Технические средства

Техническими средствами автоматизации технологических процессов являются: микропроцессорные системы, автоматические управляющие устройства (АУУ), датчики, устройства представления и воспроизведения информации, коммуникационные устройства, исполнительные устройства.

АУУ в виде механических устройств, гидравлических, пневматических систем и приборов, электрических и электронных устройств не являются микропроцессорными системами, они появились задолго до внедрения микропроцессорных систем управления, но еще не полностью вытеснены последними, так как позволяют эффективно реализовывать управление отдельными видами оборудования. К АУУ относятся, например, операционные усилители, выполняющие различные действия над электрическими сигналами.

В настоящее время сложная электроника, основанная на полупроводниках, стала намного дешевле и проще в использовании, чем электромеханические и релейные системы. Техническая база современной автоматизации технологических процессов - это микропроцессорные системы и промышленные информационные сети.

Микропроцессорные системы

Микропроцессорная система - совокупность устройств и программного обеспечения, осуществляющая цифровую обработку информации и реализующая информационные процессы. Микропроцессорная система может включать следующие блоки (подсистемы):

  • - центральный процессор (универсальный микропроцессор);
  • - сопроцессоры (специализированные микропроцессоры);
  • - основная (внутренняя) память;
  • - интерфейсные средства;
  • - вспомогательные устройства;
  • - периферийные устройства.

Все устройства, входящие в микропроцессорную систему можно разделить на две группы:

  • - системные или центральные, обладающие системными ресурсами;
  • - периферийные или внешние, не обладающие системными ресурсами.

К системным ресурсам относятся адресные пространства памяти и устройств ввода и вывода, каналы запросов прерываний и прямого доступа к памяти, то есть средства, используемые для обмена данными.

Микропроцессорными системами являются: компьютеры, ПЛК, микроконтроллеры, электронные записные книжки.

Микропроцессорные системы конструктивно могут представлять собой:

  • - комплекс устройств - несколько приборов работающих как одно целое, например, настольный персональный компьютер;
  • - прибор, например, сервер, ПЛК, электронная записная книжка;
  • - микросхему - микроконтроллер.

Архитектура микропроцессорной системы - концептуальная структура микропроцессорной системы, определяющая особенности обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные, а также принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения в микропроцессорной системе. По способу организации выборки команд и данных различают две архитектуры микропроцессорных систем:

  • - принстонская или архитектура Фон-Неймана, особенности которой следующие: общая оперативная память для хранения программ, данных, и организации стека, общая системная шина, по которой в процессор поступают команды и данные, а в оперативную память записываются результаты;
  • - гарвардская особенность, которой - физическое разделение памяти команд (программ) и памяти данных.

Архитектура Фон-Неймана реализуется в структуре большинства микропроцессорных систем, например, в компьютерах. Гарвардская архи тектура нашла широкое применение в микроконтроллерах, а также в структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров, в кэш-памяти с раздельным хранением команд и данных.

Микропроцессор - программно-управляемое устройство, выполненное в виде микросхемы, предназначенное для обработки информации. Конструктивно микропроцессор может выполняться на одном или нескольких кристаллах. Микропроцессор является универсальным устройством обработки информации и находит широкое применение в цифровых системах различного назначения.

Структура микропроцессора - совокупность его модулей, элементов, а также связей между ними и их функциональных характеристик. Структура определяет аппаратную организацию микропроцессора, то есть состав и взаимодействие аппаратных средств, размещенных в микросхеме.

Основным модулем микропроцессора является центральный процессор (CPU), включающий одно или несколько операционных устройств, называемых также арифметико-логическими устройствами (АЛУ), устройство управления, память в виде набора регистров и кэш-память. АЛУ и устройство управления образуют процессорное ядро. Процессоры, содержащие несколько процессорных ядер, называют многоядерными.

Операционное устройство выполняет определенный набор команд. Устройство управления управляет выполнением команд, а именно формирует требуемую последовательность управляющих сигналов (микрокоманд, выполняемых на одном процессорном такте). Устройство управления информируется операционным устройством посредством осведомительных сигналов о состоянии последнего.

Регистры и кэш-память образуют быстродействующую память микропроцессора. Часть регистров доступна программисту и предназначена для хранения операндов (обрабатываемых данных) и выполнения действий над ними, формирования адреса для взаимодействия с памятью и ряда других действий. Хранение во внутренних регистрах операндов ускоряет выполнение программы, так как отсутствует необходимость обращения к основной памяти, которое требует дополнительного времени. Другая часть регистров, доступ к которым может быть ограничен и даже исключен (программно невидимые регистры), используется процессором для слу жебных (системных) целей.

Для ускорения доступа процессора к основной памяти между ними размещается быстродействующая память - кэш-память, которая включает устройство управления памятью и буфер трансляции адреса, преобразующий адрес ячейки основной памяти в соответствующий адрес обращения к кэш-памяти. В буфер трансляции адреса записываются базовые адреса страниц памяти команд и данных, к которым выполнялись последние обращения. При обращении к ним их базовые адреса считываются из буфера, что ускоряет формирование физического адреса.

Микропроцессор может также содержать вспомогательные устройства. Состав компонентов, входящих в структуру микропроцессора, и реализуемые механизмы их взаимодействия определяются функциональным назначением (универсальный микропроцессор, специализированный микропроцессор, сопроцессор и другие) и областью применения микропроцессора.

Микропроцессоры реализуют алгоритмы двумя способами: аппаратным и программным.

Аппаратный способ реализации алгоритма заключается в том, что для выполнения каждой операции используется свое АЛУ и распределение переменных по входам и выходам АЛУ при реализации алгоритма не изменяется. Порядок реализации алгоритма определяется схемой соединения операционных устройств. Недостатками рассмотренного способа являются возможность решения задач одного уровня и зависимость количества операционных устройств от сложности алгоритма.

Программный способ реализации алгоритма базируется на возможности решения задач разного уровня одним операционным устройством в разное время. Распределение переменных по входам и выходам АЛУ изменяется при реализации алгоритма, а порядок выполнения операций определяется программой.

Архитектура микропроцессора, под которой понимают совокупность его аппаратных и программных средств, обеспечивающих обработку информации (выполнение программ), является более общим понятием по сравнению с понятием «структура» и определяет логическую организацию микропроцессора. Архитектура микропроцессора включает в себя: набор программно-доступных регистров и операционных устройств, систему основных команд и способов адресации, объем и организацию адресуемой памяти, виды и способы обработки данных (обмен, прерывания, прямой доступ к памяти и другие). Например, современные 32-разрядные микропроцессоры х86 с архитектурой IA-32 имеют стандартный набор регистров, общую систему основных команд, одинаковые способы организации и адресации памяти, защиты памяти и обслуживания прерываний.

Совокупность задействованных в командах микропроцессора регистров, или программно-доступных регистров, образуют регистровую модель микропроцессора. В регистровой модели можно выделить две группы регистров:

  • - регистры общего назначения, предназначенные для хранения операндов (в том числе адресных кодов) и образующие внутреннюю память микропроцессора;
  • - служебные регистры, предназначенные для управления выполняемой программой, обеспечения требуемого режима работы микропроцессора, организации обращения к памяти и выполнения других функций.

Состав и количество служебных регистров определяются архитектурой микропроцессора. К основным служебным регистрам следует отнести:

  • - программный счетчик или указатель команды;
  • - регистр состояния или флагов;
  • - регистры управления режимом работы микропроцессора;
  • - регистры, реализующие сегментную и страничную организацию памяти;
  • - регистры, обеспечивающие отладку программ и тестирование микропроцессора.

Микропроцессоры могут содержать и другие служебные регистры.

Функционирование микропроцессора представляется в виде регистровых пересылок - процедур изменения состояния этих регистров путем чтения-записи их содержимого. В результате таких пересылок обеспечиваются адресация и выбор команд и операндов, хранение и пересылка результатов, изменение последовательности команд и режимов функционирования микропроцессора в соответствии с поступлением нового содержимого в служебные регистры, а также все другие процедуры, реализую щие процесс обработки информации согласно заданным условиям.

По формам используемых команд (инструкций) различают следующие архитектуры микропроцессоров:

  • - CISC - относится к микропроцессорам с набором сложных команд;
  • - RISC - относится к микропроцессорам с сокращенным набором команд;
  • - VLIW - относится к микропроцессорам, в которых используются длинные команды.

По функциональному признаку выделяют два класса микропроцессоров:

  • - универсальные микропроцессоры;
  • - специализированные микропроцессоры, из которых наиболее широкое распространение получили сопроцессоры, цифровые сигнальные процессоры (ЦСП, DSP), микроконтроллеры.

Универсальные микропроцессоры предназначены для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации и находят применение в персональных компьютерах, серверах и других устройствах. Обычно это 32-разрядные микропроцессоры, которые изготавливаются по самой современной технологии, обеспечивающей максимальную частоту функционирования. Некоторые микропроцессоры этого класса имеют 64-разрядную или 128-разрядную структуру.

Практически все современные универсальные микропроцессоры используют гарвардскую архитектуру с разделением потоков команд и данных при помощи отдельных блоков кэш-памяти. В большинстве случаев они имеют суперскалярную структуру с несколькими исполнительными конвейерами (до 10 в современных моделях), каждый из которых содержит до 20 ступеней

Некоторые типы универсальных микропроцессоров относят к CISC-процессорам, поскольку используют набор разноформатных команд с различными способами адресации. В их внутренней структуре может содержаться RISC-ядро, выполняющее преобразование поступивших команд в последовательность простых RISC-операций. Другие типы микропроцессоров этого класса имеют непосредственно RISC-архитектуру. В некото рых разработках (Itanium РА8500) реализован принцип VLIW-архитектуры.

Сопроцессор - специализированный процессор, расширяющий возможности центрального процессора микропроцессорной системы, но оформленный как отдельный функциональный модуль. Физически сопроцессор может быть отдельной микросхемой или может быть встроен в центральный процессор (как в случае математического сопроцессора в персональных компьютерах начиная с Intel 486DX).

Различают следующие виды сопроцессоров:

  • - математические сопроцессоры общего назначения, обычно ускоряющие вычисления с плавающей запятой;
  • - сопроцессоры ввода/вывода (например - Intel 8089), разгружающие центральный процессор от контроля за операциями ввода и вывода или расширяющие стандартное адресное пространство процессора;
  • - сопроцессоры для выполнения каких-либо узкоспециализированных вычислений.

ЦСП (DSP) предназначены для цифровой обработки поступающих аналоговых сигналов в реальном времени. Архитектура ЦСП ориентирована на быстрое выполнение последовательности операций умножения-сложения с накоплением промежуточного результата в регистре-аккумуляторе, что обусловлено особенностью алгоритмов обработки аналоговых сигналов. Поэтому набор команд этих процессоров содержит специальные команды умножения с накоплением, реализующие эти операции.

Значение оцифрованного аналогового сигнала может быть представлено в виде числа с фиксированной или с плавающей точкой. В соответствии с этим ЦСП делятся на два класса:

  • - обрабатывающие числа с плавающей точкой, которые проводят вычисления над 32 и 40-разрядными операндами и обеспечивают более высокую точность результатов;
  • - обрабатывающие числа с фиксированной точкой, к этому классу относятся более простые и дешевые ЦСП, которые обычно обрабатывают 16 и 24-разрядные операнды, представленные в виде правильной дроби, но ограниченная разрядность не позволяет обеспечить необходимую точность результатов.

Для повышения производительности при выполнении специфических операций обработки сигналов в большинстве ЦСП реализуется гарвардская архитектура с использованием отдельных шин для передачи адресов, команд и данных. В ряде ЦСП нашли применение также некоторые черты VLIW-архитектуры, для которой характерно совмещение в одной команде нескольких операций. Такое совмещение обеспечивает обработку имеющихся данных и одновременную загрузку в исполнительный конвейер новых данных.

Микроконтроллеры являются встраиваемыми микропроцессорными системами (встроенными системами), концепция разработки которых заключается в том, что данные системы будут работать, будучи встроенными, непосредственно в конкретное оборудование. В связи с тем, что встраиваемые системы размещаются внутри более сложных устройств, при их разработке ключевую роль играют следующие факторы:

  • - минимальное собственное энергопотребление (возможно автономное питание);
  • - минимальные собственные габариты и вес;
  • - собственная защита (корпус) минимальна и обеспечивается прочностью и жесткостью конструкции устройства;
  • - функции отвода тепла (охлаждения) обеспечивают минимум требований тепловых режимов;
  • - специальные военно-космические требования по радиационной и электромагнитной стойкости, работоспособность в вакууме, гарантированное время наработки и т.д.

Микроконтроллеры представляют собой разновидность промышленных контроллеров и встраиваются в следующие устройства:

  • - банкоматы и платежные терминалы;
  • - телекоммуникационное оборудование;
  • - счетчики электроэнергии и микропроцессорные устройства релейной защиты (МУРЗ);
  • - технологическое и энергетическое оборудование;
  • - устройства бытовой техники.

Устройства, в которые встроены микроконтроллеры, называют микропроцессорными устройствами.

Основная или внутренняя память микропроцессорных систем реализуется двумя видами запоминающих устройств: оперативные запоминающие устройства (ОЗУ, RAM) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), которые логически располагаются в едином адресном пространстве.

Запоминающие устройства реализуют функцию памяти в микропроцессорных системах и устройствах вычислительной техники. Основной характеристикой запоминающего устройства является емкость памяти -наибольший объем информации, который одновременно может храниться в запоминающем устройстве. Емкость памяти количественно оценивается в байтах и битах. Быстродействие запоминающего устройства характеризуется временем цикла записи или считывания информации и временем обращения к памяти, включающим в себя оба цикла. Удельная потребляемая мощность запоминающего устройства - затраты мощности па хранение и обращение к информации, отнесенные к одному биту.

ОЗУ предназначено для хранения команд выполняемой программы или ее фрагментов и подлежащих обработке данных. Обращение к ОЗУ по системной шине требует значительных затрат времени, а поэтому для повышения скорости обмена данными (включая считывание команд) дополнительно вводится до трех уровней быстродействующей буферной кэшпамяти объемом до сотен килобайт и более. Первый и второй уровни кэшпамяти обычно располагаются в центральном процессоре. Оперативная память вместе с кэш-памятыо всех уровней представляет единый массив памяти, непосредственно доступной центральному процессору для записи и считывания данных, а также для считывания программного кода. ОЗУ реализуются в виде отдельных модулей - микросхем.

По способу хранения информации различают следующие ОЗУ:

  • - статические, построенные на транзисторах, в таких ОЗУ состояние элементов памяти при хранении информации остается неизменным;
  • - динамические, в которых состояние элементов памяти (обычно полупроводниковых емкостей) не остается неизменным и требует периодического проведения регенерации (восстановления) исходных уровней сигналов.

В состав ОЗУ входят: дешифраторы строк и столбцов, обеспечивающие выбор требуемого элемента памяти; накопитель, состоящий из эле ментов памяти; блок транзисторных ключей выборки столбцов, отпирающихся по сигналу «логическая единица» дешифратора столбцов; устройство ввода-вывода, содержащее усилители записи и считывания, инвертор, два транзисторных ключа для подключения устройства к разрядным шинам накопителя; узел управления, состоящий из логических элементов.

ПЗУ предназначено для хранения стандартных неизменяемых программ и констант. В ПЗУ обычно записываются программы начальной инициализации (загрузки) систем, тестовые и диагностические программы и другое системное программное обеспечение, которое не изменяется при эксплуатации микропроцессорной системы. ПЗУ может представлять собой:

  • - память только для чтения (ROM) - масочное ПЗУ, в которых перемычки в накопителе формируются в заводских условиях на заключительной стадии изготовления микросхем памяти;
  • - однократно перепрограммируемую (репрограммируемую) «перепрошиваемую» память (PROM) - пользователь имеет возможность с помощью специального устройства (программатора) один раз осуществить пережигание плавких перемычек, исходя из собственной программы или кода;
  • - перепрограммируемую память (EPROM, EEPROM), допускающую многократное перепрограммирование.

ПЗУ работают только в режимах хранения и считывания. Накопители ПЗУ имеют матричную структуру. Микросхемы ПЗУ имеют словарную организацию, при которой информация считывается в форме многоразрядного кода (кодового слова). Ячейка памяти - совокупность элементов памяти в матрице накопителя, хранящих кодовое слово. Каждая ячейка памяти имеет свой адрес. Число элементов памяти в ячейке п определяет ее разрядность. При количестве адресных входов m число ячеек 2т, а информационная емкость ПЗУ составляет 2mxn бит.

ПЗУ содержит: дешифратор с двумя адресными входами и четырьмя выходами, образующими адресные шины; пять разрядных шин; последовательные цепи, составленные из полупроводниковых диодов и плавких перемычек, подключенные между адресными и разрядными шинами; пять сигнальных лампочек, используемых для индикации состояния ПЗУ. Наличие плавких перемычек обеспечивает энергонезависимость ПЗУ.

Интерфейсные средства обеспечивают взаимодействие между собой центрального процессора, сопроцессоров, основной памяти и периферийных устройств. К интерфейсным средствам микропроцессорной системы относятся следующие.

  • 1. Системная шина - специальный кабель, состоящий из множества проводников. По одной группе проводников - шине данных производятся выборка команд, поступающих из основной памяти в устройство управления центрального процессора, пересылка операндов между центральным процессором и ОЗУ или устройством внешней памяти, по другой - шине адреса - адреса ячеек основной памяти или системных устройств, к которым подключаются периферийные устройства. Третья часть магистрали -шина управления, по ней передаются управляющие сигналы, которые задают режим работы микропроцессорной системы.
  • 2. Шины расширения или ввода/вывода обеспечивают высокую функциональность микропроцессорной системы и предназначены для подключения различных контроллеров и адаптеров, которые служат для сопряжения периферийных устройств с системной шиной и соответственно с центральным процессором и основной памятью.
  • 3. Системная логика представляет собой набор микросхем для организации обмена данными между центральным процессором и периферийными устройствами, который также называют чипсетом (chipset). Чипсет включает интерфейс шины процессора, контроллеры памяти, шины ввода/вывода и другие.
  • 4. Конструктивные интерфейсные средства: карты (платы) расширения, слоты, переключатели, кабели, разъемы и другие. К данной группе интерфейсных средств также относят устройства, обеспечивающие соединение микропроцессорных систем в информационных сетях.

Вспомогательные устройства: генератор тактовых импульсов (ГТИ), сторожевой таймер, схемы для выполнения отладки и тестирования, и другие. Конкретный набор вспомогательных устройств определяется назначением микропроцессорной системы. Вспомогательные устройства также могут размещаться на одном кристалле с центральным процессором.

ГТИ генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах и микропроцессорных системах. Тактовые импульсы часто используются как эталонная частота, считая их количество, можно, например, измерять временные интервалы. В микропроцессорной системе один тактовый импульс, как правило, соответствует одной атомарной операции. Обработка одной команды может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости от архитектуры и типа инструкции. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.

Сторожевой таймер или контрольный таймер - аппаратно реализованная схема контроля над зависанием системы. Представляет собой таймер (прибор, выдающий в заданный момент времени определенный сигнал, либо включающий/выключающий какое-либо оборудование), который периодически сбрасывается контролируемой системой. Если сброса не произошло в течение некоторого интервала времени, происходит принудительная перезагрузка системы. В некоторых случаях сторожевой таймер может посылать системе сигнал на перезагрузку.

Периферийные или внешние устройства подключаются к контроллерам и адаптерам, обеспечивающим их сопряжение с системной шиной и возможность обмена данными с центральными устройствами. К периферийным устройствам относятся: устройства управления, ввода и вывода информации, внешней памяти. Для подключения различных внешних устройств микропроцессорные системы имеют специальные разъемы -порты. ПЛК и микроконтроллеры имеют аналоговые и дискретные входы и выходы для подключения датчиков, исполнительных и сигнальных устройств.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >