книги / Микропроцессорное управление технологическими процессами в радиоэлектронике

Центральный процессор содержит арифметическое устройство и устройство управления. В управляющей микро-ЭВМ центральный процессор соответствует микропроцессору. В то же время один центральный процессор может состоять из нескольких микропро­ цессоров (многопроцессорная система). Арифмети­ ческое устройство выполняет над операндами арифме­ тические и логические операции. Поэтому арифмети­ ческое устройство обозначается еще как арифмети­ ческое логическое устройство (АЛУ). Устройство управления контролирует по центральному тактово­ му сигналу выполнение функций, необходимых для работы микро-ЭВМ. Оно получает команды из ОЗУ или ПЗУ, расшифровывает их и выдает соответству­ ющую серию управляющих сигналов (часто последо­ вательно во времени) различным функциональным устройствам. В микропроцессорах арифметическое и устройство управления объединены в одном конст­ руктивном элементе. Для промежуточного хранения информации, передаваемой в ОЗУ, служат регистры, часто объединенные в блоки. Адресование и доступ к регистрам организованы в различных микропроцессо­ рах по-разному.

Интерфейсы ввода-вывода параллельный и после­ довательный осуществляют обмен данными между центральным процессором и периферийными устрой­ ствами под управлением ЦП. Операции ввода-вывода протёкают подобно операциям считывания и записи

вОЗУ. Система прямого доступа к памяти осуществ­ ляет операцию обмена информацией, хранящейся в ОЗУ микро-ЭВМ, с внешними устройствами или дру­ гой ЭВМ без участия ЦП. Система прерываний позво­ ляет обслуживать различные периферийные устройст­ ва по их требованию в соответствии с установленной

всистеме приоритетностью обслуживания.

Центральное устройство управляющей микро-ЭВМ

182

в зависимости от решаемых задач можно реализовать на стандартной микро-ЭВМ; на одноплатной микроЭВМ* построенной на стандартном микропроцессор­ ном наборе; на однокристальной микро-ЭВМ. Кон­ кретная реализация центрального устройства зависит от различных параметров (требуемого объема памяти, количества портов ввода-вывода, быстродействия и т. д.).

Стандартные периферийные устройства выполняют следующие функции: диалог системы с оператором (терминал, дисплей, консоль оператора); документи­ рование (устройство печати); долговременное хране­ ние информации (внешние запоминающие устройст­ ва — накопители на дисках, магнитных лентах, перфо­ лентах и перфокартах и т. д.); связь с другими систе­ мами и ЭВМ (устройство передачи данных).

Устройства сопряжения с объектом осуществляют связь управляющей микро-ЭВМ с технологическим процессом. Они предназначены для подсоединения из­ мерительных и управляющих органов и состоят из аналоговых, цифровых и импульсных устройств вводавывода.

Через системную магистраль осуществляются свя­ зи внутри микро-ЭВМ, а через магистраль сопря­ жения к микро-ЭВМ подсоединяются внешние уст­ ройства.

Во время работы управляющая микро-ЭВМ обра­ батывает или программу пользователя или организа­ ционные задачи. Программы пользователя являются целевыми, отражающими события, происходящие в управляемом технологическом процессе. Именно в процессе выполнения целевых программ управляющая микро-ЭВМ осуществляет взаимодействие с техноло­ гическим процессом. Решение организационных задач возлагается на специальные программы, обеспечи­ вающие функционирование и взаимодействие функ­

183

циональных узлов ЭВМ. Набор таких специальных программ называется операционной системой (ОС).

Задачи операционной системы включают: выполне­ ние целевых программ (загрузка, запуск, прерывание и окончание); обмен данными с периферийными устрой­ ствами (синхронизация работы центрального устрой­ ства и устройств ввода-вывода); связь с оператором (диалоговый режим работы, сообщение об аварийной ситуации); управление зонами ОЗУ и периферийных устройств (запись результатов вычислений на магнит­ ный диск); подготовка средств программирования для пользователя (программы обработки данных от преобразователей, программы ввода, программы от­ ладки); обнаружение и обработка ошибок (защита данных, контроль и диагностика ошибок при внутрен­ них операциях с данными, контроль отдельных функ­ циональных блоков).

Для управляющих микро-ЭВМ специального на­ значения требуются ОС с ограниченными функциями, включающими лишь некоторые из перечисленных за­ дач для обеспечения минимальных функций обслужи­ вания системы. Программы ОС подразделяются на управляющие и системные. Управляющие программы включают блоки прерывания, организации ввода-

от преобразователей (для проблемно-ориентирован­ ных языков), служебные (контроль программ при вводе, тестирование аппаратуры, включение и вы­ ключение устройств), стандартные (кодовые преобра­ зования, арифметические операции, математические стандартные функции). Совокупность оптимального набора управляющих, системных и целевых программ составляет программное обеспечение управляющей ЭВМ.

184

5.2. ФУНКЦИИ УПРАВЛЯЮЩИХ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ И МИКРО-ЭВМ

Функции, выполняемые управляющей микро-ЭВМ или МПС при работе в составе системы автоматиче­ ского управления, можно разделить на организацион­ ные и прикладные. Организационные функции управляющей микро-ЭВМ и МПС не зависят от управляемого процесса. Они обеспечивают координа­ цию и управление вычислительного процесса в самой ЭВМ. К ним относятся управление устройствами внеш­ ней памяти во время считывания или записи информа­ ции, организация обмена данными между элемента­ ми системы, контроль и диагностика ошибок при пере­ даче данных и т. д. Организационные функции служат для поддержания структуры системы в требуемом со­ стоянии и управления конфигурацией ЭВМ. Эти функ­ ции передаются преимущественно ОС ЭВМ.

Прикладные функции ориентированы на конкрет­ ное использование — решение задач управления кон­ кретным технологическим процессом. Прикладные функции можно классифицировать на следующие: сбор и первичная обработка данных процесса, вклю­ чающие сбор и хранение (регистрацию) информации о состоянии процесса и устройств, а также подготов­ ку данных о процессе для дальнейшего использова­ ния, которая означает их предварительную обработку; контроль процесса, включающий обработку информа­ ции для обслуживающего персонала о состоянии про­ цесса и отдельных устройств для поддержания безава­ рийного производственного процесса; стабилизация и управление процессом (достижение высокой степени точности обработки материалов, обеспечение соот­ ветствующего качества продукции за счет фиксации номинальных значений управляемых параметров, ав­ томатическая компенсация отрицательных воздейст­

18Б

вий на процесс); оптимизация процесса, включающая оптимальное управление устройствами автоматизации, подготовку выпуска продукции, оптимальное снаб­ жение потребителей для достижения наиболее прием­ лемых значений народнохозяйственных, технико-эко­ номических и других показателей.

Независимо от области применения микро-ЭВМ» технологического процесса и его технической реали­ зации в большинстве случаев можно установить иерар­ хию вычислительных функций (рис. 19).

Управляющая микро-ЭВМ осуществляет цикли­ ческий или апериодический (по запросу) сбор анало­ говых, двоичных или цифровых сигналов управляе­ мого процесса, а также получает команды и данные от обслуживающего персонала и выполняет их первич­ ную обработку. Эти данные служат для получения ин­ формации о процессе и выработке управляющих воз­ действий.

На других уровнях иерархии находятся блоки оп­ тимизации, стабилизации и управления, а также контроля процессом. С каждого уровня иерархии по­ ступают сигналы управления, направляемые непо-

.средственно к периферийным устройствам и устройст­ вам сопряжения с процессом или на нижние уровни иерархии в качестве исходных данных для реализа­ ции процедур управления. Информация от нижних к высшим уровням иерархии проходит обычно через блок модели технологического процесса. Модель опи­ сывает конкретный технологический процесс и, иммитируя реакцию процесса на полученные сигналы и данные, передает информацию, являющуюся входны­ ми данными для блоков оптимизации, стабилизации и управления и контроля.

Такой иерархии функций, ориентированных на технологический процесс, ставится в соответствие блок организационных функций ЭВМ и координации вы-

186

Рис. 19. Иерархия вычислительных функций управляющей микро-ЭВМ

полнения процесса, который обеспечивает требуе­ мые вычислительные процессы внутри управляющей микро-ЭВМ и взаимодействие ЭВМ с периферийными устройствами САУ.

Программы, входящие в ОС и выполняющие орга­ низационные функции, хранятся либо в ПЗУ управ­ ляющей микро-ЭВМ, либо во внешней постоянной памяти, и загружаются в ОЗУ управляющей ЭВМ при ее включении.

187

Пользовательские программы, реализующие ал­ горитмы оптимизации, стабилизации, управления и контроля, могут также храниться в ПЗУ или на внешних запоминающих устройствах. Управляющие микро-ЭВМ с жестко запрограммированными, неизмен­ ными алгоритмами работы обычно называют контро­ лерами.

Пользовательские программы, применяемые в управляющих микро-ЭВМ для гибких автоматизирован­ ных производств, должны обладать гибкостью. В этом случае управляющая микро-ЭВМ может реализовы­ вать различные алгоритмы в зависимости от проте­ кающего в данный момент технологического процесса и менять эти алгоритмы при изменении процесса. Такие пользовательские программы хранятся во внешней памяти (магнитные диски, магнитные ленты) и загру­ жаются для выполнения в ОЗУ микро-ЭВМ по коман­ дам оператора или по необходимости самой микроЭВМ. Для изменения алгоритмов управления доста­ точно заменить диск или ленту.

5.3.МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ КОМПЛЕКТЫ И МИКРО-ЭВМ

Микропроцессорные комплекты (МПК) представляют собой единый набор программируемых сверхбольших интегральных схем (СБИС), совместимых по конст­ руктивно-технологическому признаку и предназначен­ ных для построения законченных функциональных устройств.

Выпускаемые в настоящее время МПК разделяют­ ся на универсальные и специализированные. Универ­ сальные МПК (К580, К584, К586, К588, К589, К1801, К1802, К1804, К 1810, К 1889) предназначены для реше­ ния широкого круга задач в различных отраслях техники. Специализированные МПК (К536, К581,

188

К586, К 1883) ориентированы на решение узкого кру­ га специальных задач.

Можно выделить два основных направления ис­ пользования МПК: создание законченных функцио­ нальных устройств, объединяющих отдельные элементы МПК. в единое целое с целью реализации универ­ сальных или узко специализированных задач; вклю­ чение отдельных элементов МПК в обычные непро­ граммируемые устройства с жесткой логикой работы, где они используются в качестве отдельных микросхем наряду с другими непрограммируемыми интеграль­ ными схемами (ИС) и служат для реализации ограни­ ченного набора функций. МПК можно использовать как законченные функциональные устройства и для построения на их базе микро-ЭВМ и контроллеров.

Микро-ЭВМ называется ЭВМ, в качестве процессо­ ра которой используется микропроцессор (МП). Поми­ мо МП мит р -ЭВМ включает ОЗУ, схемы для связи

свнешними устройствами (интерфейсы ввода-вывода),

атакже пульт управления и источник питания. Мик­ ро-ЭВМ имеет шинную структуру и по своим функ­ циям соответствует малым ЭВМ, отличаясь значитель­ но меньшими размерами, экономичностью и низкой стоимостью.

Контроллером называется устройство, осуществля­ ющее управление автономным объектом по заданному алгоритму. К контроллерам относятся многочислен­ ные цифровые устройства для управления промыш­ ленными объектами и процессами, контрольно-изме­ рительными приборами, устройствами хранения и ввода-вывода информации. Контроллер является, по существу, специализированной микро-ЭВМ, отли­ чающейся ограниченным набором выполняемых ко­ манд, более простым управлением, использованием специальных интерфейсов для связи с внешними устройствами.

т

Для реализации микро-ЭВМ и микроконтроллеров в А1ПК входят БИС ОЗУ, ПЗУ или ППЗУ, а также специализированные и вспомогательные БИС буфер­ ных регистров, магистральных приемопередатчиков, генераторы синхросигналов, формирователи сигна­ лов переноса и др. Структуры микро-ЭВМ и микро-

Шина адреса (А)

Рис. 20. Структура микро-сШМ на основе МП с фиксированным набором команд

контроллеров зависят от принципа построения микро­ процессоров, на которых они реализуются.

Структура микро-ЭВМ на основе МП с фиксиро­ ванным набором команд показана на рис. 20.

Программа работы микро-ЭВМ обычно заносится в ОЗУ, а отдельные стандартные подпрограммы — в ПЗУ. Обрабатываемые данные от внешних устройств по шине данных поступают в МП или предварительно записываются в ОЗУ, где хранятся также промежуточ­ ные и конечные результаты обработки. Вначале каж-

190