Принципы использования микропроцессорной техники. Принципы использования микропроцессоров. Принципы использования микропроцессоров в информационноизмерительных системах

• Название: Принципы использования микропроцессоров в информационноизмерительных системах
• Анкор: Принципы использования микропроцессорной техники
• Дата: 20.10.2019
• Размер: 141.5 Kb.
• Имя файла: Принципы использования микропроцессоров .doc
• Тип: Документы; #90963
• страница: 2 из 4

Проектирование микропроцессорных автоматизированных измерительных систем

Автоматизированные измерительные системы представляют собой сложный объект проектирования. Для проектирования таких систем общепринят блочно-иерархический подход, при котором представле­ния об объекте разбиваются на уровни, начиная с наименее детализированных и кончая наиболее детализированными. Процесс проектирования носит итеративный характер и заключается в движении от решения более общих допросов к решению частных с возможными возвратами на более общие уровни для коррекции принятых решений.

Другой особенностью создания систем является раздвоенность процесса проектирования на программную и аппаратную части.

Упрощенная схема процесса проектирования автоматизированной системы измерений и краткая расшифровка содержания этапов проектирования приведена в табл.7.1. В этой схеме допущены два основных упрощения. Во-первых, на каждом этапе проектирования зафиксирован только его основной результат, за которым скрыт свой внутренний цикл проектирования и в котором могут быть этапы анализа, проверки условий работоспособности или оценка качества, поиск оптимальных параметров, уточнение технического решение и возвращение к анализу. Такой цикл может повторяться неоднократно. Во-вторых, в схеме на рис.7.1, ориенти­рованной на проектирование не слишком сложных систем, этап анализа и корректировки приведен только для уровня разработки функциональной схемы и программы. Для более сложных систем анализ и корректировка могут производиться и на 3-м, 4-м и на 7-м уровнях, да и само число уровней может быть увеличено. Так, для развитой цифровой аппаратуры с жесткими связями возможно выделение логического, регистрового подуровней и подуровней макроблоков различного масштаба.

Таблица 7.1

№ п/п	Этап	Сущность процесса проектирования
1	Задача	Строгая формулировка задачи. Определение входных и выходных требований для системы
2	Метод	Выбор математического метода обработки информации. Обоснование метода путем сравнения вариантов обра­ботки. Расчет и оптимизация неизвестных параметров
3	Алгоритм	Разработка схем алгоритма. Определение состава и количества операций, операндов и констант, допусти­мого времени вычислений, характера обмена данными
4	Структура	Разделение задачи на аппаратную и программную части
		Аппаратная часть	Программная часть
		Разработка структурной схемы средств сопряже­ния. Определение состава устройств	Выбор микропроцессора и анализ его структуры с точки зрения выполнения требуемых программных операций
5	Детализа­ция	Разработка функциональ­ной схемы с возмо­жными натурными или имитацион­ными экспе­риментами	Разработка рабочей прог­раммы на языке ассембле­ра. Моделирование и от­ладка программы на ЭВМ
6	Анализ и корректи­ровка	Определение аппаратурных затрат. Анализ технических характеристик. Принятие решения о корректировке предыдущих этапов	Определение вычисли­тельных затрат. Принятие решения о кор­ректировке предыдущих этапов
7	Реализация	Разработка принципи­аль­ной схемы, конструк­ции и технической доку­мента­ции средств сопря­жения	Трансляция рабочей про­граммы с языка ассемб­лера в коды МП
8	Воплощение	Изготовление разработан­ных средств сопряжения	Занесение программы в ПЗУ
		Испытания и окончательная отладка в процессе совместной работы аппаратной и программной частей

Первый и второй этапы проектирования существенно связаны с предварительно проведенными научно-исследовательскими работами (НИР) и эскизным проектированием, в которых должны быть определены физические принципы измерений и системное взаимодействие разрабатываемой системы с окружающей средой.

В ходе выполнения этих этапов строится математическая модель измерения и ставится математическая задача компенсации искажений, вносимых измерительным прибором. Выбирается метод решения этой задачи.

Отличительная особенность третьего этапа проектирования состоит .в разработке и анализе алгоритмов на уровне арифметических и логических операций, а не на уровне аппаратных операций, которые выделялись бы по реализующим их цифровым узлам. Уже на алгоритмическом этапе первоначально намечается разделение решаемой задачи на аппаратную и программную части: к аппаратной тяготеют участки алгоритма, содержащие циклы, в которых многократно повторяются одни и те же операции и которые «съедают» существенную часть общего времени вычислений.

Четвертый этап – выбор структуры – наиболее критичный этап проектирования. Здесь происходит раздвоение процесса проектирова­ния, здесь обе ветви еще связаны самым тесным образом, здесь разработчику приходится решать наибольшее число творческих вопросов и, наконец, здесь удача или промах разработчика сильнее, чем на всех оставшихся этапах, влияет на качество разработанной системы. Требования приема и предварительной обработки физической информации аппаратной части создаются и уточняются одновременно с требованиями к используемому микропроцессорному комплекту, струк­тура которого определяет характер обмена данными, устройства ввода/вывода, а также возможность аппаратной реализации некоторых функций с помощью входящих в комплект вспомогательных микросхем.

В начале структурного этапа следует разделить решаемую задачу на программную и аппаратную части.

До возникновения микропроцессорной техники и ее при­менений в измерительных системах подобные вопросы ставились и решались только при построении гибридных вычислительных систем, соединяющих ЭВМ с аналоговой техникой. Однако несмотря на многолетний опыт развития гибридных вычислительных средств в решении вопросов раз­деления задачи на цифровую (программную) и аналоговую (аппаратную) части, не было выработано формализованных методик, позволяющих пользователю или разработчику специализи­рованной системы, не задумываясь, разделить задачу. Напротив, разделение не слишком простой задачи было и всегда будет проблемой, ко­торую приходится решать каждый раз вновь в условиях недостаточных априорных данных.

Замена микропроцессорами или микро-ЭВМ схем с жесткими связями может дать следующие преимущества:

• 
  Достижение большей гибкости в изменении программы обработки информации без каких-либо переделок монтажа, печатных плат и т.п. Изменения могут вноситься только в память ЭВМ.
  
• 
  Системы на основе микропроцессоров имеют меньшую стоимость, , уменьшается количество печатных плат, межсоединений, упрощается настройка, переделка, снижается стоимость проектирования системы.
  
• 
  Время разработки на основе микропроцессора может быть значительно меньше времени проектирования схемы с жесткими связями, особенно это влияет на возможность пе­рестройки, переделки, модификации характеристик.
  
• 
  Надежность микро-ЭВМ выше надежности схем с жесткими связями благодаря разумному сокращению числа корпусов и межсоединений.
  

Вместе с тем достоинства схем с жесткими соединениями заключаются в следующем:

• 
  если структура устройства адекватна структуре требуемого вычислительного процесса и характеру обрабатываемых данных, то это может дать выигрыш: в скорости обработки информации, в помехоустойчивости, надежности, контролепригодности;
  
• 
  применение очевидных или простых принципов проектирования устройств с жесткими схемами может предельно упрощать процесс проектирования (т.е. и программирования);
  
• 
  специализированные блоки обработки информации могут быть в пределах их принципиальных возможностей сделаны многофункцио­нальными или составлять универсальный функциональный базис, на котором можно собирать также и перестраиваемые структуры различного назначения.
  

Этого несколько «обуженного» запаса универсальности может быть вполне достаточно для различных проблемно-ориентированных аппаратных средств обработки инфор­мации.

Одним из первых и главных критериев при выборе микропроцессора является его быстродействие. В справочной литературе приведены сравнительные данные о тактовой частоте различных типов микропроцессоров. Однако эта характеристика (как и время выполнения операций сложения) может служить лишь для первоначальной, грубой оценки быстродействия. Наибольшая точность оценки может быть получена при анализе использования микропроцессора для конкретного применения. Самым распростра­ненным методом предварительной оценки быстродействия является использование бенчмарковских программ.

Бенчмарковская программа – программа решения на анализируе­мом микропроцессоре такой задачи, которая по составу операций соответствует классу задач предполагаемого применения. Обычная ее длина 100—200 команд. В ее состав обязательно должны входить операции по вводу и выводу информации.

Напятом этапе – детализации – аппаратная и программная ветви развиваются уже независимо. Аппаратная часть заключается в разработке функциональных схем устройств, доведенной до уровня, позволяющего выбрать элементную базу, оценить реальные аппаратные затраты и выполнение требований задания по скорости вычислений и другим показателям. Программная часть этого этапа заключается в со­ставлении рабочей программы на языке ассемблера выбранного микропроцессора. За основу берется установленный в ходе преды­дущего этапа порядок следования арифметических и обменных операций. На этом этапе осуществляется отладка программы, то есть выявление ошибок и редактирование на основе имеющегося программного обеспечения микропроцессора. Составленная на этом этапе рабочая программа позволяет оценить требуемый объем вычислительных затрат по времени вычислений, объемам памяти ОЗУ, ПЗУ и т. п.

Шестой этап – анализа и корректировки – заключается в выполнении всех необходимых проверок работоспособности устройства и соответствия его требованиям технического задания. Этот этап придает итеративный характер всему процессу проектирования. На этом этапе разработчик получает необходимую информацию для организации поиска новых вариантов технических решений и контроля их прибли­жения к выполнению всех требований задания.

Рассмотрим вкратце, в каких случаях на этапе коррек­тировки приходится возвращаться на тот или иной предыду­щий уровень проектирования.

Корректировка функциональной схемы или (и) рабочей программы выполняется при необходимости незначительного сокращения аппаратурных или вычислительных затрат. В аппаратной части используются, как правило, всегда имеющиеся, хотя и ограниченные возможности сократить оборудование путем минимиза­ции логических схем в укрупненных постановках этой задачи, а также возможности выполнения совмещенных функций на одном и том же оборудовании с меньшим числом микросхем (просмотреть возможность замены дешифраторов или других логических схем на элементах меньшей степени интеграции, например, мультиплексорами или программируемыми логическими матрицами с более высокой степенью интеграции и т. п.). Не исключены и оригинальные инженерные решения. В программной части можно отыскать избыточные операции, операнды или константы, которые могут быть устранены при более полном и рациональном использовании математического обеспечения микропроцессора. При этом может быть достигнута небольшая экономия объема памяти и времени вычислений.

Корректировка структуры позволяет получить более существен­ные отклонения от исходного варианта:

• 
  при недостаточном быстродействии микропроцессора вынести неко­торые вычислительные операции из программной части в аппаратную;
  
• 
  при избытке быстродействия микропроцессора сократить оборудо­вание аппаратной части за счет программной реализации не­которых ее функций;
  
• 
  при недопустимых затратах времени на обмен между микропроцессо­ром и внешними устройствами или объема памяти попытать­ся изменить способ обмена, если не удается, то выбрать другой комплект, более подходящий по быстродействию, набору команд, принципу организации обмена данными или выбрать другую элементную базу для аппаратной части, из­менить ее структуру или принципы построения отдельных узлов.
  

Если корректировка на структурном этапе не приводит к желаемому результату, приходится возвращаться к более ранним этапам.

Корректировка алгоритма производится, если обнаружи­вается, что на его основе нельзя удовлетворить техническим требованиям из-за наличия принципиальных просчетов или его нереализуемости на современной элементной базе. В по­следнем случае анализируются все возможности упрощения алгоритма с сохранением его качества: изменение парамет­ров, уменьшение разрядности некоторых чисел, отбрасывание некоторых операций, изменение состава внешних устройств или аппаратной части и принципов их взаимодействия с микропроцессором.

Если же все эти попытки приводят к недопустимому сни­жению качества алгоритма или не дают требуемых аппара­турных выигрышей, то это означает, что возможности кор­ректировки алгоритма исчерпаны и остается пересматривать методическую основу и постановку задачи создания измерительной системы.