Классификация и задачи микропроцессорных средств

PAGE 9

Дисциплина «Микроконтроллеры в системах управления», 3-й курс, семестр 6. Модуль 2 – Тема 1

Модуль 2 Структура и программирование
однокристальных микроконтроллеров

Тема 1 Классификация и задачи микропроцессорных средств

1.1 Определение микропроцессора

Цифровой регулятор системы управления строится на основе микропроцессорных интегральных схем.

Микропроцессор (МП) – функциональный блок, выполненный, как правило, на одной микросхеме, предназначенный для цифровой обработки информации и управления ходом этой обработки на основе кодов команд программы, которые микропроцессор считывает из запоминающих устройств.

Современные микропроцессорные средства характеризуются огромным разнообразием функциональных возможностей и сфер использования. Однако в этом разнообразии можно выделить несколько функциональных групп и некоторые общие принципы логического построения и функционирования.

1.2 Функциональная классификация микропроцессоров

Функциональная классификация микропроцессорных средств показана на рис. 1.1.

Микропроцессоры с аппаратным принципом управления имеют:

фиксированную разрядность шин адреса и данных;
неизменяемую систему команд – набор возможных элементарных действий процессора фиксирован для данной модели; каждому действию соответствует определенное двоичный код – так называемый код команды; это свойство определяется тем, что в состав процессора входит блок дешифрации команд, который функционирует по жесткой аппаратной логике.

Микропроцессорный комплект (МПК, Chipset) – набор микросхем с едиными конструктивно-технологическими принципами и электрическими характеристиками (уровни сигналов, быстродействие), предназначенных для построения микропроцессорной системы (МПС).

В состав МПК входят:

собственно центральный процессор (ЦП), или микропроцессор (МП),
арифметический сопроцессор – средство эффективной реализации вычислительных действий под управлением ЦП; в современных системах МП, как правило, содержит в своем составе сопроцессор;
контроллеры периферийных функций с программной настройкой режимов: порты параллельной и последовательной связи, таймеры – средства реализации временных интервалов, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти. Микросхемы памяти (ПЗУ и ОЗУ) не входят в состав МПК и образуют самостоятельные функциональные группы.

Рисунок 1.1 – Функциональная классификация микропроцессорных средств

Универсальные микропроцессоры ориентированы на использование в различных вычислительных, информационных и управляющих системах, в которых требуется обработка больших объемов информации (например, для цифровой обработки изображений, управления базами данных, визуализации данных оператору или экипажу), но нет специальных требований к архитектуре вычислителя, большому количеству средств УСО, габаритным размерам и энергопотреблению. Типовая структура универсального микропроцессора показана на рис.1.2. Назначение функциональных элементов процессора будет рассмотрено позже.

Универсальность микропроцессора подразумевает:

широкую сферу использования;
типовую структуру вычислительной системы – на основе шин адреса, данных и управления; для таких устройств обычно реализуется архитектура Фон Неймана, и реже Гарвардская архитектура.

Универсальные микропроцессоры не являются самодостаточными устройствами – для построения вычислительной системы требуется подключение дополнительных микросхем (память, контроллеры, порты). Поэтому обычно для каждого типа универсального МП разработан т.н. микропроцессорный комплект (chipset), содержащий различные буферные элементы и контроллеры, функционально и электрически совместимые с данной моделью МП.

Рисунок 1.2 – Типовая структура универсального микропроцессора

Однокристальный микроконтроллер (МК) представляет собой микропроцессорную систему, реализованную на одном кристалле (т.е. внутри одной физической микросхемы).

Типичная архитектура МК включает в себя:

процессор – блок распознавания команд и обработки данных;
генератор тактовых импульсов (ГТИ);
блоки памяти (ОЗУ и ПЗУ);
периферийные блоки – порты ввода-вывода, таймеры, контроллер прерываний; функциональные возможности этих блоков ниже, чем у соответствующих специализированных микросхем из МПК.

Основные достоинства МК – конструктивное и схемотехническое единство всех блоков, общий электрический интерфейс, удобство программной настройки всех подсистем. Благодаря этому микроконтроллеры являются популярным средством для построения встраиваемых цифровых управляющих систем. Сами однокристальные микроконтроллеры и вычислительно-управляющие системы на их основе реализованы в соответствии с Гарвардской архитектурой.

МК для задач логического управления - логические процессоры - имеют специальные аппаратные расширения (память с битовой адресацией, порты с индивидуальной настройкой каждой линии) и расширенный набор команд для логической обработки данных.

В современных разработках широкое применение нашли МК семейства MCS-51 (базовая разработка Intel Corp.), а также AVR- и PIC- и ARM-контроллеры. Существуют также многочисленные расширения стандартного MCS-51 – с повышенным быстродействием, увеличенными объемами памяти и набором функций (разработки Atmel, Philips, Analog Devices, Cygnal, Silicon Labs). Типовая структура МК для задач логического управления показана на рис.1.3.

Рисунок 1.3 – Типовая структура микроконтроллера для логического управления

Аналоговые процессоры для обработки сигналов – включают в себя типовые блоки МК, а также многоканальные АЦП и ЦАП, блоки формирования управляющих импульсов (например, ШИМ-импульсов). Такой процессор представляет собой интегрированную систему обработки аналоговой информации в цифровом виде.

Еще одна разновидность МК – конвейерные сигнальные процессоры (DSP – digital signal processor), содержат конвейеры для реализации алгоритмов цифровой фильтрации данных и обработки изображений. Такие алгоритмы состоят из последовательности операций умножения и суммирования. Конвейер представляет собой набор однотипных блоков для выполнения операций умножения, суммирования и сдвига, включенных последовательно друг за другом. Таким образом, результаты выполнения операции в одном блоке автоматически являются входными данными для следующего блока. Применение конвейерной обработки позволяет выдавать на каждом такте работы системы очередной результат вычислений. Примером подобных устройств являются микроконтроллеры Intel MCS-196/296. Структура сигнального процессора похожа на структуру микроконтроллера, но дополнительно содержит конвейерный сопроцессор.

Во многих моделях сигнальных процессоров реализованы высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи с большой разрядностью (16, 24 бита).

Конвейерные сигнальные процессоры имеют раздельные внутренние шины команд и данных, что также повышает быстродействие системы.

Примером сигнальных процессоров является популярное сейчас семейство микроконтроллеров MSPxxx разработки Texas Instruments (США).

МП с микропрограммным принципом управления конструктивно выполняют в виде микросхем малой разрядности, имеющих средства для наращивания разрядности обрабатываемых данных. Для подобных МП в принципе отсутствует понятие системы команд. Действия процессора на тот или иной управляющий код (код команды, прочитанный из памяти) определяются программистом путем настройки специального блока или БИС – блока микропрограммного управления. Таким образом, разработчики системы могут сформировать систему команд, ориентированную на эффективное решение определенного круга задач. Существенным недостатком подобных систем является громоздкость аппаратных модулей на их основе, а также необходимость написания программного обеспечения буквально в машинных кодах, что затрудняет разработку. В настоящее время секционированные МП практически вытеснены однокристальными МП и микроконтроллерами.

Современная реализация идеи микропрограммного управления представлена программируемыми логическими интегральными схемами (ПЛИС), или программируемыми логическими матрицами (ПЛМ). Основу ПЛИС составляет матрица элементарных логических блоков. За счет изменения связей между блоками можно построить вычислительное устройство произвольной структуры, которое идеально соответствует конкретной задаче. Проектирование структуры ПЛИС выполняется на специальном языке описания аппаратуры (VHDL) или с помощью программных графических средств – с последующей генерацией программы для формирования структуры кристалла.

Как правило, на ПЛИС реализуют нетривиальные алгоритмы (нечеткая логика, эмуляция аппаратуры, адаптивное управление).

Из-за специфики использования ПЛИС и сравнительной дороговизны аппаратных средств в данном курсе структура и использование ПЛИС не рассматриваются.

1.3 Некоторые особенности проектирования цифровых регуляторов

Процесс проектирования специализированных вычислителей – это единство двух фаз: проектирования аппаратной части и разработки программного обеспечения (ПО). Затраты на создание и отладку ПО составляют 70...80% общей стоимости цифрового регулятора.

При проектировании аппаратуры цифрового регулятора особое внимание уделяется разработке устройств связи с объектом (УСО) – блоков сопряжения и преобразования сигналов с датчиков и для исполнительных устройств (затраты – до 70% стоимости разработки аппаратуры). Таким образом, функциональность цифрового регулятора достигается за счет высокоэффективного и надежного ПО, а также развитой номенклатуры УСО.

Важным аспектом проектирования цифровых регуляторов является разработка каналов связи вычислительных устройств, входящих в состав различных подсистем объекта, друг с другом. При этом приходится решать такие задачи, как выбор физической реализации канала связи, формирование протоколов сетевого обмена, разработка принципов кодирования информации на логическом и физическом уровне, разработка или выбор аппаратуры, реализующей сетевой обмен и согласование каналов связи с вычислительными устройствами (сетевых адаптеров).

1.4 Достоинства, недостатки и особенности применения
управляющих вычислителей

Достоинства систем с цифровыми регуляторами по сравнению с аналоговыми и релейными управляющими системами:

возможность реализации разнообразных алгоритмов управления без изменения аппаратуры регулятора;
широкий диапазон частот обрабатываемых и формируемых сигналов;
снижение массы и габаритов регулятора;
повышение надежности аппаратуры, удобство резервирования;
возможность эффективного диагностирования как самого регулятора, так и аналоговых устройств, подключенных к нему;
реконфигурация алгоритмов управления и управляющей аппаратуры при отказах, возможность адаптивного и интеллектуального управления;
отсутствие «плавающего» изменения параметров элементов (т.е. дрейфа);

Системы управления с цифровыми регуляторами имеют ряд недостатков:

необходимость введения в состав системы блоков согласования аналоговых и цифровых устройств – АЦ- и ЦА- преобразователей;
изменение динамических свойств системы с цифровым регулятором по сравнению с аналоговой системой и, как следствие, невозможность прямого переноса алгоритмов, разработанных для аналоговых контуров управления, в цифровую систему;
применение специальных методов синтеза алгоритмов управления для цифровых систем;
появление задержки в выработке сигналов для исполнительных устройств за счет времени, которое затрачено на аналого-цифровое преобразование, и вычислительной задержки на реализацию алгоритмов;
точность обработки информации ограничивается разрядностью представления входных данных, разрядностью и быстродействием вычислителя;
усложнение печатного монтажа на платах, увеличение количества проводников в шинах связи между блоками цифрового регулятора;
влияние надежности и эффективности программного обеспечения на надежность и качество работы всей системы управления.

Особенности использования цифровых регуляторов

При использовании цифрового регулятора в системе управления возникает необходимость его сопряжения с аппаратурой объекта управления, формирующей или принимающей аналоговые сигналы. Такие устройства сопряжения с объектом (УСО) могут существенно различаться по аппаратному составу и принципам обработки сигналов. Стоимость разработки средств УСО достигает до 70% стоимости всей системы управления.
Вычислительные алгоритмы, реализуемые цифровым регулятором, должны выполняться в масштабе реального времени – МРВ, real-time system. В аналитической записи цифровых алгоритмов обычно присутствует значение периода дискретности , которое должно соблюдаться цифровым регулятором при выполнении обработки данных. Средство обеспечения реального времени – это таймеры, входящие в состав регулятора.
На каждый цифровой регулятор возлагается несколько различных задач цифровой обработки данных. Программное обеспечение регулятора должно обеспечивать квазипараллельное выполнение таких задач, причем для каждой задачи – со своим периодом дискретности (т.н. многотактные системы).
Цикличность выполнения алгоритмов управления. Это означает, что любой выполненный алгоритм через некоторый промежуток времени будет выполняться снова и может использовать как новые, так и предшествующие данные о состоянии объекта управления.
Цифровой регулятор должен реагировать на внешние или внутренние события, происходящие в произвольные моменты времени, т.е. асинхронно. Такие события – это сигналы от других подсистем о готовности данных, сигналы об отказах оборудования, команды операторов. Обработка асинхронных событий требует прерывания текущих вычислений и должна поддерживаться как аппаратными средствами, так и программным обеспечением.
Аппаратура цифрового регулятора, как правило, резервируется и имеет средства для внутреннего контроля и диагностирования. Средства контроля и диагностики могут быть как аппаратными, так и программными.

1.5 Типовые варианты архитектуры регулятора (контроллера)

Современные вычислительные устройства строят в соответствии с одним из двух базовых вариантов – архитектуры Фон Неймана и Гарвардской архитектуры. В основе каждой архитектуры использован процессор – устройство для обработки цифровых данных. Обмен информацией между процессором и другими устройствами в пределах вычислителя осуществляется по группам параллельных проводников – шинам передачи информации (bus).

Типовая структура вычислителя на основе архитектуры Фон Неймана представлена на рис. 1.4-а.

Рисунок 1.4 – Структура вычислителя на основе архитектуры Фон Неймана (а)
и Гарвардской архитектуры (б):

1 – процессорный блок; 2 – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
3 – оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); 4 – контроллер внешних накопителей; 5 – порты ввода-вывода; 6 – внешние дисковые накопители;
7 – устройства сопряжения с объектом (УСО); 8 – шины адреса и данных.

Особенности архитектуры Фон Неймана:

процессор взаимодействует с другими устройствами системы посредством общих шин адреса и данных;
объем ПЗУ составляет единицы или десятки килобайт; в этой области памяти хранятся программы начального пуска и тестирования системы;
основное ПО размещается на внешних дисковых накопителях;
ОЗУ имеет большие объемы (до десятков/сотен мегабайт) и имеет существенно меньшее время доступа к данным по сравнению с внешними ЗУ;
ОЗУ служит для размещения программ, выполняемых процессором в текущий момент, и для всех промежуточных данных; таким образом, любая программа перед выполнением копируется в ОЗУ; процессор считывает команды программы для выполнения из ОЗУ;
такие имеют стандартизованный набор средств ввода-вывода (типовые шины, параллельные и последовательные порты); все персональные ЭВМ построены на основе этой архитектуры.

Типовая структура вычислителя на основе Гарвардской архитектуры показана на рис. 1.4-б. Отличительной особенностью архитектуры является:

отсутствие внешних дисковых ЗУ;
объемов ПЗУ существенно больше объема ОЗУ;
все программное обеспечение размещается в ПЗУ, и копирование в ОЗУ перед выполнением не проводится; процессор считывает команды программы для выполнения непосредственно из ПЗУ;
в этой архитектуре ПЗУ принято называть памятью программ;
ОЗУ предназначено для размещения данных, полученных от датчиков или других подсистем, для промежуточных данных и результатов вычислений, которые будут выданы на исполнительные устройства или в другие подсистемы; эту область принято называть памятью данных;
большое количество разнообразных устройств сопряжения с объектом (УСО) для преобразования информации и связи с датчиками, исполнительными устройствами и другими вычислителями.

Бортовые и наземные специализированные (встраиваемые) вычислительные системы строят на основе Гарвардской архитектуры. Хотя в последние годы появились контроллеры для мобильных систем управления, выполненные по
РС-подобной архитектуре фон Неймана.

Автор конспекта доцент каф. 301 Джулгаков В.Г.

Классификация и задачи микропроцессорных средств