ФОРМЫ И ВИДЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ. 3 страница

При цифровом измерении выходным сигналом измерительного устройства является цифровой сигнал. Поэтому цифровое измерение величин необходимо, например, в цифровых устройствах управления, а также в процессах, управление которыми осуществляется с помощью ЭВМ.

Поскольку большая часть измеряемых параметров аналоговая, их сигнал в измерительном устройстве должен быть преобразован в цифровой (рис. 51).

а) аналоговый б) цифровой

Рис. 51. Преобразование аналогового сигнала в цифровой

и наоборот – цифрового в аналоговый

Для отображения аналоговых величин в виде цифровых сигналов необходимо следующее:

− квантование измеряемых или отображаемых величин и ступенчатое разделение их временного диапазона на ряд поддиапазонов (дискретизация по времени);

− отображение одним из двоичных кодов каждого поддиапазона изменяемой величины как комбинации двоичных сигналов.

Преобразование аналогового сигнала в двоичный производится с помощью аналого-цифрового преобразователя (рассматривается в другой главе). Используют в основном цифровой сигнал, при котором каждому счету соответствует определенный цифровой код.

Цифровое измерение траекторий[6]

На примере измерении траекторий и углов, имеющее большое значение для цифрового станочного управления и управления работой промышленных роботов, можно несколько подробнее рассмотреть принцип цифрового измерения.

При измерении траекторий методом приращений ее разделяют на ряд шагов ΔS (например, в станочном управлении ΔS составляет 0,01 мм). Каждая из единиц обладает собственным счетным импульсом. Далее подсчитываются импульсы. Как правило, для генерирования импульсов применяют фотоэлектрическое сканирование стеклянной растровой линейки (рис. 53).

1 3 5 7 D

Рис. 52. Линейка кодирования с двоичным кодом: ΔS – величины растров,

D – десятичное значение измеряемой величины.

Сейчас для контроля перемещений в основном используются шаговые двигатели.

Растровой линейкой и сканирующим устройством производят квантование аналоговой измеряемой величины (траектории). В счетчике производят суммирование импульсов и отображение результатов подсчета в форме цифрового сигнала.

Линейка кодирования состоит из параллельно расположенных растровых шкал (рис. 52) с различной величиной шага. Расположение шагов на каждом из растров определяется использованием того или иного кода (двоичного, двоично-десятичного и т.д.). Измеряемая величина определяется расшифровкой комбинации сигналов соответствующего растра. Таким образом, линейка кодирования представляет собой аналого-цифровой преобразователь. Сканирование отдельных растров может производиться фотоэлектронным способом.

Рис. 53. Устройство для измерения траекторий

Выходной сигнал сканирующего устройства может вводиться в ЗУ или подвергаться дальнейшей обработке с помощью ЭВМ.

Метод цифрового измерения траектории применяют, в частности, в позиционном станочном управлении. Растровая линейка или линейка кодирования фиксируется на суппорте станка. Ее длина соответствует измеряемой траектории суппорта. Как правило, сканирующее устройство изготавливают стационарным. Так же производят цифровое измерение углов. Однако вместо растровой линейки кодирования для измерения применяют растровые диски или диски кодирования.

Определение двоичных состояний[6]

Наряду с измерением основных физико-технических величин требуется также получение информации об определенном состоянии процессов, например: о наличии объектов процесса (деталей станков и т.д.); позиционирования станков и деталей; об обеспечении заданных величин процесса; установке предохранительных устройств; о рабочем состоянии различных частей установки.

Указанные состояния могут иметь только два значения:

− объект есть – объекта нет;

− позиционирование произведено – не произведено;

− предельное значение заданных величин превышено – не превышено;

− защитная сетка опущена – не опущена;

− двигатель включен – отключен.

Поэтому подобные состояния могут отображаться в качестве двоичных сигналов. Определение таких состояний является важным условием автоматизации – прежде всего автоматизации производственных процессов на базе станков с ЧПУ и промышленных роботов.

Для этого используют устройства с двухпозиционным режимом работы: контактные и бесконтактные электронные переключатели, измерительные устройства с двоичным сигналом на выходе и др.

С помощью переключателей передается сигнал, служащий для отображения определенной позиции объекта. Примером оптического переключателя может служить система, состоящая из источника света (светодиода) и фотоприемного устройства (фототранзистора), называемая световым затвором (фотоячейкой).

Как правило, фотоячейку используют для контроля объектов позиционирования (т.е. обеспечения определенного положения станка и детали, необходимого в процессе производства), а также для подсчета деталей. Наряду с оптическими переключателями применяют также индуктивные, у которых положение объекта влияет на индуктивность катушки, что обусловливает переключение.

Пример. С помощью индуктивных переключений можно управлять потоком транспорта на перекрестках. Для этого в покрытие улиц в непосредственной близости от перекрестка помещают катушки, индуктивность которых изменяется при проезде каждого автомобиля. Таким образом, производится управление работой усилителя, сигналы от которого поступают на микроЭВМ. В зависимости от потока транспорта производится автоматическое включение и выключение сигналов светофора.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О МП СИСТЕМАХ [4]

Общие сведения[4, 13]

Развитие технологии и схемотехники микроэлектронных схем привело к созданию больших интегральных схем (БИС), представляющих собой универсальные по назначению, функционально законченные устройства, по своим функциям и структуре напоминающие упрощенный вариант процессоров обычных ЭВМ, но имеющие несравнимо малые размеры. Такие БИС получили название микропроцессоров (далее – МП). Микропроцессор (МП) – это микросхема или совокупность небольшого числа микросхем (соответственно один или несколько кристаллов БИС),выполняющая над данными арифметические и логические операции и осуществляющая программное управление вычислительным процессом.

Микропроцессорные средства выпускаются промышленностью в виде наборов, совместимых по уровням напряжения питания, сигналам и представлению информации БИС, включающих МП, микросхемы оперативной и постоянной памяти, управления вводом выводом, генераторы тактовых импульсов и т.д.

Микропроцессорные средства служат основой для создания различных универсальных и специализированных микроЭВМ, микропроцессорных информационно-управляющих систем, программируемых микроконтроллеров, разнообразных микропроцессорных приборов и устройств контроля, управления и обработки данных.

МикроЭВМ называют устройства обработки данных, содержащие один или несколько МП, БИС постоянной и оперативной памяти, БИС управления вводом-выводом информации и некоторые другие системы.

МикроЭВМ такой конфигурации обычно применяют в качестве встраиваемых в различные станки, машины, технологические процессы управляющих устройств (контроллеров). МикроЭВМ широкого назначения, используемые для выполнения вычислительных работ, управления сложными технологическими процессами, оснащаются необходимыми периферийными устройствами (дисплеями, печатающими устройствами, накопителями на гибких и жестких дисках, аналого – цифровыми и цифро − аналоговыми преобразователями и др.). МикроЭВМ с небольшими вычислительными ресурсами (малым объемом памяти и быстродействием) и упрощенной системой команд, ориентированной на выполнение процедур управления различным оборудованием, называется микроконтроллером.

Высокая универсальность и гибкость МП, достигаемая благодаря программному управлению, высокая технологичность МП средств, обеспечиваемая модульным принципом конструирования, который предполагает реализацию этих средств в виде набора функционально-законченных БИС, просто объединяемых в соответствующие вычислительные устройства, а также низкая стоимость, небольшие размеры, высокая надежность, возможность встраивания МП средств в приборы, машины и технологические линии, обеспечивают МП исключительно широкое применение в различных управляющих и обрабатывающих данные цифровых устройствах и системах.

Использование МП приводит к изменению характера проектной работы разработчика устройств и систем автоматики: во многих случаях проектирование схем заменяется разработкой программ настройки МП аппаратуры на выполнение определенных функций.

Основные характеристики и типы МП[4, 13]

К основным характеристикам МП (МП наборам БИС) относятся следующие показатели:

− тип микроэлектронной технологии, используемой при изготовлении МП БИС;

− количество кристаллов (БИС), образующих МП комплект;

− размеры кристаллов;

− количество элементов (транзисторов) в кристалле;

− длина (количество двоичных разрядов) в слове, обрабатываемом МП за один прием;

− быстродействие МП (тактовая частота, время выполнения команд основных операций);

− емкость адресуемой памяти;

− тип управляющего устройства (схемное или микропроцессорное управление);

− эффективность системы команд (количество команд, выполняемые операции, возможные способы адресации, наличие команд со стековой памятью, команд операций с битами, десятичными числами, числами с плавающей точкой и т.д.);

− число уровней прерывания;

− возможность прямого доступа к памяти;

− пропускная способность интерфейса ввода-вывода;

− количество уровней напряжения питания;

− номинальные параметры используемых сигналов;

− мощность, рассеиваемая БИС МП;

− наличие и доступность для пользователя аппаратно-программных средств поддержки проектирования программ для МП и отладки устройств и систем.

Все многообразие МП удобно делить на три различных типа:

1. Однокристальные МП с фиксированной разрядностью слова, с фиксированной системой команд и, как правило, с управляющим устройством со «схемной» логикой.

2. Многокристальные (секционированные) микропрограммируемые МП с изменяемой разрядностью слова и с фиксированным набором микроопераций.

3. МП цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени, предназначенные для реализации цифровых фильтров и преобразования Фурье в МП системах высокого быстродействия.

МП первого типа имеют логическую организацию, напоминающую организацию процессоров обычных ЭВМ. В них в явной форме нашел отражение принцип обработки данных на основе использования команд программы. Поэтому методы работы с МП первого типа в определенной степени подобны методам использования малых ЭВМ.

МП второго типа основан на конструктивном принципе функционально-разрядного слоя, предполагающем реализацию на кристалле малоразрядной (2-4 разряда) МП секции (слоя). В этом случае для обеспечения заданной разрядности обрабатываемых слоев МП составляется соответствующее количество кристаллов МП секций, объединяемых микропрограммным управляющим блоком, реализованном на отдельных кристаллах. Микропрограммируемые многокристальные МП обеспечивают большую гибкость в достижении нужных пользователю характеристик (в первую очередь быстродействия) проектируемого МП устройства, позволяя пользователю задавать специализированную систему команд, ориентированную на определенное применение. Однако, при этом пользователь должен разработать микропрограммы, реализующие эти команды, и занести их в управляющую память МП, что в свою очередь, требует от проектировщика умения программировать на Ассемблере.

МП третьего типа представляют собой узкоспециализированную микроЭВМ с простейшей системой команд и малым объемом памяти, но имеющую средства аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразований, коммутации аналоговых сигналов, способную за один прием обрабатывать слова, имеющие длину 24 и более двоичных разрядов.

Ведение в микропроцессорные системы[4, 13]

Появление МП привело к резким изменениям в методологии проектирования логических систем. При традиционных подходах, характеризуемых применением так называемой «жесткой» логики, системы строятся из отдельных логических блоков (триггеров, вентилей и счетчиков), выбор которых диктуется конкретным назначением системы. Эти блоки соединяются между собой таким образом, чтобы обеспечивалась необходимая структура потока данных. Такой подход напоминает разработку аналоговых схем, при которой структура схемы соответствует выполняемой ей функции. Будучи однажды реализованной, функция схемы не поддается изменению.

МП, напротив, позволяет создать систему управления общего назначения, которая может быть адаптирована для самых различных целей посредством изменения в программе управления.

Индивидуальность каждой отдельной системы обуславливается последовательностью команд (называемой программой), которые управляют работой системы. Следовательно, существуют два разных аспекта МП систем: физические компоненты (называемые аппаратными средствами) и программы (называемые программными средствами).

Базовая микропроцессорная система [8, 13]

Рассмотрим системы с клавиатурой и цифровым дисплеем, подобные в определенном смысле карманному калькулятору. В такой системе при нажатии клавиши должна появляться соответствующая цифра. Это характерный пример естественного использования микропроцессоров. Как он реализуется, показывает блок-схема системы, приведенная на рис. 54.

Микропроцессор (называемый для краткости процессором) является «мозгом» системы. В нем заключена вся логика, необходимая для распознавания и выполнения совокупности команд (программы). В его запоминающем устройстве хранится программа, но могут хранится и данные. Микропроцессору необходимо обмениваться информацией с клавиатурой и дисплеем. Порт ввода, через который процессор может считывать данные, связывает его с клавиатурой, а порт вывода, куда процессор может пересылать данные – дисплеем.

Отдельные узлы микроЭВМ связаны тремя шинами. Шина представляет собой группу проводов, обеспечивающих параллельное соединение устройств системы. Шину адреса ША можно уподобить номерам секции стеллажа для раскладки почтовой корреспонденции; они указывают ячейки памяти, в которые информация должна быть занесена или из которых ее следует взять.

Рис. 54. Базовая МП система

Как только МП выберет определенную ячейку посредством адресной шины, ЗУ пересылает информацию на шину данных. Информация может идти ШД от процессора к ЗУ (запоминающему устройству) или к порту вывода, либо от порта вывода. Заметим, что МП участвует во всех пересылках данных, то есть обычно данные не поступают непосредственно от одного порта к другому или из ЗУ к порту.

Третья шина называется управляющей. Эта шина представляет собой группу проводов, несущих сигналы, которые сообщают ЗУ и устройствам ввода-вывода (УВВ) о готовности МП выполнить очередную пересылку данных. По управляющей шине передаются и такие сигналы, которые позволяют УВВ обращаться к процессору с запросами.

Один цифровой сигнал высокого или низкого уровня передает 1 бит информации (1 или 0). МП, работающие с 8-разрядными словами (байтами), называют 8-разрядными. Применительно к 8-разрядному МП термин «байт» и «слово» означает одно и то же, но, термин «слово» используется также и для обозначения группы из 16 и более двоичных разрядов.

Программы[8]

Для того чтобы заставить систему выполнять поставленную задачу, требуется задать соответствующую последовательность команд, например:

1. считать данные с клавиатуры;

2. выдать данные на дисплей;

3. повторить (вернуться к шагу 1).

Чтобы МП мог выполнить какую-либо из предписанных задач, команды должны быть представлены в коде, понятном МП, и записаны на машинном языке в память МП системы. МП начинает работу с чтения первой машинной команды. Распознав смысл выбранной команды, он выполняет указанное в ней действие. Затем процессор считывает команды из следующей ячейки памяти и выполняет соответствующие действия, и далее этот процесс последовательного обращения к ячейкам ЗУ повторяется.

Существуют определенные команды, которые заставляют МП нарушать последовательность просмотра ячеек памяти и обратиться за очередной командой не к следующей, а к какой-нибудь совсем другой ячейке. Таким образом, программа может заставить МП вернуться и к любой предыдущей команде, формируя цикл, подлежащий повторному выполнению.

Это дает возможность реализовать многократно повторяющиеся действия при помощи относительно короткой программы.

Ввод-вывод[8]

Полная МП система, включающая МП, память, порты ввода-вывода,
называется микрокомпьютером или микроЭВМ. Устройства, подключаемые к
портам ввода-вывода (например, клавиатура и дисплей) называются внешними устройствами или устройствами ввода-вывода. Внешние устройства образуют интерфейс между системой и пользователем. Они могут также связывать микрокомпьютер и с внешним оборудованием. Обращение к ЗУ типа накопителей на магнитных лентах или дисках происходит так же, как и к внешним устройствам.

Все устройства в МП системе обмениваются информацией с MП, используя одну и ту же группу проводов (шину данных). МП выбирает лишь одно какое-либо устройство, с которым будет производить обмен информацией через шину данных, а остальные отключает. Такая способность МП избирательно подключать и отключать различные устройства обеспечивается наличием на их выходе, подсоединенном к шине логической схемы с тремя состояниями (шинного формирователя).

Рис. 55. Шинные формирователи с тремя состояниями в МП системе

На рис. 55 показано, как такой формирователь используется в МП системе, он присутствует на выходе каждого устройства, передающего информацию на шину данных (ЩД). МП вырабатывает управляющие сигналы (передаваемые по управляющей шине наряду с другими), отпирающие формирователь только того устройства, с которого будут считываться данные. Одновременно аналогичные формирователи остальных устройств блокируются. На рис. 56 показаны основные входные и выходные сигналы микропроцессора.

Это шестнадцать адресных выходов, которые управляют адресной шиной, и восемь информационных выходов, связанных с шиной данных. Информационные выходы являются двунаправленными, то есть, через них данные могут и вводится и выводится. Управляющие сигналы READ и WRITE координируют пересылку данных на шину данных.

Два сигнала, показанные в левой части схемы, реализуют дополнительные функции управления. Вход RESET (сброс) служит для инициализации внутренних схем микропроцессора. Вход INTERRUPT (прерывание) разрешает МП останавливать выполнение текущей задачи и перейти к другой, которая должна быть выполнена немедленно.

Две связи, показанные в верхней части схемы идут к внешнему кристаллу, кварц которого применяется для установления частоты генератора автоколебаний в МП.

Генератор тактовых импульсов синхронизирует работу всех устройств системы и задет скорость выполнения команд. Обычно МП состоит из трех частей: управляющего устройства (УУ), арифметико-логического устройства и регистров. УУ контролирует все операции пересылки и преобразования данных, происходящие в МП, и синхронизирует их. АЛУ выполняет арифметические и логические операции. В кристалле МП находятся также четыре основных регистра: счетчик команд (СК); регистр команд (РК); счетчик данных (СД), называемый также регистром адреса памяти (РАП) и аккумулятор (А).

Рис. 56. Основные сигналы микропроцессора

СК хранит программные адреса и обычно указывает очередную команду,

подлежащую исполнению. Сама команда загружается в регистр команд.

РАП (регистр адреса памяти) хранит адрес данных. Наконец, аккумулятор содержит, как правило, данные либо результаты арифметических или логических операций. В 8-разрядных МП ширина разрядной сетки А и РК составляет 8 бит, а СД и СК – 16 бит.

СИСТЕМНАЯ ШИНА [9]

Общие сведения[9]

Важной характеристикой компьютера, которая наряду с типом основного МП определяет возможности и диапазон применяемости компьютера – это тип системной магистрали передачи данных внутри компьютера, в простонародье – шины. Шина входит в состав материнской (системной) платы компьютера и осуществляет обмен данными между процессором или оперативной памятью и контроллерами внешних устройств компьютера и т.д. Все контроллеры внешних устройств, кроме размещенных непосредственно на материнской плате, подключаются к компьютеру путем вставки этих контроллеров в свободные разъемы (стопы) шины.

Типы системных шин ПК[9]

1. Шина ISA обладает невысокой производительностью, была разработана фирмой IBM при создании компьютера IBM PC AT. Эта шина является весьма дешевой, но «малоинтеллектуальной» и малопроизводительной. Возможности этой шины вполне достаточны для работы с низкоскоростными устройствами: клавиатурой, монитором, дисководами для гибких дисков, принтерами и модемами. Однако современные жесткие диски, видеоконтроллеры и адаптеры локальных сетей должны осуществлять ввод-вывод со значительно большей скоростью, чем та, которая обеспечивается шиной ISA. Поэтому в настоящее время большинство высокопроизводительных компьютеров оснащается более современными системными шинами.

2. Шина МСА, разработанная фирмой IBM в 80-х годах, стала первым стандартом высокопроизводительной системной шины. Эта шина не совместима с шиной ISA, то есть все разработанные для шины ISA контроллеры не годятся для шины МСА. Из-за этого, а также из-за того, что воплощенные в шине технологические решения запатентованы фирмой IBM, этот стандарт шины не прижился.

3. Шина EISA разработанная в 1989 г, также обеспечивает обмен данными между процессором или оперативной памятью и контроллерами внешних устройств по 32-битовой магистрали с высокой скоростью (ЗЗ Мбайт/с). В разъемы этой шины могут встраиваться как контроллеры для шины EISA, так и контроллеры для шины ISA (хотя последние, естественно, не обеспечивают высоких скоростей обмена информацией). Кроме того, шина EISA во многих случаях не обеспечивает нужное быстродействие, особенно в задачах обработки изображений, анимации, мультимедиа и т.д.

4. Шина VESA (обычно называемая локальной шиной, VL – шиной и т.д.), разработанная ассоциацией VESA (Video Electronics Standards Association). Эта шина обеспечивает более дешевое и более эффективное подключение высокоскоростных внешних устройств, поддерживая непосредственный доступ центрального процессора к соответствующим контроллерам (видеоконтроллерам, контроллерам жестких дисков, адаптерам локальной сети). Для использования остальных устройств на такие компьютеры устанавливается другая шина (ISA или для высокопроизводительных компьютеров, ЕISA). Благодаря разработанным ассоциацией VESA правилам «шинного арбитража» эти шины могут существовать в одном компьютере, не мешая друг другу. Компьютеры с шинами VESA и EISA часто называются «VESA/EISA».

5. Шина PCI, разработанная фирмой INTEL с участием ряда других фирм, является конкурентом шины VESA и во многих случаях обеспечивает еще более быстрый обмен с внешними устройствами, чем шина VESA. Наиболее часто шина РСI используется для микропроцессоров типа Pentium, так как она обеспечивает наиболее эффективное использование их возможностей. Как и шина VESA, шина PCI обычно используется совместно с шиной ISA или EISA.

Шинный драйвер [11]

В МП системах с магистральной организацией возникает необходимость объединять модули системы общими линиями связи. Для этого используются специальные СИМС магистральных усилителей – шинные драйверы.

Функциональная схема ШД (К589АП16) приведена на рис. 57.

Принцип построения схем, отключающихся от нагрузки, используется не только в ШД, но и в портах, и шинных буферах МП, показан на примере
буферного усилителя транзисторно-транзисторной логики.

На рис. 58 представлена принципиальная схема магистрального инвертора, часто называется схемой с тремя состояниями. Здесь при нулевом сигнале на управляющем входе V усилитель передает входную переменную X на выход Y с инверсией. При V = 1 транзистор Т2', включенный параллельно с транзистором Т2, и сформирует в точке К потенциал, близкий к нулю. В результате этого выходные транзисторы ТЗ и Т4 окажутся в режиме отсечки. Выход Y перейдет в высокоимпендансное состояние (не 0, не 1).

Свойство схемы отключаться от нагрузки под воздействием управляющего сигнала V используется для построения магистральных связей путем соединения на общей линии выходов Y множества источников сигналов.