Судовые микропроцессорные системы управления оглавление

Лекция 1. Принципы построения и функционирования микроэвм

Лекция 2. Память микроэвм. Средства реального времени

Лекция 3. организация процесса обработки данных в микропроцессоре и микроэвм

Лекция 4. Структура МПСУ. Адаптеры датчиков и исполнительных механизмов

Лекция 5. Принципы реализации на микроэвм функций регулятора

Лекция 6. Стандартные интерфейсы периферийных устройств микроэвм

Лекция 7. Микропроцессорные системы централизованного контроля. Блок SAU 8800

Лекция 8. Принципы построения судовых МПСУ

Лекция 9. Судовая МПСУ "Data chief-7"

Лекция 10. Судовая МПСУ "Data chief-C20"

Лекция 11. Микропроцессорная система управления двигателей серии МЕ фирмы MAN B&W

Лекция 12. Принципы построения систем питания

Лекция 13. Основы технического обслуживания микропроцессорных систем

Лекция 1. Принципы построения и функционирования микроЭвм

Из импульсных и цифровых устройств (логические элементы, триггеры, счетчики, регистры и т.д.), в принципе, возможно создать электронную систему любой сложности. На начальных этапах применения электроники для автоматизации судовых процессов так и поступали. Однако, с повышением сложности решаемых задач увеличивался объем электроники, снижалась надежность, поскольку требовались сотни и тысячи электронных компонентов. Выход из этого тупика был найден с разработкой микропроцессоров. Можно утверждать, что появление микропроцессоров оказало такое революционное воздействие на все сферы человеческой деятельности, которое можно сопоставить с овладением человечеством энергией водяного пара. Достигнутый к настоящему времени уровень автоматизации морских судов, характеризуемый безвахтенным обслуживанием энергетической установки, почти двухкратным сокращением численности судового экипажа (наряду со значительным улучшением условий труда и отдыха) стал возможен благодаря системам комплексной автоматизации, построенным на основе микропроцессоров.

Микропроцессор – программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровых данных и выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных микросхем (БИС). Первый микропроцессор был разработан фирмой Intel в начале 70-х годов 20-го столетия. К началу 80-х годов были разработаны микропроцессоры типов 8080, 8086, 8088, Z80 и в настоящее время широко применяемые на судах. Классическим, со всеми характерными чертами микропроцессора, стал микропроцессор 8080 фирмы Intel, аналог которого выпускался в том числе и в нашей стране. Он выполнен в виде одной БИС, содержащей около 5000 транзисторов.

Микропроцессор самостоятельно функционировать не может. Он входит основной составной частью в микроЭВМ.

МикроЭВМ – это ЭВМ, содержащая микропроцессор, запоминающее устройство и контроллеры (адаптеры) устройств ввода/вывода. На основе микроЭВМ строятся судовые микропроцессорные системы управления (МПСУ). Под МПСУ понимается управляющая система, включающая в себя микроЭВМ, средства сопряжения с объектом управления (датчики, исполнительные механизмы) и средства связи с оператором (человеком).

Основные элементы микропроцессора и микроЭВМ приведены на рис. 1:

• АЛУ – арифметико–логическое устройство, выполняет логические и простейшие арифметические операции – И, ИЛИ, НЕ, сложение, вычитание, умножение, деление;

• регистры – ячейки памяти для временного хранения информации;

• дешифратор - по двоичному коду команды распознает её существо;

• счетчик команд – задает в двоичном коде адрес ячейки памяти, в которой находится очередная команда, подлежащая выполнению;

• устройство управления – управляет работой микропроцессора и ЭВМ;

• ГТИ – генератор тактовых импульсов, задаёт темп работы микропроцессора;

• ЗУ – запоминающее устройство;

• ЗУП – запоминающее устройство программ (ПЗУ – постоянное запоминающее устройство);

• ЗУД – запоминающее устройство данных (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство);

• контроллеры (адаптеры) – для ввода и вывода информации из микро ЭВМ.

Для взаимодействия этих блоков они связаны между собой электрическими линиями, которые по функциональному признаку сведены в три группы (шины) образующие внутреннюю магистраль микроЭВМ. По шине данных (англ. – Data Bus) информация передаётся между микропроцессором и другими устройствами микро ЭВМ. Информация выражена в двоичном коде определенной разрядности, обычно соответствующей разрядности микропроцессора.

Разрядность микропроцессора – число разрядов двоичного кода, которым представляется информация в микропроцессоре и который он способен обработать в один прием. Характерным для большинства судовых микроЭВМ является 8 или 16 разрядный код. Чем выше разрядность, тем выше производительность микроЭВМ.

Рис. 1. Структурная схема микропроцессора и микроЭВМ

По шине адреса (англ. – Adress Bus) в виде двоичного кода передается адрес ячейки памяти, к которой обращается микропроцессор или адрес контролера (адаптера).

По шине управления (англ. – Control Bus) передаются сигналы, сопровождающие передаваемую по шине данных информацию. Например: сигнал RD - считать содержимое ячейки памяти; сигнал WR – записать (RD, WR – наименование сигналов, сокращение от англ. "read" и "write").

Взаимодействуют блоки микроЭВМ следующим образом. После подачи питания счётчик команд в виде двоичного кода, подаваемого в шину адреса, задает адрес ячейки, находящейся в ЗУП. В ней содержится первая выполняемая команда. Команды хранятся в ЗУП в виде чисел, выраженных двоичным кодом.

На втором этапе по шине управления передаётся сигнал "RD" и содержимое этой ячейки через шину данных поступает в микропроцессор. В дешифраторе эта команда (ее двоичный код) распознаётся и микропроцессором (АЛУ) выполняются оговорённые ею действия. Результат выполнения команды помещается в один из регистров памяти или в ячейку ЗУД. По завершении выполнения этой команды счетчик команд получает приращение – на его вход подается импульс, который увеличивает двоичный код адреса. Этот адрес снова поступает на шину адреса, происходит считывание и выполнение очередной команды и т.д.

Если существо очередной выполняемой команды состоит в передаче информации на одно из внешних устройств – принтер, дисплей и т.д., то по шине адреса задаётся адрес контроллера (адаптера) этого устройства.

Таким образом, процесс выполнения каждой команды протекает в несколько этапов, называемых машинными тактами. Длительность машинного такта равна периоду импульсов, вырабатываемых ГТИ. Чем выше частота тактовых импульсов, тем большее число команд в единицу времени может выполнить микропроцессор и микроЭВМ. Однако максимальное значение тактовой частоты ограничено быстродействием элементов (транзисторов), на которых он построен. Так, 8-разрядный микропроцессор 8080 способен работать с тактовой частотой 2,5 МГц, что позволяет ему выполнять около 600 тысяч простых команд, каждая из которых занимает 4 машинных такта. Более совершенный микропроцессор 8088 имеет тактовую частоту до 10 МГц, что обеспечивает ему, наряду с вдвое большей разрядностью (16 разрядов) в несколько раз большую производительность.

Данные микропроцессоры разработаны в 70-х годах и их тактовая частота к настоящему времени представляется весьма скромной. Однако их производительность вполне достаточна для решения задач автоматизации отдельных объектов судового энергетического оборудования, что и обеспечивает им широкое применение. Современные же высокопроизводительные 32-, 64-разрядные микропроцессоры, тактовая частота которых находится на уровне нескольких гигагерц, используются в судовых ЭВМ, выполняющих роль диспетчерских станций. Эти ЭВМ связывают отдельные, локальные подсистемы автоматики, построенные на более простых ЭВМ в единую систему комплексной автоматизации СЭУ, координируют их работу, являются по существу постом управления всей СЭУ. Их структура и параметры, организация программного обеспечения близки к таковым у персональных ЭВМ (англ. – РС).

Контрольные вопросы:

1. Назовите основные элементы микропроцессора и микроЭВМ.

2. Какие группы образуют внутреннюю магистраль микроЭВМ?

3. Дайте определение разрядности.

4. Как разрядность влияет на производительность процессора?

5. В чем отличие ОЗУ от ПЗУ?

6. Что такое машинный такт?