Логические элементы и микропроцессорные устройства

Логические элементы осуществляют определенные логические зависимости между входными и выходными сигналами. Логические элементы имеют один или несколько входов и один или два, обычно инверсных друг другу, выхода.

Входные и выходные сигналы логических элементов являются дискретными, обычно это два уровня сигналов, которые условно принимаются один за «0», а другой за «1». Логические элементы реализуют как отдельные функции «И», «ИЛИ», «НЕ», «ПАМЯТЬ» и др., так и сложные логические функции.

Логический элемент «И» обеспечивает на выходе сигнал определенного знака при одновременном наличии на всех его входах сигналов того же знака.

Логический элемент «ИЛИ» обеспечивает на выходе его сигнал определенного знака, когда на любом из его входов имеется сигнал того же знака.

Логический элемент «НЕ» обеспечивает на выходе сигнал, противоположный по знаку входному.

Комбинация из основных логических элементов дает возможность получать и другие элементы, например, «ИЛИ с запретом», «И с отрицанием», элемент «ПАМЯТЬ», «ПАМЯТЬ с запретом» и др.

Обозначения, логические зависимости и функциональные формулы некоторых основных логических элементов приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Логические операции	Обозначение логического элемента	Логическая зависимость сигналов	Функциональная формула
НЕ			х	у	у =
И		х1	х2	у	у = х1 · х2 у = х1Ù х2
ИЛИ		х1	х2	у	у = х1 + х2 у = х1 х2
НЕТ («Запрет»)		х1	х2	y
«Па-мять»		х1	х2	у1	у2	у1 = х1 = 1 у2 = = 0

Продолжение табл. 6.1

Логические операции	Обозначение логического элемента	Логическая зависимость сигналов	Функциональная формула
И-НЕ		х1	х2	у
ИЛИ-НЕ		х1	х2	у

Микропроцессоры. Развитие технологии и схемотехники больших интегральных схем (БИС) привело к появлению нового интегрального электронного прибора – микропроцессора (МП). Микропроцессор представляет собой цифровое функционально законченное устройство в виде одной или нескольких БИС, способное выполнять разнообразные операции по обработке информации в соответствии с хранимой в памяти программой.

Основными характеристиками, определяющими различия в организации процессоров, являются системы команд и режимы адресации; структура внутренних и внешних шин, используемых для сопряжения процесса с памятью и периферийными устройствами; число регистров и их функциональное назначение; организация арифметико-логического устройства и устройства управления; организация стековой памяти; обслуживание запросов прерываний; возможность наращивания разряд­ности процессора и модификации системы команд.

С точки зрения различий в реализации процессоров, определяемых возможностями используемой элементной базы и технологии, процес­соры подразделяют: микропроцессоры реализованное на больших интегральных схемах, и процессоры, построенные на основе схем малой и средней степени интеграции. В свою очередь, МП, реализо­ванные на одной БИC, называют однокристальными, а на нескольких БИС - многокристальными. Типичным примером отечественного однокристального МП является 8-битный МП К580, K1801, К1810, К1821, К1816, К1815. Характерной чертой однокристальных МП является фиксированный набор команд и разряд­ность без возможности ее наращивания. Многокристальные МП подраз­деляются на МП секционного типа, в которых обрабатывающее устрой­ство строится из отдельных секций с возможностью наращивания раз­рядности, и МП с фиксированной разрядностью обрабатывающего уст­ройства. Типичными представителями МП секционного типа являются МП серии К589, К584, К1800, КР1802, КР1804, К1883, соответственно с 2-битной и 4-битной секциями. Структурная схема типичного представителя класса однокристаль­ных МП с раздельными шинами адреса и шинами данных приведена на рис. 6.14.

Рассмотрим состав, назначение основных блоков МП и его функциони­рование.

Программный счетчик, или счетчик команд (СК), используется для хранения адреса команды, подлежащей выполнению. Начальный адрес СК загружается с пульта управления или CK после начальной установки переходит в состояние нуль, и выполнение программы начинается с нулевой ячейки программной памяти. В эту ячейку можно поместить команду безусловной передачи управления любому адре­су программной памяти. После выборки команды или первого слова команды, содержащего код операнда, в СК путем увеличения его содер­жимого формируется адрес следующего слова выбираемой команды или следующей команды. Данная процедура характерна для линейной после­довательности естественного порядка команд. При выполнении команд безусловного или условного порядка, обращения к подпрограммам адрес следующей команды в СК формируется путем загрузки в него адресной части вышеуказанных команд. Код адреса из СК передается в программную память через однонаправленную m-битную шину адреса.

Регистр команд (РК) принимает выбранную из памяти программы команду и хранит ее в течение цикла выполнения команды. Загрузка РК осуществляется по n-битной шине данных. В 8-битных МП регистр команд обычно хранит байт команды, являющейся кодом операции, а второй или третий байты хранятся во вспомогательных регистрах, как правило, программно не доступных. Указатель стека (УС) хранит адрес последней занятой ячейки в области стековой памяти. Под стековой памятью понимают оперативную память, в которую запись или выборка слова производятся по принципу: последний записанный элемент выбирается из памяти первым.

РОН являются программно-доступными, и обращение кним осуществляется посредством команд передачи данных.

Аккумулятор (А) используется для хранения одного из операндов и результата операции, т.е. является источником и приемником информации. Команды ввода и вывода данных обычно осуществляют обмен кодов с периферийными устройствами также через аккумулятор. Некоторые МП содержат несколько аккумуляторов.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для арифметической и логической обработки данных, выполнения операций сдвига формирования признаков их результатов. Если MП имеет только одну внутреннюю магистраль (рис. 6.14), то на вводах АЛУ необходимы буферные регистры (БP), которые выполняют функцию временного хранения операндов, участвующих в операции.

После формирования в аккумуляторе результата выполнения арифметических и логических команд на регистре признаков (РПР) формируются признаки результатов операций С, Z, V, S и др. Эти признаки используются командами условий передачи управления при разветвлениях в программах. Команда условного перехода определяет тип признака, по которому требуется осуществить переход. Обмен кодами между памятью команд, памятью данных, периферийными уст­ройствами и микропроцессором осуществляется через двунаправленный буфер данных, который изолирует внешнюю шину данных от внутренней.

Шина адреса используется для выдачи микропроцессором кода адреса программной памяти из СК, адреса стековой памяти из УС, ад­реса памяти данных из регистра адреса РА.

В МП обычно используют выходные буферы стремя устойчивыми состояниями: 0,1 и состояниемвысокого выходного сопротивления, что позволяет упростить подключение к одной шине нескольких устройств. Доступ к шине в любой момент времени имееттолько одно устройство, а остальные можно рассматривать практически не подключенными к шине, если они находятся в состоянии высокого выход­ного сопротивления.

Формирование последовательностей внутренних и внешних управляющих сигналов, а также анализ сигналов из других устройств микропроцессорной системы выполняется устройством управления (УУ) которое может быть реализовано на основе структуры с жесткой логикой или на основе программируемой логики, использующей память и программируемые логические матрицы.

Управляющие сигналы записи (ЗП) и чтения (Чт) информации используются для управления обменом кодами между МП и памятью данных, программируемой памятью. Управляющие сигналы ввода (Вв) и вывода (Выв) разрешают обмен с выбранным периферийным устройством. Пара сигналов ожидания (Ож) и готовность(Гт) выполняют функцию синхронизации МП с памятью и периферийными устройствами. Наличие сигнала Гт на входе МП указывает, что, например, данные из памяти готовы дляпередачи в МП. При отсутствии сигнала Гт МП переходит в состояние ожидания и формирует соответствующий выход­ной сигнал.

Сигнал прерывания (Пр) используется для организации обмена ин-формацией с процессором или для временного переключения его на обслуживание какого-либо внешнего события, возникающего асинхронно по отношению к выполняемой программе. Большинство МП реагируют на единый сигнал только после выполнения текущей команды при условии, что прерывание разрешено, т.е. процессор не замаскирован. Для обслуживания более одного источника запросов в режиме преры­вания, запросы источников объединяются по схеме ИЛИ на входе пре­рывания и процессор затем анализирует, какой источник запроса имеет более высокий приоритет в данный момент. Прохождением запросов прерывания в процессоре управляет сигнал "разрешение прерывания", формируемый триггером разрешения прерывания, который является программно-доступным посредством команд процессора "разрешить прерывание" и "запретить прерывание".

Кроме того, этот триггер после восприятия очередного прерывания автоматически переходит в состояние, соответствующее блокированию дальнейших запросов прерываний, выход из которого возможен посред­ством команды "разрешить прерывание". Поэтому при изучении конкретного процессора необходимо внимательно анализировать все ситуации, которые приводят к маскированию запросов прерываний.

Сигнал захват (Зх) обычно используется для организации обмена информацией между процессором и периферийными устройствами в режиме прямого доступа к памяти. В случае сигнала Зх процессор переходит в режим ожидания по захвату, шины адреса и данных переводятся в состояние высокого выходного сопротивления и доступ к данным шинам получает устройство инициирующее сигнал для такого вида обмена. Отличительной особенностью режима захвата является то, что МП переходит в состояние захвата после выполнения текущего машинного цикла команды, не дожидаясь ее завершения, что позво­ляет сократить время peaкции МП.

Подтверждением перехода МП в состояние захвата, является сигнал подтверждения захвата (ПЗх).

Сигнал начальной установки (НУ) обычно устанавливает прoгpaммный счетчик в 0, сбрасывает в 0 триггеры разрешения прерывания, захвата и другие схемы МП для инициирования выполнения программы.

Тактирующие (синхронизирующие) сигналы (ТС) используются для синхронизации работы процессора и микропроцессорной системы.

Основное достоинство однокристальных МП заключается в том, что они являются функционально и конструктивно завершенным модулем, реализованном на одной БИС.

МикроЭВМ. МикроЭВМ представляет собой микропроцессорную систему, в которой процессорные микросхемы дополняются элементами памяти, средствами ввода-вывода информации и некоторыми другими устройствами, способствующими обработке данных и управлению работой. МикроЭВМ разделяются по конструктивному исполнению на однокристальные (выполненные на одном кристалле полупроводника), одноплатные и многоплатные. Однокристальные микроЭВМ предусматривают выполнение несложных функций, поэтому имеют, как правило, небольшие ОЗУ с объемом памяти менее 2 кбайт (1 кбайт – 1024 байт) и не сложные схемы каналов ввода-вывода информации. Такие устройства находят применение в простых устройствах управления станками и роботами.

Одноплатные микроЭВМ имеют процессор, устройства памяти и схемы ввода-вывода, выполненные на одной плате, как правило, без собственного источника питания, органов управления и индикации.

Такие микроЭВМ предназначены прежде всего для использования в качестве встраиваемых устройств.

Многоплатные микроЭВМ содержат процессор, запоминающие устройства и схемы ввода-вывода, реализованные на самостоятельных платах, объединенных в единой конструкции вместе с пультом управления, индикаторами состояния и источниками питания. Особенно популярны многоплатные модульные конструкции, где пользователи по желанию могут выбирать, кроме платы центрального процессора, необходимые платы памяти, контроллера ввода-вывода, контроллера накопителя на гибких магнитных дисках, таймера, интерфейсных средств.

На базе изготавливаемых в нашей стране унифицированных МП-наборов созданы одноплатные и многоплатные микроЭВМ: «Электроника-60»; «Электроника НЦ-80-20»; «Электроника С5»; «Кристалл-60»; «КТС ЛИУС-2»; «СМ-1800»; «МС УВТ В7»; «МС-5107».

Универсальные МП, как правило, малоэффективны для выполнения сложных математических и логических операций. Умножение, деление, возведение в степень, вычисление квадратного корня универсальные МП выполняют программным путем и затрачивают много времени. Поэтому в настоящее время создаются специализированные МП, с помощью которых можно значительно улучшить параметры микроЭВМ, уменьшить продолжительность выполнения арифметических и логических операций.

Память микроЭВМ бывает следующих типов: ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, предназначенное как для чтения, так и для записи информации; ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, предназначенное только для чтения информации, записанной в заводских условиях; ППЗУ – программируемое постоянное запоминающее устройство, записанное пользователем; РПЗУ – перепрограммируемое запоминающее устройство, предназначенное для чтения информации, но позволяющее при необходимости с помощью специального устройства перезаписи изменять содержимое.

Обычно оперативная память микроЭВМ строится по модульному принципу, модулями по 4 – 8 кбайт. Общий объем памяти может быть сформирован любым сочетанием модулей ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ(РПЗУ). Наличие ПЗУ и ППЗУ повышает надежность микропроцессорных систем управления, так как информация, записанная в памяти такого типа, не теряется при исчезновении электропитания. Как правило, в ПЗУ хранятся неизменные программы, в РПЗУ – программы, относительно редко меняющиеся, а ОЗУ используются для записи и чтения данных и периодически загруженных программ.

Периферийные устройства микроЭВМ подключаются к общей шине через интерфейсные платы внешних устройств.

Управление общей шиной разрешается не только процессору, но и некоторым периферийным устройствам.

Число и тип периферийных устройств зависят от назначения микропроцессорной системы.

Обычно в состав периферийных устройств микроЭВМ входят: устройства ввода-вывода; внешняя память на магнитной ленте и магнитном диске; дисплей с клавиатурой; устройство параллельной или последовательной печати; устройства связи с объектом; различные мультиплексоры для работы с каналами связи и т.п.; нестандартные устройства, необходимые для реализации специальных функций системы.

Микроконтроллеры. Контроллер – устройство обработки данных, осуществляющее адресацию, прием и буферирование сообщения, предварительное редактирование информации, контроль передачи сигналов и сообщений. В тех случаях, когда от контроллера требуется реализация не сложных функций, он выполняется на базе ПЗУ или схем средней интеграции.

Для реализации сложных алгоритмов управления применяют программируемые контроллеры, которые могут иметь в своем составе процессор и проводить обработку информации в режиме реального масштаба времени. Различают программируемые микроконтроллеры (ПК) трех типов:

– программируемые логические контроллеры (ПЛК), ориентированные на реализацию алгоритмов логического управления, обеспечивающие замену релейных и бесконтактных схем электроавтоматики;

– программируемые регулирующие микроконтроллеры (РМК), или ремиконты, ориентированные на реализацию алгоритмов автоматического регулирования аналоговых и аналого-дискретных технологических процессов, заменяющие различные аналоговые и цифровые регуляторы;

– микроконтроллеры, ориентированные на реализацию специальных алгоритмов управления игровыми автоматами, бытовыми приборами, светофорами, контрольно-измерительной аппаратурой, транспортными механизмами.

Программируемые логические контроллеры (ПЛК). ПЛК осуществляют реализацию систем булевых функций в реальном масштабе времени и представляют собой программно-настраиваемую модель цифрового управляющего автомата, ориентированную на определенную область применения. В состав ПЛК (рис. 6.16) входят МП, управляющее устройство (УУ), память программ (ЗУП), оперативная память данных (ОЗУ), устройство связи с объектом (УСО), пульт настройки системы и загрузки программ.

ПЛК функционирует в циклическом режиме: МП в соответствии с программой ЗУП моделирует конкретную релейную схему (булевы уравнения) системы управления, опрашивает все входы, производит сравнение состояния входов и выходов и по результатам сравнения управляет теми или иными исполнительными устройствами. УУ организует обмен данными между входными и выходными регистрами в ОЗУ.

В ПЛК используются простые специализированные языки программирования и языки описания алгоритмов управления (например, язык релейно-контактных схем, язык булевой алгебры, язык символического кодирования и др.).

Обычно ПЛК применяется для управления электроавтоматикой станочных комплексов с ЧПУ, обрабатывающих центров, промышленных роботов и др.

Регулирующие микроконтроллеры (РМК). РМК обладают значительными логическими и вычислительными возможностями и обеспечивают реализацию любых алгоритмов регулирования. Один РМК заменяет группу (из 10-60 обычных ПИ- или ПИД) аналоговых и цифровых регуляторов для 8-64 контуров регулирования.

РМК (рис. 6.17) содержит УСО и средства ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов.

На рис. 6.17 обозначено: МХ – мультиплексор, Гр - гальваническая развязка, АЦП (ЦАП) аналого-цифровой (цифроаналоговый) преобразователь, ДЦП (ЦДП) – преобразователь дискретно-цифровой (цифродискретный), МП – микропроцессор, ПЗУ (ОЗУ) – постоянная (оперативная) память, БС – блок сопряжения.

Мультиплексоры и АЦП обеспечивают прием 16 аналоговых сигналов. Предусмотрена установка четырех мультиплексоров и АЦП. На выходе РМК не предусмотрено мультиплексирование, и число ЦАП равно числу выходных цепей. ДЦП и ЦДП выполняют функции согласования уровней логических сигналов, принятых в ремиконте, с уровнями дискретных сигналов, обеспечивая групповой прием и выдачу от 16 до 128 дискретных сигналов по 16 сигналов в группе.

РМК имеет внутреннее программное обеспечение (ПО) и не требует внешних программных средств (операционной системы, транслятора, ассемблера и др.). Внутреннее ПО РМК состоит из диспетчера рабочих программ, координирующего весь процесс вычисления в реальном времени; рабочих программ, реализующих алгоритмы управления; программы обслуживания панели оператора, выполняющей приказы оператора и выдающей ему информацию с помощью световых индикаторов; диагностической программы, контролирующей безотказность аппаратных и программных средств.

Ремиконт управляет 8-16 контурами технологического процесса, работает со стандартными датчиками с унифицированным выходом (0-5 В и 4-20 мА) и исполнительным устройством пропорционального действия или постоянной скорости. Он может работать как автономно, так и в связи с ЭВМ верхнего уровня и интерактивными средствами представления данных.