Лекция 1. Принципы построения и функционирования микроЭВМ

Из импульсных и цифровых устройств (логические элементы, триггеры, счетчики, регистры и т.д.), в принципе, возможно создать электронную систему любой сложности. На начальных этапах применения электроники для автоматизации судовых процессов так и поступали. Однако, с повышением сложности решаемых задач увеличивался объем электроники, снижалась надежность, поскольку требовались сотни и тысячи электронных компонентов. Выход из этого тупика был найден с разработкой микропроцессоров. Можно утверждать, что появление микропроцессоров оказало такое революционное воздействие на все сферы человеческой деятельности, которое можно сопоставить с овладением человечеством энергией водяного пара. Достигнутый к настоящему времени уровень автоматизации морских судов, характеризуемый безвахтенным обслуживанием энергетической установки, почти двухкратным сокращением численности судового экипажа (наряду со значительным улучшением условий труда и отдыха) стал возможен благодаря системам комплексной автоматизации, построенным на основе микропроцессоров.

Микропроцессор – программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровых данных и выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных микросхем (БИС). Первый микропроцессор был разработан фирмой Intel в начале 70-х годов 20-го столетия. К началу 80-х годов были разработаны микропроцессоры типов 8080, 8086, 8088, Z80 и в настоящее время широко применяемые на судах. Классическим, со всеми характерными чертами микропроцессора, стал микропроцессор 8080 фирмы Intel, аналог которого выпускался в том числе и в нашей стране. Он выполнен в виде одной БИС, содержащей около 5000 транзисторов.

Микропроцессор самостоятельно функционировать не может. Он входит основной составной частью в микроЭВМ.

МикроЭВМ – это ЭВМ, содержащая микропроцессор, запоминающее устройство и контроллеры (адаптеры) устройств ввода/вывода. На основе микроЭВМ строятся судовые микропроцессорные системы управления (МПСУ). Под МПСУ понимается управляющая система, включающая в себя микроЭВМ, средства сопряжения с объектом управления (датчики, исполнительные механизмы) и средства связи с оператором (человеком).

Основные элементы микропроцессора и микроЭВМ приведены на рис. 1:

- АЛУ – арифметико–логическое устройство, выполняет логические и простейшие арифметические операции – И, ИЛИ, НЕ, сложение, вычитание, умножение, деление;

- регистры – ячейки памяти для временного хранения информации;

- дешифратор - по двоичному коду команды распознает её существо;

- счетчик команд – задает в двоичном коде адрес ячейки памяти, в которой находится очередная команда, подлежащая выполнению;

- устройство управления – управляет работой микропроцессора и ЭВМ;

- ГТИ – генератор тактовых импульсов, задаёт темп работы микропроцессора;

- ЗУ – запоминающее устройство;

- ЗУП – запоминающее устройство программ (ПЗУ – постоянное запоминающее устройство);

- ЗУД – запоминающее устройство данных (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство);

- контроллеры (адаптеры) – для ввода и вывода информации из микро ЭВМ.

Для взаимодействия этих блоков они связаны между собой электрическими линиями, которые по функциональному признаку сведены в три группы (шины) образующие внутреннюю магистраль микроЭВМ. По шине данных (англ. – Data Bus) информация передаётся между микропроцессором и другими устройствами микро ЭВМ. Информация выражена в двоичном коде определенной разрядности, обычно соответствующей разрядности микропроцессора.

Разрядность микропроцессора – число разрядов двоичного кода, которым представляется информация в микропроцессоре и который он способен обработать в один прием. Характерным для большинства судовых микроЭВМ является 8-, 16-, 32-разрядный код. Чем выше разрядность, тем выше производительность микроЭВМ.

Рис. 1. Структурная схема микропроцессора и микроЭВМ

По шине адреса (англ. – Adress Bus) в виде двоичного кода передается адрес ячейки памяти, к которой обращается микропроцессор или адрес контролера (адаптера).

По шине управления (англ. – Control Bus) передаются сигналы, сопровождающие передаваемую по шине данных информацию. Например: сигнал RD - считать содержимое ячейки памяти; сигнал WR – записать (RD, WR – наименование сигналов, сокращение от англ. "read" и "write").

Взаимодействуют блоки микроЭВМ следующим образом. После подачи питания счётчик команд в виде двоичного кода, подаваемого в шину адреса, задает адрес ячейки, находящейся в ЗУП. В ней содержится первая выполняемая команда. Команды хранятся в ЗУП в виде чисел, выраженных двоичным кодом.

На втором этапе по шине управления передаётся сигнал "RD" и содержимое этой ячейки через шину данных поступает в микропроцессор. В дешифраторе эта команда (ее двоичный код) распознаётся и микропроцессором (АЛУ) выполняются оговорённые ею действия. Результат выполнения команды помещается в один из регистров памяти или в ячейку ЗУД. По завершении выполнения этой команды счетчик команд получает приращение – на его вход подается импульс, который увеличивает двоичный код адреса. Этот адрес снова поступает на шину адреса, происходит считывание и выполнение очередной команды и т.д.

Если существо очередной выполняемой команды состоит в передаче информации на одно из внешних устройств – принтер, дисплей и т.д., то по шине адреса задаётся адрес контроллера (адаптера) этого устройства.

Таким образом, процесс выполнения каждой команды протекает в несколько этапов, называемых машинными тактами. Длительность машинного такта равна периоду импульсов, вырабатываемых ГТИ. Чем выше частота тактовых импульсов, тем большее число команд в единицу времени может выполнить микропроцессор и микроЭВМ. Однако максимальное значение тактовой частоты ограничено быстродействием элементов (транзисторов), на которых он построен. Так, 8-разрядный микропроцессор 8080 способен работать с тактовой частотой 2,5 МГц, что позволяет ему выполнять около 600 тысяч простых команд, каждая из которых занимает 4 машинных такта. Более совершенный микропроцессор 8088 имеет тактовую частоту до 10 МГц, что обеспечивает ему, наряду с вдвое большей разрядностью (16 разрядов) в несколько раз большую производительность.

Данные микропроцессоры разработаны в 70-х годах и их тактовая частота к настоящему времени представляется весьма скромной. Однако их производительность вполне достаточна для решения задач автоматизации отдельных объектов судового энергетического оборудования, что и обеспечивает им широкое применение. Современные же высокопроизводительные 32-, 64-разрядные микропроцессоры, тактовая частота которых находится на уровне нескольких гигагерц, используются в судовых ЭВМ, выполняющих роль диспетчерских станций. Эти ЭВМ связывают отдельные, локальные подсистемы автоматики, построенные на более простых ЭВМ в единую систему комплексной автоматизации СЭУ, координируют их работу, являются по существу постом управления всей СЭУ. Их структура и параметры, организация программного обеспечения близки к таковым у персональных ЭВМ (англ. – РС).

Контрольные вопросы:

1. Назовите основные элементы микропроцессора и микроЭВМ.
2. Какие группы образуют внутреннюю магистраль микроЭВМ?
3. Дайте определение разрядности.
4. Как разрядность влияет на производительность процессора?
5. В чем отличие ОЗУ от ПЗУ?
6. Что такое машинный такт?