Микропроцессоры в ИИС

Микропроцессор – это программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной или нескольких БИС. Качественное отличие МП от других типов микросхем – возможностью функциональной перестройки путем изменения внешней программы. В зависимости от программы МП может быть использован для решения различных задач и способен заменить многие типы интегральных схем «жесткой» логикой. Подобная универсальность МП обусловила массовость их выпуска, что привело к снижению стоимости МП, в результате чего экономически выгодным стало их использование в промышленной автоматике, транспорте, бытовой технике и т. д. Создание дешевых МП с широкими функциональными возможностями обеспечило дополнительные преимущества цифровым методам обработки информации, что стимулировало их внедрение в такие отрасли, как телефония, радиосвязь, из мерительная техника.

Сколь бы сложным ни был МП, в структуре его всегда можно выделить следующие три основных блока или устройства (рис. 4.21); УОД– устройство обработки данных; БИ – блок интерфейса; УУ – устройство управления.

Устройство обработки данных (УОД). Это устройство является одним из основных блоков МП, в котором осуществляется вся необходимая арифметическая и логическая обработка инфор­мации. Остальные блоки выполняют вспомогательные функции. Устройство обработки данных обычно включает в себя следующие узлы: арифметико-логическое устройство, аккумулятор, де­сятичный корректор, регистр признаков, регистры общего назначения, регистры временного хранения и коммутаторы

Рис. 4.21. Обобщенная структурная схема микропроцессора

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – основной операционный блок. Это устройство выполняет арифметиче­ские и логические операции, а также операции сдвига. Оно представляет собой, как правило, комбинационную схему, число разрядов которой оп­ределяется разрядностью шины данных МП.

Аккумулятор – регистр, разрядность которого соответствует раз­рядности АЛУ, служит для фиксации одного из участвующих в операции операндов, а также хранит результат выполненной операции. Кроме того, через него в большинстве случаев реализуется обмен информацией меж­ду МП и внешними устройствами ввода-вывода. Аккумулятор, как и все регистры в МП, реализуется на двухступенчатых либо на одноступен­чатых триггерах.

Десятичный корректор преобразует данные, находящи­еся в АЛУ в виде двоичного кода, в двоично-десятичный код.

Регистр признаков (регистр флажков) в более ранних раз­работках был предназначен только для хранения признаков результата операции. Поскольку результаты всех операций, выполненных АЛУ, пе­редаются в аккумулятор, можно сказать, что регистр признаков содержал информацию о данных, пересылаемых из АЛУ в аккумулятор. Содержи­мое этого регистра использовалось в тех случаях, когда выполнение опе­рации ставилось в зависимость от значений каких-либо признаков ре­зультата предыдущей операции, N-разрядов регистра признаков образо­вывалось совокупностью N-флажков (триггеров), причем каждый из разрядов хранил информацию о каком-либо одном признаке результата выполненной операции. Например, разряд признака переноса устанавли­вается в единичное состояние при наличии переноса из старшего разряда или при займе в старший разряд. Типичным набором регистра признаков были разряды (триггер-флажки): перенос, отрицательный результат, ну­левой результат, переполнение диапазона представляемых чисел, чет­ность числа единиц в двоичном коде. В более поздних разработках в ре­гистр признаков кроме разрядов результата выполненной операции стали добавлять другие разряды, которые отражали состояние МП на том или ином этапе выполнения программы: разрешение прерывания, вид адреса­ции, состояние стека и др.

Регистры общего назначения (РОН) используются в МП для хранения промежуточных данных в процессе обработки. Они рассматриваются программистом как сверхоперативное запоминающее устройство, т. е. небольшой объем памяти, расположенный непосредст­венно на кристалле микросхемы МП. Использование РОН позволяет; зна­чительно увеличить быстродействие системы благодаря упрощенной ад­ресации к ним, Для некоторых МП ЮН разбивают на части, например по восемь разрядов в каждой, а для других, наоборот, отдельные РОН объе­диняют в регистровые пары.

Регистры временного хранения предназначены для временного хранения данных при пересылках их между различными уз­лами МП и в большинстве случаев являются программно-недоступными,

Коммутаторы служат для мультиплексирования и демультип­лексирования различных источников обрабатываемых операндов с АЛУ и имеют разрядность, равную разрядности АЛУ.

Блок интерфейса. Блок включает в себя узлы МП, обеспечивающие его взаимодействие со всеми внешними устройствами. В их число вхо­дят: узел управления шинами, узел формирования адреса памяти и др.

Узел управления шинами управляет работой всех шин. Шины представляют собой набор соединительных проводников-линий, сгруппированных по функциональному назначению. По каждой линии может быть передано значение одного разряда двоичного кода в виде уровней напряжения, соответствующих логическому 0 или логической 1. По роду передаваемой информации все линии разделены на три группы, образующие шину данных, шину адреса и шину управления. Характерная особенность шины данных – ее двунаправленность, под которой пони­мается возможность передачи данных в разные моменты времени в раз­личных направлениях. Такая двунаправленность обеспечивается двунаправленными буферными регистрами, через которые МП подключается к шине данных. Шина адреса является однонаправленной. Еще одна осо­бенность буферных регистров заключается в том, что они являются трехстабильными, т. е. выходы этих регистров, кроме состояний логического 0 и логической 1, могут принимать третье пассивное или высокоимпедансное состояние, благодаря чему регистр оказывается как бы отключен­ным от шины. Шины данных и адреса в некоторых типах МП могут быть мультиплексированы. Это значит, что одни и те же линии связи могут служить и для передачи данных, и для передачи адреса в различные мо­менты времени. Переключение направления передачи данных, переклю­чение мультиплексированных шин, отключение шин от общих магистралей и обеспечение ряда других необходимых функций как раз и возлагается на узел управления шинами.

Узел формирования адресов памяти обеспечивает взаимодействие МП с оперативным запоминающим устройством и устройствами ввода-вывода. В его состав входят счетчик команд, указатель стека, схема инкремента-декремента, сумматор адреса, адресные регистры, регистр адреса, вспомогательные регистры и коммутаторы.

Счетчик команд представляет собой регистр, содержащий адрес ячейки памяти, в которой хранится подлежащая выполнению команда, Обычно команды одной программы размещаются в последовательно расположенных ячейках памяти, в каждой из которых размещается 1 байт форманта, т. е. в ячейках памяти с непрерывно возрастающими на 1,2, 4(в зависимости от разрядности шины данных МП) адресами, поэтому для перехода к следующей команде содержимое счетчика команд автоматически увеличивается на 1,2, 4 единиц после выборки текущей команды. При необходимости изменения естественного порядка следования команд в счетчик заносится адрес команды, к которой необходимо произвести переход. После перехода команды снова будут выполняться в естественном порядке. Разрядность счетчика команд может быть ниже разрядности шины адреса МП.

Указатель стека, так же как и счетчик команд, представляет собой регистр, содержащий адрес, по которому осуществляется обращение к области памяти ОЗУ, зазываемой стеком (о работе со стеком будет сказано ниже). Содержимое указателя стека автоматически уменьшается на 1, 2, 4 в зависимости от разрядности МП (декрементируется) при записи слова данных в стек и увеличивается на 1, 2, 4 (инкрементируется) при выдаче слова данных из стека. Указатель стека имеет такую же разрядность, что и счетчик команд.

Схема инкремента-декремента служит для обеспечения вышеописанной функции добавления 1, 2, 4 к содержимому счетчика команд или добавления –вычитания 1,2,4 к содержимому указателя стека. Данный узел может использоваться в некоторых МП и для реализации функции инкремента-декремента над содержимым других адресных регистров.

Сумматор адреса позволяет разгрузить арифметико-логическое устройство и взять под свою ответственность вычисления адресов при сложных видах адресации.

Адресные регистры используются для хранения адресов обрабатываемых операндов или адресов пересылки результатов операций. В МП, не использующих особых, комбинированных способов адресации (о способах адресации будет изложено дальше), в качестве адресных регистров могут применяться регистры общего назначения.

Регистр адреса служит для хранения адреса на время цикла обращения к памяти ОЗУ. Нельзя путать регистр адреса с адресными регистрами. Последние используют для указания адресов при комбинированных способах адресации, иначе говоря, для формирования адресов ячеек памяти. Регистр адреса необходим для фиксации адреса ячейки памяти, к которой осуществляется обращение в данный момент времени.

Устройство управления. Данное устройство формирует управляющие сигналы для всех цепей управления. Это достаточно сложная задача объясняемая сложностью самой структуры МП и большим числом входя­щих в него узлов. Каждая команда реализуется за 5...10, а иногда и боле тактовых сигналов. При этом система команд МП может содержать до 250 и более команд. Каждый такт характеризуется своим вектором управляющих сигналов. Нетрудно представить себе, какой огромный набор управляющих сигналов должно анализировать и обрабатывать устройство управления для реализации всех команд, закладываемых разработчиком при проектировании МП.

При построении устройства управления используются два подхода: на основе аппаратной реализации или «жесткой» логики управления и на основе микропрограммной реализации или «гибкой» логики управления. При любой логике управления в устройстве управления можно выделить следующие узлы: регистр команд, дешифратор команд и очередь команд.

Выполнение любой команды начинается со считывания первого слова команды, которое содержит код операции, из памяти в регистр команд, где оно хранится в течение всего времени выполнения команды. Разрядность регистра команд соответствует разрядности шины данных МП. Дешифрация кода операции производится в дешифраторе команд. По результатам работы дешифратора и под воздействием тактовых сигналов вырабатывается нужная последовательность сигналов управления. Это приводит к считыванию из памяти остальных слов команды, если они имеются, а также к собственно выполнению операции, предписанной командой. Очередь команд представляет собой запоминающее устройство небольшого объема (порядка нескольких слов), расположенное на кри­сталле МП и предназначенное для хранения очередных, подлежащих вы­полнению команд. Заполнение этой памяти происходит в промежутке времени, когда шина данных МП свободна от обмена с внешней памятью или внешними устройствами. Это позволяет повысить быстродействие МП за счет снижения временных затрат на выборку последующей коман­ды из внешней памяти после выполнения очередной команды.

Классификация микропроцессоров. По числу БИС в микропроцессорном комплекте все МП принято делить на три больших класса: однокристальные, многокристальные и секционированные.

Структура однокристальных МП реализована на одном кристалле микросхемы и конструктивно выполнена в одном корпусе. Такие МП имеют фиксированную разрядность и, как правило, фиксированный набор команд; Аппаратура; построенная на однокристальных МП, имеет более высокую надежность по сравнению с аппаратурой, использующей иную элементную базу вследствие малого числа внешних соединений.

Многокристальные МП представляют собой набор из нескольких микросхем, причем функционально каждый тип устройства структуры МП или их набор реализованы в отдельном корпусе БИС. Многокристальные МП имеют также фиксированную разрядность и, как правило, фиксированную систему команд.

Однокристальные и многокристальные МП составляют класс МП замкнутого типа. В МП замкнутого типа разрядность обрабатываемых операндов 8,16,32 или 64 бит и может быть увеличена только программным путем, т. е. последовательной обработкой многоразрядных операндов по частям. Это существенно снижает реальное быстродействие МП при работе с многоразрядными операндами.

Секционированные МП конструктивно тоже реализованы в виде набора микросхем. Но если у многокристальных МП разбиение происходит на структурном уровне, то у секционированных МП – по группам разрядов. Секционированные МП строятся в виде соединения одинаковых микропроцессорных секций. Каждая такая секция, оформленная в виде отдельной БИС, предназначена для обработки обычно двух, четырёх или восьми разрядов исходного операнда. Между секциями передаются необходимые сигналы переноса, возникающие при выполнении арифметических операций, сдвигов операнда и т. п. Наращивание разрядности обрабатываемых операндов в рассматриваемом случае производится аппаратным способом, т. е. путем увеличения числа микропроцессорных секций. Секционированные МП имеют, как правило, изменяемую систему команд.

Что касается разрядности формируемых адресов, то в МП замкнутого типа эта разрядность фиксирована, а в секционированных МП число разрядов адреса, как и операндов, увеличивается до требуемой величины путем соединения соответствующего числа микропроцессорных секций.

По назначению различают МП универсальные и специализированные; Универсальные МП применяют для построения систем решения широкого круга задач. Производительность решения задачи в этом случае слабо зависит от специфики самой задачи. Для повышения производительности системы, обусловленной именно спецификой задачи, стараются применять специализированные МП, ориентированные на решение конкретной задачи. К таким МП можно отнести математические МП, использующие в системе команд набор специализированных команд, реализующих различные математические функции; микроконтроллеры, сигнальные МП, реализующие оптимальные методы цифровой обработ­ки сигналов и пр.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают МП цифровые и аналоговые. Цифровые МП оперируют с ин­формацией, представленной в дискретной двоичной форме в виде комби­нации двух цифр – нуля и единицы. Аналоговые МП оперируют с ин­формацией в аналоговой форме, т. е. в форме непрерывных функций вре­мени, Однако по сути аналоговые МП все равно остаются цифровыми ус­тройствами, так как вся обработка осуществляется в цифровой форме цифровыми методами. Аналоговые же сигналы вводятся в МП через ана­лого-цифровые преобразователи и выводятся через цифроаналоговые преобразователи, включенные в ч структуру самого МП.

По характеру временной организации работы, МП делят на синхронные и асинхронные. В синхронных МП начало и конец выполнения операции задаются устройством управления. Время выполнения команды в данных МП фиксировано и не зависит ни от типа команды, ни от типа обрабатываемых данных. В асинхронных МП конец выполнения операции определяется по фактическому сигналу окончания
операции. Время выполнения команды в данных МП индивидуально для
каждой команды, и начало выполнения очередной команды следует сразу
же после окончания предыдущей, не дожидаясь специальных сигналов синхронизации устройства управления.

По количеству выполняемых программ различают МП однопрограммные и мультипрограммные. В однопрограммных МП в текущий момент времени может выполняться только одна програм­ма. В мультипрограммных МП возможно параллельное выполнение сра­зу нескольких программ одновременно. Такие МП используют преиму­щественно, когда требуется обрабатывать большое количество источни­ков информации и большие массивы данных.

По технологии изготовления различают МП, изготов­ленные по МОП-технологии (МОП МП) и по биполярной технологии (биполярные МП). Первые построены на основе МОП-транзисторов с р-каналом (р-МОП БИС), МОП-транзисторов с n-каналом (n-МОП БИС) и на основе комплементарных МОП-транзисторов (КМОП БИС); вто­рые – на основе элементов транзисторно-транзисторной логики с диода­ми Шоттки (ТТЛШ БИС), на основе элементов интегральной инжекционной логики (И²Л БИС) и на основе элементов эмиттерно-связанной логи­ки (ЭСЛ БИС). Наибольшим быстродействием обладает ЭСЛ-технология, наименьшим – р-МОП-технология. Минимальным энергопотреб­лением при среднем быстродействий обладает КМОП-технология. Наи­большую степень интеграции при среднем быстродействии обеспечивает n-МОП-технология.

Микропроцессоры с управлением на уровне команд имеют в списке обычно 45…150 команд, а с управлением на уровне микропрограмм – обычно 256…512 микрокоманд. как правило, МП замкнутого типа (для которых наращивание разрядности осуществляется программным путем) имеют управление на уровне команд, а секционированные МП (наращивание разрядности аппаратным путем) – на уровне микропрограмм.

Микропроцессоры и микро ЭВМ в ИИС используются для связи приборов в единый комплекс и выполнения следующих функций: контроллерных, вычислительных, тестовых, сер­висных и рас­пределенной об­работки данных.

Кроме того необходимо отметить функции метасистемы, которая обеспечивает выполнение всех перечисленных выше функций и их согласование между собой.

Контроллерные функции можно подразделить на ряд подфункций: управление измерительной цепью, т.е. переключение каналов и диапа­зонов, подключение образцовых мер, управление измери­тельными усилителями.

Обычно эти функции выполняются чисто программными методами, иногда с участием таймера – с помощью микропроцессора и портов ввода-вывода; управление аналого-цифровым преобразованием; управление средствами общения с оператором.

Сюда входят управление клавиатурой, индикаторами , звуковой сигнализацией и дисплеем; управление регистрами, т.е. печатающими устройствами, самописцами, графопостроителями, накопителях на магнитных носителях; управление внешней памятью, т.е. быстродействующими накопителями на магнитных носителях в режиме двухстороннего обмена и дополнительными внешними модулями памяти.

Вычислительные функции, т.е. первичная, вторичная и окончательная обработка данных.

Сюда относятся: калибровка, нормализация, масштабирование, фильтрация, сжатие данных, распознавание, устранение ошибок, статистическая обработка, корреляционный, спектральный, амплитудно-временной анализ и др.

Тестовые функции, т.е. обнаружение и локализация неисправности. В большинстве случаев до типового элемента.

Известны три класса тестирования. С применением внешних микропроцессорных средств, полностью автономное тестирование и комбинированные методы.

Для первого применяются специальные тестеры и микро ЭВМ. Программы тестирования входят в программное обеспечение тестера или самой системы.

При втором – функции тестирования чаще всего выполняет основной процессор ИИС, однако возможно наличие специального микропроцессорного узла, предназначенного только для автоматической диагностики.

В этом классе тестирование производится в двух основных режимах определение работоспособности, диагностика неисправности

При этом хранение программы тестирования может быть осуществлено либо во внешнем устройстве памяти, если оно имеется в ИИС, либо чаще в тестовом ПЗУ.

Сервисные функции, т.е. расширение возможностей измерительных приборов и систем со встроенными микропроцессорами и микро ЭВМ, увеличивающие объем информации, число режимов измерений, число обработки параметров и их комбинаций, число дополнительных директив, объем визуальной и звуковой информации, число альтернативных вариантов измерений и обработки первичной информации, вторичная обработка и интерпретация результатов вывод результатов исследования для интерпретации, документации, архивации и управления.

Распределенная обработка данных, т.е. распределение вычислительных функций между программируемыми контроллерами.

Возможность распределения обработки данных обеспечивает высокую надежность управления измерительной информационной системой.

Использование микропроцессоров и микро ЭВМ в ИИС повышает точность, быстродействие, надежность, помехоустойчивость. Расширяет динамический диапазон измерений, улучшает конструктивные показатели, качество метрологического обеспечения, расширяет многофункциональность системы, повышает удобство представления, хранения, регистрации, что способствует созданию, интеллектуальных приборов и систем и ремонтопригодности аппаратуры за счет повышения степени взаимозаменяемости, самоконтроля, диагностики и автоподгонки.

Выбор микропроцессора или ЭВМ определяется техническим заданием на ИИС и зависит от необходимого количества входов/выходов, их типа (аналоговый, дискретный) и объема необходимой памяти.

Пример отечественных однокристальных МП с управлением на уровне команд – МП серий К580 (аналог Intel 8080), К581, К588, К1801/09, К1806, К1810 (аналог Intel 8086), К1821, К1824, К1831, пример секционированного МП с управлением на уровне микропрограмм – МП серий К583, К584, К589, К1802 (К1822), К1804 (аналог Am2900), К1832.