Типовые элементы и устройства систем автоматическогоуправления (стр. 25 )

Рисунок 8.4 Структурная схема микропроцессора

Арифметически-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций над данными, представленными в виде двоичных чисел. Данные, с которыми производятся эти операции, называются операндами. Обычно в операции участвуют два операнда, один из которых находится в специальном регистре – аккумуляторе А, а другой – в регистрах РЗУ (или памяти МП). Иногда АЛУ называют операционной частью МП.

Регистровое запоминающее устройство содержит несколько регистров общего назначения (РОН), а также регистры специального назначения, в частности счетчик команд СК. Иногда РЗУ называют внутренней памятью МП.

Управляющее устройство предназначено для выработки сигналов управления, обеспечивающих работу блоков в МП. В состав УУ входит регистр команд РК, в котором фиксируется выполняемая в данный момент команда.

Работа МП обеспечивается программой, записанной в его памяти.

Последовательность команд, обеспечивающих реализацию заданного алгоритма обработки информации, образует программу. Важной особенностью работы МП является то, команды программы в нем выполняются в пошаговом режиме строго в записанной последовательности.

Каждая команда программы содержит информацию о том, что нужно делать, с какими операндами и по какому адресу поместить результат операции. Для этого команда имеет структуру, приведенную на рисунке 8.4, б. Первая часть ее содержит код операции КОП, т. е. информацию о характере операции над операндами (например, сложение, логическое сравнение и др.). Вторая часть команды – адресная – содержит адреса расположения операндов, с которыми производится данная операция, и адрес регистра или ячейки памяти, куда должен быть помещен результат.

Команды, адреса и операнды МП выражаются двоичными многоразрядными числами, представляемыми, как и во всех цифровых устройствах, комбинацией двух уровней напряжения – высокого и низкого. Первые МП оперировали четырехразрядными числами, а в современных МП используются восьми - и шестнадцатиразрядные числа. Использование в МП многоразрядных двоичных чисел позволяет повысить их быстродействие и точность работы.

Программа (совокупность команд) МП может быть записана несколькими способами. Первый из них предусматривает запись команд непосредственно в виде двоичных чисел, т. е. в виде так называемого машинного кода, понятного для данного МП. Такой способ составления программ в большинстве случаев оказывается малоудобным и требует больших затрат времени, особенно при создании больших программ.

Более удобным является использование языков программирование. Языки низкого уровня типа АССЕМБЛЕР, как средство общения с МП включают в себя несколько десятков типовых команд, представленных в условных мнемокодах. Например, язык этого типа для отечественного восьмиразрядного МП типа К580 включает в себя около 80 типовых команд – арифметических, логических, пересылки данных, передачи управления и ряд других. Отметим, что тот или иной язык используется только на этапе программирования, а оперирует МП при своей работе с двоичными числами.

Большие возможности и удобства пользователю микропроцессорными схемами управления представляют языки программирования высокого уровня: ФОРТРАН, ПАСКАЛЬ, ПЛ/М, БЕЙСИК, СИ, АДА и их разновидности (диалекты). Составленные на этих языках программы далее транслируются (переводятся) с помощью специальных программ, получивших название кросс-программ, в систему машинных кодов, понятных для МП.

Представленный на рисунке 8.4, а МП не может быть непосредственно использован для управления объектом автоматизации. Для выполнения функций управления схема МП должна быть дополнена целым рядом блоков, к числу которых относятся устройства памяти, устройства согласования с другими блоками объекта управления, устройства ввода-вывода, генератор тактовых импульсов и ряд других.

8.4 Микропроцессорная система

Совокупность МП и перечисленных выше устройств образует микропроцессорную систему (МПС), структурная схема, которой приведена на рисунке 8.5.

Состав МПС наряду с МП входят устройства памяти оперативной ОЗУ и постоянной ПЗУ, интерфейсное устройство ИУ, устройства сопряжения УС с внешними объектами; внешние запоминающее устройства ВЗУ, устройства ввода-вывода информации УВВ, общая шина ОШ, включающая в себя ШД, ШУ, и ША. Кроме того, на схеме СЧЭП обозначена силовая часть ЭП (преобразователь - двигатель механическая передача). Рассмотрим кратко назначение каждого из устройств МПС.

Рисунок 8.5 Микропроцессорная система

Устройства памяти ОЗУ и ПЗУ служат для размещения подлежащих обработке данных и программы, в соответствии с которой эта обработка должна вестись, а также результатов обработки. Для расширения возможностей МПС, кроме ОЗУ и ПЗУ, могут использоваться ВЗУ, к числу которых относятся накопители информации на гибких магнитных дисках и др.

Устройства ввода-вывода информации (УВВ) предназначены для обеспечения взаимодействия МПС и человека в удобной для него форме. К устройствам ввода-вывода относятся клавиатура пульта управления, принтер, графопостроители, устройства визуального представления информации (мониторы) и др.

Устройства сопряжения (УС) обеспечивают связь МПС с различными внешними (периферийными) устройствами. Они могут иметь самые разнообразные схемные и элементные реализации. В частности, для связи МПС с датчиками координат ЭП (Д) и блоками схемы управления ЭП (СУЭП) широко используются аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи электрических сигналов, обозначенных на схеме УС1 и УС2.

Устройства сопряжения УС3 и УС4, предназначенные для связи МПС с ВЗУ и УВВ, представляют собой в простейшем случае буферные (промежуточные) регистры памяти для хранения данных, передаваемых с общей шины ОШ на внешние устройства или обратно. Устройства сопряжения, получившие название контроллеров (микроконтроллеров) выполняют более сложные функции, и их работа может программироваться.

Устройства сопряжения УС5, выполняющие согласование работы МПС с другими МПС и ЭВМ, называются адаптерами.

Интерфейсное устройство (ИУ) – это совокупность электронных схем, шин и алгоритмов (программ), обеспечивающая управление передачей информации между МП, памятью и внешними устройствами (УВВ, ВЗУ, Д). Другими словами, интерфейсное устройство обеспечивает требуемое взаимодействие МПС с указанными внешними устройствами при изменении режима ее работы. Типичным примером является переход от выполнения одной программы к выполнению другой при поступлении от какого-либо внешнего устройства сигнала управления. Такой переход получил название прерывания. После завершения прерывающей программы ИУ обеспечивает возврат МПС к работе по прерванной программе. Примерами ИУ являются таймер, блок прямого доступа к памяти, блок организации прерываний.

Отметим, что совокупность МП, памяти и интерфейса, который включает в себя ИУ, УС, и ОШ, получили название микро-ЭВМ.

По назначению МПС и микро-ЭВМ подразделяются на универсальные и специализированные.

К универсальным относятся МПС и микро-ЭВМ, способные как обеспечивать управление различными объектами (в том числе и ЭП), технологическими процессами, промышленными предприятиями, так и выполнять различные вычислительные операции. Для выполнения этих функций МПС имеет широкий набор внешних (периферийных) устройств, показанных на рисунке 8.5. Обычно при конкретном применении часть этих устройств может быть не задействована, т. е. универсальные МПС и микро-ЭВМ обладают элементной избыточностью.

Специализированными называются МПС, которые уже на стадии своего создания ориентированы на конкретное применение – схемы управления станка или робота, измерительные системы и др. В этом случае МПС содержат только те устройства и имеют такое программное обеспечение, которое обеспечивают выполнение конкретных, заранее определенных функций.

Широко распространенным примером специализированной МПС является программируемый контроллер (ПК).

Для лучшего понимания выполняемых ПК функций и особенностей его структуры обратимся к схеме, рисунок 8.6, реализующим различные логические операции при управлении: запрещение включения одного контактора при включенном другом, разрешение включения двигателя при нажатии кнопки управления и отсутствии запрещающего сигнала защиты и др. Подобные схемы получили название жесткой (или монтажной) логики, так как осуществление заданных логических операций обеспечивается определенным набором элементов и связями между ними. При реализации сложных систем управления (20…30 элементов и более) схемы с жесткой логикой приобретают большие массу и габаритные размеры, возрастает их энергопотребление, усложняются наладка и диагностика их работы и соответственно ремонт. Самый же существенный недостаток таких схем, как уже отмечалось, состоит в сложности их переделки (перемонтажа) при введении новых функций или их частичном изменении.

Альтернативным (технически и экономически более целесообразным) решением при создании сложных схем управления является применение программируемых контроллеров как разновидности МПС. Применение ПК позволяет избежать всех тех недостатков, которые характерны для схем с жесткой логикой, и в первую очередь отсутствия гибкости при реализации сложных законов управления. Программируемый контроллер – это специализированная МПС, предназначенная для обработки логических входных сигналов, их преобразование и выработки управляющих воздействий и работающая по заранее заданной программе. Процесс обработки поступающей информации и выработки управляющих воздействий осуществляется в ПК по программе и происходит в реальном масштабе времени.

Рисунок 8.6 Структурная схема программируемого контроллера

В состав ПК, рисунок 8.6 входят запоминающее устройство ЗУ, в котором содержится программа его работы; логический процессор ЛП (АЛУ на схеме рисунок 8.4), осуществляющий логические операции над последовательно вводимыми в него сигналами; коммутаторы входных К1 и выходных К2 сигналов; устройства сопряжения ПК с входными УС1 и выходными УС2 сигналами, а также память П, в которую поступают результаты выполнения логических операций.