Системы управления современными технологическими объектами (металлорежущими станками, лифтами, складскими комплексами, прокатными станами и т.д.), основу которых составляет автоматизированный электропривод, осуществляют обработку большого объема информации с целью выработки управляющих воздействий (логических, цифровых или аналоговых), поступающих на электроприводы. Такие системы управления выполняются на основе цифровых устройств — ЭВМ. Все цифровые вычислительные устройства — от супербольших рабочих станций до встроенной в автоматизированный электропривод микропроцессорной системы управления — имеют аналогичную архитектуру и в значительной мере общие характерные свойства.
Укрупненные структуры ЭВМ и микроЭВМ совпадают и могут быть представлены в виде схемы, приведенной на рис. 3.1.
Эта схема предполагает программный принцип управления имя решения широкого круга задач на основе составленной оператором программы, т.е. набора инструкций, автоматически обрабатываемых ЭВМ.
Прежде всего уточним, что микропроцессорные управляющие вычислительные машины (УВМ), или для краткости просто микроЭВМ, являются одной из разновидностей микропроцессорных средств вычислительной техники. Они реализуются на основе функционально законченных изделий, построенных на базе БИС. В отличие от ЭВМ общего назначения, которые предназначены для разнообразных вычислительных операций в темпе времени, определяемом самой машиной, микропроцессорные УВМ можно определить как программно-управляемые ЭВМ для специализированных применений в реальном времени, таких, как управление технологическими комплексами и другими объектами, работа в различных измерительных комплексах и приборах, где темп вычислений диктуется технологическим процессом (например, управление работой ядерных реакторов, процессом варки стали и чугуна, пуском ракет, автоматической посадкой летательных аппаратов и др.).
Рис. 3.1. Укрупненная структура ЭВМ
УВМ функционируют как системы с обратной связью, получая в определенные такты времени информацию от датчиков объекта управления, производя необходимые вычисления в соответствии с заранее записанной программой и формируя результаты обработки для направления их в исполнительные устройства (в том числе электроприводы).
Принцип программного управления процессом обработки данных делает микроЭВМ универсальным устройством, так как позволяет реализовать требуемый для конкретного применения алгоритм взаимодействия с объектом. При этом особенности конкретного алгоритма учитываются путем разработки прикладного или специального программного обеспечения и выбора необходимых функциональных модулей системы.
Проектируя микропроцессорную систему управления для какого-либо конкретного устройства, специалист сталкивается прежде всего с необходимостью выбора микроЭВМ для реализации этой системы. В основе выбора лежит анализ основных характеристик и архитектуры микроЭВМ.
Архитектура микроЭВМ или микропроцессора (МП) — это совокупность аппаратных, микропрограммных и программных средств, создающих организованную вычислительную среду, необходимую для обработки данных в соответствии с назначением микроЭВМ. С точки зрения пользователя архитектура находит отражение в языке машины, форматах команд, функциональной схеме микропроцессора, структуре и способе организации памяти, средствах управления периферийными устройствами и т.д.
Вычисления, задаваемые программой, осуществляются центральным процессором (ЦП). Его функция заключается в выборке команд из памяти и выполнении заданных ими операций. Помимо этого, ЦП осуществляет управление всеми процессами преобразования и передачи информации как внутри ЦП, так и во всей вычислительной системе.
Основная память (ОП) служит для хранения команд программы, в соответствии с которой обрабатывается информация, а также числовых констант, исходных, промежуточных данных и результатов вычислений.
С точки зрения функционального устройства ОП имеет две разновидности: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которое предназначено для хранения команд программы и часто применяемых числовых констант, и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), служащее для хранения промежуточных данных и результатов вычислений. Конструктивно ОП состоит из ячеек памяти, каждая из которых имеет адрес в виде двоичного числа и содержит некоторое количество запоминающих элементов. Количество элементов в ячейке памяти обычно равно числу разрядов двоичных чисел, с которыми оперирует процессор. Число, хранимое в ячейке памяти, называют словом.
Основная память выполняется в виде модулей емкостью по 1...16K слов, а общее число модулей определяется спецификой применения микроЭВМ. Максимальное число ячеек (слов) в составе ОП определяется разрядностью двоичного числа, которым кодируется адрес ячейки. В большинстве микроЭВМ это 16-разрядное число, которое можно представить так: 216 = 65 536 адресов. Для упрощения записи обычно обозначают 210 = 1024 в виде двоичной тысячи и записывают: 21 = 1К. С учетом этого емкость ОП в приведенном примере равна 216 = 26-210 = 64К слов.
Для удобства записи значения адресов ячеек обычно представляют в восьмеричной и шестнадцатеричной формах записи. Для представления двоичного числа в восьмеричной системе счисления оно представляется группами по 3 бита, поэтому для 16-разрядного двоичного числа цифра старшего разряда принимает значение 1 или 0.
Например, двоичное число 1110011101111100(2) имеет вид 163574(8). Для представления двоичного числа в шестнадцатеричной системе счисления оно записывается группами по 4 бита, а затем кодируется цифрами 0,1,2,...,9 и буквами А, В, С, D, Е, F, каждая из которых изображает числа от 10 до 15 соответственно. Таким образом, уже упоминавшееся двоичное число 1110011101111100(2) при шестнадцатеричной форме записи примет вид Е77С(16).
Рассмотренный пример показывает, что восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления являются лишь формами записи двоичных чисел (высокий уровень — низкий уровень), служащих для удобства чтения и более лаконичной записи.
Устройства ввода осуществляют прием информации от различных носителей (перфокарт, клавиатур, датчиков технологических величин и т.д.) и преобразование ее (в случае необходимости) в двоичный код.
Устройства вывода преобразуют электрические сигналы, поступающие из памяти, которые несут в себе информацию о результатах обработки данных в форму, удобную для дальнейшего использования (перфолента, магнитный диск, печатный текст, изображение на экране видеотерминала и др.). В отдельных случаях цифровые сигналы преобразуются в аналоговую форму. Иногда ввод и вывод реализуются одним физическим устройством, которое в этом случае называется устройством ввода-вывода (УВВ). В состав устройств ввода-вывода иногда входят и устройства связи с объектом (УСО), средства связи с другими периферийными устройствами, включая долговременную память.
Большинство мини- и микроЭВМ устроены таким образом, что все функциональные блоки (см. рис.3.1) подключены параллельно к единому каналу связи, который называется магистралью.
В процессе обмена информацией по каналу связи участвуют два типа устройств: активное (инициатор обмена) и пассивное. В качестве активного устройства обычно выступает центральный процессор. При параллельном подключении пассивных устройств обмена к магистрали необходимо знать, с каким именно устройством должен произойти обмен. Для этого каждое из устройств снабжается адресом, а в составе магистрали предусматриваются специальные линии, по которым сообщается информация в двоичной форме в параллельном формате об адресе пассивного устройства. Совокупность этих линий в магистрали образует шину адреса (ША). Передача самой информации в параллельном формате производится также по линиям, которые образуют шину данных (ШД). В составе магистрали существует еще один набор линий, по которым передаются различные управляющие сигналы и которые образуют шину управления (ШУ).
