Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
24.2. Микропроцессоры Микропроцессоры (МП) и микроконтроллеры (МК) – это, вероятно, наилучший пример электронных средств с программируемыми свойствами. По классическому определению МП – это самостоятельное или входящее в состав вычислительного блока устройство, осуществляющие обработку информации и управляющее этим процессом. МП в современной электронике – сердце вычислительного устройства, он находит применение в устройствах управления любыми объектами. Однако следует заметить, что МП ник чему непригоден без программного обеспечения, представляющего собой подробный список команд, которые должен выполнять микропроцессор. Микропроцессор в типичной конфигурации состоит из трех основных блоков арифметико-логического устройства (АЛУ, нескольких регистров и устройства управления. Эти три части связаны между собой внутренней шиной данных (рис. 24.6) [13]. Обработку данных выполняет АЛУ. Типичные операции, выполняемые АЛУ сложение, вычитание, И, ИЛИ, исключающие ИЛИ, инверсия, сдвиг вправо, сдвиг влево, инкремент – приращение положительное, декремент – приращение отрицательное. Перечень функций АЛУ зависит от типа МП, функции АЛУ определяют архитектуру МП (см. рис. 24.6). Рис. 24.6. Упрощенная структурная схема разрядного МП Регистры МП участвуют в реализации основных логических функций, причем каждый регистр может использоваться для временного хранения одного слова данных. Количество и назначение регистров в микропроцессоре зависит от его архитектуры, но почти все МП имеют 6 основных регистров регистр состояния, буферные регистры, регистр команд, регистр адреса памяти, регистр-счетчик команд и регистр-аккумулятор. Большинство арифметических и логических операций в МП осуществляется путем использования АЛУ и аккумулятора. Результат операций АЛУ обычно размещается в аккумуляторе. Для любой операции над данными их нужно сначала поместить в аккумулятор. Данные в аккумулятор поступают с внутренней шины данных МП. В свою очередь аккумулятор может посылать данные на эту шину. На пути прохождения данных из аккумулятора в АЛУ имеется буферный регистр (рис. 24.6). Количество разрядов аккумулятора соответствует длине слова МП, однако некоторые МП имеют аккумулятор двойной длины или два аккумулятора. В МП с одним аккумулятором операции выполняются над его содержимыми по завершению очередной операции результат записывается в память или в другой регистр. Один из важных регистров МП – счетчик команд (СК). В отличие от аккумулятора СК не может выполнять операции различного типа. На счетчике команд организуется очередность выполнения команд, так как программа – это последовательность команд, хранимых в памяти вычислительного устройства. Счетчик команд может получать данные об адресах программы из любого блока МП, подключенного к внутренней шине данных, Однако на практике данные обычно поступают в счетчик команд из памяти микроЭВМ. Когда МП начинается работать, по команде начальной установки в счетчик команд загружаются данные из области памяти, определенной разработчиком МП. Перед пуском программы нужно начальный адрес для программы поместить в указанную проектировщиком область памяти. Когда начнет выполняться программа, первым значением содержимого СК будет именно этот, заранее определенный адрес. Таким образом, перед выполнением программы счетчик команд необходимо загрузить числом – адресом из области памяти, содержащей первую команду программы. Адрес из области памяти, содержащей первую команду программы, посылается из СК в регистр адреса памяти. Адрес из регистра адреса по адресной шине посылается к схемам управления внешней памятью, которые осуществляют считывание содержимого памяти с указанным адресом. Этим содержимым должна быть команда. Память пересылает эту команду в специальный регистр МП, называемый регистром команд. После извлечения команды из памяти МП автоматически дает приращение содержимому СК и приступает к выполнению извлеченной команды, поэтому в каждый данный момент СК указывает не текущую выполняемую команду, а команду, следующую за ней. Если возникает необходимость выполнения подпрограммы (подпрограмма – это часть программы, выполняемая путем отступления от строгой последовательности команд основной программы тов счетчик команд загружается начальный адрес подпрограммы и счетчик будет получать приращение по мере выполнения команды этой подпрограммы до тех пор, пока не встретится команда возврата в основную программу. Регистр команд предназначен для хранения текущей выполняемой команды. Эта функция реализуется автоматически с началом цикла работы МП «выборка-выполнение», имеющим название машинный цикл. Регистр команд только принимает данные с внутренней шины данных. Роль регистра команд состоит в том, что при извлечении команды из памяти копия команды помещается на внутреннюю шину данных и пересылается в регистр команд. После этого начинается подцикл выполнение команды, в течение которого дешифратор команд (см. рис. 24.6) читает содержимое регистра команд, указывая, что нужно делать для выполнения команды. Регистр адреса памяти (РАП) указывает адрес области памяти, которую нужно использовать в данном обращении к памяти. Выход этого регистра называют адресной шиной. Свое содержимое РАП получает от счетчика команд. После декодирования команды СК получает приращение, а регистр памяти – не получает. В процессе под- цикла выполнение команды содержимое РАП зависит от выполняемой команды. Если команда требует еще одного обращения по прежнему адресу памяти, то РАП может использоваться повторно. В других случаях РАП используется лишь в течение подцикла выборки команды из памяти. РАП может загружаться не только содержимым СК, но и содержимым других регистров. Регистр состояния предназначен для хранения результатов некоторых проверок, осуществляемых в процессе выполнения программы. Это позволяет использовать программы, содержащие переходы (нарушение естественной последовательности команд. Использование содержимого регистра состояния позволило создать набор команд, предназначенных для изменения хода программы в соответствии со значением, принимаемым тем или иным разрядом регистра состояния. Именно наличие регистра состояния является главным отличием МП от обычного калькулятора. Буферные регистры АЛУ предназначены для временного хранения данных, поступающих с шины данных, и с аккумулятора. Необходимость использования буферных регистров АЛУ в МП обусловлена тем, что АЛУ является комбинационным устройством и не имеет собственной памяти. АЛУ получает данные с внутренней шины, модифицирует их и помещает в аккумулятор. С аккумулятора данные поступают в буферный регистр, называемый буфером аккумулятора. Когда в арифметической или логической операции АЛУ участвуют два слова, одно из них поступает из аккумулятора через буфер аккумулятора. Буфер аккумулятора позволяет избежать ситуаций, при которых входи выход АЛУ одновременно подсоединены к одной и той же точке схемы. Регистры общего назначения – это регистры, которые могут использоваться по усмотрению пользователя. Например, они могут использоваться как регистровая память. В структурной схеме (см. рис. 24.6) показано три регистра общего назначения В, С, D, которые могут использоваться для реализации многих операций. Регистры В и С совместно могут, например, выполнять функции разрядного регистра специального назначения. Обычно их называют регистровой парой. Схемы управления в МП обеспечивают требуемую последовательность функционирования всех звеньев МП. Одна из главных функций схемы управления – декодирование команды, находящейся в регистре команд, с помощью дешифратора команд. Дешифратор команд выдает сигналы, инициализирующие выполнение дешифри- руемой команды. Линии сигналов управления соединяют схемы управления со всеми узлами МП и с внешними блоками (памятью, устройствами ввода/вывода). Важнейшей входной линией управления является линия связи с генератором тактовых импульсов (таймером, позволяющим схемам управления синхронизировать работу всех узлов МП. В качестве источника тактовых импульсов обычно используется кварцевый генератор, который может быть внешним или встроенным. Помимо управления работой узлов МП, схемы управления могут выполнять и другие функции. Например, управление питанием, обслуживание прерываний (прерывание – это запрос от других устройств, по которому схемы управления модифицируют доступ к внутренней шине данных, те. определяют, когда ив какой последовательности другие устройства могут пользоваться шиной данных. 24.3. Микроконтроллеры Микроконтроллером (МК) называют обычно однокорпусную большую интегральную схему (БИС, имеющую в своем составе микропроцессор, память программ, память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Иногда микроконтроллеры называют однокристальными микроЭВМ, что не совсем корректно. Структура, набор команд, аппаратные средства ввода/вывода информации МК лучше приспособлены для решения задач управления и регулирования в системах автоматизации процессов и устройств. Микроконтроллер является законченной самодостаточной компьютерной системой. В самом общем виде структурное содержание МК показано на рис. 24.7. Рис. 24.7. Структурное содержание микроконтроллера Первые микроконтроллеры появились в конце х годов прошлого века, а в настоящее время МК – это одно из основных комплектующих при разработке и построении любых систем контроля и управления, в технических системах автоматики, вычислительной техники и робототехники. Номенклатура МК огромна, но наибольшее распространение получили те, для которых фирмы-изготовители позаботились разработать и опубликовать программирование своих МК. Из таких МК, например, широко распространено семейство микроконтроллеров PIC (Programmable Interface Controller – программируемый интерфейсный контроллер) [28]. Простота и доступность этого устройства обусловлены тем, что эти микроконтроллеры снабжены ограниченным количеством линий ввода/вывода, размещаются в корпусе с малым числом выводов и имеют небольшое количество команд. контроллеры можно найти в мобильных телефонах, радиоприемниках, устройствах сигнализации, системах контроля доступа, в различных датчиках, электробытовых приборах, в автомобилях. контроллеры сочетают в себе свойства традиционной цифровой техники, программируемых схем и микропроцессоров. Параметры некоторых типов контроллеров приведены в табл. 24.1. Из невидно, что контроллеры развиваются в сторону расширения функциональных возможностей за счет увеличения объемов памяти, введения в структуру АЦП, дополнительных параметров и линий ввода-вывода. Подробные сведения о контроллерах следует искать в справочных материалах на сайтах фирмы Microchip, например, www.microchip.ru. Таблица 24.1 Характеристики контроллеров Тип ПЗУ слов) ЭС ППЗУ байт) ОЗУ байт) Число линий ввода/вывода АЦП (каналы) Таймер + сторож Корпус, питание МК с 12-битной памятью 12С5х 0,5..1к - 25-41 6 - 1+ 8 выводов (2,5:5,5) В 12СЕ5х к 16 25-41 6 – 1+ 8 выводов 16С5х к – 25-73 12-20 – 1+ 18 выводов 28 выводов МК с 14-битной памятью СЕ 16С55х х к к к флэш 16 – 64-256 128 80-128 36-368 6 13 13-33 4 – 4-8 1+ 1+ 1..3+ 8 выводов 18 выводов 18, 28, 40, 44 вывода 24.4. Понятия о программировании микроконтроллеров При программировании микроконтроллера для выполнения определенной задачи обычно подготавливается текст исходной программы на языке ассемблера. Ассемблер – это специальная программа, с помощью которой можно получить программу для данного микроконтроллера (или микропроцессора) в машинных кодах. Текст исходной программы обрабатывается программой-ассемблером и получается так называемый исполняемый модуль (в машинном коде. Исполняемый модуль будет организован в байты, которые можно записать в СППЗУ микроконтроллера. Часто в этой последовательности действий требуется промежуточный этап – объединение нескольких программ для получения полноценной записи. Для этого используются программы – редакторы связей (линкеры). Некоторую проблему представляет проверка (верификация) полученной программы. Обычно программа-ассемблер отмечает грубые ошибки программирования, позволяя исправить их уже на ранней стадии. В случае если ЭВМ, на которой работает программа-ассемблер, оснащена микропроцессором того же семейства, что и программируемый МК, можно протестировать разработанную программу под управлением специальной программы-отладчика. В большинстве случаев микропроцессоры ЭВМ отличаются от МП программируемого МКВ этом случае следует прибегнуть к помощи программного обеспечения, называемого симулятором или программным эмулятором Симулятор воспроизводит поведение МК, используя компьютер с процессором любого типа. Кроме этого для проверки программы можно использовать аппаратное средство – эмулятор. Эмулятор – это устройство, подключаемое к компьютеру, используемому для ас- семблирования, и имеющее специальный кабель с разъемом, который можно вставить вместо СППЗУ или микроконтроллера в панельку на печатной плате разрабатываемого устройства. Эмулятор должен иметь встроенную оперативную память, в которой должен содержаться исполняемый код. Тестируемая система считывает программу из памяти эмулятора, что позволяет оперативно вносить нужные поправки или изменения. Если для написания программы используются языки более высокого уровня (например, C или Pascal), то для получения исполняемого кода нужно иметь программное обеспечение, называемое компилятором (или кросскомпилятором), которое переведет исходный текст программы на ассемблер, после чего ее легко преобразовать в исполняемый код. 25. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ВВОДА, ВЫВОДА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ 25.1. Общие положения К основным классам электромеханических устройств информационных систем относятся [3, 4, 42]: - накопители на магнитных и оптических носителях информации - устройства интерактивного взаимодействия с оператором (клавиатуры и манипуляторы - устройства вывода информации на бумажный носитель, впер- вую очередь – принтеры. Все перечисленные классы устройств характеризуются наличием в их составе электромеханических узлов, являющихся базовыми функциональными блоками большинства указанных устройств. Естественно, данные устройства включают в себя также электронные блоки управления указанными электромеханическими узлами, а также обработки информации и интерфейса с центральными устройствами информационных систем. Рассмотрению принципов реализации и функционирования вышеперечисленных электромеханических устройств информационных систем посвящена настоящая глава. 25.2. Накопители на магнитном носителе НМН являются одним из основных типов внешних запоминающих устройств (ВЗУ) информационных систем. Физический принцип их функционирования основан на представлении двоичных данных в виде перепадов намагниченности, называемых отпечатками, в определенных точках поверхности (значительно реже – объема) некоторого носителя. Указанные перепады формируются магнитной головкой (МГ) записи/считывания при ее перемещении относительно поверхности носителя в процессе записи информации. Принцип записи поясняет рис. 25.1 [3, 22]. Носитель включает в себя подложку 2 из немагнитного материала (полимера, алюминиевого сплава или стекла, покрытую слоем ферромагнетика. МГ представляет собой катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником 4, снабженным зазором 5 из немагнитного материала. При прохождении тока по обмотке 3 МГ силовые линии создаваемого им магнитного поля замыкаются через слой ферромагнетика 1, поскольку его магнитное сопротивление существенно меньше магнитного сопротивления зазора 5. Направления вектора магнитной индукции в ферромагнетике, соответствующие показанным сплошной и пунктирной стрелками направлениям тока в обмотке, обозначены стрелками аналогичного формата. Таким образом, изменением направления тока в обмотке осуществляется изменение направления вектора магнитной индукции в ферромагнитном покрытии носителя и, следовательно, формирование перепадов его намагниченности. Считывание информации с магнитного носителя также осуществляется посредством МГ, которая при этом функционирует в режиме не источника (как при записи, а приемника сигнала. При перемещении МГ относительно отпечатков в процессе считывания в ней наводится ЭДС электромагнитной индукции, обусловленная скачкообразными изменениями пронизывающего сердечник магнитного потока, вызванными, в свою очередь, перепадами намагниченности в области отпечатков. Рис. 25.1. Пояснение процесса записи двоичных данных на магнитный носитель 1 – слой ферромагнетика 2 – подложка из немагнитного материала 3 – обмотка 4 – ферромагнитный сердечник 5 – немагнитный зазор ЭДС, наводимая в МГ в процессе считывания, представляет собой последовательность коротких импульсов, совпадающих во времени с моментами прохождения МГ над отпечатками. Представление двоичных данных последовательностью перепадов намагниченности поверхности носителя (в отличие от их представления, например, уровнями намагниченности) обеспечивает простоту и повышенную достоверность считывания и записи информации. Необходимо подробнее остановиться на способах преобразования подлежащих записи на магнитный носитель двоичных данных в последовательность перепадов намагниченности. Представление двоичных кодов последовательностью отпечатков известно под названием модуляции, аналогично эквивалентной с информационной точки зрения процедуре, применяемой в системах передачи информации. Следует отметить, что модуляция двоичных данных при их записи на магнитный носитель, как и при их передаче по каналу связи, предполагает их представление в последовательном коде. В настоящее время для записи представленных в последовательном цифровом коде данных на магнитный носитель, в основном, применяются различные варианты способа модуляции RLL (Run Length Limited, в дословном переводе – ограниченная длина пробега, известного также под названием способа группового кодирования, 22]. Сущность способа RLL заключается в следующем. Подлежащая записи последовательность бит разбивается на группы побит в каждой. Каждая из указанных групп заменяется группой избит (причем n>m), таким образом, чтобы полученная в результате замены битовая последовательность имела вид 1х1х1х…, где х – последовательности нулей, содержащие не менее, ноне более k последних. Значения m, n, d и k определяются конкретным стандартом кодирования, для обозначения которого при этом используются аббревиатуры вида RLL m/n или RLL d, k. Критерии выбора указанных значений будут пояснены ниже. В табл. 25.1 представлен один из простейших примеров группового кода – код RLL 4/5 (RLL 0,2) [3]. Он характеризуется разбиением подлежащей записи битовой последовательности на группы разрядностью 4 бита (те. двоичные полубайты. Каждый из них представляется битовым двоичным кодом, содержащим не более х следующих подряд нулей. Таблица 25.1 Групповой код RLL 4/5 Двоичный по- Кодовая груп- Двоичный Кодовая лубайт па RLL полубайт группа RLL 0000 11001 1000 11010 0001 11011 1001 01001 0010 10010 1010 01010 0011 10011 1011 01011 0100 11101 1100 11110 0101 10101 1101 01101 0110 10110 1110 01110 0111 10111 1111 01111 Полученная в результате замены битовая последовательность, в свою очередь, обычно записывается на поверхность носителя способом NRZ-1 (Non-Return to Zero-1, в дословном переводе – без возврата к нулю с переключением по единицам. Единица при этом представляется перепадом намагниченности, а последовательность нулей – участком с неизменным уровнем намагниченности, длина которого прямо пропорциональна числу нулей в последовательности. Типовой пример представления RLL- кода на магнитном носителе способом NRZ-1 поясняет рис. 25.2 [3]. Из него нетрудно заметить, что данный способ записи обладает свойством самосинхронизации, те. не требует дополнительных синхросигналов, указывающих на начало битового интервала. В их качестве выступают непосредственно импульсы ЭДС, наводимой в МГ при считывании информации. Рис. 25.2. Пример представления двоичных данных на магнитном носителе способом NRZ-1: D – временная диаграмма последовательности битов, подлежащей записи I – пространственно-временная диаграмма намагниченности носителя – временная диаграмма ЭДС электромагнитной индукции в МГ при считывании Преобразование последовательности импульсов ЭДС, наводимой в МГ при считывании, в исходный код осуществляется следующим образом. Каждому из импульсов ЭДС, независимо от их полярности, ставится в соответствие единичный бит исходного кода. Количество же нулевых бит между соседними единичными определяется, исходя из выражения 1 0 T t N , (25.1) где t – длительность интервала времени между соседними импульсами ЭДС Т – длительность одного битового интервала, те. времени перемещения МГ по участку носителя, соответствующему 1 биту записанной информации. Необходимо вкратце остановиться на критериях выбора значений m, n, d и k группового кода. Минимальное число следующих подряд нулей в кодовой последовательности, d, определяется требованиями к плотности записи. Как нетрудно заметить из рис. 25.2, чем оно больше, тем меньше количество перепадов намагниченности на единицу геометрического размера носителя, и, следовательно, тем большая плотность записи может быть обеспечена при прочих равных условиях. С другой стороны, из выражения (25.1) можно сделать вывод, чем больше число следующих подряд нулей, тем большая стабильность скорости перемещения МГ по поверхности носителя требуется для корректного определения числа нулей в промежутке между соседними импульсами ЭДС. Поэтому максимальное число следующих подряд нулей в RLL- коде, k, определяется стабильностью указанной скорости. В свою очередь, разрядность m группы бит, на которые разбивается подлежащая записи последовательность, и разрядность n соответствующей ей кодовой группы RLL определяются значениями и k. Правила выбора m и n, исходя из значений d и k, достаточно сложны, и их изложение выходит за рамки настоящего учебника. Они описаны, например, в [22]. В настоящее время распространенными на практике разновидностями кода являются RLL 2,7 и RLL 3,9. Интересно отметить, что кодирование является основным способом представления данных и на оптических носителях (например, CD и DVD) [3, 48]. В качестве носителя в НМН может выступать поверхность жесткого или гибкого магнитного диска, а также магнитной ленты. Первые два из перечисленных типов носителей обеспечивают произвольный доступ к записанной на них информации, те. время доступа к ней не зависит или несущественно зависит от положения соответствующего блока данных на поверхности носителя. Накопители на магнитной ленте (НМЛ) относятся к ВЗУ с последовательным доступом, т. к. для доступа к некоторому блоку данных необходима перемотка ленты на число единиц информации, расположенных между текущими искомым блоком. Поэтому НМЛ отличаются невысоким по сравнению с накопителями на жестких и гибких магнитных дисках (НМЖД и НГМД соответственно) быстродействием, практически не применяются в современных информационных системах. В настоящем учебнике они не рассматриваются. Необходимо также отметить, что НГМД в настоящее время практически вытеснены так называемыми флэш-накопителями на основе флэш-ПЗУ. Они выгодно отличаются от НГМД значительно большей емкостью, существенно меньшими размерами и отсутствием каких-либо механических узлов (а следовательно – надежностью и быстродействием. Поэтому НГМД можно считать морально устаревшим типом ВЗУ, и их рассмотрение в данном учебнике также не предусматривается заинтересованные лица могут ознакомиться с принципами реализации НГМД, например, по [22]. В настоящем же параграфе ограничимся рассмотрением наиболее распространенного в данное время типа НМН – НЖМД. Они характеризуются максимальной среди всех типов ВЗУ емкостью, достигающей в настоящее время порядка сотен Гбайт, при приемлемых быстродействии и стоимости. Благодаря этому НЖМД являются базовыми устройствами хранения программ и данных современных информационных систем. В качестве носителей информации в НЖМД служат несколько жестких магнитных дисков (ЖМД), смонтированных один над другим с некоторыми интервалами между ними на |