передатчик может посылать новый стартовый бит, если имеется другой символ для передачи; в противном случае уровень логической 1 может сохраняться на протяжении всего времени, пока бездействует передатчик. Новый стартовый бит может быть послан в любой момент времени после окончания стопового бита, например, через промежуток времени, равный 0,43 или 1,5 времени передачи бита.

Передний фронт стартового бита сигнализирует о начале поступления передаваемой информации, а момент его появления служит точкой отсчета времени для считывания бит данных (запуск тактового генератора приемника).

Стоповый бит предоставляет время для записи принятого символа в буфер приемника и обеспечивает возможность выявления ошибки кадра.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

План работы

микропроцессор прибор метрологический

Введение

1. Введение в микропроцессорную технику

1.4 Микропроцессорная система

3.2 Логический анализ

3.3 Сигнатурный анализ

Заключение

Список литературы

Введение

Нелегко поверить, что до 1971 г. человечество не знало микропроцессора -- самого выдающегося достижения электроники после изобретения транзистора. А сегодня микропроцессоры прочно вошли в нашу жизнь, и буквально с каждым днем открываются все новые и новые возможности их применения. Сейчас уже трудно назвать такие области техники или научных исследований, в которых бы не использовались микропроцессоры.

По широте и эффективности применения микропроцессоров одно из первых мест занимает контрольно-измерительная техника. Все нарастающее распространение они получают в системах управления, технике связи, радиотехнике, электронике, медицинской диагностической и лечебной аппаратуре, сфере обслуживания и даже в детских игрушках. Само собой разумеется, что микропроцессоры, разработки которых становятся все более разнообразными, а производство непрерывно растет, служат основой создания новых поколений электронных вычислительных машин (микро-ЭВМ).

Микропроцессорные системы стали органической частью электронных измерительных приборов, применяемых для измерения многочисленных и разнообразных параметров электрических сигналов, а также характеристик неэлектрических физических величин.

Проникновение микропроцессоров в измерительную технику во много раз повысило точность приборов, значительно расширило их функциональные возможности, упростило управление работой, повысило надежность, быстродействие, открыло пути решения задач, которые ранее вообще не решались. Трудно переоценить значение микропроцессоров для создания измерительно-вычислительных комплексов -- автоматизированных средств измерений, предназначенных для исследования, контроля и испытаний сложных объектов.

Когда целесообразно применять микропроцессоры?

В каждом конкретном случае вопрос об эффективности использования микропроцессора в проектируемом измерительном приборе решает разработчик прибора. Тем не менее, анализ уже имеющихся приборов и литературных источников позволяет привести общие соображения, облегчающие ориентацию специалистам, перед которыми возникла дилемма: «Применить микропроцессор или традиционное схемное решение в рамках жесткой логики?» Они сводятся к тому, что использование микропроцессоров в средствах измерения оправданно в следующих типичных ситуациях:

Требуемое для решения задачи число интегральных схем (корпусов) 30 (некоторые специалисты считают, что следует ориентироваться на микропроцессор при 50).

Прибор должен быть многофункциональным, программируемым, необходима функциональная гибкость.

Предвидятся дальнейшие развитие измерительной системы, наращивание, расширение ее функций.

Измерительная система должна взаимодействовать с большим числом входных и выходных устройств.

Требуется запоминание группы данных.

Предвидится фиксация в памяти большого числа логических состояний.

Используются алгоритмы косвенных и совокупных измерений, а вычислительные процедуры должны быть автоматизированы.

Обязательны высокие метрологические характеристики, трудно достижимые или не достижимые обычными путями.

Требуются самокалибровка и самодиагностика.

Статистическая обработка результатов измерений должна быть органической частью измерительной процедуры и должна выполняться автоматически.

Значения погрешностей измерений должны определяться по ходу измерения и отображаться на дисплее прибора.

Требуются новые возможности прибора, которые могут быть осуществлены только с помощью микропроцессора.

Быстродействие микропроцессора достаточно высоко для работы проектируемого средства измерения в реальном масштабе времени, а если он не удовлетворяет этому требованию, то приемлемо применение мультимикропроцессорной системы, позволяющей получать необходимое быстродействие.

Велик объем измерений, и при их выполнении требуется высокая производительность Введение в микропроцессорную технику.

1.1 Микропроцессор, микропроцессорный комплект, микропроцессорная система

Микропроцессор -- это процессор, выполненный в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). Приставка «микро» к слову «процессор» подчеркивает миниатюризацию процессора в результате высокой степени интеграции образующих его схем. Таким образом, микропроцессор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из одной или нескольких программно-управляемых БИС и выполняющий функции автоматической обработки цифровой информации. Его миниатюрные габаритные размеры и незначительная масса, малое потребление энергии открыли возможность введения микропроцессора непосредственно в электронную схему измерительного прибора, средств управления, и других устройств. Микропроцессор намного дешевле, более экономичен и надежен в работе, чем обычный процессор, построенный из набора интегральных схем малого и среднего уровней интеграции.

Так как микропроцессор -- это универсальная БИС с программируемой логикой работы, то он заменил многие типы интегральных схем с жесткой, фиксированной логикой. Изменением программы достигается возможность решения с помощью микропроцессора множества разнообразных задач.

Необходимо подчеркнуть, что микропроцессор рассчитан на совместную работу с запоминающими устройствами н устройствами ввода-вывода информации. В зависимости от функциональных возможностей микропроцессоры делят на универсальные и специализированные.

Под универсальным микропроцессором (называемым иначе микропроцессором общего назначения) понимают микропроцессор, которому присущи все особенности центрального процессора. Такие микропроцессоры служат основой микро-ЭВМ, используются для решения широкого круга задан в системах управления, измерительных приборах, диагностических устройствах и т. п.

Специализированный микропроцессор рассчитан на узкое применение, решение конкретной задачи и оптимизирован по определенному параметру. Так, специализированный матричный перемножитель (его называют также арифметическим расширителем) решает только одну задачу -- умножение двух чисел, но выполняет эту процедуру во много раз быстрее, чем универсальный микропроцессор.

Микропроцессорный комплект или набор -- это совокупность специально разработанных отдельных микропроцессорных и других интегральных схем, которые совместимы по своим конструктивно-технологическим данным: могут быть собраны в единое целое. Они предназначены для совместной работы в микро-ЭВМ, микропроцессорных системах, микроконтроллерах и т. п. Обычно в комплект входят БИС микропроцессора, запоминающих устройств, ввода-вывода информации, микропрограммного управления и др.

Микропроцессорная система -- это собранная в единое целое совокупность взаимодействующих БИС микропроцессорного комплекта -- модулей (иногда дополненная БИС из других комплектов), организованная в работающую систему, т. е. вычислительная или управляющая система с микропроцессором в качестве узла обработки информации. Система, в которой используются два или более микропроцессоров, называется мультимикропроцессорной системой.

Помимо рассмотренных понятий микропроцессора, микропроцессорного комплекта и микропроцессорной системы приведем еще определения микро-ЭВМ и микроконтроллера.

Микро-ЭВМ -- это конструктивно законченное вычислительное устройство, построенное на основе микропроцессорного комплекта БИС или модулей в отдельном корпусе и имеющее свой источник питания, пульт управления, узлы ввода-вывода информации, что позволяет использовать его в качестве автономного, независимо работающего устройства со своим программным обеспеченней.

На практике нередко применяют функциональный блок, содержащий микропроцессорный комплект и оформленный конструктивно в виде платы. Он может выполнять роль микро-ЭВМ, встраиваемой в измерительный прибор или Другую аппаратуру (без источника питания, корпуса, пульта управления, периферийных узлов), но не могущей работать как самостоятельное, автономное устройство. Такой блок, выполняющий функции управления, называют микроконтроллером. Иногда для сокращения его называют просто контроллером. Он может быть программируемым и непрограммируемым. Контроллеры для измерительных систем выпускают и в виде автономных устройств.

1.2 Характеристики микропроцессоров

Свойства микропроцессоров могут быть описаны многими характеристиками. К основным из их, которыми пользуются при сопоставлении и выборе микропроцессоров, можно отнести:

Вид микропроцессора (универсальный или специализированный, однокристальный или многокристальный).

Технология изготовления: р-канальная МОП (p-МОП), п-канальная МОП {п-МОП), комплементарная МОП (КМОП), кремний на сапфире, биполярная ТТЛ, ТТЛ с диодами Шотки (ТТЛДШ), иижекционной интегральной логики {И 2 Л), эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ). Информация о технологии изготовления дает представление о потреблении энергии и среднем быстродействии микропроцессора.

Разрядность (4; 8; 16; 32) -- длина информационного слова, которое может быть одновременно обработано микропроцессором. Она может быть фиксированной или наращиваемой (у многокристальных микропроцессоров).

Емкость адресуемой памяти. Характеризует возможности микропроцессора по взаимодействию с запоминающим устройством.

Принцип управления: программное управление с «жесткой логикой», микропрограммное управление (хранимая в памяти логика).

Быстродействие. В справочниках наиболее часто его характеризуют продолжительностью выполнения одной операции (или числом операций «(регистр- регистр» в секунду), а также тактовой частотой продолжительностью цикла простой команды.

Мощность потребления.

Питающие напряжения (число уровней, номиналы).

Конструктивные данные: габаритные размеры корпуса, число выводов.

Условия эксплуатации (интервал рабочих температур, относительная влажность воздуха, допускаемые вибрационные нагрузки и т. п.).

Надежность.

Стоимость

У ЭВМ каждое новое поколение имело более высокие основные технико-экономические характеристики по отношению к предыдущему поколению и поэтому вытесняло его. В микропроцессорной технике появление новой разработки не исключает применения ранее созданных микропроцессоров, а расширяет технические возможности применения микропроцессорных систем. Различные «поколения» микропроцессоров существуют совместно в течение продолжительного периода, часто взаимно дополняя (а не исключая) друг друга.

1.3 Архитектура микропроцессора

Под архитектурой микропроцессора понимают принцип его внутренней организации, общую структуру, конкретную логическую структуру отдельных устройств, совокупность команд и взаимодействие между аппаратной частью (устройствами, входящими в состав микропроцессора) и программой обработки информации системой, выполненной на основе микропроцессора. Иначе говоря, архитектуру микропроцессора определяют как совокупность его свойств и характеристик, рассматриваемую с позиции пользователя.

Архитектуры микропроцессоров во многом сходны с архитектурами процессоров ЭВМ, но имеют и свою специфику.

Множество выпускаемых промышленностью универсальных микропроцессоров можно разделить по конструктивному признаку на две разновидности:

однокристальные микропроцессоры с фиксированной длиной (разрядностью) слова и определенной системой команд;

многокристальные (секционированные) микропроцессоры с наращиваемой разрядностью слова на микропрограммным управлением. Они составляются из двух и более БИС. В последнее время появились и однокристальные микропроцессоры с микропрограммным управлением.

Внутренняя логическая организация однокристальных микропроцессоров в значительной степени подобна организации ЭВМ общего назначения. Это дает возможность при разработке микропроцессорной системы на основе однокристального микропроцессора опираться на методы проектирования и использования обычных ЭВМ малой и средней производительности.

Структура многокристального микропроцессора, микропрограммное управление позволяют достичь гибкости в его применении, улучшить характеристики и сравнительно простыми средствами организовать распараллеливание отдельных машинных операций, что повышает производительность ЭВМ, выполняемых на таких микропроцессорах. Однако, хотя возможности многокристальных микропроцессоров существенно выше, чем однокристальных, многие прикладные задачи, в том числе построения автоматических измерительных приборов, успешно решаются на основе использования однокристального микропроцессора. Поэтому ограничимся знакомством со структурой последнего.

Структура микропроцессора. Рассмотрим структуру однокристального универсального микропроцессора, причем для определенности выберем восьмиразрядный прибор. Как видно из приведенной на рис. 1 структурной схемы, в состав микропроцессора входят арифметическо-логическое устройство, управляющее устройство и блок внутренних регистров. Кратко охарактеризуем эти узлы.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ), служащее ядром микропроцессора, как правило, состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, сдвигающего регистра н регистров для временного хранения операндов. Обычно это устройство выполняет по командам несколько простейших операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2.

Теперь коснемся вопроса о связи между ними. Как видно из рис. 1, для структуры микропроцессора характерно наличие внутренней шины данных, соединяющей между собой его основные части.

Шиной называют группу линий передачи информации, объединенных общим функциональным признаком. В микропроцессорной системе используются три вида шин: данных, адресов и управления.

Разрядность внутренней шины данных, т. е. количество передаваемых по ней одновременно (параллельно) битов числа, соответствует разрядности слов, которыми оперирует микропроцессор. Очевидно, что разрядность внутренней и внешней шин данных должна быть одной н той же. У 8-разрядного микропроцессора внутренняя шина состоит из восьми линий, по которым можно передавать последовательно 8-разр"Ядные слова -- байты. Следует иметь в виду, что по шине данных передаются не только обрабатываемые АЛУ слова, но и командная информация. Следовательно, недостаточно высокая разрядность шины данных может ограничить состав (сложность) команд и их число. Поэтому разрядность шины данных относят к важным характеристикам микропроцессора -- она в большой мере определяет его структуру.

Шина данных работает в режиме двунаправленной передачи. Это означает, что по ней можно передавать слова в обоих направлениях, но, разумеется, не одновременно: требуется применение специальных буферных схем и мультиплексного режима обмена данными между микропроцессором и внешней памятью. Мультиплексный режим (от англ. multiple--многократный, множественный), иногда называемый многоточечным режимом -- режим одновременного использования канала передачи большим числом абонентов с разделением во времени средств управления обменом.

Мультиплексором называют устройство, которое выбирает данные от одного, двух или более входных информационных каналов и подает эти данные на свой выход (рис. 2 а.)

По схемному решению он представляет совокупность логических элементов И-ИЛИ, управляемых распределителем импульсов. Мультиплексоры могут входить в состав Микропроцессора. Они также выпускаются в виде отдельных БИС, как, например, мультиплексор восьмивходовый одноразрядный; двухвходовый четырехразрядный; трехвходовый четырехразрядный и др.

Противоположную мультиплексору функцию выполняет демультиплексор-- устройство, которое подает данные, подводимые к его входу, на один или более выходных информационных каналов (рис. 2,б).

1.4 Микропроцессорная система

Согласно приведенному определению микропроцессорная система -- это собранная в единое целое совокупность взаимодействующих БИС микро-процессорного комплекта (иногда дополненная БИС из других комплектов)организованная в систему, т. е. вычислительная или управляющая система с микропроцессором в качестве узла обработки информации. Общая структурная схема. Типовая структура микропроцессорной системы изображена на рис. 3. Кратко охарактеризуем узлы-модули, входящие в ее состав, за исключением уже описанного микропроцессора.

Генератор тактовых импульсов -- источник последовательности прямоугольных импульсов, с помощью которых осуществляется управление событиями во времени. Он задает цикл команды -- интервал времени, необходимый для считывания выборки команды из памяти и ее исполнения. Цикл команды состоит из определенной последовательности элементарных действий, называемых состояниями (тактами). Для некоторых микропроцессоров не требуется внешний генератор тактовых импульсов: он содержится непосредственно в схеме однокристального микропроцессора.

Основная память системы (внешняя по отношению к микропроцессору) состоит из ПЗУ и ОЗУ.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) -- это устройство, в котором хранится программа (и при необходимости совокупность констант). Содержимое ПЗУ не может быть стерто. Оно используется как память программы, составленной заранее изготовителем в соответствии с требованиями ее пользователей. В таких случаях говорят, что программа жестко «зашита» в запоминающем устройстве. Чтобы осуществить иную программу, необходимо применить другое ПЗУ или его часть. Из ПЗУ можно только выбирать хранимые там слова, но нельзя вносить новые, стирать и заменять записанные слова другими. Оно подобно напечатанной таблице выигрышей по облигациям: можно лишь считывать имеющиеся там числа, но заменять их или вносить новые невозможно.

Помимо ПЗУ используются также ППЗУ и РППЗУ.

Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) отличается от ПЗУ тем, что пользователь может самостоятельно запрограммировать ПЗУ (ввести в него программу) с помощью специального устройства -- программатора, но только один раз (после введения программы содержимое памяти уже нельзя изменить).

Репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РППЗУ), называемое также стираемым ПЗУ, имеет такую особенность: хранимая информация может стираться несколько раз (при этом она разрушается). Иначе говоря, РППЗУ допускает перепрограммирование, осуществляемое с помощью программатора. Это облегчает исправление обнаруженных ошибок и позволяет изменять содержимое памяти.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое иначе называют запоминающим устройством с произвольной выборкой (ЗУПВ) или произвольным доступом (ЗУПД), служит памятью данных, подлежащих обработке, и результатов вычислений, а в некоторых микропроцессорных системах -- также программ, которые часто меняются. Его характерное свойство заключается в том, что время, требуемое для доступа к любой из ячеек памяти, не зависит от адреса этой ячейки. ОЗУ допускает как запись, так и считывание слов. По отношению к этому запоминающему устройству приемлема аналогия с классной доской, на которой мелом записаны числа: их можно многократно считывать, не разрушая, а при необходимости -- стереть число и записать на освободившемся месте новое. Следует иметь в виду, что информация, содержащаяся в ОЗУ, исчезает, стирается, если прерывается напряжение питания.

Интерфейсом называют устройство сопряжения. Это упрощенное определение. В более строгом толковании под интерфейсом понимают совокупность электрических, механических и программных средств, позволяющих соединять модули системы между собой и с периферийными устройствами. Его составными частями служат аппаратные средства для обмена данными между узлами и программные средства -- протокол, описывающий процедуру взаимодействия модулей при обмене данными. Интерфейс микропроцессорной системы относится к машинным интерфейсам. В микропроцессорной системе применяют специальные интерфейсные БИС для сопряжения периферийных устройств с системой (на рис. 2 они показаны в виде модулей интерфейса ввода и интерфейса вывода). Для этих БИС характерна универсальность, осуществляемая путем программного изменения выполняемых ими функций.

Более простые задачи решают порты ввода-вывода -- схемы, спроектированные (запрограммированные) для обмена данными с конкретными периферийными устройствами: приема данных с клавиатуры или устройства считывания, передачи их дисплею, телетайпу и т. п.

Порт -- это схема средней степени интеграции, содержащая адресуемый многорежимный буферный регистр ввода-вывода (МБР) с выходными тристабильными схемами (о них идет речь ниже при описании схемы ОЗУ), логикой управления и разъемом для подключения устройств ввода-вывода. Возможности перепрограммирования порта ограничены.

Когда периферийные устройства, входящие в состав микропроцессорной системы, сложны, выполняют многочисленные разнообразные операции, то для сопряжения применяют усложненный интерфейс, называемый периферийным программируемым адаптером. Он содержит набор встроенных портов и других регистров, облегчающих программирование и осуществление временного согласования. К одному периферийному программируемому адаптеру может быть подключено несколько простых устройств ввода-вывода. Подобный интерфейс считают универсальным интерфейсом широкого применения, поскольку его можно сочетать почти со всеми имеющимися периферийными устройствами.

Для многих микропроцессорных систем и микро-ЭВМ характерно несоответствие между относительно высокой скоростью обработки информации внутри микропроцессора и низкой скоростью обмена данными между модулями через интерфейс.

Устройство ввода осуществляет введение в систему данных, подлежащих обработке, и команд. Устройство вывода преобразует выходные данные (результат обработки информации) в форму, удобную для восприятия пользователем или хранения. Устройствами ввода-вывода служат блоки считывания информации с перфоленты и магнитной ленты (или записи на них), кассетные магнитофоны, гибкие диски, клавиатуры, дисплеи, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, графопостроители, телетайпы и т.п.

Далее предметом нашего внимания будут шины системы. Шиной называют группу линий передачи, используемых для выполнения определенной функции (по одной линии на каждый передаваемый бит). Особенность структуры микропроцессорной системы заключается в магистральной организации связей между входящими в ее состав модулями. Она осуществляется с помощью трех шин. По ним передаются вся информация и сигналы, необходимые для работы системы. Эти шины соединяют микропроцессор с внешней памятью (ОЗУ, ПЗУ) и интерфейсами ввода-вывода, в результате чего создается возможность обмена данными между микропроцессором и другими модулями системы, а также передачи управляющих сигналов.

Рассмотрим назначение и функции каждой из трех шин (на примере 8-разрядного микропроцессора), показанных на рис. 3.

Шина данных. Это двунаправленная шина: по ней данные могут направляться либо в микропроцессор, либо из него (на рис. 3 такая особенность шины данных подчеркнута стрелкой с двумя остриями, одно из которых обращено к микропроцессору, а другое -- от него). При этом необходимо еще раз подчеркнуть, что невозможна одновременная передача данных в обоих направлениях. Эти процедуры разнесены во времени в результате применения временного мультиплексирования.

Шина адреса (или адресная шина). По ней информация передается только в одном направлении -- от микропроцессора к модулям памяти или ввода-вывода.

Шина управления. Служит для передачи сигналов, обусловливающих взаимодействие, синхронизацию работы всех модулей системы и внутренних узлов микропроцессора. Одна часть линий шины управления служит для передачи сигналов, выходящих из микропроцессора (на рис. 3 это условно показано стрелкой, острие которой направлено вправо), а по другой части линий передаются сигналы к микропроцессору (на рис. 3 -- стрелка с острием, направленным влево).

Достоинством шинной структуры является возможность подключения к микропроцессорной системе новых модулей, например нескольких блоков ОЗУ и ПЗУ для получения требуемой емкости памяти.

1.5 Управление работой микропроцессорной системы

Вводные замечания. Нормальное функционирование любой системы, в которой циркулируют электрические сигналы, немыслимо без четкого взаимодействия ее составных частей, координации их работы. Для достижения этого необходимо организовать управление во времени всеми событиями, происходящими в системе, синхронизировать ее работу.

Само собой разумеется, что для микропроцессорной системы, представляющей собой сложную цифровую систему с многократным обменом данными, передачей команд, одновременным участием многих блоков в выполнении операции, синхронизация обязательна. Это можно проиллюстрировать простым примером. Пусть требуется передать байт, полученный в результате выполнения операции, из АЛУ через шину данных в ячейку ОЗУ. Очевидно, что в течение интервала времени, пока на адресных входах ОЗУ находится код адреса, на линиях шины данных должен быть только байт, посланный из АЛУ (и никакой иной). В противном случае либо произойдет ошибочная запись, либо указанный байт вообще не попадет в память.

Задача временного согласования в микропроцессорной системе решается с помощью специальных сигналов, получаемых из управляющего устройства микропроцессора. Рассмотрение действия всей совокупности управляющих сигналов, вопросов синхронизации работы системы при выполнении всевозможных операций не представляется осуществимым в главе столь малого объема. Поэтому ограничимся освещением основных понятий и типовых примеров, поясняющих принцип временного согласования главным образом применительно к микропроцессору.

Управляющее устройство. Это устройство, выполняющее функции управления и синхронизации, «руководит» сменой событий в требуемой последовательности, согласуя их с сигналами тактового генератора. Оно состоит из управляющего автомата (его называют первичным), служащего для управления процессами внутри микропроцессора, и схемы, которая, получая сигналы извне, вырабатывает сигналы, управляющие системой. Поступающий из памяти в составе команды код операции дешифрируется в управляющем устройстве (дешифратором кода операции) -- преобразуется в двоичные сигналы, воздействующие на модули и блоки микропроцессорной системы, которые должны участвовать в выполнении данной команды.

Режим прерывания. По ходу работы микропроцессорной системы иногда появляется необходимость немедленной передачи данных в микропроцессор из устройства ввода-вывода, не предусмотренной программой. Иначе говоря, система должна реагировать на неожиданно возникшее внешнее условие. В таких ситуациях требуется, чтобы микропроцессор, получив из соответствующей линии шины управления сигнал «запрос на обслуживание внешних устройств» (он поступает на ввод ЗПр), прервал работу по программе и начал выполнение программы обработки внешнего условия. Такой режим называют прерыванием. Оно возможно тогда, когда имеется команда, позволяющая микропроцессору реагировать на запрос прерывания. Только в этом случае микропроцессор выдает на вывод РПр сигнал «разрешение на обслуживание внешнего устройства», т. е. разрешение прерывания, и выполняет подготовительные операции для того, чтобы начать работу по программе прерывания.

Различают три вида прерывания: простое, векторное и приоритетное. Простое прерывание сигнализирует о том, что единственное устройство ввода или вывода нуждается в обслуживании микропроцессором. Векторное прерывание позволяет распознать прерывание, требуемое любым из периферийных устройств. Это осуществляется с помощью поля данных или «вектора», в котором указывается конкретное устройство, диктующее необходимость прерывания. Приоритетное (первоочередное) прерывание заключается в том, что помимо распознавания прерывания, запрашиваемого любым из устройств ввода-вывода, определяется, какое из устройств имеет приоритет в обслуживании по сравнению с другими. Такой вид прерывания, иначе называемый многоуровневой обработкой, может осуществляться лишь в нескольких типах микропроцессоров.

2. Общие вопросы применения микропроцессоров в измерительных приборах

2.1 Функции, выполняемые микропроцессорами в приборах

Конкретное рассмотрение функций микропроцессорных систем в измерительных приборах показывает, что с помощью этих систем достигаются многофункциональность приборов, упрощение управления процессом измерения, автоматизация регулировок, самокалибровка и автоматическая поверка, улучшение метрологических характеристик прибора, выполнение вычислительных процедур, статистическая обработка результатов наблюдений, определение и перевод в линейную форму функции измеряемой физической величины, создание программируемых, полностью автоматизированных приборов. Появился новый класс «интеллектуальных» приборов, называемых также «думающими» или «разумными».

Радикально изменилась идеология построения приборов. Микропроцессор стал основной частью собственно прибора, что привело к изменению конструкции и схемных решений, компоновки, управления, включению обработки данных в измерительную процедуру (выполняемую без участия экспериментатора). Внедрение микропроцессоров открыло возможность построения многофункциональных приборов с гибкими программами работы, сделало приборы более экономичными, облегчило решение задачи выхода на стандартную интерфейсную шину [канал общего пользования (КОП)] и управления интерфейсом. Все это упростило эксплуатацию приборов, резко повысило производительность труда их пользователей.

Рассмотрим более подробно основные возможности, особенности приборов, содержащих микропроцессорные системы, и выясним, в результате чего достигаются эти возможности.

Многофункциональность. Идея построения многофункциональных измерительных приборов, предназначенных для измерения нескольких параметров сигналов или характеристик объекта исследования, не нова.

Она осуществляется уже более двух десятилетий. Но до применения микропроцессоров многофункциональные приборы представляли собой совокупность нескольких функциональных узлов, объединенных в одно конструктивное целое. При эксплуатации таких приборов переход от одной функции к другой производится с помощью коммутирующих устройств. В результате коммутации соединительных цепей пользователь составляет, «собирает» из отдельных узлов определенный прибор для измерения конкретного параметра сигнала или характеристики испытуемого объекта. Алгоритм работы средства измерений, заложенный мри его разработке, в процессе эксплуатации сохраняется неизменным. Иначе говоря, традиционные многофункциональные приборы выполнены по схеме с жесткой логикой. Для нее характерно противоречие между многофункциональностью, числом возможных функций прибора, с одной стороны, и экономической, а также технической эффективностью -- с другой. Проблема коммутации и управления никогда не теряла остроты при конструировании приборов, предназначенных для выполнения ряда функций, и далеко не всегда решалась успешно.

Микропроцессорная система, введенная в состав многофункционального средства измерения, радикально изменила его, преобразовала устройство с жесткой логикой работы в программно-управляемое устройство. Функциональные возможности такого устройства определяются выполняемой программой, и могут быть, легко видоизменены путем перехода к другой программе, хранимой в ПЗУ. Поэтому программируемую логику работы подобных приборов иногда называют «хранимой». Она создает гибкость перестройки, позволяет наращивать функции при модернизации прибора без существенных изменений в его схеме. Применение программируемой логики, как правило, уменьшает стоимость прибора.

Расширение измерительных возможностей приборов.

Применение микропроцессоров позволяет существенно расширить возможности измерений широкого перечня параметров сигналов и характеристик устройств. Это связано прежде всего с использованием, казалось бы устаревших, видов измерений: косвенных и совокупных.

Известно, что косвенное измерение заключается в нахождении искомого значения физической величины по известной математической зависимости между этой величиной и физическими величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Иначе говоря, искомое значение данной физической величины вычисляется по результатам прямых измерений других физических величин.

Из-за необходимости применения нескольких приборов, снятия ряда отсчетов и последующих вычислений косвенные измерения воспринимаются многими экспериментаторами как примитивные, несовременные. Даже при использовании микрокалькуляторов вычисления в некоторых случаях могут занимать значительное время, и, главное, они, требуя постоянного внимания и работы экспериментатора, не позволяют достичь высокой производительности.

Кроме того, не очень проста процедура оценки погрешностей косвенных измерений, а без этого никакое измерение не может быть признано достоверным.

Коренным образом меняется положение при включении в состав прибора микропроцессорной системы. По команде, получаемой с клавиатуры, она автоматически в соответствии с заданной программой выбирает режимы измерений, запоминает результаты прямых измерений, проводит необходимые вычисления и выдает найденное значение измеряемой физической величины на дисплей. Хотя измерения по своей природе остаются косвенными, экспериментатор воспринимает их как прямые, поскольку, подключив прибор к объекту исследования, непосредственно получает результат измерения.

Однако на практике нередко возникает необходимость нахождения косвенным путем значений и таких физических величин, которые зависят от большого числа непосредственно измеряемых других физических величин. Применение микропроцессорных систем делает эти измерения простыми и удобными для пользователя, получающего прямые показания прибора и не ощущающего того, что фактически выполняются сложные косвенные измерения.

Еще более эффективны микропроцессорные системы при совокупных измерениях, т. е. производимых одновременно измерениях нескольких одноименных физических величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Упрощение и облегчение управления прибором. На первый взгляд расширение функций, выполняемых программируемыми приборами, должно было бы привести к увеличению числа органов управления. Но в действительности это не так. Одним из критериев высокого уровня программного обеспечения измерительного прибора является степень сложности его передней панели.

Принято считать, что «разумный» прибор должен иметь простой набор органов управления. Для современных приборов, содержащих микропроцессоры, характерна кнопочная система управления, конструктивно оформляемая в виде клавиатур (выносной или на передней панели прибора), внешне напоминающей клавиатуру калькулятора.

Так, например, у одного из цифровых мультиметров, обладающего многими функциональными возможностями, управление изменением функций, диапазонов измерений и режимов работы (всего 44 сочетания) осуществляется с помощью клавиатуры, состоящей всего из 17 клавиш. Этого удалось достичь вследствие того, что каждая клавиша управляет аналоговыми схемами косвенным образом -- через микропроцессор, а последний селектирует различные сочетания сигналов, вводимых при нажатии клавиш.

Радикально уменьшает число органов управления автоматизация выбора пределов измерений, интервала дискретизации напряжения исследуемого сигнала и других режимов работы прибора. В некоторых приборах предусмотрены сигнализация о некорректных шагах экспериментатора и выдача на дисплей инструкций, указывающих, что должен предпринять экспериментатор, какова правильная последовательность действий.

Возможность получения математических функций измеренных значений. В зависимости от решаемой задачи экспериментатора могут интересовать не непосредственно получаемое при измерении значение физической величины, а его различные математические функции. Многие приборы, содержащие микропроцессорные системы, позволяют автоматически выполнять запрограммированные функциональные преобразования.

В некоторых приборах предусмотрена возможность вычисления по желанию пользователя произвольных (разумеется, в определенных пределах) математических соотношений.

Получение статистических характеристик.

Микропроцессорные приборы, специально предназначенные для измерения статистических характеристик сигналов, обладают более широкими возможностями.

Миниатюризация и экономичность аппаратуры. Резкое уменьшение числа компонентов в схеме прибора вследствие выполнения многих функций микропроцессорной системой, их относительно невысокая стоимость, значительное снижение потребляемой мощности позволяют строить малогабаритные и экономичные приборы.

Повышение надежности приборов.

Оно обусловлено уменьшением числа элементов схем, осуществлением автодиагностики, применением узлов с некалиброванными характеристиками (например, усилителя в канале вертикального отклонения осциллографа), возможностью выполнения коррекции погрешностей, улучшающей метрологическую надежность.

Сокращение продолжительности разработки. Часто для получения новых свойств прибора, выполняемого на основе микропроцессорной системы, не требуется значительных изменений в схеме и тем более в конструкции прибора. Основное содержание разработки заключается в создании необходимого программного обеспечения.

Организация измерительных систем.

2.2 Улучшение метрологических характеристик приборов

Общие сведения.

Метрологическими характеристиками средства измерения называют характеристики свойств средства измерения, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Не приводя полной классификации погрешностей измерений и измерительных приборов, отмечаем, что по закономерности проявления различают систематические, случайные и грубые погрешности. Напомним их определения:

систематическая погрешность -- составляющая погрешности измерений, остающаяся постоянной по величине и знаку или проявляющаяся с определенной закономерностью при повторных измерениях одной и той же физической величины;

случайная погрешность -- составляющая погрешности измерений, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины, т. е. погрешность, значение и знак которой не могут быть точно предсказаны;

грубые погрешности -- погрешности, существенно превышающие ожидаемую при данных условиях погрешность (грубые искажения результатов измерения).

Рассмотрим в общем плане возможности и способы уменьшения погрешностей в приборах, содержащих микропроцессорные системы.

Исключение систематической погрешности. Наиболее часто систематические погрешности обусловлены смещением нуля, несоответствием реального значения коэффициента передачи тракта сигнала номинальному значению, неравномерностью амплитудно частотной характеристики тракта передачи сигнала, влиянием характеристики аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Наличие в приборе микропроцессорной системы позволяет скорректировать, исключить систематические погрешности.

Микропроцессорная система, входящая в состав измерительного прибора, позволяет накапливать результаты многократных наблюдений и обрабатывать по определенному алгоритму.

Компенсация внутренних шумов.

Эта операция позволяет повысить чувствительность измерительного прибора, расширить диапазон измеряемых значений напряжения в сторону малых значений.

2.3 Что осложняет и ограничивает использование микропроцессоров в средствах измерения

Трудности выбора базового микропроцессора. Промышленность уже выпускает много типов микропроцессоров, и число новых разработок лавинообразно нарастает. Нередко говорят о высоких темпах появления новых поколений микропроцессоров. Но, в отличие от ЭВМ, у которых каждое последующее поколение по основным технико-экономическим показателям превосходит предыдущее и обычно вытесняет его, микропроцессоры всех поколений сосуществуют и взаимно дополняют (а не вытесняют) друг друга. Так, например, появление 16- или 32-разрядных микропроцессоров, ничуть не уменьшив роли 8-разрядных микропроцессоров, расширило круг решаемых задач, позволило повысить быстродействие устройств, открыло возможности получения новых свойств разрабатываемых систем. Более того, иногда микропроцессорные комплекты, характеризующиеся одинаковой разрядностью микропроцессора, различаются по быстродействию, емкости запоминающих устройств. Очевидно, что каждый из этих микропроцессорных комплектов может с одинаковым успехом быть использован в «своем» проектируемом приборе в соответствии с решаемой задачей, заданными характеристиками прибора.

Но это еще не все. Дело в том, что появление большого числа типов универсальных микропроцессоров вовсе не уменьшило количества разработок специализированных микропроцессоров, которые рассчитаны на конкретные применения и часто оптимизированы по различным параметрам. Поэтому далеко не всегда поставленные задачи должны решаться с помощью универсального микропроцессора. Нередки ситуации, когда намного эффективнее специализированный микропроцессор. Так, операция перемножения двух однобайтовых чисел универсальным микропроцессором, структура которого предопределяет вычисления по программе сложение со сдвигом», требует значительного времени. Например, микропроцессор, характеризуемый быстродействием 1 млн. регистровых операций в секунду перемножает два однобайтовых числа примерно за 50 мкс (могут быть колебания в зависимости от программы). В то же время специализированные микропроцессоры, выполняемые в однокристальном исполнении, -- матричные перемножители (в отечественной литературе их также называют арифметическими расширителями) -- обладают гораздо более высоким быстродействием: два 8-разрядных числа они перемножают за: интервал времени, не превышающий сотых долей микросекунды. Поэтому в ситуациях, когда необходима высокая скорость перемножения, исключительную ценность представляет специализированный микропроцессор.

Выпускаются большие интегральные схемы, выполняющие быстрое преобразование Фурье, монолитные корреляторы, схемы, представляющие однокристальное сочетание АЦП и микропроцессора, «аналоговый» микропроцессор и т. п.

Обилие разнообразных микропроцессорных средств, не всегда с достаточной полнотой освещенных в справочных изданиях, хотя и представляет большие возможности, несомненно, осложняет процедуру выбора базового микропроцессора для проектируемого средства измерения.

Ограниченное быстродействие микропроцессоров. Рассматривая вопрос о применении микропроцессора, следует внимательно проанализировать его быстродействие, выяснить, достаточно ли оно для решения сформулированной задачи. При этом важно правильно ориентироваться в справочных данных, характеризующих быстродействие микропроцессора.

В общем плане по аналогии с ЭВМ быстродействие микропроцессора интерпретируется как средняя скорость выполнениям некоторого алгоритма. Очевидно, что эта усредненная характеристика может довольно сильно расходиться с числовым значением скорости выполнения алгоритма, определяющего последовательность выполнения операций для решения конкретной задачи.

Программное обеспечение. При разработке измерительных систем и приборов, содержащих микропроцессоры, наибольшую трудность представляет программное обеспечение. Сложность решения этой задачи определяется: необходимостью овладения специалистами в области электроники, хорошо знающими микропроцессоры, искусством программирования микропроцессорных систем, в частности умением рационально выбрать язык программирования;

большим разнообразием программ, которые с достаточной полнотой удовлетворили бы потребности различных пользователей прибора;

высокой стоимостью программного обеспечения, во много раз превышающей аппаратурные затраты;

трудностью отладочной процедуры, требующей применения специальных средств отладки программ.

В определенной степени задачу программного обеспечения вновь создаваемых устройств облегчает наличие уже разработанных пакетов прикладных программ для широко используемых микропроцессоров.

2.4 Программируемые мультиметры

Под мультиметром понимают универсальный многофункциональный измерительный прибор, позволяющий измерить несколько параметров электрических сигналов и компонентов цепей электронных устройств. Наиболее часто мультиметры измеряют напряжения постоянного и переменного тока, сопротивление резистора, емкость конденсатора, коэффициент усиления, затухание четырехполюсника, частоту н другие параметры.

Программируемые мультиметры строятся на основе микропроцессора и выполняют много функций. Но, большое число функций присуще и микропроцессорным цифровым вольтметрам. Поэтому в тех случаях, когда нахождение значений параметров с помощью мультиметра базируется на прямых измерениях напряжения с последующими вычислениями, нелегко четко провести грань, разделяющую эти два вида измерительных приборов. Нередко можно столкнуться с тем, что два прибора выполняют почти одинаковые функции, но один из них назван цифровым вольтметром, а второй -- цифровым мультиметром. Отсюда понятно, что все основные положения относятся и к микропроцессорным мультиметрам.

Тем не менее, вообще говоря, функциональные возможности цифровых мультиметров шире, чем у цифровых вольтметров. Например, где описан программируемый мультиметр, хотя и отмечается, что он сохраняет все свойства цифровых вольтметров высокой точности, подчеркиваются дополнительные, новые возможности, создаваемые выносной клавиатурой. Она позволяет программировать мультиметр на языке символических обозначений, которые нанесены на клавишах. Иначе говоря, программа вводится с клавиатуры. С ее помощью пользователь мультиметра имеет возможность набирать и задавать программы, определяющие измеряемый параметр, режим измерений, запоминание результатов наблюдений, алгебраические и тригонометрические вычисления при осуществлении косвенных измерений, статистическую обработку Конструктивно такой мультиметр состоит из основного прибора с клавиатурой на передней панели (как у цифрового вольтметра) и дополнительного блока -- вычислительного контроллера, выполненного на основе отдельного, второго микропроцессора. В составе микроконтроллера имеются внутренняя логическая плата и внешняя клавиатура (подобная применяемой в микрокалькуляторах). С ее помощью пользователь получает доступ к управляющему микропроцессору, находящемуся внутри основного прибора. Логическая плата микроконтроллера выполняет требуемую обработку данных и дополнительных инструкций по интерпретации команд, вводимых с клавиатуры. Микропроцессор либо сразу выполняет команды, либо направляет их в модуль памяти для хранения и использования впоследствии.

Система команд, набираемых на клавиатуре, включает операции вычисления алгебраических (в том числе логарифмических) и тригонометрических функций, определяемых пользователем, а также команды, относящиеся к чисто программной процедуре: условных переходов, адресации, вывода на дисплей и т. п.

Одна из возможностей прибора -- косвенное измерение мощности, рассеиваемой на резисторе сопротивления R (рис. 4).

По программе предполагаются измерение падения напряжения U на резисторе и последующее вычисление мощности по известной формуле P = U 2 /R. При выполнении указанной программы прибор фактически представляет собой уже не вольтметр, а измеритель мощности. Характерно то, что эта функция прибора задана программным путем, причем требуются всего 10 шагов программы.

Для набора определенной программы время затрачивается только один раз, так как ее можно записать в съемный модуль памяти программ.

3. Методы тестирования микропроцессорных систем измерительных приборов

3.1 Специфика контроля и диагностики

Испытание микропроцессоров и микропроцессорных систем называют тестированием. Его проводят для проверки качества функционирования системы, диагностики и отыскания неисправностей.

В современной электронной технике диагностические процедуры стали очень сложными.

Если еще на стадии проектирования микропроцессорной системы не продуманы вопросы ее тестирования, то в процессе эксплуатации системы они могут вырасти в трудно разрешимую проблему.

Каковы же основные особенности устройства и работы микропроцессорной системы, влияющие на организацию ее контроля и диагностики, определяющие специфику требуемой для тестирования аппаратуры. Можно отметить шесть таких особенностей:

В микропроцессорных системах "циркулируют потоки цифровых данных, представляющие собой разнообразные комбинации битов, слова различной длины, появление которых зачастую апериодично. К тому же длительности цифровых сигналов могут изменяться в широких пределах.

Микропроцессоры -- это устройства со сложной внутренней структурой и многочисленными внутренними.путями передачи информации, данных. Процедура, последовательность передачи информации внутри микропроцессора определяется программой. Ее успешное выполнение зависит от временных соотношений для различных входных и выходных сигналов.

Трудность описания схем, обусловленная принципиальным отличием микропроцессорной системы от многофункциональных приборов, построенных то схемам с жесткой логикой.

Высокая скорость процессов, протекающих в устройствах с микропроцессорами; элементарные сигналы существуют в течение очень малого интервала времени (часто -- доли микросекунды) и кодовые комбинации, как правило, не повторяются, во всяком случае регулярно.

Наличие двунаправленных шин -- шин, по которым цифровые сигналы передаются в обоих направлениях. Это затрудняет интерпретацию данных и адресов. Значительные осложнения при отыскании неисправностей создает параллельная структура шин, к которым подключено сразу несколько устройств.

Большое число элементарных операций, за которыми должны следить контрольно-испытательные устройства. Так, например, в измерительных приборах с микропроцессорным управлением число шагов процессорных программ может достигать нескольких тысяч.

...

Подобные документы

Измерительная техника на сетях современных телекоммуникаций. Состояние развития рынка измерительной техники. Системное и эксплуатационное измерительное оборудование. Типовые каналы и тракты первичной сети. Современные оптические системы передачи.

дипломная работа , добавлен 01.06.2012


Функции микропроцессоров в измерительных приборах. Цифровые вольтметры постоянного тока с время - импульсным преобразованием. Назначение, принцип действия и устройство цифровых частотомера, спидометра, термометра электронного весового оборудования.

реферат , добавлен 10.06.2014


Техника безопасности и охраны труда на предприятии. Общие сведения о диспетчерском радиолокаторе, его технические характеристики, принцип работы и структура. Устройство и принцип работы прибора передатчик-приемник, электрические параметры ячейки Д2ХК251.

отчет по практике , добавлен 21.12.2010


Арифметико-логическое устройство микропроцессора: его структура и составные части, назначение, функции, основные технические характеристики. Организация системы ввода/вывода микро ЭВМ. Реальный режим работы микропроцессора, его значение и описание.

контрольная работа , добавлен 12.02.2014


Экспериментальное определение метрологических характеристик АЦП, их сравнение с паспортными данными и методическими погрешностями АЦП с помощью NI ELVIS и LabVIEW. Преобразование входного аналогового сигнала в дискретный код. Схема измерительной цепи.

контрольная работа , добавлен 06.12.2013


Принципы действия приборов для измерения электрического тока, напряжения и сопротивления; расчет параметров многопредельного амперметра магнитоэлектрической системы и четырехплечего уравновешенного моста постоянного тока; метрологические характеристики.

курсовая работа , добавлен 18.06.2012


Анализ устройства подсистемы утилизации паров бензина из бензобака в системе "Mono-Motronic" (ПУПБ). Структурная схема информационно-измерительной системы. Определение функции преобразования измерительного канала. Выбор элементов электрической схемы.

курсовая работа , добавлен 10.01.2013


Дистанционная передача измерительной информации. Общий вид цилиндрического дифференциально-трансформаторного преобразователя. Изменение взаимоиндуктивности двух систем обмоток при перемещении элемента магнитопровода. Принципиальная схема системы ДТП.

контрольная работа , добавлен 01.02.2013


Метрологические, динамические и эксплуатационные характеристики измерительных систем, показатели их надежности, помехозащищенности и безопасности. Средства и методы проверки; схема, принцип устройства и действия типичной контрольно-измерительной системы.

контрольная работа , добавлен 11.10.2010


Выбор силовой исполнительной и измерительной части системы (двигателя и усилителя мощности). Составление уравнения динамики и передаточных функций. Синтез последовательного корректирующего устройства методом логарифмических частотных характеристик.

Новые уловки телефонных мошенников, на которые может попасться каждый

Микропроцессорная техника

МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА - вид вычислительной техники, находящей все более широкое применение в различных средствах автоматизации и связи, и прежде всего в ЭВМ.

Микропроцессорная техника предназначена для логической и арифметической обработки информации на основе принципа программного управления. Микропроцессоры, основанные на больших интегральных схемах, включают в себя программный счетчик, предназначенный для хранения адреса команды, подлежащей выполнению; регистр команды, который принимает выбранную из памяти программ команду и хранит ее в течение цикла выполнения команды; указатель последней занятой ячейки памяти; регистры общего назначения, представляющие собой сверхоперативную память микропроцессора; аккумулятор, который является источником и приемником информации; арифметико-логическое устройство, предназначенное для обработки данных; регистр, на котором формируются признаки результатов операций.

Возможности ЭВМ во многом зависят от микропроцессоров, от уровня больших интегральных схем. Если в конце 50-х годов один монокристалл содержал одну деталь схемы, то в настоящее время реализуются схемы со степенью интеграции до 105 элементов на кристалл, и предел еще не достигнут.

6.3.3. Программирование учебных задач

Начнем программирование учебных задач с написания программы, которая считывает состояние кнопки SB1 и выводит его на светодиодный индикатор VD2 так, что не нажатому состоянию кнопки (высокому уровню сигнала на входе RA4 ) соответствует светящееся состояние светодиода, и наоборот.

Листинг 12.2. (html , txt )

Листинг 12.2. (html , txt )

;основная программа

LOOP

CALL SB1_VD2 ;вызов подпрограммы SB1_VD2

;повторения процесса

GET_RA ;подпрограмма чтения состояния

;порта A

SB1_VD2 ;подпрограмма вывода на светодиод

;VD2 состояния кнопки SB1 (разряда 4

;регистра TEMPA)

GOTO P0 ;перейти на P0

;TEMPA,4=0 (кнопка нажата)

GOTO P1 ;перейти на P1

BCF VD2 ;погасить светодиод

RETURN

Листинг 12.2.

Основная программа содержит замкнутый цикл LOOP – GOTO LOOP , необходимый для периодического повторения цикла контроля состояния кнопки и вывода его на индикатор. Команда CLRWDT исключает влияние возможного сброса по переполнению сторожевого таймера на работу программы. Две следующие команды осуществляют вызов подпрограмм GET_RA и SB1_VD2 . Первая из них (GET_RA ) вначале считывает текущее состояние порта A , которое помещается в рабочий регистр W . Поскольку рабочий регистр может потребоваться при исполнении других команд, его состояние записывается в регистр TEMPA , используемый здесь для временного хранения состояния порта A . Таким образом, после возврата из подпрограммы GET_RA в разряде 4 регистра TEMPA содержится информация о состоянии кнопки SB1 : "1" – не нажата, "0" – нажата.

Подпрограмма SB1_VD2 TEMPA и, в зависимости от него, зажигает или гасит светодиод. В системе команд МК PIC16F84 нет команд условного перехода, поэтому для организации проверки того или иного условия используются команды, позволяющие пропустить выполнение следующей команды программы, в зависимости от состояния определенного бита в заданном регистре (BTFSS и BTFSC ). В частности, команда BTFSS TEMP,4 пропускает исполнение команды GOTO P0 , если TEMP,4 = 1 (кнопка не нажата). Тем самым реализуется команда BSF VD2 , которая зажигает светодиод VD2 . Затем анализируется условие TEMP,4 = 0 (кнопка нажата) и, если оно имеет место, светодиод гасится.

Возможна более простая реализация заданного алгоритма, поскольку нажатое состояние кнопки исключает не нажатое (и наоборот), но представленный вариант более нагляден.

Рассмотрим более сложный вариант программы, предусматривающий зажигание светодиода VD2 только при следующем состоянии тумблеров и кнопок макета: SA1 = 1 , SA2 = 1 , SB1 = 1 и SB2 = 0 .

Листинг 12.3. (html , txt )

Листинг 12.3. (html , txt )

;основная программа

LOOP

CLRWDT ;сброс сторожевого таймера

CALL GET_RA ; вызов подпрограммы GET_RA

CALL GET_RB ; вызов подпрограммы GET_RB

CALL ZAG_1110 ; вызов подпрограммы ZAG_1110

GOTO LOOP ;переход к метке LOOP для

;повторения процесса

GET_RB ;подпрограмма чтения состояния

;порта B

MOVF PORTB,W ;чтение состояния порта B в W

MOVWF TEMPB ;пересылка W в TEMPB

RETURN

ZAG_1110 ;зажигает светодиод VD2 только при

;следующем состоянии тумблеров и

;кнопок макета:

;SA1 = SA2 = SB1 = 1 и SB2 = 0

BTFSS TEMPA,2 ;пропустить команду, если

GOTO P0 ;TEMPA,2=1

BTFSS TEMPA,3 ;пропустить команду, если

GOTO P0 ;TEMPA,3=1

BTFSS TEMPA,4 ;пропустить команду, если

GOTO P0 ;TEMPA,4=1

BTFSC TEMPB,0 ;пропустить команду, если

GOTO P0 ;TEMPB,0=0

BSF VD2 ;зажечь светодиод VD2

GOTO P1

BCF VD2 ;погасить светодиод VD2

RETURN

INCLUDE GET_RA.ASM

Листинг 12.3.

Подпрограммы GET_RA и GET_RB помещают в регистры TEMPA и TEMPB текущие состояния портов A и B , соответственно. Подпрограмма ZAG_1110 анализирует состояния разрядов 2,3 и 4 регистра TEMPA и разряда 0 регистра TEMPB , и при условии TEMPA,2,3,4 = 1,1,1 и TEMPB,0 = 0 , зажигает светодиод VD2 . При невыполнении хотя бы одного из этих условий светодиод гасится.

Использование директивы INCLUDE GET_PORTA.ASM позволяет включать уже отлаженные модули подпрограмм в текущую программу. Для того чтобы этой возможностью можно было воспользоваться, необходимо сохранять отлаженные модули в виде отдельных ассемблерных файлов.

Попробуем теперь использовать семисегментный индикатор для контроля состояния тумблеров макета. Вначале напишем программу, которая выводит на индикатор HL семисегментное изображение любого двоичного числа от 0b до 1111b в шестнадцатиричном представлении.

Листинг 12.4. (html , txt )

Листинг 12.4. (html , txt )

;основная программа

LOOP

CLRWDT ;сброс сторожевого таймера

MOVLW 0x0A ;пересылка константы 0A в W

GOTO LOOP ;переход к метке LOOP для

;повторения процесса

SEV_SEG ;подпрограмма обслуживания

;семисегментного индикатора

ANDLW 0x0F ;маскирование 4-х младших разрядов

;W и обнуление 4-х старших

ADDWF PCL,F ;сложение W с PCL и пересылка

;результата в PCL

RETLW 0x80 ;возврат из подпрограммы с 80 в W

RETLW 0xF2 ;возврат из подпрограммы с F2 в W

RETLW 0x48 ;возврат из подпрограммы с 48 в W

RETLW 0x60 ;возврат из подпрограммы с 60 в W

RETLW 0x32 ;возврат из подпрограммы с 32 в W

RETLW 0x25 ;возврат из подпрограммы с 25 в W

RETLW 0x04 ;возврат из подпрограммы с 04 в W

RETLW 0xF0 ;возврат из подпрограммы с F0 в W

RETLW 0x00 ;возврат из подпрограммы с 00 в W

RETLW 0x20 ;возврат из подпрограммы с 20 в W

RETLW 0x10 ;возврат из подпрограммы с 10 в W

RETLW 0x06 ;возврат из подпрограммы с 06 в W

RETLW 0x8C ;возврат из подпрограммы с 8C в W

RETLW 0x42 ;возврат из подпрограммы с 42 в W

RETLW 0x0C ;возврат из подпрограммы с 0C в W

RETLW 0x1C ;возврат из подпрограммы с 1C в W

Листинг 12.4.

Программа начинает свою работу с пересылки константы 0x0A в рабочий регистр W . Затем производится вызов подпрограммы обслуживания семисегментного индикатора SEV_SEG . Работа подпрограммы SEV_SEG начинается с маскирования 4-х младших разрядов W и обнуления 4-х старших. Тем самым из анализа исключаются старшие разряды передаваемого из рабочего регистра W числа. Затем маскированное содержимое регистра W добавляется к текущему состоянию младшего байта счетчика команд PCL , и результат помещается в PCL . Таким образом, производится дополнительное смещение счетчика команд на величину, которая была передана в рабочем регистре. Например, если было W=0 , то содержимое счетчика команд не изменится, и будет выполнена следующая команда RETLW 0x80 0x80 = B"1000000" в регистр W . Если, как было в при веденной программе, W=0A , то к содержимому PCL будет добавлено число 0x0A , и произойдет дополнительное смещение на 10 шагов. В результате будет выполнена команда RETLW 0x10 , которая вызовет возврат из подпрограммы с записью 0x10 = B"0001000" в регистр W .

После возврата из подпрограммы производится пересылка W в PORTB и отображение его состояния на семисегментном индикаторе HL . В частности, если W = 0 , то при выводе 1000000b на порт B семисегментный индикатор покажет 0 , а при W = A покажет A .Таким образом, может быть отображено любое 4-разрядное двоичное число.

Метод прямого управления счетчиком команд, использованный в подпрограмме SEV_SEG , может применяться для реализации табличной конвертации чисел. При этом необходимо иметь в виду, что данный метод не позволяет конвертировать более 256 значений в одной таблице. Кроме того, программа табличной конвертации должна целиком располагаться внутри 256-байтного блока во избежание переполнения младшего байта счетчика команд.

Используя подпрограмму SEV_SEG , напишем теперь программу, которая читает состояния тумблеров SA1 и SA2 и выводит на индикатор соответствующее число.

Листинг 12.5. (html , txt )

Листинг 12.5. (html , txt )

;основная программа

LOOP

CLRWDT ;сброс сторожевого таймера

CALL GET_RA ; вызов подпрограммы GET_RA

RRF TEMPA,F ;сдвиг вправо на один разряд

;через перенос

RRF TEMPA,W ;сдвиг вправо на один разряд

;через перенос

ANDLW 0x03 ;маска на два младших разряда

CALL SEV_SEG ; вызов подпрограммы SEVEN_SEG

MOVWF PORTB ; пересылка W в PORTB

GOTO LOOP ;переход к метке LOOP для

;повторения процесса

INCLUDE GET_RA.ASM

INCLUDE SEV_SEG.ASM

Листинг 12.5.

Подпрограмма GET_RA помещает в регистр TEMPA текущее состояние порта A . Таким образом, в разрядах 2 и 3 регистра TEMPA хранится текущее состояние тумблеров SA1 и SA2 . Для того чтобы биты состояния тумблеров заняли позиции 0 и 1 регистра TEMPA , производится два сдвига вправо через перенос, причем результат второго сдвига помещается в регистр W . Затем накладывается маска на два младших разряда рабочего регистра и производится вызов подпрограммы SEV_SEG . После выхода из подпрограммы результат подается на порт B и отображается на индикаторе.

Рассмотрим теперь программы, работающие в реальном масштабе времени, т.е. выдающие сигналы определенной длительности и частоты следования, либо учитывающие временные параметры входных сигналов. Основным элементом таких программ является подпрограмма формирования временной задержки. Рассмотрим один из возможных вариантов такой подпрограммы с использованием программных методов формирования задержки, т.е. без применения встроенного таймера.

Листинг 12.6. (html , txt )

Листинг 12.6. (html , txt )

;основная программа

MOVLW 0xL ;пересылка константы H"L" в W

CALL DELAY ;вызов подпрограммы DELAY

DELAY ;подпрограмма формирования

;задержки времени

LOOPD

RETURN ;возврат из подпрограммы

Листинг 12.6.

Основная программа производит вызов подпрограммы DELAY с некоторой константой L в рабочем регистре W , определяющей число внутренних циклов подпрограммы. Подпрограмма DELAY начинает свою работу с загрузки содержимого рабочего регистра в регистр пользователя COUNT1 . Команда DECFSZ COUNT1,F уменьшает на единицу содержимое регистра COUNT1 и проверяет его на равенство нулю. Нулевое состояние регистра COUNT1 приводит к выходу из цикла и возврату из подпрограммы. Для исполнения каждого внутреннего цикла требуется три машинных цикла МК (1 цикл на исполнение команды DECFSZ при ненулевом результате и 2 цикла на каждую команду GOTO ). Выход из подпрограммы DELAY потребует 4-х циклов (2 цикла на исполнение команды DECFSZ при нулевом результате и 2 цикла на RETURN ). Если добавить к этому еще 4 цикла, необходимых для загрузки константы в рабочий регистр, вызова подпрограммы и загрузки регистра пользователя COUNT1 , то общее время исполнения подпрограммы DELAY (задержка) составит

TD = 4 + 3*(L – 1) + 4 = 5 + 3*L циклов,

где L – константа, переданная через рабочий регистр в подпрограмму DELAY .

L = H"00" = .0 максимальный формируемый интервал времени составит 1,55 мс. Такой результат связан с тем, что команда DECFSZ сначала декрементирует содержимое регистра (H"00" – 1 = H"FF" ), а затем уже анализирует результат.

Минимальный формируемый интервал времени составит при тех же условиях 5 циклов или 10 мкс. Для получения такого интервала необходимо перед вызовом подпрограммы DELAY загрузить в рабочий регистр число 0x01 .

Для расширения верхней границы формируемых временных интервалов, а также с целью повышения удобства работы с подпрограммой, можно добавить в цикл LOOPD одну или несколько дополнительных команд, в качестве которых чаще всего используется команда NOP . Для примера рассмотрим подпрограмму формирования задержки времени DELAY_C

Листинг 12.7. (html , txt )

Листинг 12.7. (html , txt )

DELAY_C ;подпрограмма формирования

;задержки времени (вариант C)

LOOPD

NOP ;пустая команда

GOTO LOOPD ;повторение цикла H"L" раз

RETURN ;возврат из подпрограммы

Листинг 12.7.

Общее время исполнения подпрограммы DELAY_C , включая ее вызов, составит

TD = 4 + 4*(L – 1) + 4 = 4 + 4*L циклов.

При тактовой частоте fosc = 2МГц и загрузке константы L = H'F9' = .249 формируемый интервал времени составит ровно 2 мс. Уменьшение константы на единицу уменьшает формируемый временной интервал на 8 мкс. В частности, при L = .124 образуется задержка в 1 мс.

Для формирования больших задержек времени, лежащих в диапазоне долей и единиц секунд, такой подход неудобен. В этом случае используются вложенные циклы, как показано в следующем примере.

Листинг 12.8. (html , txt )

Листинг 12.8. (html , txt )

;основная программа

MOVLW 0xL ;пересылка константы H'L' в W

CALL DELAY_D ;вызов подпрограммы DELAY_D

DELAY_D ;подпрограмма формирования

;большой задержки времени (вариант D)

LOOPD

CLRWDT ;сброс сторожевого таймера

RETURN ;возврат из подпрограммы

Листинг 12.8.

DELAY_D составляет 3*256 + 4

TD = 5 + (3*256 + 4)*L циклов.

При тактовой частоте fosc = 2МГц время цикла равно tц = 2 мкс, поэтому при загрузке L = H'00' = .0 максимальный формируемый интервал времени составит около 0,4 с.

Поскольку формируемый интервал времени достаточно велик, во внешний цикл включена команда сброса сторожевого таймера.

Интервал времени 0,4 с не совсем удобен для получения задержек времени, кратных секунде, поэтому рассмотрим еще один вариант подпрограммы формирования больших задержек времени с дополнительной командой NOP во внутреннем цикле.

Листинг 12.9. (html , txt )

Листинг 12.9. (html , txt )

DELAY_E ;подпрограмма формирования

;большой задержки времени (вариант E)

CLRF COUNT1 ;сброс содержимого регистра COUNT1

LOOPD

NOP ;пустая команда

GOTO LOOPD ;повторение цикла 256 раз

CLRWDT ;сброс сторожевого таймера

GOTO LOOPD ;повторение цикла H'L' раз

RETURN ;возврат из подпрограммы

Листинг 12.9.

Время исполнения внутреннего цикла подпрограммы DELAY_E составляет 4*256 + 4 машинных циклов МК, поэтому общая задержка составит

TD = 5 + (4*256 + 4)*L циклов.

При тактовой частоте fosc = 2МГц и при загрузке L = H'F3' = .243 формируемый интервал времени составит около 0,5 с при погрешности не более 0,2%. Если необходима более высокая точность, можно вставить необходимое количество пустых операций во внешний цикл формирования задержки.

Рассмотрим далее несколько программ с использованием подпрограмм формирования задержки времени. Начнем с написания программы, которая подает звуковой сигнал на динамик BA1 при нажатии на кнопку SB1 . Динамик будет звучать только в том случае, если на выход RA0 будет подан периодически изменяющийся сигнал. Для того чтобы звук был хорошо слышен, его частота должна находиться вблизи максимума слышимости человеческого уха. Выберем частоту звучания равной 1 КГц, что соответствует периоду следования импульсов сигнала 1 мс.

Листинг 12.10. (html , txt )

Листинг 12.10. (html , txt )

;основная программа

LOOP

CLRWDT ;сброс сторожевого таймера

CALL GET _ RA ;вызов подпрограммы GET _ PORTA

CALL SB1_BA1 ;вызов подпрограммы SB1_BA1

GOTO LOOP ;переход к метке LOOP для

;повторения процесса

SB1_BA1 ;подпрограмма подачи звука на

;динамик BA1 при нажатии на кнопку

;SB1

BTFSC TEMPA,4 ;пропустить команду, если

;TEMPA,4=0 (кнопка нажата)

GOTO B0 ;перейти на B0

BSF BA1 ;подача высокого уровня на RA0

;H'3E' = .62 в W

BCF BA1 ;подача низкого уровня на RA0

MOVLW 0x3E ;пересылка константы

;H'3E' = .62 в W

CALL DELAY_C ;вызов подпрограммы DELAY_C

RETURN

INCLUDE GET_RA.ASM

INCLUDE DELAY_C.ASM

Листинг 12.10.

Как и раньше, подпрограмма GET_RA считывает текущее состояние порта A, которое затем передается в регистр TEMPA . Подпрограмма SB1_BA1 анализирует состояние разряда 4 регистра TEMPA и, в зависимости от результата, озвучивает динамик BA1 или нет. Необходимая выдержка линии RA0 в единичном и нулевом состояниях обеспечивается подпрограммой DELAY_C с параметром L = H'3E' = .62 . Это соответствует времени задержки около 0,5 мс, что и дает в результате необходимую частоту следования сигнала 1 Кгц.

Рассмотрим далее программу, которая заставляет мигать светодиод VD2 при нажатии на кнопку SB1 . Для того чтобы мигания были хорошо видны, выберем их частоту равной 1 Гц.

Листинг 12.11. (html , txt )

Листинг 12.11. (html , txt )

;основная программа

LOOP

CLRWDT ;сброс сторожевого таймера

CALL GET_RA ; вызов подпрограммы GET_RA

CALL SB1_VD2M ;вызов подпрограммы

;SB1_VD2M

GOTO LOOP ;переход к метке LOOP для

;повторения процесса

SB1_VD2M ;подпрограмма мигания светодиода

;VD2 при нажатии на кнопку SB1

BTFSC TEMPA,4 ;пропустить команду, если

;TEMPA,4=0 (кнопка нажата)

GOTO V0 ;перейти на V0

BSF VD2 ;зажечь светодиод VD2

;H'F3' = .243 в W

BCF VD2 ;погасить светодиод

MOVLW 0xF3 ;пересылка константы

;H'F3' = .243 в W

CALL DELAY_E ;вызов подпрограммы DELAY_E

BTFSS TEMPA,4 ;пропустить команду, если

;TEMPA,4=1 (кнопка не нажата)

GOTO V1 ;перейти на V1

BCF VD2 ;погасить светодиод

RETURN

INCLUDE GET_RA.ASM

INCLUDE DELAY_E.ASM

Листинг 12.11.

Программа работает почти так же, как и предыдущая. Первое отличие заключается в том, что светодиод принудительно гасится при не нажатой кнопке. Второе отличие заключается в величине интервала времени, который составляет здесь 0,5 с и формируется подпрограммой DELAY_E .

Подпрограммы формирования задержки времени могут быть также полезны при работе с такими внешними источниками сигналов, как тумблеры, кнопки, переключатели и т.п. Дело в том, что все механические коммутаторы имеют одно негативное свойство, известное как "дребезг" контактов, которое обусловлено механическими колебаниями контактов при их замыкании и размыкании. Длительность колебаний составляет обычно несколько миллисекунд, в течение которых на вход МК может поступать пачка импульсов вместо идеального перепада.

Аппаратные способы борьбы с "дребезгом" контактов основаны на использовании RS-триггеров, одновибраторов или триггеров Шмитта. В устройствах на основе МК подавление "дребезга" контактов обычно осуществляется программными способами, которые основаны на повторном считывании состояния линии порта через определенное время.

В качестве примера рассмотрим "бездребезговый" вариант подпрограммы чтения состояния порта A .

Листинг 12.12. (html , txt )

Листинг 12.12. (html , txt )

GET_RAD ;подпрограмма чтения состояния

;порта A в регистр TEMPA

;с подавлением "дребезжания"

MOVF PORTA,W ;чтение состояния порта A в W

ANDLW 0x1C ;наложение маски b'00011100'

;на неиспользуемые биты W

MOVWF TEMPA ;пересылка W в TEMPA

CLRWDT ;сброс сторожевого таймера WDT

MOVLW 0x0A ;пересылка константы

;H'0A' = .10 в W

CALL DELAY_E ; вызов подпрограммы DELAY_E

MOVF PORTA,W ;чтение состояния порта A в W

ANDLW 0x1C ;наложение на W маски b'00011100'

SUBWF TEMPA,W ;вычитание W из TEMPA

BTFSS Z ;пропустить команду, если результат

;нулевой

GOTO DD ;перейти на метку DD

RETURN

INCLUDE DELAY_E.ASM

Листинг 12.12.

Суть работы подпрограммы заключается в повторном чтении состояния порта A спустя некоторое время после предыдущего и сравнении его с прежним значением. Константа H'0A' = .10 , пересылаемая в регистр W перед вызовом подпрограммы DELAY_E , обеспечивает значение задержки времени около 20 мс - этого, как правило, достаточно для завершения переходных процессов при переключении механических коммутаторов. Маскирование неиспользуемых разрядов порта повышает надежность работы подпрограммы. Сброс сторожевого таймера перед вызовом подпрограммы задержки нужен для исключения сброса МК между двумя процедурами опроса порта A .

Рассмотрим теперь работу программы, которая использует некоторые из разработанных ранее подпрограмм. Пусть целью работы программы является подсчет числа нажатий на кнопку SB1 с выводом результата на семисегментный индикатор в шестнадцатиричном коде.

Листинг 12.13. (html , txt )

Листинг 12.13. (html , txt )

;основная программа

CLRF COUNT3 ;сброс счетчика нажатий

LOOP

CLRWDT ;сброс сторожевого таймера

CALL GET_RAD ;вызов подпрограммы GET_RAD

BTFSC TEMPA,4 ;проверка нажатия SB1

GOTO LOOP ;если не нажата – возврат

;на метку LOOP

INCF COUNT3,F ;инкремент счетчика

MOVF COUNT3,W ;пересылка содержимого

;счетчика в рабочий регистр

CALL SEV_SEG ;вызов подпрограммы SEV_SEG

MOVWF PORTB ;пересылка W в PORTB

TEST

CALL GET_RAD ; вызов подпрограммы GET_RAD

BTFSS TEMPA,4 ;проверка нажатия SB1

GOTO TEST ;если еще нажата – возврат

;на метку TEST

GOTO LOOP ;возврат на метку LOOP

INCLUDE GET_RAD.ASM

INCLUDE SEV_SEG.ASM

Листинг 12.13.

Приведенные в главе программы не охватывают и малой доли возможностей, которые предоставляет даже такой простой макет, как изображенный на рис. 6.3 . Однако их освоение, надеюсь, будет полезным для начинающих пользователей PIC-контроллеров.