Глава 8. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИКИ, ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ С ЭВМ И ТЕХНОЛОГИЕЙ БИС

Основополагающие принципы построения ЭВМ (которые раньше назывались часто — электронные автоматические цифровые вычислительные машины) заключаются в следующем: процесс автоматической обработки цифровой информации осуществляется под управлением программы, эта программа хранится в памяти машины.

Следует дополнить, что хранение программы осуществляется в той же памяти, что и данные, и таким же способом. Отсюда вытекает принципиальная возможность самостоятельной модификации собственной программы и обработки других программ в качестве данных, чего нет в программируемых контроллерах, также способных хранить программу в памяти.

Эти же основополагающие принципы остаются справедливыми и при построении средств микропроцессорной техники (МТ).

Из приведенных выше принципов следует достаточно широкая, кибернетическая трактовка, в соответствии с которой средства МТ — это мощные средства обработки информации, более того — это средства обработки информации о реальных объектах и процессах в реальном масштабе времени, а также в составе реальных систем.

8.1. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И ЭВМ

В общих чертах принцип действия и укрупненная структура ЭВМ и микроЭВМ совпадают. Ее можно представить в виде совокупности взаимосвязанных следующих основных частей (рис. 8.1): арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство ввода устройство вывода запоминающее устройство (ЗУ) и устройство управления (УУ).

Рис. 8.1

Арифметико-логическое устройство предназначено для непосредственного выполнения определенной совокупности операций, необходимых при реализации некоторых команд. Состав операций включает арифметические операции сложения, вычитания, логические операции и сдвиги, а также операции, обеспечивающие проверку различного рода условий (например, равенство нулю результата выполнения операции) и выработку решения по изменению хода выполнения команд (обычно это решение определяет альтернативный выбор следующей выполняемой команды). Именно операции последнего типа определяют более широкие возможности ЭВМ по сравнению с просто вычислительными приборами.

Устройство управления объединяет и координирует работу всех составных частей ЭВМ; осуществляет выборку команды, ее расшифровку и организует работу ЭВМ в соответствии с предписываемой командой операцией.

Команда в общем случае содержит в себе информацию, определяющую тип операции, которую необходимо выполнять, место расположения данных (операндов), которые будут участвовать в выполнении операции, место, куда необходимо будет направить результат, и место, где находится очередная, предназначенная для исполнения, команда.

Указания о местах размещения операндов, результата и очередной команды обычно называют адресами.

Работа ЭВМ заключается в следующем. По сигналу УУ из памяти (ЗУ) извлекается команда. Выбранная команда поступает в УУ и расшифровывается. По результатам расшифровки команды вырабатываются необходимые управляющие сигналы, которые, поступая в АЛУ, устройства ввода-вывода (УВВ) и памяти, обеспечивают подачу необходимых операндов в АЛУ. Далее в АЛУ под действием очередных управляющих сигналов производится заданная обработка информации (заданная операция).

Результат операции направляется в память по соответствующему адресу, а в УУ передается очередная команда, и описанный выше цикл повторяется.

В ЭВМ совокупность АЛУ и У У называют центральным процессором (ЦП), в микропроцессорной технике — микропроцессором (МП).

На рис. 8.1 сплошными линиями обозначены линии передачи информационных сигналов, а штриховыми — линии передачи управляющих сигналов.

При разработке средств микропроцессорной техники нашли дальнейшее, более глубокое развитие следующие принципы: модульность; магистральность; микропрограммируемость; регулярность структуры.

Модульная организация — предполагает построение систем на основе набора модулей — конструктивно, функционально и электрически законченных устройств, позволяющих самостоятельно или в совокупности с другими модулями решать вычислительные или управленческие задачи определенного класса.

Модульный подход способствует стандартизации элементов все более высоких уровней и сокращению затрат на проектирование систем, а также упрощает наращивание мощности и реконфигурацию систем, отодвигает время морального старения технических средств.

Многофункциональность (универсальность) и специализация модулей - эти два противоположных качества придаются модулям в процессе компромиссных решений для различных классов систем, исходя из обеспечения соответствия структуры системы характеру выполняемых задач.

Целесообразно создавать системы в виде совокупности многофункциональных и специализированных модулей, проблемно и функционально ориентированных в рамках определенных классов задач, алгоритмов, функций.

Магистральность — способ обмена информацией внутри модулей и между модулями с помощью упорядоченных связей (в отличие от произвольных связей, реализующих принцип «каждый с каждым»), минимизирующий число связей.

Обмен осуществляется с помощью общих магистралей (шин), объединяющих входные и выходные линии отдельных элементов и модулей. Магистральность — один из способов обеспечения регулярности структуры системы и стандартизации интерфейсов. С технической точки зрения — это способ обмена в виде создания специальных двунаправленных буферных каскадов с тремя устойчивыми состояниями и использования временного мультиплексирования каналов обмена.

Микропрограммируемость — способ организации управления, позволяющий осуществить проблемную ориентацию системы. Микропрограммируемость повышает гибкость устройств (за счет возможности смены микропрограмм), увеличивает регулярность их структуры (за счет широкого использования матричных структур типа памяти), повышает надежность устройств (за счет применения серийно освоенных БИС памяти), упрощает контроть функционирования устройства (за счет того, что контроль блока микропрограммного управления сводится, по существу, к контролю содержимого ЗУ).

Регулярность структуры — предполагает закономерную повторяемость элементов структуры и связей между ними; регулярность структуры системы следует рассматривать на различных уровнях ее организации

В целом можно отметить, что МП как программируемое цифровое устройство обработки информации характеризуется следующими показателями и связями их с внутренней и внешней структурой МП: разрядность; емкость адресуемой памяти; универсальность (специализация); число внутренних регистров; магистральность; микропрограммное управление; возможность и количество уровней прерывания; наличие стековой организации памяти и количество стековых регистров; наличие и состав резидентного и кросс-программного обеспечения.