Конспект лекций по дисциплине: «Микропроцессорные
системы управления в электроэнергетике»
(для групп дневной формы обучения 4 курс)
Объем курса – 36 часов
Составитель – старший научный сотрудник, кандидат технических наук
Балюн А.Г.
1990 Г Литература
Д. Гивоне, Р. Россер. Микропроцессоры и микрокомпьютеры. Вводный курс. Перевод с английского. – М.: Мир, 1983.
Д. Корфрон. Технические средства микропроцессорных систем. Практический курс. Перевод с английского. – М.: Мир, 1983.
С.Т. Хвощ, Н.Н. Варлинский, Е.А. Попов. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления. Справочник. – Л.: Машиностроение, 1987.
Р. Токхайм. Микропроцессоры: курс и упражнения. Перевод с английского, под ред. В.Н. Грасевича – М.: Энергоатомиздат, 1988.
1. Эвм и микроЭвм. Общие сведенья.
1.1. Поколения ЭВМ.
В 1949г. создана первая ЭВМ на лампах. В 1951 году была создана первая промышленная ЭВМ (UnivacI). В этом же году появилась и в СССР Киев у Глушкова первая ЭВМ. Это были машины первого поколения.
Второе поколение – на транзисторах и полупроводниках (Проминь, Днепр, Минск).
В 1959г. изобрели интегральные схемы.
В 1965г. был создан первый миникомпьютер. (В СССР – М6000, М40-30, БЭСМ, машины ряда ЕС). Миникомпьютеры уже не были всецело предназначены для обработки данных и решения задач; их начали включать как составные части в системы, требовавшие быстрого принятия решений, - системы реального времени.
С появлением в 1971г. микропроцессоров началась эра программируемой логики.
Микропроцессор – это программируемое логическое устройство, изготовленное по БИС-технологии. В конструкцию микропроцессора заложена большая гибкость. Сам по себе он не может решить ту или иную конкретную задачу. Чтобы решить задачу, его нужно запрограммировать и соединить с другими устройствами. В их число входят память и устройства ввода/вывода.
В общем случае, некоторая совокупность соединенных друг с другом системных устройств, включающая микропроцессор, память и устройства ввода/вывода, нацеленная на выполнение некоторой четко определенной функции, называется микропроцессорной системой или микроЭВМ.
1.2. Типовая структура эвм.
Типовая ЭВМ включает пять функциональных блоков: устройство ввода, память, арифметическое устройство, устройство управления и устройство вывода.
Рис. 1.1. Принцип организации ЭВМ
Аппаратура способна выполнять только ограниченный набор элементарных операций. Все остальные функциональные возможности ЭВМ достигаются программным путем.
Программа – это определенным образом организованная совокупность элементарных машинных операций, называемых командами, с помощью которых осуществляется обработка информации и данных.
Программа и данные сначала накапливаются в памяти, куда они поступают через устройство ввода. Затем отдельные команды программы одна за другой автоматически поступают в устройство управления, которое их расшифровывает и выполняет. Для выполнения операции обычно требуется, чтобы данные поступили в арифметическое устройство, содержащее все необходимые для их обработки электронные схемы. В процессе вычислений или после их завершения полученные результаты направляются в устройство вывода. Арифметическое устройство и устройство управления вместе обычно называются центральным процессорным устройством (ЦПУ) или центральным процессором (ЦП). Центральный процессор, изготовленный в виде БИС, и есть микропроцессор.
Память
Запоминание и хранение больших объемов информации происходит в памяти, точнее в запоминающем устройстве. ЗУ подразделяются на подблоки, называемые регистрами, каждый из которых способен хранить одно машинное слово. Группа двоичных цифр, обрабатываемых одновременно, называется машинным словом, а число двоичных цифр, составляющих слово, называется длиной слова. Типичные микроЭВМ имеют длину слова 4, 8, 12, 16 двоичных разрядов. В силу особой распространенности слово длиной 8 бит имеет специальное название – байт.
Каждый регистр в ЗУ, или ячейка памяти имеет свой адрес. Адрес – это просто целое число, однозначно идентифицирующее ячейку. Слово, хранящееся в ячейке, называют содержимым этой ячейки.
Арифметическое устройство (АУ)
Обработка данных осуществляется главным образом в АУ. Эта обработка включает в себя как арифметические, так и логические операции – они очень элементарны (сложить два числа, вычесть, сравнить, сдвинуть одно по отношению к другому, инвертировать, логический умножить, исключить ИЛИ).
Главный регистр в АУ – аккумулятор.
Имеется в АУ несколько рабочих регистров для кратковременного хранения результатов вычисления.
АУ содержит также признаковые биты – флажки. Флажки содержат информацию, характеризующую состояние процессора и результаты сравнения чисел. Состояние флажков вместе с другой важной информацией о состоянии ЭВМ хранится в специальном регистре – слове состоянии программы (PSW – program status word).
Устройство управления (УУ)
УУ управляет работой ЭВМ. Оно автоматически, последовательно по одной, получает команды из памяти, декодирует каждую из них и генерирует необходимые для ее выполнения сигналы.
В УУ находится программный счетчик для указания адреса очередной команды. При получении в УУ команды содержимое счетчика автоматически увеличивается на 1.
Поступающие в УУ команды записываются в регистре команд. Каждая команда содержит код операции, данные или адрес. Код операции – это совокупность двоичных цифр, которые однозначно определяют операцию, выполняемую в процессе интерпретации команды. Адресная часть команды (если она присутствует) указывает на ячейки (например, в памяти), к которым нужно обратиться, выполняя команду.
Необходимо адрес ячейки различать с ее содержимым и не путать эти понятия.
Следующая функция УУ – это синхронизация работы отдельных блоков ЭВМ. Она осуществляется с помощью тактового генератора. Обработка команды занимает несколько периодов тактового генератора. В общем случае, команда в ЭВМ сначала выбирается из памяти, потом декодируется, а затем выполняется. Выборка, декодирование и выполнение распадаются на несколько временных интервалов. Каждый из этих интервалов, включающий один или несколько периодов тактового генератора, представляет собой так называемый машинный цикл. Совокупное время, требуемое для выборки, декодирования и выполнения команды, образует командный цикл, или цикл выполнения команды.
Устройство ввода/вывода (УВВ)
Через устройство ввода/вывода осуществляется контакт ЭВМ с внешним миром. Они являются буферами для преобразования информации с тех языков, уровней и тех скоростей, на которых работает ЭВМ, к тем, которые воспринимает человек или другая связанная с ЭВМ система. УВВ представляет собой периферийные устройства ЭВМ. Точки контакта между УВВ и ЭВМ называются портами ввода/вывода.