Особенности построения модульных МП

Рассмотрим отдельно особенности построения модульных МП. Модульный или секционированный МП конструктивно представляет собой комплект из нескольких микросхем. Но в отличии от многокристальных МП, как уже упоминалось, модульный МП разделяется на секции по группам разрядов. Каждая секция предназначена для обработки определенного количества разрядов, обычно 2-х, 4-х или 8-ми. Общая разрядность микропроцессорной системы формируется путем последовательного соединения соответствующего числа микропроцессорных секций. Упрощенная структура модульного МП, исходя из обобщенной структуры МП (рис. 11.2.1), может быть изображена в виде, представленном на рис. 11.5.1.

Каждая из МП-секций представляет собой тот же набор основных узлов, что и однокристальный МП: устройство обработки данных (УОД), блок интерфейса (БИ) и местное устройство управления (МУУ). Конструктивно каждая секция представлена отдельной БИС. Помимо местного устройства управления каждой секции, модульный МП имеет общее для всего МП микропрограммное устройство управления (МпУУ), которое обычно конструктивно реализуется в виде нескольких БИС, в число которых обязательно входит БИС ПЗУ. Микропрограммное устройство управления модульного МП преобразует команды в соответствующие последовательности микрокоманд. Термин «микропрограммное устройство управления» определяет, что модульные МП являются МП с управлением на уровне микропрограмм. Программа работы таких МП задается в микропрограммном виде, т.е. непосредственно в микрокомандах.

Система команд модульного МП формируется из микропрограмм, т.е для каждой команды составляется микропрограмма. Такая система команд является наращиваемой и определяется «прошивкой» ПЗУ (записанной в ПЗУ информацией) микропрограммного устройства управления, а также ее объемом. Модульные МП обладают гибкостью в выборе не только системы команд, но и в выборе языков программирования вообще, которая достигается сменой или перепрограммированием БИС ПЗУ, входящей в состав микропрограммного устройства управления и допускающая реализацию практически любой системы команд и программирование на языках как низкого, так и высокого уровней. Кроме того, модульные МП отличаются высоким быстродействием благодаря возможности параллельных вычислений сразу в нескольких секциях.

Рис. 11.5.1. Упрощенная структурная схема модульного МП

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. Так, например, точность может быть увеличена за счет использования цифровых методов коррекции систематических и случайных погрешностей. Надежность может быть повышена применением 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 ИИТ 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 сталкивается с вопросом о том, следует ли ему вообще использовать в приборе МП или прибегнуть к традиционному решению в рамках "жесткой логики". Как показывает накопленный опыт использование МП в средствах измерения оправдано в следующих случаях:

· требуемое для решения задачи число интегральных схем (корпусов) 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;

· должна производиться статистическая обработка результатов измерения;

· необходимо выполнение математических функциональных преобразований;

· требуются самокалибровка и самодиагностика;

· быстродействие МП достаточно высоко 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.

Особенный интерес при проектировании измерительных приборов на базе МП представляет использование специализированных сигнальных процессоров. Такие процессоры 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.

МП уже нашли применение 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 позволяет заменить дорогостоящее оборудование традиционных реальных приборов более дешевым, компактным и гибким, позволяющим "сконструировать" программный аналог измерительного прибора на базе персонального компьютера, оснащенного сигнальным процессором, платами АЦП и другим необходимым оборудованием и используя удобный графический интерфейс программного обеспечения.