МегаПредмет

ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение


Как определить диапазон голоса - ваш вокал


Игровые автоматы с быстрым выводом


Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими


Целительная привычка


Как самому избавиться от обидчивости


Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам


Тренинг уверенности в себе


Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком"


Натюрморт и его изобразительные возможности


Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.


Как научиться брать на себя ответственность


Зачем нужны границы в отношениях с детьми?


Световозвращающие элементы на детской одежде


Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия


Как слышать голос Бога


Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)


Глава 3. Завет мужчины с женщиной


Оси и плоскости тела человека


Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.


Отёска стен и прирубка косяков Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.


Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

ЦИФРОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА





Принципы функционирования цифровых вычислительных устройств. Вычислительные устройства, выполняющие вычислительные и логические операции на основе представления информации в цифровых, или иначе, дискретных кодах, называют цифровыми. На их основе строят вычислительные машины, которые используют, как правило, электронные компоненты в качестве элементной базы. Такие электронные вычислительные машины получили широкое применение в конце 50-х годов.

В 1948 г. американский ученый Дж. Фон Нейман сформулировал общие принципы построения ЭВМ, которые легли в основу построения вычислительных машин и не потеряли своего значения в настоящее время. Схема неймановской структуры ЭВМ содержит блоки памяти, управления, вычисления и отображения. На рис. 4.7 представлен вариант формирования такой структуры. В ЭВМ неймановской структуры вычислительный процесс при решении любой задачи разворачивается во времени. Это означает, что любая сложная задача, которую нужно решить на ЭВМ, разбивается на более простые шаги — операции, выполняемые последовательно во времени. Для выполнения этих операций применяется специальный блок—арифметико-логическое устройство, или АЛУ. Для хранения исходных и промежуточных данных, результатов вычислений, а также инструкций, определяющих, когда и в каком порядке необходимо выполнять те или иные операции, используется оперативная память (ОП). Набор инструкций, указывающих порядок выполнения операций, называется алгоритмом вычислений, алгоритм вычислений, представленный в виде, пригодном для записи в ОП ЭВМ,— программой вычислений; каждая отдельная инструкция, представленная в виде, пригодном для записи в ЭВМ,— командой. Таким образом, программа вычислений представляет собой упорядоченную последовательность команд.

Команды программы поочередно выбираются из ОП и поступают в центральное устройство управления (ЦУУ), которое инициирует выполнение указанных в команде действий. Например, если в команде указана операция, которая должна быть выполнена в АЛУ, то ЦУУ выберет из ОП величины, участвующие в операции, называющиеся операндами. Операндами могут быть не только числовые данные, но и символьная информация, логические данные и сами команды.

Все основные процессы по обработке информации протекают в ЦУУ и АЛУ. В связи с этим указанные устройства рассматривают как самостоятельное устройство, называемое процессором. В настоящее время практически не различают понятия ЭВМ и ЦВМ, поэтому мы будем пользоваться обоими обозначениями.

Для того чтобы ЭВМ решила некоторую задачу, необходимо в ОП записать программу вычислений и исходные данные. Для ввода в ОП указанной информации, а также для вывода из ОП результатов вычислений используются специальные устройства ввода-вывода (УВВ). В качестве УВВ чаще всего выступают клавиатура, манипулятор типа «мышь», печатающие устройства, электронные устройства отображения — дисплеи, графопостроители и др.

Выполнение операций ввода-вывода возлагается на специализированное устройство — канал ввода-вывода (КВВ). В некоторых ЭВМ функции КВВ выполняет сам процессор. Для хранения информации, не участвующей в текущий момент времени в обработке, используется внешняя память, которая состоит из внешних запоминающих устройств (ВЗУ), подключаемых к ОП через каналы ввода-вывода. В ВЗУ хранится информация, периодически вступающая в обработку и для этого пересылаемая в ОП. Чаще всего в качестве ВЗУ в ЦВМ используются накопители на магнитных дисках. Устройства ввода-вывода и внешние запоминающие устройства часто объединяют в общую группу внешних устройств ЭВМ.



Характеристики ЭВМ. В ЭВМ хранится, передается и перерабатывается цифровая информация. Единицами количества дискретной информации являются бит, поле, байт, слово и массив слов.

Бит — двоичная переменная, принимающая значение 0 или 1. Последовательность битов, имеющая определенный смысл, называется полем. Каждое поле имеет длину, равную количеству битов в поле. Поле, имеющее длину 8 бит, называется байтом; последовательность битов и байтов, имеющая некоторый смысл,— словом; последовательность полей, байтов и слов, имеющих одинаковый смысл, образует массив.

К основным характеристикам цифровых вычислительных машин обычно относят номинальное быстродействие, емкость памяти, среднее время решения задач, производительность, стоимость.

Номинальное быстродействие — количество простейших операций типа «сложение», выполняемых последовательно АЛУ за 1 с. Будем обозначать номинальное быстродействие символом F„- Например, в паспортных данных ЦВМ указывается Vy = 200 тыс. оп/с. Это означает, что АЛУ ее процессора за 1 с может выполнить подряд 200 тыс. операций типа «сложение». Иногда быстродействие ЭВМ определяют во флопах. Один флоп равен 1 млн. операций в секунду. Для оценки быстродействия используется также тактовая частота—это частота тактовых импульсов синхронизации, вырабатываемых специальной схемой тактового генератора.

Емкость памяти, особенно ОП, во многом определяет класс решаемых на ЦВМ задач. Чем больше емкость памяти ЦВМ, тем более сложные алгоритмы можно записывать в нее. Обычно емкость памяти измеряется в битах, килобитах, мегабитах, словах, килословах и т.д.

Необходимо помнить, что 1 кБайт = 210 байт = 1024 байт. Если емкость измеряется в килобайтах, то слово «байт» часто опускается. Например, если говорят, что емкость памяти некоторой ЦВМ равна 32 К, то это равносильно 32 Кбайт. Емкость памяти обозначим символом Е.

Среднее время решения задачи Тср — интегральная характеристика ЭВМ. Эта величина складывается из времени счета Тсч и времени простоя Тпр (рис. 4.8).

Как видно из рисунка, время счета существенно зависит от сложности ЦВМ (вернее, от сложности ее процессора). С одной стороны, усложнение позволяет уменьшить время решения задачи. С другой стороны, с усложнением ЭВМ уменьшается ее надежность, увеличиваются простои, связанные с ремонтными работами, профилактическими осмотрами, проверками правильности функционирования. Время простоя Тпр примерно линейно возрастает с увеличением сложности машины, причем угол ее наклона существенно зависит от технологии изготовления элементной базы ЭВМ. Величина Тср = Тсч + Тпр имеет минимальное значение при некоторой оптимальной сложности ЭВМ (точка Сопт на рисунке). Это означает, что дальнейшее усложнение ЭВМ с целью уменьшения Тсч нецелесообразно, так как при этом значительно возрастает величина Тпр. В итоге Тср не только не уменьшится, но, наоборот, возрастет.

Производительность ЭВМ обычно оценивают числом задач, решаемых на ЭВМ за достаточно большой промежуток времени. Она зависит не только от быстродействия процессора. На нее также большое влияние оказывает организация вычислительного процесса в ЭВМ, степень загруженности процессора в ходе решения задач.

Стоимость ЭВМ — главный фактор, влияющий на сферы применения цифровой вычислительной техники. Чем меньше стоимость средств вычислительной техники, тем шире их рынок сбыта, тем больше область применения ЭВМ.

Поколения ЭВМ. История развития цифровой вычислительной техники — история борьбы разработчиков за улучшение основных характеристик ЭВМ. Несмотря на свою относительную молодость (первые электронные ЭВМ появились в 1946—1950 гг.), ЭВМ в своем развитии сменили последовательно несколько поколений. Первое поколение охватывало ЭВМ, построенные на электронных лампах. Начиная с середины 50-х годов, на смену ламповым ЭВМ пришли ЭВМ второго поколения, в которых основными элементами были полупроводниковые триоды — транзисторы. Транзисторные ЭВМ обладали значительно более высокой надежностью, меньшим потреблением энергии, более высоким быстродействием и значительно меньшей стоимостью. Однако век транзисторных ЭВМ оказался недолгим. Начиная с середины 60-х годов, на смену транзисторным ЭВМ пришли ЭВМ третьего поколения, элементной базой которых были микросхемы малой степени интеграции. За счет интегральной технологии значительно улучшились основные характеристики ЭВМ: уменьшились габаритные размеры, повысилась надежность, возросло быстродействие и резко снизилась их стоимость.

Дальнейшее развитие интегральной технологии привело к тому, что в начале 70-х годов электронная промышленность освоила выпуск интегральных схем повышенной степени интеграции. Каждая интегральная схема заменяет собой довольно сложную электронную схему на лампах и транзисторах. Применение таких элементов характеризует четвертое поколение ЭВМ, которые стали выпускаться с конца 70-х годов. Эти ЭВМ еще более улучшили основные свои характеристики, однако борьба за улучшение основных качественных показателей не закончилась.

Оказалось, что неймановская структура с разворачиванием вычислительного процесса во времени практически исчерпала свои возможности, особенно в области повышения производительности ЭВМ и быстродействия процессора.

На смену ЭВМ с неймановской структурой приходят многопроцессорные ЭВМ. В таких ЭВМ вычислительный процесс разворачивается не только во времени, но и в пространстве, что значительно сокращает время решения задачи, т.е. повышает производительность ЭВМ.

Системы счисления, используемые в ЭВМ. Для изображения чисел используются определенные приемы и правила, называемые системами счисления. Все известные системы счисления делятся на две группы: позиционные и непозиционные системы счисления.

В непозиционных системах счисления значение символа, цифры, знака или иероглифа не зависит от позиции этого символа в изображаемом числе; в позиционных системах, наоборот, значение символа зависит от позиции этого символа в изображаемом числе. Непозиционные системы, как более простые, появились исторически гораздо раньше позиционных систем. Ими пользовались древние славяне, китайцы и другие народы.

До наших дней дошла одна из разновидностей непозиционных систем — римская система счисления. В ней используются так называемые римские цифры: I—1, V—5, Х—10, L—50, С—100, D—500, М— 1000. Значение числа вычисляется суммированием всех чисел с учетом правила, что если цифра меньшего веса стоит слева от следующей за ней цифрой большего веса, то она имеет знак минус, а если споа-


Десятичное число Двоичное число Восьмеричное число Шестнадцатеричное число Двоично-десятичное число
А 0001 0000
В 0001 0001
С 0001 0010
D 0001 0011
E 0001 0100
F 0001 0101
0001 0110
0001 0111
0001 1000
0001 1001
0010 0000

 


Порядок вычислений на ЭВМ. Исходные числовые данные вводятся в ЭВМ в обычной для человека десятичной форме (например, с помощью клавиатуры — устройства ввода). В состав ЭВМ входят специальные устройства, называемые шифраторами, которые автоматически переводят вводимую десятичную информацию в двоично-десятичную форму. По специальной подпрограмме или схеме (разработаны большие интегральные схемы), осуществляется автоматический перевод чисел из двоично-десятичной формы в двоичную запись. Затем производятся необходимые вычисления в двоичной системе счисления. Если необходимо выдавать какие-то результаты вычислений в десятичной форме, то эти данные, программно или схемно, переводятся сначала в двоично-десятичную форму, а затем с помощью устройств вывода выдаются непосредственно в десятичной форме (например, печатаются на бланке или высвечиваются на экране дисплея).

Такой порядок вычислений используется при решении научно-технических задач. В таких задачах число исходных числовых данных и результатов вычислений сравнительно невелико по сравнению с числом операций, необходимых для решения задач.

В то же время имеется достаточно большой класс задач, отличающийся обилием входных и выходных данных и требующих для своего решения небольшого числа вычислительных операций (например, начисление зарплаты рабочим и служащим, расчет квартплаты). Для таких задач описанный выше порядок вычислений не является оптимальным из-за низ| кой производительности ЭВМ — слишком много времени она будет тратить на переводы числовой информации из двоично-десятичной формы в двоичную и наоборот. Для решения указанных задач разработаны оптимальные методы вычислений непосредственно в двоично-десятичной форме. В современных ЭВМ в системе команд обязательно присутствуют как группа команд, выполняющих операции в двоичной системе счисления (команды двоичной арифметики), так и группа команд, выполняющих операции в двоично-десятичной системе счисления (команды десятичной арифметики).

Используются две формы представления числовой информации в ЭВМ: естественная (с фиксированной запятой) и полулогарифмическая (с плавающей запятой).

Естественная форма характеризуется тем, что местоположение запятой, отделяющей целую часть числа от его дробной части, строго фиксировано. Это означает, что если п-разрядное число в каком-то узле ЭВМ представлено комбинациями состояний п двухпозиционных элементов, то запятая всегда строго фиксирована после k-го элемента, которым может быть, в принципе, любой по порядку элемент. На практике с целью максимального упрощения правил выполнения арифметических операций используются две разновидности естественной формы представления числовой информации. В первом случае запятая фиксируется перед самым левым цифровым разрядом числа. В этом случае все числа, представленные в машине, должны быть меньше единицы. Это означает, что прежде чем ввести исходную числовую информацию, необходимо ее предварительно промасштабировать. Делается это так. Любое число Х представляется в виде Х= М,Х, где Мх — масштаб, а ~Х— масштабированное число. Масштаб Мх выбирается так, чтобы выполнилось условие Х< 1. Масштаб запоминается вне ЭВМ, а в машину вводится лишь Х. В другом случае запятая фиксируется после самого первого цифрового разряда числа. Все числа, представляемые в машине, должны быть целыми, т.е. не иметь дробной части. Чтобы это имело место при решении задач, как и в первом случае, исходную числовую информацию масштабируют. Однако во втором случае масштаб Л/д подбирают таким, чтобы масштабное число Х не имело дробной части.

Естественная форма представления числовой информации обладает рядом недостатков. Отметим основные из них.

1. При вводе исходной информации в ЭВМ необходимо масштабировать все данные и запомнить все выбранные масштабы вне ЭВМ.


4.4. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

Рассмотрим более подробно принципы работы ЭВМ на примерах общей структуры (с раздельными шинами) и структуры с общей шиной.

Отдельно взятый МП не может выполнять каких-либо полезных функций. Для реальной пользы он должен использоваться совместно с памятью и устройствами ввода-вывода. Объединение МП с памятью и средствами связи с внешними устройствами ввода-вывода (такие средства называются интерфейсами) позволяет получить ЭВМ.

Знакомство с принципами работы ЭВМ начнем с рассмотрения ее структурной схемы (рис. 4.56), содержащей минимальный набор элементов, которым должна обладать любая ЭВМ.

Элементом, производящим обработку данных, здесь является МП. Микропроцессор и ряд вспомогательных схем, обеспечивающих его работу и работу всей ЭВМ, образуют процессорный модуль, к которому с помощью системных шин подключают периферийные модули ЭВМ. Данное разделение ЭВМ на указанные модули носит функциональный характер. Конструктивно все модули могут быть выполнены, например, на одной плате (одноплатные ЭВМ) или даже в одной БИС (однокристальные микроЭВМ).

Системные шины представляют собой набор соединительных проводников-линий, объединяющих одноименные выводы всех периферийных модулей. По каждой линии может быть передано значение одного разряда двоичного кода в виде уровней напряжения, соответствующих логическому нулю или логической единицы.

Периферийными модулями в рассматриваемой ЭВМ являются запоминающие устройства, в состав которых входят постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и регистры для подключения внешних устройств (например, клавиатуры,

 

устройства визуального отображения информации, различных датчиков и исполнительных механизмов), называемые портами ввода или вывода.

Программа работы встроенной в какое-либо устройство ЭВМ хранится в ПЗУ. ПЗУ — это БИС памяти, в которую заносится необходимая информация (программа, константы) в процессе ее изготовления или непосредственно перед установкой в ЭВМ. Информация в ПЗУ сохраняется независимо от того, включен ли источник питания или выключен. Промежуточные данные в ЭВМ хранятся во внутренних регистрах МП, а также в ОЗУ. Данные могут как записываться в ОЗУ, так и считываться из него. При снятии питающего напряжения данные в ОЗУ теряются. При отладке программ, а также использовании ЭВМ в качестве универсальной, т.е. выполняющей в разное время различные программы, ОЗУ применяется и для хранения программ. В этом случае ЭВМ обычно имеет ПЗУ с малым количеством ячеек (с малым объемом) памяти, куда записывается небольшая программа-загрузчик, под управлением которой в начале работы в ОЗУ с какого-либо внешнего устройства загружается рабочая программа.

В представленной на рис. 4.56 структурной схеме ЭВМ используются раздельные группы шин для связи портов ввода-вывода и запоминающих устройств с процессорным модулем. Такая организация удобна, когда необходимо реализовать параллельный режим обмена данными как с внешними устройствами ввода-вывода, так и с памятью. Каждая группа шин в этом случае отвечает за связь своего типа периферийного модуля с процессорным и позволяет осуществить независимый во времени обмен информацией. Однако это достигается за счет значительного увеличения аппаратных средств, участвующих в построении ЭВМ.

Часто при построении ЭВМ для связи процессорного модуля с периферийными используется одна группа шин. В этом случае МП обращается к внешним устройствам ввода-вывода как к элементу памяти. Данная организация проста с точки зрения задействованных аппаратных средств, но допускает лишь последовательный во времени режим обмена информацией между периферийными модулями и процессорным модулем, т.е. невозможно одновременно обратиться и к памяти, и к портам ввода-вывода. Структурная схема ЭВМ с общей шиной показана на рис. 4.57.

По роду передаваемой информации все шины разделены на три группы, образующие шину данных, шину адреса и шину управления. Характерная особенность шины данных — ее двунаправленность, обеспечиваемая буферными регистрами, под которой понимается возможность передачи данных в разные моменты времени в различных направлениях, например, сначала от процессорного модуля к периферийному, а затем в обратном направлении. Еще одна особенность этих буферных регистров заключается в том, что они

являются трехстабильными, т.е. выходы этих регистров могут принимать третье пассивное или так называемое высокоимпедансное состояние, благодаря чему регистр оказывается как бы отключенным от шины данных.

Каждый периферийный модуль ЭВМ имеет вход для приема сигнала ВМ (выбор модуля). В процессе работы ЭВМ с помощью этого сигнала «активизируется» только один из периферийных модулей. Это означает, что возможен обмен данными между ним и процессорным модулем. Выходы остальных модулей при этом остаются в высокоимпедансном состоянии (отключенном) и на работу ЭВМ не влияют.

Поскольку процессорный модуль должен обмениваться данными с определенными ячейками памяти запоминающих устройств или с определенными портами, то для возможности обращаться (адресоваться) к ним, каждая ячейка памяти и каждый порт ввода и вывода имеют свои индивидуальные номера — адреса. При обмене данными процессорный модуль устанавливает двоичный код, соответствующий адресу порта или ячейки памяти на шине адреса ЭВМ. Шина адреса является однонаправленной, т.е. адреса передаются только в одном направлении — от процессорного модуля.

Рассматриваемая ЭВМ содержит два модуля памяти: ОЗУ и ПЗУ. Некоторые ЭВМ могут содержать по несколько модулей ОЗУ и ПЗУ, каждый из которых имеет вход для приема сигнала ВМ. Во всех случаях, когда ЭВМ содержит более одного модуля памяти, часть кода адреса ячейки памяти должна указывать, к какому модулю памяти производится обращение. Эта часть называется кодом выбора модуля. Оставшаяся часть кода адреса выбирает ячейку памяти внутри модуля и называется адресом слова. Дешифрация кода выбора модуля производится с помощью дешифратора выбора модуля памяти, который вырабатывает соответствующий сигнал ВМ. Дешифрация адреса слова осуществляется внутренним дешифратором модуля. Входы этого дешифратора (адресные шины модуля памяти) подключаются к соответствующим линиям шины адреса.

Рассматриваемая ЭВМ содержит один порт ввода и один порт вывода. Однако таких портов у ЭВМ может быть гораздо больше. Все входы ВМ портов ввода-вывода подключаются через дешифратор номеров портов к линиям шины адреса ЭВМ. Порты «активизируются» при появлении на шине адреса кодов, соответствующих их номерам. Дополнительным условием «активизации» любого периферийного модуля является наличие соответствующего сигнала на шине управления. По линиям шины управления от процессорного модуля к периферийным поступают сигналы, определяющие выбор группы модулей (порты или модули памяти), а также направление обмена данными: сигнал чтения из модулей запоминающих устройств (ЧТЗУ), сигнал записи в модули запоминающих устройств (ЗПЗУ), сигнал чтения из порта ввода (ЧТВВ), сигнал записи в порт вывода (ЗПВВ). По шине управления передаются также и другие сигналы. Таким образом, при записи, например, числа в ячейку памяти ОЗУ процессорный модуль устанавливает на шине адреса адрес этой ячейки памяти, на шине данных—двоичный код записываемого числа и выдает на соответствующую линию шины управления сигнал ЗП-ЗУ. При этом с шины данных число записывается в адресуемую ячейку памяти ОЗУ. При чтении, например, данных из какого-либо порта ввода процессорный модуль устанавливает на шине адреса адрес этого порта и выдает на соответствующую линию шины управления сигнал ЧТВВ. При этом адресуемый порт ввода передает информацию со своего входа на шину данных, откуда она считывается процессорным модулем.

Работа ЭВМ, как и любого цифрового устройства, заключается в обработке исходных данных по заданному алгоритму. Под алгоритмом работы цифрового устройства понимается набор последовательно выполняемых действий по обработке исходных данных с целью получения требуемого результата. В ЭВМ алгоритм реализуется при выполнении программы, хранимой в памяти в виде последовательности команд. Выполнение любой команды начинается с чтения кода этой команды из запоминающего устройства. Для этого процессорный модуль устанавливает на шине адреса код адреса ячейки памяти, в которую записан код команды, и выдает на соответствующую линию шины управления сигнал ЧТЗУ. В результате код команды поступает из ячейки памяти на шину данных и считывается процессорным модулем. Микропроцессор дешифрирует код операции команды, определяет, какие действия ему необходимо выполнить, и переходит к исполнению команды. Во время выполнения команды МП может обращаться к памяти для чтения или записи данных, к порту ввода для ввода исходных данных, к порту вывода для вывода полученных результатов. После окончания выполнения текущей команды МП переходит к выполнению очередной команды, т.е. обращается к ячейке памяти, где хранится код следующей команды.


Интерфейсы ЭВМ. Одним из ключевых, определяющих моментов в проектировании ЭВМ является выбор совокупности унифицированных аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации алгоритмов взаимодействия различных функциональных устройств. Такими средствами являются интерфейсы. Стандартизации в интерфейсе обычно подлежат: форматы передаваемой информации, команды и состояния, состав и типы линий связи, алгоритм функционирования, передающие и приемные электронные схемы, параметры сигналов и требования к ним, конструктивные решения.

К основным характеристикам интерфейса относят: функциональное назначение, тип организации связей, принцип обмена информацией, способ обмена, режим обмена, общее число линий, число линий для передачи данных (разрядность), число адресов и команд, быстродействие, длину линий связи, число подключаемых устройств (нагрузочная способность), тип линии связи. В соответствии с этими характеристиками интерфейсы подразделяют:

по функциональному назначению — на магистральные (внутримашинные), внешние интрефейсы периферийных устройств, системные (интерфейсы локальных сетей);

по типу организации связей — на магистральные, радиальные, древовидные, радиально-магистральные;

по принципу обмена информацией — с параллельной, последовательной и параллельно-последовательной передачей информации.

По режиму обмена информацией — с симплексным (только один из абонентов может в любой момент времени инициировать передачу информации)* полудуплексным (любой абонент может начать передачу информации другому, если линия связи интерфейса свободна), дуплексным (когда каждый абонент может начать передачу информации другому в любой момент времени) и мультиплексным (когда в каждый момент времени связь может быть осуществлена между парой абонентов в любом, но единственном направлении от одного к другому) режимами обмена;

по способу обмена информации во времени — с синхронной передачей данных (с постоянной временной привязкой в цикле сбора информации) и с асинхронной (без постоянной временной привязки к определенному временному интервалу цикла сбора). В первом случае передача синхронизируется специальными синхроимпульсами в виде последовательности прямоугольных импульсов; во втором случае—управляющими сигналами ГОТОВНОСТЬ к обмену, НАЧАЛО, КОНЕЦ, КОНТРОЛЬ обмена.

В качестве примера магистральных интерфейсов можно привести асинхронные мультиплексные интерфейсы с параллельным способом передачи:

8-разрядные интерфейсы Microbus, X-bus, шина iSBX;

16-разрядные интерфейсы Unibus (отечественный аналог ОШ), Multibus, Q-bus;

32-разрядные интерфейсы Versabus, MCA, EISA, VESA, VESA-2, PCI.

В качестве интерфейсов периферийных устройств наиболее широкое распространение получили последовательный интерфейс RS-232 и параллельный интерфейс Centronix.

Следует отметить, что в составе микропроцессорных комплектов имеются специальные интерфейсные БИС, обеспечивающие совместимость по электрическим, конструктивно-технологическим и эксплуатационным параметрам процессорного модуля с внешними устройствами. Каждый микропроцессорный комплект характерен наличием, как правило, параллельных и последовательных интерфейсных устройств, выполненных в виде отдельных микросхем, представляющих собой регистры, буферные схемы и специализированные контроллеры. Такие устройства могут быть программируемыми и применяться для двунаправленной передачи данных и сигналов управления. Они используются как шинные формирователи для организации внутримашинных магистралей ЭВМ и как внешние интерфейсы периферийных устройств.


Особенности использования МП в измерительной технике. Компактность и дешевизна цифровых систем на базе МП обеспечили возможность встраивать такие системы в разнообразные приборы, устройства и механизмы, придавая им тем самым новые полезные качества. Одним из основных потребителей МП на мировом рынке становится, в частности, информационно-измерительная техника. Применение МП открыло широкие возможности усовершенствования измерительной аппаратуры, повышения ее производительности, расширения функциональных возможностей, позволило увеличить сложность информационно-измерительных систем без существенного увеличения стоимости, существенно улучшить их метрологические характеристики. Например, точность может быть увеличена за счет использования цифровых методов коррекции систематических и случайных погрешностей. Надежность может быть повышена с помощью цифровой фильтрации, статистических методов обработки результатов, путем применения более надежных, но менее прецизионных элементов в аналоговых трактах, широкого использования высоконадежных цифровых элементов. Применение МП позволяет также улучшить эксплуатационные удобства измерительной аппаратуры за счет расширения ее многофункциональности, автоматизации измерительного процесса, получения функций измеряемой величины, использования методов самоконтроля и диагностики. Именно в информационно-измерительной технике особенно эффективно проявляется такое важное свойство МП, как встраиваемость, возможность приблизить вычислительную технику непосредственно к объекту измерения, а иногда использование МП становится целесообразным в конструктивном объединении с первичными преобразователями информации.

При проектировании измерительной аппаратуры на базе МП разработчик задается вопросом, следует ли ему вообще использовать в приборе МП или достаточно прибегнуть к традиционному решению в рамках «жесткой логики». Как показывает накопленный опыт, использование МП в средствах измерения оправдано в следующих случаях:

• для решения задачи в рамках «жесткой логики» нтегральных схем (корпусов) требуется больше 30...50;

• прибор должен быть многофункциональным;

• предвидится дальнейшее развитие измерительной системы, наращивание, расширение ее функций;

• измерительная система должна взаимодействовать с большим числом входных и выходных устройств;

• требуется фиксация в памяти большого числа данных;

• высокие метрологические характеристики трудно достижимы обычным путем;

• необходимость статистической обработки результатов измерения;

выполнения математических функциональных преобразований;

• необходимость;

• требуются самокалибровка и самодиагностика;

• достаточно высокое быстродействие МП для проектируемого средства измерения.

Выбор типа МП определяется требуемым быстродействием, допустимым объемом оборудования, личным опытом разработчика и т.д. При этом следует иметь в виду, что процесс проектирования систем на базе МП, как правило, является итеративным. Это означает, что при выполнении каждого шага проектирования возможен возврат назад для корректировки принятых решений, причем может оказаться целесообразным смена типа МП.

Наилучшие показатели по объему оборудования и другим параметрам, а также наименьшая трудоемкость проектирования достигаются при использовании однокристальных МП. Если для решаемых задач однокристальные МП не подходят по разрядности, списку команд или быстродействию, переходят к рассмотрению секционированных МП среднего или высокого быстродействия.

 

 

Особый интерес при проектировании измерительных приборов на базе МП представляют специализированные сигнальные процессы. Они позволяют осуществлять в реальном масштабе времени обработку сигналов, характеризующих быстропротекающие процессы. Сигнальные процессоры отличаются от универсальных МП своеобразной структурой и системой команд, позволяющей наряду со стандартными операциями по обработке данных реализовывать сложные специфические алгоритмы по обработке сигналов. Среди них алгоритм быстрого преобразования Фурье, благодаря которому осуществляется решение задач спектрального анализа сигналов, цифровой фильтрации и прочих, решение которых с помощью обычных универсальных МП требовало бы значительных затрат времени.

Микропроцессоры применяют в цифровых вольтметрах, частотомерах, осциллографах, генераторах сигналов, спектральных анализаторах и других приборах в самых различных областях народного хозяйства. В настоящее время наблюдается тенденция интегрирования сигнальных процессоров в персональные ЭВМ. Такое внедрение позволяет строить новые типы приборов, называемые виртуальными. Термин «виртуальные приборы» принадлежит американской фирме National Instruments. Виртуальные приборы — это реализация функций измерительных приборов и средств контроля программными средствами. Данный подход дает возможность заменить дорогостоящее оборудование традиционных реальных приборов более дешевым, компактным и гибким, позволяющим «сконструировать» программный (виртуальный) аналог измерительного прибора на базе персонального компьютера, оснащенного сигнальным процессором, платами АЦП и другим необходимым оборудованием, а также графическим интерфейсом программного обеспечения.


Контроллеры. Все отмеченные преимущества микропроцессорных систем, обладающих возможностью функциональной перестройки программным путем, их привлекательная дешевизна, универсальность по сравнению с системами с «жесткой» неизменяемой структурой, традиционно применяемых для задач управления различными процессами и объектами, обусловили широкое внедрение микропроцессорных систем в эту сферу. По назначению среди систем управления можно выделить устройства, называемые контроллерами. Контроллер представляет собой микропроцессорную систему, адаптированную к задачам управления объектом. Контроллер содержит те же узлы, что и ЭВМ, но отличие состоит в более развитых внешних устройствах ввода-вывода, представляющих собой средства сопряжения с объектом и требующих большого числа каналов ввода-вывода (или портов). Выделим ряд отличительных особенностей, которыми должна обладать ЭВМ для осуществления функций контроллера:

• наличие ограниченного набора четко сформулированных задач; иными словами, при проектировании контроллеров учитывается их функциональное назначение осуществлять конкретные задачи управления;

• работа в реальном масштабе времени, т.е. обеспечение минимального времени реакции на изменение внешних условий;

• наличие развитой системы внешних устройств ввода-вывода, связанное с большим разнообразием характеристик датчиков, исполнительных механизмов и их количеством;

• решение основных функциональных задач и выработка управляющих воздействий;

• высокие требования по надежности и живучести, связанные с продолжительностью работы и сложными условиями эксплуатации;

• обеспечение автоматического режима работы или режима с участием человека;

• реализация функций диагностирования и тестирования как самого контроллера, так и состояния объекта управления.

Для ЭВМ в качестве контроллера не предъявляются, как правило, жесткие требования к объему используемой оперативной памяти, нежели для ЭВМ в обычном ее назначении. Объясняется это тем, что контроллер — устройство хотя и универсальное, но свойство универсальности проявляется исключительно в области управления. На контроллер не возлагаются требования к работе под управлением операционной системы, использованию системных программ разработки и отладки программного обеспечения и другие, характерные для ЭВМ более высокой организации. Кроме того, объем обрабатываемой входной информации не так велик и ограничен поставленной задачей в каждом конкретном случае, поскольку контроллер является в основном устройством местного управления. Для этих целей достаточно использования памяти небольшого объема.

Контроллеры могут проектироваться как самостоятельные устройства и как элементы в составе иерархической структуры, на высшем уровне которой располагается ЭВМ более высокой организации. Примером может служить ПЭВМ, процессорный модуль которой управляет всеми операциями на высшем уровне, а интерпретацию его команд для отдельных устройств осуществляют местные контроллеры. Этим достигается распределение функций между процессорным модулем и контроллерами, освобождая первый от выполнения лишней работы, обеспечивая наибольшее быстродействие системы.


Система сбора данных. В качестве примера использования ЭВМ можно привести систему сбора данных. Подобные задачи сбора данных часто возникают в контрольно-измерительных системах. Так, например, с помощью системы сбора данных можно осуществлять опрос множества аналоговых каналов, формирующих аналоговые сигналы, отражающие те или иные характеристики технологического процесса. В такой системе в качестве устройств ввода могут использоваться коммутаторы аналоговых сигналов и аналого-цифровые преобразователи. В связи с большим количеством входных данных, предварительной их обработкой и преобразования к виду, необходимому для дальнейших действий, высокой динамичностью изменения входной информации для ЭВМ в качестве систем сбора данных предъявляются жесткие требования к объемам памяти, разрядности и быстродействию. Оперативная память таких систем должна быть большой емкости для хранения больших массивов данных. Микропроцессор должен обладать возможностью адресоваться к большому числу ячеек памяти, для чего необходима высокая разрядность шины адреса ЭВМ. Для обеспечения высокой точности предварительной обработки данных используемая ЭВМ должна иметь высокую разрядность шины данных для минимизации погрешности округления при вычислениях. И наконец, система должна иметь высокое быстродействие для сбора и обработки быстропротекающих процессов, характерных особенно для аналоговых сигналов.

Система сбора данных может являться промежуточным звеном в цепи движения информации от ее источника к потребителю, когда те разнесены в пространстве. В этом случае ЭВМ системы сбора данных содержит энергонезависимую память необходимого объема, данные в которую могут как записываться, так и считываться неограниченное число раз по аналогии с ОЗУ с той лишь разницей, что в энергонезависимой памяти данные с отключением источника питания не пропадают. С помощью такой системы опрашивается состояние объекта, находящегося на удалении. Данные, характеризующие его состояние, запоминаются в энергонезависимой памяти, при необходимости осуществляется предварительная их обработка, а затем переносятся в мощную ЭВМ, где обрабатываются дальше.


Мультипроцессорные системы. В последнее время характерен переход в области информационных систем от однопроцессорных управляющих и вычислительных систем к мультимикропроцессорным. Архитектура мультимикропроцессорных систем образуется соединением в одну систему большого числа микропроцессоров. Такой переход обусловлен необходимостью создания высокопроизводительных микропроцессорных систем с быстродействием в сотни миллионов операций в секунду, например в системах распознавания образов или обработки аналоговых сигналов. Особенно недостаточное быстродействие накладывает существенные ограничения при построении приборов для измерения и управления высокодинамичными процессами. Микропроцессоры в мультимикропроцессорных системах могут быть как универсальными, так и специализированными на выполнение определенных функций. Простейшим примером такой системы может служить персональный компьютер IBM класса AT и выше, содержащий в своей структуре центральный процессор и математический сопроцессор. В такой системе функции управления ресурсами и оборудованием системы, задаваемых программой работы и выполнения математических операций над числами с плавающей запятой, разделены. Реализация первой возлагается на центральный процессор, а второй — на специализированный математический сопроцессор, благодаря чему время выполнения некоторых программ может быть сокращено в несколько раз. Особенно полезна мультимикропроцессорная организация при построении измерительных устройств с использованием специализированных сигнальных процессоров. В этом случае функции системы разделяются между центральным универсальным процессором или их группой и сигнальным процессором. Центральный процессор может выполнять, например, функции управления портами, обеспечивать индикацию результатов измерения на жидкокристаллическом индикаторе, обеспечивать связь с памятью системы, осуществлять загрузку рабочей программы и т.п. Специализированный сигнальный процессор берет на себя задачу цифровой обработки сигналов. Он имеет своеобразную архитектуру, позволяющую осуществлять распараллеливание операций по этой обработке. Так, например, сигнальные процессоры серии ADSP-21xx фирмы Analog Devises имеют в своей структуре встроенную память данных, разделенную на две области, называемые буферами. Пока первый буфер накапливает данные, поступающие с внешних устройств ввода, например с АЦП, сигнальный процессор производит параллельно с этим обработку данных, запомненных ранее в другом буфере. Кроме того, сигнальные процессоры имеют набор специализированных команд, позволяющих реализовывать следующие алгоритмы: спектральный анализ, корреляционный анализ, цифровую фильтрацию, статистический анализ, выполнять различные математические операции над сигналами. Эти особенности сигнальных процессоров, интегрируемых в мультимикропроцессорные системы, позволяют решать сложные задачи контроля, измерения и управления быстропротекающих процессов в реальном масштабе времени. В настоящее время подобные комплексы уже применяют в разных отраслях промышленности как переносные виброанализаторы, в метрологии как измерительные системы, службами безопасности для обнаружения внештатных подключений к телефонным линиям и прослушивающих устройств в исследуемом объеме, в геофизике, при транспортировке спецгрузов, в медицинской диагностике и т.д.

В качестве примера мультимикропроцессорной системы для измерительных задач можно привести аппаратно-программный комплекс ввода и обработки аналоговых сигналов. Данный комплекс представляет собой систему широкого технического назначения и использует в качестве центрального процессор Intel 80486 и выше в составе NoteBook. В качестве специального сопроцессора применяется сигнальный процессор ADSP-2105 фирмы Analog Devices. Система обеспечена возможностью использовать все резервы персональной ЭВМ для написания программ, запоминания результатов, сравнения с результатами, полученными в других экспериментах путем ведения соответствующих баз данных. При этом сигналы могут быть получены от физического объекта через платы АЦП или дополнительные модули. Такие возможности позволяют использовать прибор по универсальной схеме, например, в качестве измерительных устройств, осциллографа, спектроанализатора, управляемого фильтра и других. В состав базового комплекса входят:

• ПЭВМ типа NoteBook;

• встроенная в NoteBook плата АЦП, оснащенная сигнальным процессором;

• один встроенный 16-канальный коммутатор;

• семь разъемов для подключения дополнительных модулей.

Комплекс может комплектоваться произвольным числом дополнительных модулей для обработки, согласования и мультиплексирования аналоговых сигналов. При помощи комплекса можно осуществлять ввод и обработку в реальном масштабе времени до 128 аналоговых каналов. Плата АЦП подключена к ЭВМ через внутреннюю шину и управляется записью/чтением из портов компьютера (16 адресов в портовом пространстве). Плата АЦП имеет 16 аналоговых входов, которые соответствуют восьми внешним разъемам на корпусе NoteBook (первые два входа первому разъему, третий и четвертый — второму разъему и т.д.). В восьмой разъем встроен 16-канальный коммутатор.

Плата АЦП имеет следующие характеристики: разрядность — 12 бит; время преобразования — 10 мкс; дифференциальная нелинейность — 0,006 %; входное сопротивление 1 МОм; диапазон входного сигнала ± 5, 12 В; частота преобразования 100 кГц; многоканальный ввод-вывод данных в режиме прямого доступа к памяти (ПДП). Кроме того, особенностью платы является наличие на ней сигнального процессора, который позволяет организовывать практически любую схему ввода-вывода с одновременной обработкой сигналов. На рис. 4.58 приведена общая структурная схема аппаратно-программного комплекса ввода и обработки аналоговых сигналов.

Для обеспечения гибкости конфигурирования системы ввода аналоговой информации разработана серия специальных модулей предварительной обработки, каждый из которых может устанавливаться в любой из свободных семи разъемов, после чего его каналы становятся доступными через плату АЦП. Среди этих модулей можно выделить программируемый фильтр низких частот 8-го порядка, программируемый диффе-

ренциальный усилитель с коэффициентом усиления до 100, гальванически развязанный дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления до 100 и аналоговый коммутатор на 16 каналов. В комплексе предусмотрена возможность одновременного использования модулей фильтров с модулями усилителей, когда необходимо фильтровать усиленный сигнал, т. е. подавать выходы усилителей на входы фильтров.


Вопросы для самопроверки к главе 4

4.1. Дайте определение аналоговым вычислительным устройствам. Какими преимуще-
ствами и недостатками они обладают?

4.2. На чем основана система аналогий в моделирующих устройствах?

4.3. Что определяет погрешность пассивных и активных АВУ?

4.4. Что означает термин «Состязания в КЦУ»? Почему на него нужно обращать внима-
ние при проектировании цифровых устройств?

4.5. Какова последовательность действий при минимизации структуры КЦУ?

4.6. В чем заключается отличие ПЦУ от КЦУ?

4.7. Приведите типовые примеры ПЦУ и укажите области их применения.

4.8. Какие существуют методы реализации аналого-цифрового преобразования и в чем
их отличие?

4.9. Какие устройства в обязательном порядке входят в состав ЭВМ с общей шиной, для
чего они предназначены и какими преимуществами и недостатками обладает такая структура?

4.10. Каковы основные этапы программирования на ЭВМ?

 





©2015 www.megapredmet.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.