Жуков К.С. Средства вычислительной техники 2011

МГТУ им Н. Э. Баумана

Приборостроительный факультет

Конспект лекций по предмету:

«Средства вычислительной техники»

	Студента группы ПС1–83
	Псарёва И.Б.
Составил:	Жуков К.С.

Москва, 2011

Содержание

Понятие вычислительной системы 3

Организация микроконтроллерных систем управления 6

Интерфейс связи 8

Микроконтроллеры. Основные сведения 9

Интерфейсы связи с датчиками 12

Схемотехника АЦП 17

Стандартные интерфейсы связи 23

Состояние СТАРТ и СТОП 27

Подтверждение 28

Адресация в шине I2C 29

Преимущества 30

Введение 31

Электрическое подключение 31

Протокол передачи 33

Cравнение с шиной I2C 34

Описание стандарта 39

Контроль ошибок 41

Скорость передачи и длина сети 42

Методы выявления и устранения ошибок данных при передаче 43

Коды обнаружения 45

Бит чётности 46

Формализованный алгоритм расчёта CRC16 46

Корректирующие коды 47

Некоторые методы (алгоритмы) обработки сигналов 48

Табличные вычисления 50

Тарировочные таблицы 51

Разностное уравнение дискретного фильтра 54

Рекурсивные (БИХ) и нерекурсивные (КИХ) фильтры 55

Устойчивость 58

Регулятор типа П – пропорциональный 60

Регулятор типа ПИ – пропорционально-интегральный 60

Регулятор типа ПИД – пропорционально-интегрально-дифференциальный 61

Реализация регуляторов 61

Примерная реализация ядра регулятора на языке Си 62

Выбор длительности такта 63

Вычисления с плавающей и фиксированной точкой 65

Основы технологии разработки программного обеспечения 67

Операторы цикла 71

Условный оператор 71

Оператор выбора 71

Понятие вычислительной системы

Вычислительная система (ВС) – совокупность программно-аппаратных средств, предназначенных для решения задач вычисления и управления.

Под задачей вычислений понимаются вычисления как таковые – расчет математической модели, работа с базой данных, обработка изображения и звука и т.п.

Под задачей управления понимается такая вычислительная задача, которая в качестве исходных данных имеет сигналы реальных измерений состояния объекта управления, а в качестве выходных – управляющие сигналы, изменяющие состояние объекта управления. Характерной чертой задачи управления является работа в реальном времени.

В настоящее время наблюдается развитие и широкое применение различного рода ВС во многих сферах человеческой деятельности. Одним из наиболее активно развивающихся направлений этого процесса является разработка и применение ВС. на мобильных объектах. Такие ВС получили название бортовых цифровых вычислительных систем (БЦВС).

Появление БЦВС связано с тем, что стационарные ВС не удовлетворяли требованиям к ним со стороны комплексов бортового оборудования по производительности и точности. Кроме того, успехи современной интегральной технологии обеспечили снижение массы, объема и потребляемой мощности отдельных элементов вычислительной техники, что увеличило возможности по размещению компонентов ВС на борту мобильного объекта.

Прогресс в развитии БЦВС в свою очередь привел к появлению т.н. встраиваемых систем, используемых теперь повсеместно в любой «умной» технике гражданского назначения.

Встраиваемая система (англ. embedded system) — это специализированная компьютерная система, в которой сам компьютер (вычислитель) обычно встроен в устройство, которым он управляет.

Эти системы можно видеть везде – бытовая техника, автомобили, игрушки и т.п.

Встраиваемая система, по сути, стала гражданским применением методов, наработанных в процессе развития БЦВС. Массовость применения таких систем привела к бурному развитию аппаратной части, методов и алгоритмов, а также технических стандартов и регламентов, оговаривающих правила создания новых систем и их элементов. В результате получилась внушительная база программно-аппаратных решений (модулей), которые могут быть типовым образом использованы для создания новых систем – система строится как из кубиков, где под «кубиком» следует понимать, как и некоторый аппаратный блок (модуль), так и способ (описанный в стандарте или инструкции) применения или соединения модулей между собой.

Таким образом, прогресс гражданской техники обогнал прогресс военной и в настоящее время можно говорить о заимствовании гражданских технологий в военной сфере.

Авионика (от слов авиация и электроника) — совокупность всех электронных систем, разработанных для использования в авиации. На базовом уровне это системы коммуникации, навигации, отображения и управления различными устройствами — от сложных (например, радара) до простейших (например, поискового прожектора полицейского вертолёта).

БЦВМ – бортовая цифровая вычислительная машина.

БЦВС – совокупность взаимосвязанных и согласованно действующих аппаратно-программных средств передачи, хранения и обработки информации, размещаемых на объекте (подвижном) и предназначенных дл преобразования входных данных в выходные в соответствии с заданными целями функционирования – совокупность БЦВМ.

Многомашинная БЦВС – комплекс, объединяющий несколько вычислительных машин, решающих локально автономные задачи.

Многопроцессорная БЦВС – совокупность вычислительных средств (процессоров), работающая под управлением единой ОС. Все процессоры работают с физически одной и той же памятью, каналами ввода-вывода.

(Б)ЦВМ состоит из аппаратных и программных средств. В самом общем виде БЦВМ представляет собой процессор (вычислительное ядро), память ОЗУ и ПЗУ, периферийные устройства (приемо-передатчиков, генераторы, преобразователи) и программу. Помимо программы, выполняющей целевую задачу, в ЦВМ может присутствовать ряд служебных программ, таких как операционная система и драйвера устройств.

Драйвер устройства – специализированная программа, предоставляющая программный интерфейс для работы со специфической аппаратурой ЦВМ. Например, драйвер звуковой карты.

Операционная система, ОС (англ. operating system) — базовый набор функций, обеспечивающий управление аппаратными средствами вычислителя.

ОС позволяет абстрагироваться от деталей реализации аппаратного обеспечения, предоставляя разработчикам программного обеспечения минимально необходимый набор функций.

С точки зрения БЦВМ для СУ главными задачами ОС являются:

• Пакетный режим

Необходимость оптимального использования дорогостоящих вычислительных ресурсов привела к появлению концепции «пакетного режима» исполнения программ. Пакетный режим предполагает наличие очереди программ на исполнение, причём ОС может обеспечивать загрузку программы с внешних носителей данных в оперативную память, не дожидаясь завершения исполнения предыдущей программы, что позволяет избежать простоя процессора.

• Разделение времени и многозадачность

Разделение полномочий – ограничение на возможности модификации исполняемой программы или данных одной программы в памяти компьютера другой, поддержана разработчиками процессоров, предложивших архитектуры с двумя режимами работы процессора — «реальным» (в котором исполняемой программе доступно всё адресное пространство компьютера) и «защищённым» (в котором доступность адресного пространства ограничена диапазоном, выделенном при запуске программы на исполнение).

• Реальный масштаб времени

Кратко – основная задача ОС – диспетчеризация выполнения нескольких задач на одном вычислителе.

Центральный процессор (ЦП) — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

В процессе технического развития ВС сформировался ряд типовых решений (как программных, так и аппаратных), совокупности который позволяли решать практически весь круг потребных задач. В результате этого появились устройства, которые изначально несли в себе набор типовой аппаратуры для решения задач управления – контроллеры. С прогрессом микроэлектронной промышленности появилась возможность изготавливать всю аппаратуру контроллеров на едином кристалле – процессор, память, периферийные устройства. Получившееся устройство назвали однокристальной ЭВМ или микроконтроллером.

Микроконтроллер (МК) – устройство (микросхема), включающее в себя процессор, память (ОЗУ и ПЗУ) и различные специализированные периферийные устройства, реализованные на одном кристалле и помещенном в единый миниатюрный корпус.