ВВЕДЕНИЕ

При создании автоматических и автоматизированных систем различного назначения до недавнего времени в качестве их вычислительной основы широко использовались два класса средств цифровой техники:

— устройства с жесткой структурой, выполненные на базе цифровых логических схем;

— электронные вычислительные машины (ЭВМ) — универсальные и управляющие.

Устройства с жесткой структурой обычно содержат большое число дискретных элементов и интегральных схем (ИС) малой и средней степени интеграции. Эти компоненты устанавливаются на печатных платах, а выводы элементов и плат соединяются в соответствии с реализуемыми устройством функциями. Различного рода изменения функций требуют изменения схемы (т. е. перепайки соединений, замены компонентов), проверочных тестов. Поэтому главными недостатками системы на основе таких устройств являются значительное время проектирования и изготовления, а также трудности внесения изменений.

Системы на основе ЭВМ могут легко перестраиваться с реализации одной функции на другую, для чего достаточно составить и занести в память новую программу. При использовании серийных ЭВМ это значительно сокращает сроки проектирования, изготовления и настройки системы. Однако высокая стоимость ЭВМ нередко делает экономически нецелесообразной разработку цифровых систем на основе такого подхода. Часто этому препятствуют также большие габариты и масса применяемых ЭВМ, так как исключается возможность встраивания подобных средств в конкретные системы (в отличие от системы на основе жестких структур, где возможно, как правило, встраивание)

В начале 70-х годов в результате бурных темпов развития и достигнутых высоких результатов в области микроэлектроники и вычислительной техники (ВТ), сконцентрированных в технологии больших интегральных схем (БИС), начал формироваться новый класс (поколение) технических средств автоматики и автоматизированного управления, который обобщенно называют микропроцессорная техника (МТ). Сюда следует отмести микропроцессоры, микроконтроллеры, микропроцессорные системы, микропроцессорные комплекты ИС, микроЭВМ. На основе этих средств создаются микропроцессорные автоматические системы (МПАС).

Микропроцессор (МП) является базовым элементом МТ, в нем воплощена чрезвычайно перспективная идея реализации программируемого цифрового устройства, обладающего свойствами процессора ЭВМ, на минимальном количестве БИС. В МП объединены универсальные возможности программируемого средства с преимуществами и возможностями, которые предоставляет технология БИС. А в силу базовости МП полученными новыми качествами будут обладать и те средства, в которые входит хотя бы один МП.

Формирование и развитие МТ привело к появлению нового подхода к проектированию цифровых систем на основе программируемой логики. Этот подход предполагает использование при построении систем стандартных универсальных БИС (одной или нескольких), работающих под управлением программы.

Если разработчик систем на основе устройств с жесткой структурой может пользоваться для реализации необходимых функций только аппаратными средствами, а при использовании ЭВМ — в большей степени только программными средствами, то при построении систем на основе программируемой логики он получает в свое распоряжение полностью как аппаратные, так и программные средства. Специализация системы осуществляется специализацией программы, управляющей стандартными универсальными БИС, которые и получили название микропроцессоры.

Необходимо отметить, что низкая стоимость, малые масса и размеры, высокая надежность и ряд других характеристик средств МТ создают ее новые качества, которые позволяют существенно приблизить средства обработки информации и управления к местам возникновения информации и приложения управляющих воздействий. В конструктивном отношении средства МТ становятся встроенными, т. е. являются элементами и узлами автоматических систем, подчиненных своей логике, своим задачам.

В практике автоматического регулирования и управления преобладающими становятся распределенные децентрализованные МПАС. Их особенностью является не столько рассредоточенное расположение аппаратуры, сколько разделение общей функции управления и обработки информации на несколько слабосвязанных Функции и распределение этих функций между несколькими микропроцессрами или микроЭВМ.

В отличие от централизованных в распределенных МПАС отсутствует явно выраженный центр обработки информации и вместо этого имеется большое число активных средств управления и обработки, способных вмешиваться в работу системы, что обусловливает новую организацию управления взаимодействием подсистем и устройств системы. Широкое использование в таких системах недорогих, но надежных МП и программируемых МП-контроллеров позволяет сохранить главное преимущество централизованных систем — свободную программируемость и точность — и одновременно обеспечить высокую живучесть, характерную для классических децентрализованных аналоговых систем регулирования и управления.

Достаточно часто при построении МПАС приходится объединять в систему большое число микропроцессоров (десятки, сотни, а иногда и тысячи). Эти МП работают в значительной степени асинхронно и выполняют различные функции: вычисление, управление, обслуживание различных устройств, поиск и реорганизацию данных в памяти и т. п. Наличие большого числа асинхронно работающих активных устройств, способных по собственной инициативе использовать ресурсы системы, предъявляет высокие требования к организации взаимодействия устройств. Необходимо быстро и достаточно простыми средствами коммутировать источники и приемники данных, устранять конфликтные ситуации при одновременном затребовании несколькими устройствами одного и того же ресурса, устранять взаимные блокировки устройств. При этом должна обеспечиваться высокая живучесть системы.

Таким образом, низкая стоимость МП, высокая надежность, малые габариты и другое позволяют устанавливать их непосредственно на объектах или их частях (подсистемах, устройствах), т. е. создавать МПАС с более высоким быстродействием и повышенной живучестью.

Появление высокоскоростных средств обмена данными позволяет организовать в МПАС интеграцию использования распределенных ресурсов системы. Так, не обязательно помещать все необходимые средства обработки данных там, где в них есть потребность. Обработку информации можно провести в произвольных местах системы, связавшись с соответствующими средствами и используя их в режиме разделения времени. Более того, в системе может вообще отсутствовать конкретное устройство, способное выполнить заданную работу, для чего придется объединить усилия группы взаимоудаленных средств обработки данных. Аналогично можно использовать удаленные от места обработки данных запоминающие устройства и устройства ввода-вывода.

Процесс проектирования микропроцессорных автоматических систем (МПАС) заключается в проведении комплекса работ по исследованию, расчетам и конструированию с целью получения необходимой технической и программной документации для создания системы, удовлетворяющей заданным требованиям.

Основы построения системы, принципы ее функционирования, важнейшие характеристики, обеспечивающие требуемые свойства ее работы в статическом и динамическом режимах, закладываются на этапах алгоритмического и функционального проектирования, поэтому в дальнейшем будут затрагиваться именно они.