Устройство ввода-вывода

Организация ЭВМ

В настоящее время все современные системы автоматизации и контроля обязательно содержат средства вычислительной техники (интегральные микросхемы микропроцессоров, микроконтроллеров, сигнальных процессоров и т. п.), которые служат мозговым центром и базовыми элементами любой интеллектуальной системы управления. На сегодняшний день в мире выпущено несколько миллиардов микросхем микроконтроллеров.

Системы сбора данных и управления технологическими процессами, интеллектуальные датчики, счетчики расхода электрической энергии и воды, средства телекоммуникаций, контроллеры систем электропитания, интеллектуальный электропривод и преобразователи частоты, измерительные приборы разного назначения, контроллеры бытовых приборов, источники бесперебойного питания — вот лишь начало бесконечного перечня примеров применения средств вычислительной техники.

Пожалуй, основная причина, стимулирующая появление микроконтроллеров - внедрение средств вычислительной техники во все сферы человеческой деятельности. Это потребовало миниатюризации и снижения стоимости изделий. Прогресс же в технологии изготовления микросхем в значительной мере способствовал этому процессу.

Первый электронный калькулятор (1963 г.) был реализован на дискретных транзисторах и занимал объем кассового аппарата.

В 1967 г. фирма Texas Instruments выпустила первый калькулятор на интегральных микросхемах, который и положил начало процессу миниатюризации средств вычислительной техники. Однако микросхемы для калькуляторов создавались применительно к требованиям каждого конкретного заказчика. Процессоры для калькуляторов были маломощными и не отвечали требованиям, предъявляемым к вычислительным средствам.

Работая по заказу одной из японских фирм над разработкой программируемых калькуляторов, специалисты фирмы Intel предложили новую концепцию проектирования микропроцессоров, которая заключалась в создании микропроцессоров общего назначения, способных выполнять любые арифметико-логические операции. В 1969 г. фирмой Intel была анонсирована первая в мире специализированная интегральная микросхема Intel 4004 (промышленный серийный выпуск с 1971 г.), которая, по сути, являлась 4-разрядным программируемым микропроцессором. Микропроцессор Intel 4004 содержал около 2250 транзисторов и мог выполнять примерно 60 тыс. операций в секунду.

Производительность Intel 4004 была еще слишком низкой, чтобы он мог в полной мере выполнять функции процессора. Однако он мог служить базовым микропроцессором для калькуляторов. Интересно отметить, что название фирмы Intel происходит от слов "Integrated Electronics" (интегральная электроника). Возможно, смысловое содержание названия Intel играет не последнюю роль в том, что фирма с момента своего создания (1968 г.) и по настоящее время (сегодня в фирме Intel работают около 65 тыс. сотрудников) занимает лидирующее положение среди мировых производителей интегральных микросхем.

В 1976 г. создан первый 8-разрядный микроконтроллер, на кристалле которого были интегрированы основные элементы микропроцессорной управляющей системы: процессор, память типа ROM и RAM, порты ввода/вывода и таймеры.

В 1978 г. появился 16-разрядный микропроцессор Intel 8086 (отечественный аналог К1810ВМ86) - первый микропроцессор массового применения. С серийного выпуска Intel 8086 началось полномасштабное проникновение персональных компьютеров во все сферы деятельности человека. Созданию микропроцессора Intel 8086 предшествовал выпуск 8-разрядных микропроцессоров Intel 8008 (1972 г.) и Intel 8080 (1974 г.).

Нельзя обойти вниманием и создание фирмой Texas Instruments в 1982 г. первого однокристального программируемого цифрового сигнального процессора (DSP) TMS32010. В настоящее время из-за сложности алгоритмов и специфики математических вычислений, используемых при реализации интеллектуальных приводов электрических двигателей, архитектура сигнальных процессоров используется в качестве базовой для современных универсальных программируемых DSP-контроллеров, широко применяемых в системах управления электродвигателями почти всех типов.

Структурная схема любой ЭВМ содержит следующие блоки: процессор, состоящий из арифметико-логического устройства (ALU), схем управления и регистров; память; периферийные устройства ввода/вывода данных.

Первоначально блоки, входящие в ЭВМ, создавались на базе стандартных дискретных логических микросхем, которые выполняли сравнительно простые функции.

Поэтому сами ЭВМ имели большие габариты (например, суперЭВМ Сгау-1 состояла из 300 тыс. микросхем и занимала объем порядка трех кубических метров).

Успехи интегральной технологии привели к появлению больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС) с размещением до десятков и сотен тысяч, а в настоящее время - десятков миллионов транзисторов на одном кристалле. Высокая степень интеграции БИС и СБИС позволила в одной микросхеме реализовать отдельные блоки ЭВМ, к примеру процессор.

В микросхемах первых микропроцессоров (например, Intel 8080) были реализованы только сам процессор и дополнительные устройства, осуществляющие управление обменом данными с внешней памятью и устройствами ввода/вывода данных.

Однако, кроме устройств, входящих в состав процессора, на кристалле СБИС (БИС) могут быть реализованы память для хранения программ (ROM), данных или промежуточных результатов (RAM), периферийные устройства ввода/вывода данных. Такие СБИС (БИС) относятся к классу однокристальных микро ЭВМ. Одной из первых серийно выпускаемых микросхем однокристальных микро ЭВМ стала Intel 8048 (18048). Однокристальные микро ЭВМ начали активно использоваться там, где была потребность в несложной цифровой обработке данных: бытовых электроприборах, простых системах управления/контроля и т. п. Кроме однокристальных микро ЭВМ для цифровой обработки данных в подобных системах можно использовать и заказные (специализированные) интегральные микросхемы (Application Specific Integrated Circuit - ASIC).

Идея интеграции но одном кристалле совместно с процессором и памятью большого количества стандартных устройств различного назначения воплотилась в появление микроконтроллеров. Одним из первых серийно выпускаемых микроконтроллеров можно считать Intel 8051 (далее 8051). Вскоре микроконтроллер 8051 завоевал популярность во всем мире.

В настоящее время микроконтроллеры с набором команд 8051 выпускаются десятками фирм-производителей (Analog Devices, Atmel, Dallas, Semiconductor, Oki, Philips, Infineon Technologies, Silicon Storage Technologies, Temic и многими другими). В отличие от универсальных микропроцессоров, предназначенных в основном для числовой обработки данных, микроконтроллеры имеют расширенный набор встроенных периферийных устройств. Это могут быть дополнительные блоки памяти типа RAM, ROM, EPROM, EEPROM или FLASH и периферийные устройства различного назначения: универсальные таймеры и таймеры специального назначения; "сторожевые" таймеры; контроллеры внешних интерфейсов (UART, USART, SPI, SCI, PC, j 1850, USB- или CAN-шины) и жидкокристаллических дисплеев; монитор источников питания; аналоговые и цифровые компаратора; схему перезапуска; аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи и др.

Таким образом, микроконтроллеры содержат все периферийные устройства, необходимые для создания законченных встроенных систем управления/контроля и (что немаловажно для дальнейшего понимания) стандартные устройства, которые в случае использования микропроцессора в системе выполнялись бы на базе дополнительных внешних по отношению к микропроцессору микросхем. В микроконтроллерах перечисленные или, покрайней мере, большая часть периферийных устройств выполнены на одном кристалле с процессором (процессорным ядром), что придает системам на базе микроконтроллеров большую гибкость и универсальность. Примером подобных высокоинтегрированных микроконтроллеров могут служить микроконверы ADcU812/814/816/824/834 (Analog Devices), микроконтроллеры семейств АТ89/АT 90 (AVR)/AT tiny/AT mega (Atmel), C16x (Infineon), H8/300 и H8/300L (Hitachi), 51XA-G49 и 51XA-G3 (Philips), MC68HC05/08/ 11/12/16 (Motorola), PICmicro (Microchip), MSP430F (Texas instruments) и многие другие. Микроконвертеры, по сути, ничем не отличаются от микроконтроллеров. Фирма Analog Devices, входящая в число мировых лидеров по выпуску аналоговых и цифровых микросхем, длительное время не уделяла должного внимания рынку микроконтроллеров.

Однако в 1999 г. фирма Analog Devices начала серийный выпуск своего первого восьмиразрядного программно совместимого с 8051 микроконвертера ADuC812. Если микроконтроллер - это процессорное ядро, окруженное широким набором периферийных устройств ввода/вывода, то понятие "микроконвертер" подразумевает высокоточную систему аналогового ввода/вывода данных (24- или 16-разрядные сигма-дельта АЦП) с вычислительным ядром для предварительной обработки данных и периферийными устройствами цифрового ввода/вывода, способствующими организации гибких связей с "внешним миром". Микроконвертеры представляют собой законченную систему сбора и обработки данных, выполненную на одном кристалле. Микроконвертеры содержат: процессорное ядро на базе 8051, память типа RAM, FLASH и EEPROM, высокоточные АЦП и ЦАП, входные мультиплексоры. Кроме того, в микро-конвертерах интегрированы: температурный датчик, источник эталонного напряжения, три универсальных таймера, "сторожевой" таймер», таймер реального времени, поддерживающие связь с "внешним миром". Основным отличием микроконвертеров от микроконтроллеров является то, что параметры встроенных аналоговых, цифровых преобразователей не ухудшаются во время работы процессорного ядра.

На протяжении всех этапов развития микроконтроллеры, как, впрочем, и все средства вычислительной техники, развивались по двум главным направлениям:

• совершенствования архитектуры, что позволяло при постоянном повышении сложности алгоритмов управления обеспечивать требуемую производительность;

• снижения энергопотребления, что способствовало повышению уровня надежности микроконтроллеров и позволяло создавать на базе одной микросхемы функционально законченные системы и средства управления/контроля.

В настоящее время сформировалась типовая архитектура (структура) микроконтроллеров для массового применения, в которой можно выделить следующие особенности и принципы построения.

Архитектура процессорного ядра современных микроконтроллеров построена на одном из двух принципов организации вычислений. Согласно реализованным принципам все микроконтроллеры можно условно разделить на микроконтроллеры с CISC (Complex Instruction Set Computer) архитектурой процессорного ядра, выполняющего расширенный набор инструкций, и RISC (Reduced Instruction Set Computer) архитектурой процессорного ядра, выполняющего сокращенный набор инструкций [1].

К микроконтроллерам с CISC архитектурой процессорного ядра относятся: АТ89 (Atmel), MCS-51/151/251 (Intel), C500 ilnfineon), 89C51/52 и 8051ХА (Philips), 68HC05/08/11 (Motorola). К микроконтроллерам с RISC архитектурой относятся: АТ90 (AVR) фирмы Atmel, PIC 16/17/18 фирмы Microchip, 16x фирмы Infineon, MSP430 фирмы Texas Instruments и другие.

Один из недостатков_фон-неймановской архитектуры, на базе которой построено большинство современных микроконтроллеров, — перемещение, между процессорным ядром и основной памятью многочисленных потоков информации, не имеющих непосредственного отношения к обработке данных, поскольку в устройствах c этой архитектурой данные и программа хранятся в общей памяти. Интересно отметить, что, образно говоря, рождение такого общепризнанного сегодня принципа размещения программ и данных в общей памяти произошло в результате попыток усовершенствовать "мучительный" процесс программирования первой электронно-счетной машины ENIAC, состоявшей более чем из 17 тыс. электронных ламп, тысячи переключателей и сотни кабелей. Изменение программы для ENIAC заключалось в установке в определенное положение переключателей и соединении с помощью кабелей внешних разъемов.

Авторство идеи хранения команд компьютера в памяти закрепилось за математиком венгерского происхождения - Джоном фон Нейманом. В отличие от фон-неймановской архитектуры, в гарвардской архитектуре предусмотрены отдельные области памяти для хранения данных и программ и соответственное количество встроенных шин для доступа к этим областям памяти, что позволяет одновременно выбирать инструкцию и несколько операндов.

На базе гарвардской архитектуры построены все DSP-контроллеры, кроме того, архитектура некоторых микроконтроллеров напоминает гарвардскую. Например, АТ90 (AVR) фирмы Atmel.

В настоящее время мировое производство электроэнергии превышает 0.1 % энергии, получаемой нашей планетой от Солнца, а к концу XXI столетия может увеличиться до 0.4- 0.5 % [2]. По разным оценкам потребление примерно 50-70 % всей вырабатываемой электроэнергии приходится на долю электродвигателей. Поэтому крайне остро стоит проблема реализации оптимальных алгоритмов управления электродвигателями не только с целью улучшения их эксплуатационных характеристик, а и экономии электроэнергии. Существовавшие до недавнего времени системы управления электродвигателями на дискретных компонентах, а также на базе специализированных микроконтроллеров, в которых интегрированы периферийные устройства для управления электродвигателями, не обладают достаточной производительностью и поэтому не в состоянии реализовывать сложные алгоритмы управления (например, векторное управление). Высокопроизводительные .универсальные микропроцессоры не имеют встроенных периферийных устройств.

Структура ЭВМ

Типичная ЭВМ состоит из процессора, памяти и устройств ввода-вывода (рис. 1.1). Со времени появления в 40-х годах первых электронных цифровых вычислительных машин технология производства каждой из этих трех подсистем была значительно усовершенствована. За последнее десятилетие благодаря развитию интегральной технологии существенно улучшились характеристики процессоров и памяти. Кроме того была снижена их стоимость. В настоящее время по цене хорошего цветного телевизора можно приобрести в личное пользование достаточно мощную ЭВМ, зa которую и 70-x годах потребовалось бы заплатить больше, чем за несколько самых дорогих автомобилей.

Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема ЭВМ

Несмотря на успехи, достигнутые в области технологии, существенных изменений в базовой структуре и принципах работы вычислительных машин не произошло. Так, еще в 1946 г. в описании впервые предложенной ЭВМ с хранимой в памяти программой отмечалось: «Мы располагаем двумя различными типами памяти: памятью чисел и памятью команд. Тем не менее если команды представлены машине в виде числового кода и если машина каким-либо образом в состоянии отличать числа от команд, то блок памяти можно использовать для хранения и тех и других».

И в настоящее время почти во всех вычислительных машинах для хранения данных (чисел, текстов) и команд служит одна и та же память. Это позволяет повысить эффективность использования достаточно дорогостоящей памяти ЭВМ.

Устройство ввода-вывода

Устройства ввода обеспечивают считывание информации (исходных данных и программы решения задачи) с определенных носителей информации (клавиатур перфолент, магнитных лент или дисков, датчиков состояний управляемых объектов и т. п.) и ее представление в форме электрических сигналов, воспринимаемых другими устройствами ЭВМ (процессором или памятью).

Устройства вывода представляют результаты обработки информации в форм, удобной для визуального восприятия (индикаторы, печатающие устройства, графопостроители, экран дисплея и т.п.). При необходимости они обеспечивают запоминание результатов на носителях, с которых эти результаты могут быть снова введены в ЭВМ для дальнейшей обработки (перфоленты, магнитная лента, магнитный диск и т.п.) или передачу результатов на исполнительные органы управляемого объекта (например, робота).

Память ЭВМ

Память ЭВМ включает устройство, обеспечивающее хранение команд и данных. Это устройство состоит из блоков одинакового размера — ячеек памяти, предназначенных для хранения одного слова информации (рис. 1.2 а). В свою очередь, ячейка памяти состоит из элементов памяти, состояние каждого из которых соответствует одной двоичной цифре (0 или 1) Совокупность нулей и единиц хранящихся в элементах одной ячейки, представляет собой содержимое этой ячейки памяти.

Ячейки нумеруются числами 0. 1, 2, .. , называемыми адресом ячеек. Если необходимо записать в память слово, следует подать на шину адреса памяти (рис 1.7, б) сигналы, соответствующие адресу ячейки, в которую надо поместить записываемое слово, и подать само слово на шину записи. Память устроена так. Что заданное слово будет передано в ячейку с указанным адресом и может храниться там сколь угодно долго. В любой момент, обратившись к памяти, можно получить содержимое хранимого там слова.

Для этого в память посылается адрес, определяющий местоположение требуемого слова, и она выдает по шине чтения копию слова. При считывании содержимое ячейки остается без изменения, так что один раз записав слово, можно сколько угодно раз получать его копии. Это аналогично записи песни на магнитофонную ленту Песню можно прослушивать с ленты (читать с ленты) сколько угодно раз. Но если на ее место записать другую мелодию, то первая будет стерта, однако время доступа к информации на магнитной ленте зависит от того, где записана эта информация (иногда надо перемотать почти всю ленту, чтобы прослушать какую-либо песню), тогда как время доступа к любой ячейке памяти всегда одинаково (не зависит от ее номера).

Рис. 1.2. Организация памяти ЭВМ