Структура интерфейса МК

Увеличить...

Рис. 1 - Микропроцессор 4004

С позиций сегодняшнего дня конструкция МП 4004 представляется очень простой и нелишенной ряда недостатков: четырехразрядный параллельный сумматор, ограниченное количество команд. Он содержал всего 2300 транзисторов и выполнял примерно 60000 вычислительных операций в секунду. Но его значение для будущего техники огромно. Фактически с появлением первого микропроцессора начинается новая эра в создании различных систем управления и контроля физических параметров. Диапазон использования микропроцессоров в современной технике безграничен: от бытовых кофемолок и плит для приготовления пищи до сложных космических систем.

Сегодня, спустя больше тридцати лет, микропроцессоры представляют собой сложнейшую продукцию массового производства, содержат свыше 40 миллионов транзисторов и выполняют сотни миллионов операций в секунду. Усилия разработчиков МП были сосредоточены на повышении быстродействия, разрядности АЛУ и совершенствовании архитектуры микропроцессоров. Области применения микропроцессоров не имеют границ. Товары народного потребления - потенциально наиболее массовая сфера их применения. Высокая надежность и постоянно снижающаяся стоимость МП являются факторами, решающими в их пользу вопрос о выборе элементной базы для систем автоматизации управления бытовыми приборами. Привлекательна также и возможность получения бытовыми приборами наряду с традиционными новых функций при незначительном увеличении стоимости, что также определяет преимущества микропроцессорных систем (МС) перед другими системами управления.

Наибольший эффект применения микропроцессоров достигается при встраиваемом варианте его использования, когда МП встраивается внутрь приборов, устройств или машин. В таком варианте использования от МП требуется не столько вычислительная производительность (операции умножения, деления и пр.), так свойственные обычным ЭВМ, сколько логическая оперативность, столь необходимая в задачах управления. Именно в этом направлении и совершенствовались разработки первых типов микропроцессоров. Характерным представителем такого типа микропроцессоров является широко известный МП серии К580. Этот по современным меркам скромный МП обрабатывает восьмиразрядные данные. Несмотря на то, что он обеспечивает адресацию только 64 Кбайт ячеек памяти, области его применения были чрезвычайно широки: более 90% практических задач народного хозяйства могли быть разрешены на его основе. Использование МП в оборудовании позволяет повысить производительность тяжелого ручного труда, повысить качество товаров и услуг. Встраивание МП в станки, оборудование и приборы поможет решить сложные проблемы программного регулирования технологическими процессами. МП существенно улучшат технико-экономические характеристики автоматизированного оборудования, повысят его "интеллект". В настоящее время используются бытовые холодильники, стиральные машины-автоматы, печи СВЧ, телевизионные приемники, видеомагнитофоны и проигрыватели со встроенными микропроцессорами.

Объекты управления (ОУ) бытовой техники по своему назначению делятся на два класса. К первому классу относятся хорошо известные объекты, предназначенные для использования в домашних условиях: телевизоры, видеомагнитофоны и другие устройства бытовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА), а также холодильники, стиральные машины, кухонные комбайны и др. Ко второму классу относятся объекты, предназначенные для оказания услуг населению в производственных условиях: промышленные стиральные машины, машины химической чистки одежды, станочное оборудование предприятий по ремонту и изготовлению мебели по заказам населения.

Системы управления объектами первого класса строятся на базе одного управляющего устройства, соединенного с объектом управления несколькими каналами связи. Обобщенная структура такой системы управления показана на рис. 1. В качестве управляющего устройства системы может использоваться микропроцессорный контроллер (МК), построенный на базе микропроцессора определенного типа. Информация о состоянии объекта управления передается в микропроцессорный контроллер через блок нормирующих преобразователей (БН), коммутатор (К) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Нормирующие преобразователи используются в системе для согласования уровней информационных сигналов на выходе объекта управления с уровнями входных сигналов коммутатора. Аналого-цифровой преобразователь служит для преобразования аналоговых сигналов с выхода объекта в цифровой код. После преобразования цифровой информации о состоянии объекта управления по определенному алгоритму, обычно содержащемуся в памяти МК, вырабатываются управляющие воздействия, которые поступают на вход объекта управления через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и исполнительное устройство (ИУ).

Рис. 1 - Структура микропроцессорной системы управления с одним объектом управления

Заметим, что если мультиплексирование входных сигналов ОУ на входе АЦП возможно практически всегда, то мультиплексирование управляющих сигналов на входе МК часто недопустимо. Такая структура управляющей системы объясняется необходимостью запоминания каждого значения управляющего сигнала после остановки вычислительного устройства.

Следует заметить, что среди выходных сигналов бытовых объектов управления аналогового типа могут быть и дискретные сигналы. Ввод таких сигналов в МК осуществляется через блок формирования сигнала (БФС), назначение которого - согласовать их уровни и мощности с входными цепями МК. При наличии нескольких дискретных сигналов для их ввода в МК можно использовать мультиплексирование. При наличии на входе объекта управления исполнительного устройства дискретного типа (ИУД) (усилители мощности, тиристорные преобразователи, работающие в ключевом режиме), управляющее воздействие формируется в МК и подается в ИУД без использования ЦАП.

Система управления может решать различные задачи:

поддержание на определенном уровне или изменение по определенному закону выходных параметров объекта управления;

программное изменение выходных параметров объекта и отслеживание их изменений в соответствии с некоторыми внешними сигналами;

включение или выключение потока энергии в объекты управления по времени или по заданному амплитудному значению контролируемого параметра;

сбор информации о состоянии объекта управления и ее обработка с сохранением результатов обработки в устройствах памяти.

Центральное место в рассматриваемой системе занимает микропроцессорный контроллер, а остальные элементы - БН, К, АЦП, ЦАП и ИУ - обеспечивают связь МК с объектом управления. Часто их объединяют одним общим названием - устройство связи с объектом (УСО). Конструктивно все элементы системы могут располагаться на одной плате, которая размещается в конструкции объекта управления. Контроллер может быть выполнен на базе определенного типа микропроцессора и нескольких микросхем подкрепления. При использовании МК как встроенного средства управления в отдельно взятые объекты технические параметры МК и УСО могут быть неунифицированными, и, следовательно, системы управления различных объектов не взаимозаменяемы. Общая стоимость автоматизированной бытовой техники при этом становится значительной.

Для снижения затрат на систему управления объектами бытового назначения возможно использование одного универсального комплекта МК и УСО, которые при необходимости могут быть подключены к любому из объектов. Такой подход к автоматизации бытовой техники особенно целесообразен, когда потребитель является обладателем бытовой ПЭВМ. Небольшим набором средств сопряжения с объектом можно обеспечить в этом случае решение многих бытовых задач, поручив управляющей ПЭВМ контроль и управление различными бытовыми процессами человека.

Объекты управления второго класса обычно объединяются в группы, которые составляют технологическую линию. Системы управления объектами этого класса могут строиться по тому же принципу, составляя совокупность одноконтурных систем управления данного уровня (рис. 2). В этом случае каждая локальная система управления одним из объектов работает независимо от других систем. При необходимости информация о состоянии объектов может быть передана в центральное вычислительное устройство для решения некоторых общих для группы объектов управляющих задач.

Рис. 2 - Структура микропроцессорной системы управления группой объектов управления

Те же задачи управления можно решить и с использованием Центрального МК, управляющего всей группой объектов (рис. 3). В каждой из этих систем есть свои достоинства и недостатки. В Распределенной системе управления (рис. 2) используются несколько контроллеров (по числу каналов управления). Очевидно, что стоимость такой системы будет больше, но ее надежность гораздо выше, ибо выход из строя одного МК мало отразится на технологическом процессе в целом.

Затраты на систему управления с центральным МК (рис 3) меньше, но ее надежность тоже ниже, так как в основном она определяется надежностью центрального МК.

Конечный выбор принципа управления проектируемых микропроцессорных систем зависит от многих взаимосвязанных факторов, важнейшими из которых являются стоимость, надежность, гибкость, способность работать в реальном масштабе времени. Для бытовой техники первые два показателя — стоимость и надежность — часто оказываются определяющими

Рис. 3 - Структура микропроцессорной системы управления группой объектов управления с центральным контроллером

Устройство сопряжения с объектом (УСО), собственно, не является принадлежностью МК, но его конкретная техническая реализация определяет, какими видами сигналов МК может обмениваться с ОУ. Конечно, конструкция ОУ и цель управления им накладывают определенные требования на конструкцию УСО. Поэтому конструкции УСО не поддаются унификации и в каждом конкретном случае возможно то или иное техническое решение. На рис. 1 изображена структура УСО применительно к гипотетическому объекту управления, который характеризуется различными сигналами на выходе и входе. УСО обеспечивает связь объекта управления с шиной данных МК с использованием интерфейсных схем Ин.Вв.

Рис. 1 - Структура устройства сопряжения с объектом управления

Технологические параметры объекта (температура, давление, перемещение, влажность и пр.) в первичных преобразователях (ПП) — термопарах, термометрах сопротивления, индуктивных датчиках — преобразуются в электрические сигналы (постоянное напряжение или частоту). Пройдя через блок нормирующих преобразователей БНП, обеспечивающий стандартный уровень сигнала, контролируемые параметры поступают на мультиплексор (МС), который коммутирует один из входных сигналов на единственный выход. Коммутация обеспечивается подачей цифрового кода через интерфейс вывода (Ин.Выв.) посредством программы. Скоммутированный канал подается на схему выборки и хранения (УВХ) и далее на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), на выходе которого формируется цифровой код, пропорциональный величине контролируемого параметра. Затем цифровой код может быть считан в МП через интерфейс ввода (Ин.Вв.) и шину данных системы. Считанный цифровой код подвергается дальнейшей цифровой обработке в МП по определенному алгоритму. Если необходима индикация результата измерений, то через Ин.Выв результирующая информация может быть подана на цифровой индикатор. Если по результатам измерения необходимо воздействовать на объект, то Ин.Выв может быть использован для передачи через схему управления (Сх.У) и исполнительное устройство (ИУ)управляющего воздействия на объект. Конструкция схемы управления существенно зависит от типа исполнительного устройства. Если исполнительное устройство представляет собой, например, бесконтактное релейное устройство, обеспечивающее полное включение или выключение управляющего воздействия, то для управления на его вход достаточно подать сигнал, принимающий только два состояния: низкого или высокого уровня. Схема управления в этом случае должна выполнять функции усилителя мощности, работающего в ключевом режиме. Если же управляющее воздействие должно изменяться непрерывно, то схема управления должна преобразовать цифровой код, подступающий на ее вход из шины данных МК через интерфейс вывода, в непрерывный аналоговый сигнал необходимой мощности. Такие схемы управления обычно строятся на базе цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).

В случае, когда контролируемый параметр преобразуется в частоту, процедура его ввода в МП значительно упрощается и после формирования в блоке формирования сигнала (БФС) и коммутирования в МС сводится к подаче на вход таймера. Все остальные преобразования, связанные с расчетом величины контролируемого параметра, обеспечиваются за счет управляющей программы. В этом случае таймер может быть использован и для формирования в Сх.У управляющего воздействия, например, за счет управления углом открывания тиристора.

Следует заметить, что такие звенья УСО, как мультиплексор, схема выборки и хранения, АЦП и Сх.У, нуждаются в управляющих воздействиях всякий раз, когда требуется обращение к ним. Управление этими устройствами осуществляется программно-цифровым кодом, поступающим из ШД системы через интерфейс вывода.

Любой микроконтроллер предназначен для выполнения полезных функций по управлению или контролю физическими параметрами конкретных объектов управления. Функции управления или контроля сводятся к обработке и последующему использованию цифровой двоичной информации, поступающей от объектов управления по линиям связи от различных устройств сопряжения МК с объектом. В качестве таких устройств могут быть датчики различных аналоговых физических параметров и связанные с ними нормирующие преобразователи электрических сигналов, аналого-цифровые преобразователи, датчики цифровой информации и др. Со стороны вывода информации МК взаимодействует с цифровыми индикаторами, исполнительными механизмами, дисплеями, цифропечатающими устройствами и другими средствами запоминания, хранения и использования результатов обработки информации.

Соединение всего многообразия внешних устройств с шинами МК осуществляется с помощью интерфейсов, которые следует понимать как унифицированное средство объединения различных устройств в единую систему. Любой интерфейс должен обеспечить решение следующих двух задач.

Во-первых, интерфейс в своей аппаратной части должен обеспечить электрическое соединение различных внешних устройств с различными электрическими и конструктивными параметрами, с единой системой шин конкретного микроконтроллера. При этом должны быть учтены такие параметры, как количество линий связи, уровни и мощности электрических сигналов, длина и помехозащищенность линий связи.

Во-вторых, интерфейс должен обеспечить гибкое программное управление всеми подключенными внешними устройствами. В этой части интерфейс должен обеспечить не только работоспособность ВУ, но и согласование по быстродействию различных ВУ и центрального МП.

Таким образом, под интерфейсом следует понимать унифицированное программно-аппаратное устройство, предназначенное для организации обмена информацией между микропроцессором и внешними устройствами, объединенными в единую систему.

По своему назначению интерфейсы бывают внутренними и внешними. Внутренний интерфейс объединяет БИС микропроцессора, модули памяти и средства управления вводом-выводом. Внешний интерфейс обеспечивает сопряжение информационных шин МК с внешними устройствами.

В практике создания микропроцессорных систем управления используются два типа системного интерфейса: интерфейс с изолированными шинами и интерфейс с совмещенными шинами.

Интерфейс с изолированными (адресными) шинами. Отличительной особенностью этого интерфейса является раздельная адресация памяти и внешних устройств. Так, при адресации памяти в системах, построенных на базе МП КР580 (рис. 1), используются вся 16-разрядная шина адреса и управляющие сигналы ЧТ.ЗУ и ЗП.ЗУ, формируемые системным контроллером СК. При этом для обмена данными между МП и памятью используется значительное количество команд микропроцессора.

Для адресации же внешних устройств используются только 8 разрядов шины адреса и сигналы управления ЧТ.ВУ и ЗП.ВУ. Для обмена данными между МП и ВУ используются только две специальные команды IN ADR — ввод данных и OUT ADR — вывод данных, реализующие обмен данными только через аккумулятор МП.

Рис. 1 - Интерфейс с изолированными шинами

Такая процедура обмена снижает общую производительность системы, так как для обмена данными между ВУ и памятью потребуется дополнительно использовать несколько команд, обеспечивающих сохранность содержимого аккумулятора до начала обмена с ВУ и восстановление ее после обмена.

Единственное достоинство интерфейса с раздельными шинами является использование всей шины адреса для адресации памяти, что позволяет построить модуль памяти максимального объема. Напомним, что 16-разрядная шина адреса позволяет адресовать 64 К ячеек памяти.

Интерфейс с совмещенными адресными шинами. Интерфейс этого типа позволяет использовать всю шину адреса как для адресации памяти, так и для адресации внешних устройств. Для краткости его называют интерфейсом с общей шиной. Очевидным достоинством интерфейса с общей шиной является возможность использования при обмене данными между ВУ и МП всех команд, используемых для обмена с памятью. Возможна и модификация интерфейса с общей шиной, когда один разряд шины адреса (например, старший разряд А15) используется для разделения обращения к памяти или к ВУ (рис. 2).

Формирование управляющих сигналов для обращения к ВУ возможно с использованием сигналов ПМ и ВД микропроцессора и разряда А15 шины адреса. Главным достоинством интерфейса с общей шиной является возможность расширения набора команд для обращения к ВУ, что позволяет повысить производительность систем за счет сокращения требуемых для обмена команд программы.

Рис. 2 - Интерфейс с общей шиной

Нетрудно заметить, что интерфейс с общей шиной позволяет увеличить количество адресуемых ВУ, но сокращает объем прямоадресуемой памяти. Однако этот недостаток интерфейса можно преодолеть за счет некоторого усложнения дешифрирующих схем и организации, например, страничной адресации, часто используемой в макро- и микро-ЭВМ.

Структура интерфейса МК

Несмотря на функциональное различие, внутренние интерфейсы используют один и тот же прием выбора адресуемого устройства - декодирование адресного кода. На рис. 3 изображена совмещенная функциональная схема внутреннего (для обращения к памяти) и внешнего (для обращения к ВУ) интерфейсов. В обоих случаях дешифратор используется для одинаковой цели - декодировать адресный код на его входе и с помощью активного уровня выходного сигнала обеспечить выбор адресуемого устройства. Различие схем дешифрации определяется разрядностью шины адреса, принципиальной схемой дешифратора и, конечно, адресом устройства.

Объем блока памяти определяется разрядностью его микросхем. Так, если для адресации ячеек памяти требуется К разрядов, то 16-К разрядов 16-разрядной шины адреса могут быть использованы для адресации различных блоков памяти системы. Чаще всего для этой цели используются старшие разряды шины адреса. Выходные сигналы дешифратора подаются на вывод ВК (выбор кристалла) микросхемы памяти.

Структура внешнего интерфейса имеет некоторые отличия. Кроме дешифратора ДШ, интерфейс содержит буферные регистры БР для временного хранения данных. Буферные регистры служат в качестве "ворот", через которые осуществляется обмен данными между МП и ВУ, часто называются портами ввода-вывода. Для организации порта вывода необходим управляющий сигнал, определяющий номер (или адрес) порта, а также системный управляющий сигнал, определяющий направление передачи информации.

Рис. 3 - Структура интерфейса МК

Как показано на рис. 3, на вход буферных регистров поступает управляющий сигнал ЧТ.ВУ, что определяет порт 1 и порт 2 как порты ввода. Напротив, порт 3 и порт 4 являются портами вывода, так как на входе их буферных регистров БРЗ и БР4 подключен управляющий сигнал ЗП.ЗУ. Разрядность буферных регистров может быть согласована с разрядностью шины данных, но может и отличаться от нее. В последнем случае при вводе данных в МП через шину данных программными средствами необходимо очистить неиспользованные разряды.

Если разрядность выходного кода ВУ больше разрядности шины данных, то для формирования слова данных, поступающего из ВУ, также необходимо использовать несколько дополнительных команд.

Заметим, что наряду с главной функцией буферного регистра — временное хранение данных — он одновременно используется и как усилитель мощности, что упрощает согласование шины данных МК с низкоомным выходом внешнего устройства. В некоторых случаях порты ввода-вывода могут не содержать буферных регистров. Тогда они строятся на основе шинных формирователей, и это необходимо учитывать при разработке программного обеспечения системы.

Алгоритм функционирования интерфейса сводится к следующему. При выполнении команды обращения к ВУ на шине адреса МП выставляет адрес ВУ. Дешифратор дешифрирует адресный код, и соответствующим сигналом с выхода ДШ подготавливаются цепи приема данных. В следующем такте команды данные передаются из МП в адресуемый буферный регистр и управляющим сигналом ЗП. ВУ записываются в выбранный БР, после чего они становятся доступны ВУ. Взаимосвязь МП и ВУ упрощается благодаря использованию специальных интерфейсных БИС-адаптеров, обеспечивающих различные способы обмена данными.

Дата добавления: 2015-11-26