Спеціальність «Монтаж і експлуатація електроустаткування промислових підприємств і цивільних споруд»

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРЦИЗЬКИЙ МЕТАЛУРГІЙНИЙ ТЕХНИКУМ

Державного вищого навчального закладу

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

Лекційний матеріал

з дисципліни

"Промислова електроніка, мікропроцесорна техніка і автоматика"

модуль

“мікропроцесорні пристрої”

для спеціальності

"Монтаж і експлуатація електроустаткування

підприємств і цивільних споруд"

Лекційний матеріал з дисципліни “Промислова техніка, мікропроцесорна техніка і автоматика” з модуля «Мікропроцесорні пристрої»

Підготувала: Левицька О.І. – викладач електротехнічних дисциплін Харцизького металургійного технікуму ДВНЗ”ДонНТУ”, спеціаліст вищої категорії, викладач- методист.

Лекційний матеріал з модуля «Мікропроцесорні пристрої» складений згідно з програмою дисципліни “Промислова електроніка, мікропроцесорна техніка і автоматика” затвердженої 2013 року.

Методична розробка може бути використана викладачами і студентами денної і заочної форми технікумів спеціальності “Монтаж і експлуатація електроустаткування підприємств і цивільних споруд”.

Рецензенти:

Розглянуто та схвалено

на засіданні циклової комісії

спеціальних електротехнічних

дисциплін. Протокол № __ від “__”___2014 рік

Голова ц/к Н.П. Шевченко

Модуль1МІКРОПРОЦЕСОРНІ ПРИСТРОЇ.

Тема 1.1 принципи будуваннямікропроцесорнихпристроїв.

1. Загальні відомості про автоматичні обчислювальні пристрої.

1. Основні поняття і визначення.

2. Класифікація обчислювальних пристроїв.

3. Основні характеристики обчислювальних пристроїв.

4. Загальні відомості про мікропроцесор.

5. Способи представлення інформації для мікропроцесора.

Література [ ] с.

1 Сучасний рівень розвитку науки і техніки вимагає виконання великої кількості складних математичних розрахунків. Для рішення таких задач широко використовується лічильно-обчислювальні пристрої для виконання складних і великих розрахунків, інші для керування технологічними процесами в оптимальному чи заданому режимі.

Електронно-обчислювальна машина (ЕОМ) представляє собою комплекс засобів для автоматичної обробки інформації. Згідно заданій програмі машина автоматично реалізує необхідний обчислювальний процес.

Основною частиною ЕОМ є процесор. Він призначений для логічної і арифметичної обробки інформації, а також для автоматичного керування процесом обчислення відповідно заданій програмі. Процесор організує і здійснює задану у вигляді програми послідовність дій – процес.

Мікро-ЕОМ (МЕОМ) є різновидом звичайної ЕОМ. Визначна особливість МЕОМ полягає в тому, що цифрова обробка інформації, перетворення даних і керування роботою всієї ЕОМ здійснюється однією мікросхемою, яка називається мікропроцесором, тобто МЕОМ – це ЕОМ, що виконана на базі мікропроцесора (МП).

Обчислювальні пристрої дозволяють не тільки полегшати рішення наміченого кола питань, але і поставити, рішити нові задачі, раніше недоступні людині.

2. Обчислювальні пристрої можна класифікувати за такими ознаками.

І За принципом дії.

1) Безперервної дії (аналогові) – математичні величини зображуються у вигляді безперервних значень яких-небудь фізичних величин (довжин, кутів, напруг і т. ін.).

2) Цифрові обчислювальні пристрої призначені для рішення різноманітних задач, значний об'єм серед яких приходиться на обробку інформації. Зображенню кожної цифри відповідає фізична величина, що змінюється дискретно.

ІІ За призначенням.

1) Математичні обчислювальні пристрої, які використовуються для виконання складних розрахунків при рішенні різних задач у всіх галузях науки і техніки.

2) Керуючі обчислювальні пристрої можуть працювати як в замкнених так і розімкнених колах регулюваннях. Ці пристрої за вхідними, вихідними і внутрішнім значенням параметрів системи впливають на процес керування таким чином, щоб він протікав оптимально.

3) Інформаційні обчислювальні пристрої призначені для запам'ятовування, обробки і оцінки за заданими критеріями великої кількості даних. Вони дозволяють в любий момент часу видавати необхідні відомості, виділяючи головне із всієї інформації. Застосовуються для рішення планово-економічних задач, обліку, статистики і т.д.

ІІІ За класом задач, що розв'язуються.

1) Універсальні обчислювальні пристрої призначені для розв'язання широкого кола задач із самих різних галузей науки і техніки.

2) Спеціалізовані обчислювальні машини призначені для рішення задач визначеного типу.

3. Щоб показати можливості різних МЕОМ користуються характеристиками (чи параметрами), до числа яких відносяться:

- операційні можливості МЕОМ – визначаються переліком команд, які ЕОМ здатна виконувати;

- ємність пам'яті - це визначена кількість інформації, яка може розміститися в пам'яті;

- швидкодія – це число операцій, що виконує процесор за одну секунду.

4. Мікропроцесор (МП) – це програмно-керуємий пристрій, призначений для обробки цифрової інформації та керування процесом цієї обробки, що виконується у вигляді однієї чи декількох мікросхем.

МП фізично представляє собою тонку пластинку кристалічного кремнію, на якій розташовані мільйон і більше транзисторів, які реалізують функції: вибірку, декодування і організацію виконання команд, перетворення і тестування даних, звертання до головної пам'яті і до зовнішніх пристроїв і т.д. Пластинка вмонтована у корпус, на якій розташовані виводи для з'єднання МП з іншими пристроями.

МП є основою багатьох пристроїв, однак окремий МП не представляє собою закінчений самостійно функціонуючий пристрій. Щоб розв'язати ту чи іншу конкретну задачу його треба з'єднати з деякими іншими пристроями (як мінімум з пристроями вводу-виводу інформації та запам’ятовуючими пристроями), запрограмувати їх роботу та забезпечити обмін інформацією МП з цими пристроями.

Таким чином, мікропроцесор – це стандартний (так як мікросхема), універсальний (так як програмований) пристрій, який дозволяє реалізувати прийом, обробку і передачу цифрової інформації.

5. Інформація, що оброблюється в МП, може бути як числовою так і не числовою, однак в обох випадках в МП вона представляється однаково у вигляді двоїчних чисел.

Група двоїчних цифр, яка оброблюється МП одночасно, називається машинним словом, а кількість двоічних цифр, що складають машинне слово, називається довжиною слова (розрядністю). Типова довжина слова (2^п) – 8, 16, 32, 64 і т.д.

Уся оброблювана інформація поділяється на два види: дані і команди. І ті, і інші можуть складатися із одного чи декілька машинних слів.

Контрольні питання.

1 Чим відрізняються ЕОМ і мікроЕОМ?

2 Який пристрій є основою ЕОМ і мікроЕОМ?

3 Для чого застосовують обчислювальні пристрої в биту, промисловості, технологічних процесах?

4 За якими ознаками і як класифікують автоматичні обчислювальні пристрої?

5 Дайте визначення «Мікропроцесор»

6 Що фізично представляють собою мікропроцесори?

7 Які основні функції може виконувати мікропроцесори?

8 Чому мікропроцесор вважають стандартним і універсальним пристроєм?

9 В якому вигляді представляється інформація в мікропроцесорі?

10 Що таке машинне слово і розрядність машинного слова?

11 На які види поділяється оброблювана інформація в мікропроцесорі?

1.1.2 Загальні відомості про мікропроцесорну техніку (МПТ).

1. Класифікація мікропроцесорної техніки (МПТ).

2. Структура мікропроцесорних автоматичних систем (МПАС).

3. Принципи будування МПТ.

4. Галузь застосування МП засобів.

Література [] с.

1. Основна функція МП - перетворювати інформацію, тобто його треба віднести до однієї із груп елементів (пристроїв), що відносяться до технічних засобів систем автоматичного регулювання та керування.

Мікропроцесорна система (МПС) – це сукупність взаємозв'язаних пристроїв, включаючи один чи декілька МП, пам'ять (ЗП), пристрої вводу-виводу і ряд інших пристроїв, що націлені на виконання деяких чітко визначених функцій.

Мікро-ЕОМ (МЕОМ) - це конструктивно завершена МПС, що має пристрої зв'язку з зовнішніми пристроями, панель керування, власне джерело живлення та комплект програмного забезпечення.

Мікроконтроллер - пристрій, що виконує функції логічного аналізу (складні послідовності логічних операцій) та керування, реалізується на одному чи декількох кристалах (мікросхемах). Таким чином, мікроконтролер – це мікропроцесорний управляючий пристрій, в якого за рахунок скорочення функцій з виконання арифметичних операцій можна зменшити їх апаратну складність и розвити функції логічного керування.

Мікропроцесорна автоматична система (МПАС) – це автоматична система з вбудованими в неї засобами мікропроцесорної техніки.

2. Структура и взаємозв'язок основних засобів МПТ в рамках МПАС показані на рисунку 1.1.

МП є|з'являється| складовою частиною МПС і відповідно МЕОМ і МПАС, він складається з арифметико-логічного пристрою (АЛП), пристрою керування (ПК) і блоку регістрів|реєстрів| (БРГ). МПС окрім МП (одного або декількох) містить|утримує| оперативне і постійне ЗУ (ОЗП і ПЗП), пристрої|устрої| вводу-виводу|висновку| (ПВВ). МПС – одна з складових частин МПАС.

Рисунок 1.1.

Взаємодія частин|часток| МПАС здійснюється за допомогою шин: адресної (ША), даних (ШД) і керування (ШУ), що зв'язують в єдину систему компоненти МПС, а так само шин вимірювання,|виміри| контролю і керування, які спільно з|із| відповідними пристроями|устроями| зв'язку з|із| об'єктом (процесом) забезпечують безпосередню взаємодію МПС з|із| керованим об'єктом або процесом.

На рисунку 1.2. представлена|уявляти| загальна|спільна| схема МПАС, в якій показаний зв'язок МПС з|із| об'єктом. Тут позначено: М – мультиплексор, ДМ- демультиплексор|, Д- датчик, ВМ - виконавчий механізм. МЦАП, МАЦП – багатоканальні ЦАП і АЦП, що з'єднують|поєднують| в собі функції одноканальних ЦАП і АЦП, а так само демультиплексорів| і мультиплексорів.

Рисунок 1.2.

4. Проектування і будування|шикування| МПТ проводиться по таким|слідуючих| принципам: модульність, магістральність|, мікропрограміруємість|, регулярність структури.

• Модульна організація припускає будування систем на основі модулів – конструктивно, функціонально і електрично завершених пристроїв, які можуть самостійно або в сукупності з іншими модулями вирішувати обчислювальні і управлінські завдання певного класу.

• Магістральність - спосіб обміну інформацією усередині модулів і між модулями за допомогою загальних магістралей (шин), об'єднуючих вхідні і вихідні лінії окремих елементів і модулів.

• Мікропрограміруємість – спосіб організації керування, що дозволяє здійснити проблемну орієнтацію системи.

• Регулярність структури – припускає закономірну повторюваність елементів структури і зв'язків між ними.

МП як програмований цифровий пристрій|устрій| обробки інформації характеризується такими|слідуючими| показниками і зв'язками їх з|із| внутрішньою і зовнішньою структурою МП: швидкодія; універсальність (спеціалізація); об’єм пам’яті; |реєстрів| магістральність|, мікропрограмне керування.

3. Що ж дає застосування|вживання| МПТ в різних галузях науки і техніки?

Низька вартість, малі розміри, висока надійність і універсальність у функціональному відношенні|ставленні| засобів|коштів| МПТ дозволяють забезпечити будь-яку обробку інформацію (точнішу і швидшу), в будь-якому місці технічного об'єкту або технологічного процесу, тобто забезпечується вбудованість| цих засобів|коштів|. Крім того, з'являється|появляється| можливість|спроможність|:

- здійснення безпосереднього цифрового керування за формульними| залежностями;

- реалізація складних алгоритмів регулювання і керування;

- ефективного забезпечення локальної автоматизації;

- високого ступеня|мірі| паралелізму в обробці інформації;

- сполучення|спряження| вимірювальних засобів|коштів| і приладів з|із| дисплеями і іншою периферією за допомогою стандартного інтерфейсу;

- здійснення функціонального перетворення сигналів, їх первинної і статистичної обробки, масштабування інформації, що поступає|надходить| з датчиків;

- проведення тестових методів корекції і самодіагностики|.

Завдяки появі мікропроцесорів стало можливим виробництво могутніх калькуляторів, мікроконтролерів і інших засобів|коштів| обчислювальної техніки|задач|. З|із| появою цих дешевих обчислювальних засобів|коштів| стала доступною і широко поширеною така продукція, як автоматичні регулятори|регулювальники| температури, печі високочастотного нагріву, телефонні апарати з|із| пам'яттю, верстати з|із| числовим програмним керуванням (ЧПК) і так далі.

Контрольні питання.

1 Що таке мікропроцесорна система, мікро-ЕОМ, мікроконтролер, мікропроцесорна автоматична система?

2 З яких основних конструктивних елементів складається МП?

3 З яких конструктивних елементів складається МПС і МПАС?

4 За допомогою яких пристроїв здійснюється зв'язок з пристроями, що входять до складу МПС?

5 Що входить до складу пристрою зв’язку з об’єктом в рамках МПАС?

6 За якими принципами здійснюється проектування і будування мікропроцесорної техніки?

7 Які можливості з’являються при застосуванні мікропроцесорної техніки?