Антошина И.В., Котов Ю.Т. Микропроцессоры и микропроцессорные системы (аналитический обзор)

Подождите немного. Документ загружается.

171

• два квадратурных (синусно-косинусных) декодера

(Quad Dec0 & Quad Dec1), каждый с четырьмя входами (или два

дополнительных четырехканальных таймера A&B),

• два четырехканальных таймера общего применения с ше-

стью входами: таймер C с двумя входами и таймер D с четырьмя

входами,

• контроллер CAN интерфейса A/B с двухвыводными пор-

тами приемопередатчиков,

• два двухпроводных последовательных коммуникацион-

ных интерфейса (SCI0 & SCI1) или 4 дополнительных линии

GPIO,

• последовательный интерфейс периферии (SPI) с настраи-

ваемым четырехпроводным портом или четыре дополнительные

линии GPIO,

• сторожевой таймер контроля функционирования процес-

сора,

• два программируемых входа внешних прерываний,

• четырнадцать программируемых и восемнадцать мульти-

плексированных универсальных портов ввода/вывода (GPIO),

• вход принудительного сброса процессора,

• порт JTAG/OnCE™ (встроенного эмулятора) для отладки,

не зависящей от тактовой частоты

процессора,

• программируемый генератор с ФАПЧ для формирования

тактовой частоты ядра DSP.

В системах управления, как правило, интенсивно исполь-

зуются прерывания от внешних устройств и внутренних перифе-

рийных модулей. Обычно микроконтроллеры поддерживают не-

сколько типов внутренних и внешних прерываний и обеспечивают

много вариантов маскирования и установки приоритетов.

Обычные DSP обрабатывают только небольшой набор

пре-

рываний, которые напрямую взаимодействуют с его ядром. В от-

личие от них, кристалл DSP56F80х поддерживает большое число

прерываний. Хотя число адресуемых прерываний ядра DSP56F8хх

мало в сравнении с общим число источников прерываний, много-

уровневая встроенная схема мультиплексирования обеспечивает

полную и гибкую поддержку 64 источников прерываний, каждый

172

из которых может маскироваться и имеет программно устанав-

ливаемый приоритет.

Разработка систем на базе микросхем семейства DSP56800

отличается простотой. Внешняя шина обеспечивает выполнение и

отладку прикладных программ, размещенных во внешней памяти.

Допускается хранение программ и данных во внешней памяти.

Чтобы обеспечить функционирование внешней памяти с различ-

ным быстродействием программируемые временные задержки для

памяти программ и памяти данных могут устанавливаться раз-

дельно.

Набор команд общего назначения, который используется в

микропроцессорах с развитыми режимами адресации и командами

обработки битов, дает разработчику возможность просто освоить

программирование. Сложности, характерные для DSP с предшест-

вующими архитектурами, не доставят ему беспокойства. Про-

граммный стек обеспечивает неограниченное число прерываний и

вложений подпрограмм, а также поддержку передачи параметров

и локальных переменных. Опытный программист найдет широкий

набор команд арифметических операций и различные одинарные и

двойные обращения к памяти, выполняющиеся совместно с ариф-

метическими операциями. Эффективная работа трансляторов для

микросхем с архитектурой DSP56800 обеспечивается использова-

нием в микросхемах команд общего назначения.

Порт отладки JTAG позволяет отлаживать

микросхему в

составе законченной системы пользователя. Через порт можно за-

дать точки останова программы, проверить и изменить содержи-

мое регистров и ячеек памяти, выполнить другие действия по от-

ладке системы.

Motorola предлагает полный набор программных и аппарат-

ных средств быстрой разработки и отладки систем, реализованных

на кристаллах семейства DSP568хх. Средства разработки

включа-

ют:

• оценочные платы для каждой модификации микросхемы,

• интегрированную среду отладки "Metrowerks Code

Warrior" со встроенным кросc-компилятором языка С.

Программная среда разработки предоставляет программи-

сту гибкое модульное окружение, обеспечивая полное использова-

173

ние возможностей микросхем. Среда допускает различные кон-

фигурации памяти данных и позволяет создавать перемещаемый

код, выполнять символьную отладку, гибко компоновать объект-

ные файлы. Реализованы средства создания архива библиотек при-

кладных программ.

Motorola разработала новый комплект для разработки

встроенного программного обеспечения (Embedded Software

Development Kit, SDK), дополняющий существующую среду раз-

работки для DSP568xx. Он формирует программную инфраструк-

туру

, обеспечивающую разработку высокоэффективных программ,

полностью переносимых и допускающих повторное использова-

ние не только в процессорах семейства DSP568хх, но в будущем и

в процессорах с другой архитектурой, поддерживаемой SDK. Этот

программный продукт, выпускаемый для цифровых сигнальных

процессоров фирмы Motorola, предназначен для ускорения разра-

ботки и более быстрого выхода изделий на рынок.

Стандартные микроконтроллеры

успешно применяются в

устройствах управления общего назначения. Однако невысокая

производительность не позволяет использовать их в устройствах с

повышенными параметрами. Эта ниша заполняется микросхемами

семейства DSP568хх, имеющими производительность DSP и

снабженными набором периферийных устройств, которые тради-

ционно используют разработчики систем управления.

Архитектура ядра DSP568хх обеспечивает эффективную

цифровую обработку данных и решение задач управления

. Такие

характеристики этой архитектуры, как высокая производитель-

ность и набор команд общего назначения, обеспечивают ей лиди-

рующие позиции в тех областях цифровой обработки сигналов, в

которых требуется низкая стоимость и малое энергопотребление.

Компактность программ и высокая эффективность компилятора

позволяет также снизить стоимость системы за счет уменьшения

требуемого объема встроенной памяти.

Микросхемы семейства DSP568хх предназначены для при-

менения в недорогих устройствах. Эти микросхемы ориентирова-

ны на применение в бытовой технике, для которой необходима

низкая стоимость и не требуются высокие параметры. К таким из-

делиям относятся:

174

• специализированные и многоцелевые контроллеры,

• проводные и беспроводные модемы,

• системы беспроводной передачи цифровых сообщений,

• цифровые телефонные автоответчики,

• устройства управления серводвигателями и электродвига-

телями переменного тока,

• цифровые камеры.

Микросхемы этого семейства имеют производительность

специализированных DSP. Благодаря наличию набора встроенных

периферийных устройств эти микросхемы отвечают требованиям

систем управления. Встроенные блоки памяти и

периферийные

устройства могут существенно снизить стоимость системы, пото-

му что в этом случае уменьшается число внешних компонентов.

8. Архитектуры микропроцессорных систем

8.1. Системы с централизованным, децентрализованным

и комбинированным управлением

В МПС с централизованным управлением задача обработки

входных сигналов Х

,..., Х

с целью формирования управляющих

воздействий Y

,...,Y

решается микропроцессорным устройством

(МПУ), включающим МП и элементы памяти, которые соединены

каналами связи через цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП),

исполнительные устройства (ИУ) с объектом (или объектами)

управления (ОУ). Обратная связь о состоянии ОУ обеспечивается

сигналами от ОУ, поступающими на МПУ через аналого-

цифровые преобразователи (АЦП).

Общая структурная схема для этого случая

показана на рис.

28. Если осуществляется управление одним, но сложным много-

мерным объектом (роботом, прокатным станом, доменной печью,

самолетом, космическим летательным аппаратом и т. п.), то такая

система является связанной. Если же решается задача управления

совокупностью независимых по управляемым параметрам одно-

мерных объектов, то система является несвязанной.

175

Рис. 28.

В системах с децентрализованным управлением в каждый

контур управления включается автономное МПУ. Структурная

схема системы с децентрализованным управлением приведена на

рис. 29, где МПУ размещены в непосредственной близости от

объекта управления ОУ или встроены в него и функционально

ориентированы на решение конкретных задач. В качестве МПУ

широко применяется программируемые регулирующие

микрокон-

троллеры.

В децентрализованных системах МПУ могут вводиться для

передачи ему функций диспетчера либо отсутствовать совсем. В

этом случае реализуется комбинированное управление. В комби-

нированных системах используется обе перечисленные структуры

управления.

Рис. 29.

Выбор структуры управления в МПС, построенных на базе

МПК БИС, зависит от многих взаимосвязанных факторов, важ-

нейшими из которых являются стоимость и надежность систем,

176

их живучесть, гибкость, способность работать в масштабе ре-

ального времени.

Специфика конкретных задач управления показывает, что

применение принципа децентрализованного (распределенного)

управления при построении МПС в техническом и экономиче-

ском плане имеют преимущества по сравнению с другими струк-

турами МПС.

8.2. Системы с перестраиваемой структурой

Задачи, решаемые МПС, могут зависеть от

характера вход-

ных воздействий, поступающих в систему. Так, например, управ-

ление роботом может осуществляться по разным алгоритмам в за-

висимости от результата решения задачи распознавания представ-

ленного роботу объекта. В этом и подобных случаях структура

МПС оказывается переменной. В микропроцессорных системах

она перестраивается программно.

Пример структурной схемы перестраиваемой МПС управ-

ления

роботом в общем виде показана на рис. 30.

Рис. 30

В состав системы входят: цифровой датчик визуальной ин-

формации Д, информация с которого поступает в блок распознава-

ния изображения БР, формирующий электрический логотип изо-

бражения. Блок коммутации алгоритмов управления БК произво-

дит выбор и обработку программы обслуживания сформирован-

ного логотипа. С помощью сигналов формирователей управляю-

177

щих сигналов ФС

,..., ФС

блок коммутации выхода БКВ вы-

дает на выход МПУ исполнительный сигнал, который через ЦАП

подается на исполнительное устройство ИУ.

Осуществимость перестройки МПС, выполняемой в реаль-

ном масштабе времени на программном уровне, является следст-

вием применения в автоматических системах высокопроизводи-

тельных МПС, на которые возлагаются задачи обработки больших

потоков информации, связанной

со статистическим экспресс -

анализом случайных сигналов, их идентификацией, классифика-

цией, распознаванием изображений и т. п. Это в конечном счете

существенно улучшает показатели качества управления системой.

8.3. Системы с резервированием

Одним из путей увеличения отказоустойчивости МПС явля-

ется резервирование. Резервирование подразделяется на аппара-

турное, программное и информационное.

Табл. 7

Рис.31

Распространенными методами аппаратурного резервирова-

ния являются методы, основанные на мажоритарной обработке и

обработке с переключением каналов. При мажоритарной обработ-

ке МПС состоит из п независимых каналов обработки информации

(рис. 31) и остается в рабочем состоянии до тех пор, пока сохра-

няют работоспособность t из п каналов. Например, в системе «2

из

З» работоспособное состояние канала определяется из табл. 7, в

178

которой значками «+» и «-» определено соответственно работо-

способное и неработоспособное состояния канала.

В МПС с переключением каналов избыточные (резервные)

каналы обработки информации включаются в работу только после

выхода из строя основного или ранее замененного канала. В таких

системах имеются дополнительные блоки опознавания (БО) неис-

правных каналов и их переключения БП (рис.32).

Рис.32

8.4. Иерархические системы

Сложные объекты управления (самолеты, космические

аппараты, прокатные станы, роторные конвейерные линии и т. п.)

представляют собой совокупность взаимосвязанных многорежим-

ных управляемых систем, объединенных единой системой управ-

ления. Основополагающими принципами, определяющими струк-

туру МПС управления подобными объектами, является иерархич-

ность, независимость управления по уровням иерархии и инфор

мационная замкнутость. Обобщенная структура иерархической

МПС показана на рис.33.

Особенность микроконтроллера проявляется в том, что на

его выходе не используется мультиплексирование (число ЦАП

равно числу выходных цепей контроллера). Такое построение кон-

троллера связано с необходимостью запоминания каждого значе-

ния управляющего сигнала после останова вычислительного про-

цесса. Учитывая, что в распределенной

МПС число выходных

сигналов невелико, затраты на ЦАП оказываются относительно

небольшими.

179

Рис.33

Преобразователи аналоговых сигналов в код позволяют со-

прягать микроконтроллер с непрерывными и дискретными датчи-

ками, с исполнительными механизмами пропорционального, пози-

ционного, интегрирующего и другого действия, а также с различ-

ными устройствами дискретного и логического управления .

В микроконтроллере может быть применен микропроцессор

как с аппаратным, так и с микропрограммным принципом

управ-

ления. Аппаратное управление основано на внутреннем микропро-

граммировании. При аппаратном управлении система команд мик-

ропроцессора является фиксированной. Она реализована во внут-

ренних жестких электрических связях в кристалле МП и не может

быть изменена разработчиком системы. Микропрограммное

180

управление основано на внешнем микропрограммировании (на-

бор команд может быть нефиксированным и изменяться разработ-

чиком системы).

Особенностью программного обеспечения микроконтроллера

является то, что большая часть его памяти программируется на за-

воде - изготовителе. В нем отсутствуют обычные средства ввода и

отладки программ, а также модули сопряжения с ними. Указанные

особенности позволяют упростить

микроконтроллер и сделать

рентабельным его применение для обработки сравнительно не-

больших массивов информации.

Пульт оператора в микроконтроллере используется для уста-

новки требуемой конфигурации регулирующего контура, выбора

алгоритма управления, контроля значений технологических пере-

менных, оперативного вмешательства в процесс управления и дру-

гих целей. Программное обеспечение состоит из программ: дис-

петчера (координирующего

весь вычислительный процесс), рабо-

чих, обслуживания пульта и диагностических. Для программиро-

вания используется, как правило, десятичный код, набираемый на

панели пульта.

Все алгоритмы микроконтроллера достаточно универсальны

и в функциональном отношении эквивалентны типовым звеньям

МПС управления объектом или типовой «связке» таких звеньев.

Возможности микроконтроллера характеризуют, используя поня-

тие виртуальной (кажущейся) структуры. Виртуальная

структура

описывает свойства контроллера в традиционных для МПС управ-

ления понятиях, основными из которых являются каналы управле-

ния, с системной точки зрения эквивалентные отдельному прибору

или типовому сочетанию приборов непрерывной системы управ-

ления, и конфигурация, определяющая систему связи каналов со

входами и выходами контроллера, а также варианты взаимодейст-

вия каналов.

По оценкам специалистов, существует ограниченное число

(ориентировочно 20 - 25) алгоритмов, комбинация которых позво-

ляет автоматизировать управление процессами и объектами прак-

тически любой степени сложности. Эти алгоритмы, оформленные

в виде библиотеки программ, хранятся в постоянной памяти и мо-

гут быть использованы в любом заданном сочетании. Среди про-