Организация микропроцессорных систем

Типичная команда в ЭВМ имеет такую последовательность исполнения отдельных тактов в процессе интерпретации: выборка команды; дешифрирование кода операции; выборка базового адреса; формирование исполнительного адреса; выборка операнда из ОЗУ; выполнение операции над операндом и содержимым рабочего регистра или регистра результата; засылка результата на хранение в регистр результата или рабочий регистр. Во время исполнения такой команды необходимы три обращения к ОЗУ.

Высокой пропускной способности микропроцессора позволяет достичь метод перекрытия (поточный или конвейерный) путем параллельных действий над потоком команд во времени по отдельным фазам их исполнения. Выше приведенная последовательность шести тактов команды при поточном исполнении сокращает кажущееся время выполнения команд до трех тактов. При этом достигается максимально эффективное использование ресурсов ОЗУ, поскольку обращение к нему осуществляется в течение каждого такта.

Для простейшего перекрытия процесса выполнения двух команд необходим доступ к информационным полям команды, что требует отдельного регистра команд. Код команды заносится в этот регистр из буферного регистра команд ОЗУ, в который он поступил в предыдущем такте выборки команды из ОЗУ. На время выполнения микропроцессором операции необходимо хранить операнд следующей команды в буферном регистре данных. Выбранный из ОЗУ базовый адрес помещается в выходной информационный регистр. Во время исполнения данной команды надо обеспечить единичное приращение содержимого счетчика команд. Поскольку арифметическо-логическое устройство занято выполнением операций, необходимо предусмотреть отдельный сумматор или инкрементный блок для единичного увеличения кода адреса команды.

Микро-ЭВМ на основе секционного комплекта биполярных БИС, например серии К1800, может иметь 16-32 - разрядную сетку, 8-64 - уровневую приоритетную систему прерывания (цикл 100-200 нс). Это позволяет ЭВМ выполнять операции типа сложения за 100-200 нс, а операцию умножения четырехбайтовых слов - за 4-16 мкс. Система команд обеспечивает выполнение 100-150 операций, использующих 8-16 режимов адресации информации.

4. Области применения микропроцессорных вычислительных средств

При проектировании микро-ЭВМ необходимо обеспечивать: простое наращивание разрядности и производительности; возможность широкого распараллеливания вычислительного процесса; эффективную обработку алгоритмов решения различных задач; простоту технической и математической эксплуатации.

Сама микро-ЭВМ, будучи оснащенной разнообразными устройствами ввода-вывода информации, может применяться в качестве законченного изделия. Однако часто к микро-ЭВМ необходимо кроме устройств ввода-вывода информации подключить сигналы от множества датчиков и исполнительных механизмов какого-либо сложного объекта управления или технологического процесса. В этом случае уже образуется сложная управляющая система, центром которой является микро-ЭВМ.

В управляющих системах используются отдельные микро-ЭВМ, расширенные микро-ЭВМ (за счет наращивания числа микропроцессоров для увеличения разрядности) и системы микро-ЭВМ, образующие вычислительные сети с параметрами, близкими к параметрам развитых мини-ЭВМ.

Микропроцессоры и микро-ЭВМ находят широкое распространение в тестовых и контрольно-измерительных системах; системах управления технологическими процессами; программного управления станками; контроля состояний линий связи; подсистемах первичной обработки информации и управляющих системах промышленного назначения и системах автоматизации научного эксперимента; подсистемах управления периферийным оборудованием вычислительных систем и комплексов; специализированных вычислительных устройствах.

Дешевые микропроцессоры применяют в часах, калькуляторах, кино- и фотокамерах, радиоприемниках и телевизорах. Микропроцессоры (например, однокристальные микропроцессоры серии К580) ставятся в замки и звонки, домашние приборы и устройства.

Более дорогие микропроцессоры успешно конкурируют с механическими и электромеханическими блоками управления “жесткой”, или “аппаратурной”, логики.

Микропроцессоры и микроконтроллеры устанавливаются для регулирования среды в домашних аквариумах и больших водоемах; они осуществляют контроль pH среды, температуры, плотности, содержания кислорода; управляют освещением, подогревом, уровнем воды, дозированием корма и биологических добавок, производят фильтрацию и аэрацию и т.д.

Возьмем, например, обычный и широко распространённый механический инструмент - электрическую дрель. Встроенный в нее микропроцессор позволяет учитывать сопротивление сверлению и автоматически изменять частоту вращения в зависимости от твердости обрабатываемого материала. При использовании дрели для завинчивания винтов и гаек микропроцессор выключает питание электромотора до окончания операции, завершаемой за счет инерции.

Встраивание микропроцессора, например серии К580, в пишущую машинку позволяет обрабатывать текст и запоминать его в памяти. Обработка текста представляет собой развитые операции редактирования от исправления слов и расстановки абзацев до вставки нового текста и формирования фраз из уже написанных словосочетаний. Затем запомненный текст может быть автоматически многократно и безошибочно отпечатан. Подключение внешней памяти на магнитной кассете (ленте, диске) к такой пишущей машинке с микропроцессорным управлением позволяет накапливать архив документов. Это позволяет осуществить в такой системе функции поиска документов по признакам, сортировку документов, ведение архива и т.д.

Бурно развивается производство электронных игр с использованием микропроцессоров и микроконтроллеров. Оно порождает не только интересные средства развлечения, но и дает возможность проверить и развить приемы логических заключений, ловкость и скорость реакции. Игры с телевизионным индикатором или без него обеспечивают выполнение сложных функций вследствие применения логически более мощных, но доступных по стоимости микропроцессоров.

Микропроцессор может выполнять важнейшие функции в автомобилях всех типов. Водитель может вызвать из микро-ЭВМ на индикатор числовые значения скорости, уровня топлива, средний и текущий расход топлива на единицу пройденного пути, время прибытия в заданный пункт при определенных водителем условиях, температуру двигателя и т.д. Ведутся исследования по применению микропроцессорных средств для управления двигателем (подача топлива, зажигание, регулирование частоты вращения, эффективность и контроль отходов при сгорании топлива); управления ходовой частью (управление скоростью и тормозной системой, учет влияния нагрузок и рельефа дорог); управления безопасностью движения (снижение требований к водителю и учет обстановки на дороге); управления комфортом в кабине (салоне).

На основе микропроцессоров серии К587 разработан прибор для контроля психофизического состояния человека типа “Тонус НЦ-01”.

Микропроцессоры эффективно встраиваются в дисплеи, экранные пульты и терминалы, где на них возложены функции редактирования данных, управления, генерации символов и хранения и воспроизведения изображений.

Микропроцессоры и микро-ЭВМ берут на себя функции предварительной обработки информации внешних устройств, преобразования форматов данных, контроллеров электромеханических внешних устройств. Для этих целей применяют микропроцессоры серий К580, К536, К1803.

Микропроцессоры в аппаратуре связи дают возможность производить контроль ошибок, кодирование - декодирование информации и управлять приемопередающими устройствами. Применение микропроцессоров позволит в несколько раз сократить необходимую ширину телевизионного и телефонного каналов, создать новое поколение оборудования связи. Для этих целей пригодны микропроцессорные средства на основе микро-ЭВМ типа “Электроника С5”, “Электроника НЦ-32” и др.

Использование микропроцессоров в контрольно-измерительных приборах и в качестве контрольных средств радиоэлектронных систем дает возможность проводить калибровку, испытание и поверку приборов; коррекцию и температурную компенсацию; контроль и управление измерительными комплексами; преобразование и обработку, индикацию и представление данных; диагностику и локализацию неисправностей. Микро-ЭВМ типа “Электроника С5” успешно обрабатывают данные измерений.

Микропроцессорные средства решают сложную техническую проблему разработки различных систем сбора и обработки информации, где общие функции сводятся к передаче множества сигналов в один центр для оценки и принятия решения. Например, в медицине для круглосуточного контроля состояния тяжелобольных необходимо периодически замерять кровяное давление, частоту биения сердца и дыхания, параметры электрокардиограмм и т.д. Централизованная система на основе большой или мини-ЭВМ для этих целей получается громоздкой и достаточно дорогой. Распределенная диагностическая система на основе микропроцессора имеет высокую живучесть, проста по организации и позволяет получить хорошие экономические показатели. Микропроцессорные распределенные системы на основе микро-ЭВМ типа “Электроника-60” решают успешно эти задачи.

Обобщая рассмотренные примеры использования микропроцессоров, можно выделить четыре основных направления в применении микропроцессоров и микропроцессорных систем: 1) встроенные системы контроля и управления; 2) локальные системы накопления и обработки информации; 3) распределенные системы управления сложными объектами; 4) распределенные высокопроизводительные системы параллельных вычислений.

Встроенные системы контроля и управления

Встраивание, т.е. постановка микропроцессора в любую, даже простейшую схему (пульт) управления, принципиально изменяет качество функционирования отдельных инструментов, приборов, разнообразных устройств, отдельных агрегатов технологической линии и т.д. Встраивание микропроцессора позволяет оптимизировать режимы работы управляемых объектов или процессов и за счет этого получать и прямой и косвенный технико-экономический эффект. Прямой технико-экономический эффект выражается в экономии потребляемой энергии, повышении срока службы и снижении расхода сверл, фрез, нагревательных элементов и т.д. Косвенный технико-экономический эффект связан со снижением требований к обслуживающему персоналу и повышением производительности. Опыт показывает, что практически во всех случаях встраивания микропроцессора только экономия электроэнергии обеспечивает окупаемость микропроцессорного управления за 1-1,5 года.

Управление оборудованием на основе встроенных систем контроля и управления создает реальные предпосылки осуществления полностью автоматизированных производств. Встраивание микропроцессора повышает качество работы и производительность оборудования, существенно снижает требования к персоналу, работающему на оборудовании. Цифровое управление отдельными единицами оборудования позволяет легко собирать информацию (или вызвать его) с нижних контуров на верхние уровни иерархической системы управления.

Управляющие встроенные микропроцессоры предназначены для решения локальных задач управления объектами и могут выполнять функции контроллеров устройств, подключаемых к ЭВМ, более высоких контуров управления или быть центром управляющих систем нижних контуров управления.

Микропроцессоры, встраиваемые в оборудование, в большинстве случаев не комплектуются внешними устройствами и содержат только упрощенный специализированный пульт управления и ПЗУ управляющих программ. Лишь для некоторых применений, требующих частой замены управляющих программ, необходим загрузчик, выполненный на основе простейших технических средств.

Локальные системы накопления и обработки информации

Для любого специалиста или руководителя необходимо всегда иметь “под рукой” достаточно большой объем специфичной информации. Сегодня эта информация доступна лишь в библиотеке, записной книжке или на экране терминала, подключенного к большой ЭВМ. Последнее средство является наиболее приемлемым, но дорогостоящим и имеющим большие ограничения из-за чрезмерной централизации информации. Локальные, т.е. расположенные на рабочем месте, микропроцессорные системы накопления и обработки информации технически просто и экономически доступно осуществляют информационное обеспечение специалистов и руководителей, инженеров и врачей. Объединение локальных систем между собой в сеть и дистанционное подключение этой сети к большой ЭВМ с громадным информационным архивом позволяют создать завершенную автоматизированную систему информационного обеспечения.

Внешние устройства локальных вычислительных систем могут встраиваться в корпус микро-ЭВМ. Их комплект содержит устройства, минимально необходимые для вычислительных работ и обработки данных: цифровую, алфавитно-цифровую и функциональную клавиатуру; алфавитно-цифровой индикатор; печатающее устройство; внешние запоминающие устройства.

В комплект более сложных микро-ЭВМ, ориентированных на решение инженерных и научных задач, могут входить разнообразные внешние устройства, например устройства ввода-вывода и печати, визуального отображения, внешней памяти, комплексирования, пульты операторов общего назначения и т.д.

Распределенные системы управления сложными объектами. Альтернативой распространенным системам с центральным процессором становятся распределенные микропроцессорные управляющие системы. В этом случае микропроцессоры и связанные с ними схемы обработки данных физически располагаются вблизи мест возникновения информации, что позволяет вести обработку информации в месте ее возникновения, например, вблизи двигателя, рулей управления, тормозной системы и т.д. Связь таких локальных систем обработки с центральной системой обработки и накопления данных и создает пространственно распределенную систему управления.

В распределенных системах достигается значительная экономия в количестве и распределении линий связи, повышается живучесть, существенно развиваются возможности оптимизации режимов управления и функционирования.

Распределенные высокопроизводительные системы параллельных вычислений

Микропроцессоры открыли новые возможности решения сложных вычислительных задач, алгоритмы вычисления которых допускают распараллеливание, т.е. одновременные (параллельные) вычисления на многих микропроцессорах.

Системы параллельных вычислений на основе десятков, сотен, тысяч одинаковых или специализированных на определенные задачи микропроцессоров при значительно меньших затратах дают такую же производительность, как и вычислительные системы на основе мощных процессоров конвейерного типа. Микропроцессоры в распределенной вычислительной системе могут быть одинаковыми и универсальными или специализированными на определенные функции. Создание микропроцессорных систем с большим количеством специализированных по функциональному назначению процессоров позволяет проектировать мощные вычислительные системы нового типа по сравнению с традиционными развитыми большими вычислительными машинами.

Размещено на Allbest.ru