Лекции - Микропроцессорные устройства мехатронных систем

Подождите немного. Документ загружается.

процессор событий (EРA);

генератор широтно-импульсных сигналов (PWM);

многоканальный генератор периодических сигналов (WG);

аналого-цифровой преобразователь (A/D);

сторожевой таймер (WDT);

генератор частоты (FG1;

последовательные порты ввода/вывода данных (SIO).

Набор встроенных периферийных устройств меняется в зависимости от типа

микроконтроллера и определяет область его преимущественного применения.

Модуль центрального процессора. Модуль центрального процессора

обеспечивает выполнение программы пользователя и состоит из центрального

процессора (ЦПУ) Central Processing Unit (CPU) и контроллера памяти Memory

Controller (рис. 19). В состав центрального процессора входят регистровый

файл Register File и регистровое арифметико-логическое устройство (Register

Arithmetic-Logic Unit) или сокращенно РАЛУ (RALU).

Внутренняя 16-разрядн4я шина связывает центральный процессор с

контроллером памяти и контроллером прерываний (interrupt controller), а также

со всеми встроенными на кристалл периферийными устройствами. Допол-

нительная внутренняя 8-разрядная шина используется для непосредственной

передачи байтов команды из контроллера памяти в регистр команд (instruction

РИС. 19. СТРУКТУРА МОДУЛЯ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА

В состав центрального процессора входит устройство микропрограммного

управления (microcode engine), предназначенное для приема от контроллера

памяти кода очередной команды, дешифрации кода и генерации после-

довательности управляющих команд, подаваемых на регистровое арифметико-

логическое устройство, и необходимых для выполнения операций над байтами,

словами и длинными словами, расположенными в 256-байтовом нижнем

регистровом файле. Использование механизма адресации операндов через

вертикальное окно в нижнем регистровом файле, позволяет выполнять в РАЛУ

также и операции с данными, расположенными в верхнем регистровом файле, а

в новейшей серии микроконтроллеров MCS-296 — даже во внешней памяти.

Центральный процессор связывается с внутренней кодовой и внешней

памятью (программ и данных) через контроллер памяти. Исключение состав-

ляет регистровый файл, доступ к которому обеспечивается непосредственно. В

состав контроллера памяти входят несколько устройств: вспомогательный

счетчик команд (Slave PC), 4-байтовая очередь из предварительно выбранных

из памяти и готовых для выполнения кодов команд (Queue), контроллер шины

(Bus Controller), регистры адреса (Adress Register) и данных (Data Register).

Запрос на доступ к памяти может поступить как от центрального процессора

при выполнении текущей команды, например, для получения операнда из

внешней памяти по косвенному адресу, расположенному в одном из регистров-

слов внутреннего ОЗУ, так и от диспетчера очереди предварительно выбранных

кодов команд. Механизм предварительной выборки команд существенно

повышает производительность центрального процессора так как к моменту

завершения выполнения текущей команды следующая команда уже считана из

памяти и готова для немедленного выполнения. Центральный процессор

получает коды команд из 4-байтовой очереди команд (Prefetch Queue по

специальной 8-разрядной шине. Код текущей исполняемой инструкции всегда

находится в регистре команд РАЛУ. За выполнение пpoграммы пользователя в

правильной последовательности отвечает основной счетчик команд (Master

Program Counter), содержимое которого указывает на адрес очередной,

подлежащей выполнению команды. Содержимое основного счетчика команд

автоматически увеличивается в зависимости от длины текущей команды

встроенной схемы инкрементирования.

Как отмечено выше для ускорения выборки кодов команд из внешней или

внутренней кодовой памяти используется вспомогательный счетчик команд

(Slave PC), содержимое которого задает адрес команды, подлежащей выборке

из памяти. Выбранная команда поступает в очередь на выполнение. Как только

очередная команда считывается из очереди и передается на дешифрирование в

устройство микропрограммного управления центрального процессора,

диспетчер очереди формирует запрос в контроллер шины Bus Controller) на

считывание очередной команды. Контроллер шины входит в состав

контроллера памяти и обеспечивает формирование необходимых управляющих

сигналов как для считывания данных из внешней, внутренней памяти или

внешнего периферийного устройства, так и для записи данных во внешнее ОЗУ

или в периферийное устройство. Таким образом, контроллер шины

обеспечивает считывание кодов машинных команд и запись/считывание

данных. Запрoc на считывание очередной инструкции поступает от диспетчера

очереди, а запрос на запись/считывание данных (операндов) - от центрального

процессора. Запpoc от диспетчера очереди имеет более высокий приоритет.

Если линейная последовательность выполнения команд программы

нарушается, например, вследствие выполнения команды условного или

безусловного перехода или вызова подпрограммы, значение вспомогательного

счетчика команд перезагружается текущим значением основного счетчика

команд и очередь ранее выбранных команд аннулируется (очищается).

Перезагрузка вспомогательного счетчика команд и извлечение первого байта

кода инструкции из памяти занимает 4 машинных такта.

Замечание. Если при отладке микропроцессорной системы Вы пользуетесь

логическим анализатором, то имейте в виду, что команды из памяти

выбираются с опережением. В данный момент выполняется команда, которая

уже была считана ранее

Регистровое АЛУ имеет достаточно сложную внутреннюю структуру. В его

состав помимо собственно 16-разрядного арифметико-логического устройства,

регистра команд и устройства микропрограммного управления входят

несколько вспомогательных регистров:

• Регистры старшего и младшего слова, предназначенные для использования

в командах с 32-разрядными операндами в качестве регистров временного

хранения данных. Они имеют собственные устройства сдвига, что ускоряет

выполнение команд сдвига, нормализации, умножения и деления.

• Регистр второго операнда АЛУ, используемый в двухоперандных

командах. в частности, для хранения множителя или делителя в операциях

умножения, деления, соответственно.

• 6-разрядный счетчик числа циклов для организации сдвига операнда на

заданное число разрядов со схемой автоматического декрементирования.

• Регистр селектирования заданного бита, который позволяет автоматически

генерировать необходимую маску при выполнении команд тестирования бита

по номеру бита, указанному в команде.

• Регистры констант (0, 1, 2), необходимых для ускорения типовых операций

в АЛУ.

После завершения любой операции в АЛУ результат анализируется и со-

ответствующие признаки результата (нуля, переноса, переполнения и т.д.)

выставляются в слове состояния программы Program Status Ward (PSW).

Признаки результата операции используются в командах условной передачи

управления для организации ветвлений в программе.

Регистровый файл

Различные типы микроконтроллеров отличаются количеством ячеек памяти

в регистровом файле, так называемом регистровом ОЗУ (РОЗУ). Естественно,

что чем больше объем сверхоперативной регистровой памяти, тем более слож-

ные вычисления и с большим быстродействием могут быть организованы в

микропроцессорной системе на базе данного микроконтроллера.

Первые 256 ячеек регистрового файла имеют короткие байтовые адреса и

относятся к нижнему регистровому файлу, а все остальные — 16-разрядные

адреса и относятся к верхнему регистровому файлу. Наибольшим

быстродействием обладают команды с прямой регистровой адресацией

операндов в нижнем регистровом файле. При этом используются байтовые

адресные поля и команды имеют предельно короткий формат и наименьшее

время выполнения. Для доступа к операндам за пределами нижнего

регистрового файла (в том числе и к внешней памяти) используются

специальные способы адресации, в частности косвенная, базово-индексная, а

также адресация через специальные вертикальные окна.

Младшие 24 байта нижнего регистрового файла относятся к регистрам

специального назначения центрального процессора (CPU special-function

registers - SFRs). Здесь расположен также указатель стека (Stack Pointer SP).

Вся остальная область регистрового ОЗУ, в том числе область верхнего

регистрового файла, является оперативной памятью общего назначения и

может использоваться программистом по своему усмотрению. Доступ

производится к байтам, словам или двойным словам. Набор регистров

специального назначения отличается в микроконтроллерах разных типов. Эти

регистры позволяют управлять системой прерываний, селектировать

вертикальные окна и выполнять целый ряд дополнительных функций.

Особенность организация памяти микроконтроллеров MCS-196

Типичная схема организации памяти 16-разрядных микроконтроллеров Intel

на примере 8ХС196КС и 8XC196KD приведена на рис. 20.

Нижняя область встроенного регистрового ОЗУ (ООООН-0017Н) жестко

закреплена за регистрами специального назначения центрального процессора

(CPU SFRs), через которые осуществляется управление системой прерываний,

механизмом селектирования горизонтальных и вертикальных окон, а также

встроенными периферийными устройствами (для некоторых типов

микроконтроллеров).

Начиная с адреса 0018Н располагается область регистрового 03У (Register

RAM), объем которой различен для разных контроллеров и варьируется как

правило, в диапазоне от 232 байт до 1 Кбайта.

Следующий сектор памяти объемом несколько меньше 8 Кбайт используется

для адресации внешней памяти и/или внешних периферийных устройств В

конце этой области памяти располагается еще одна область регистров

специального назначения - регистров специального назначения периферийных

устройств SFR (в данном случае регистров портов ввода/вывод 10PORT3 и

10PORT4). Размер этой области определяется объемом интегрированной на

кристалл периферии и, например, у контроллеров 8XC196MC/MD/MH

достигает 256 байт (1FEOH-1FFFH).

Рис 20. Карта распределения памяти для микроконтроллеров 8xC196KC/KD

Дело в том, что в микроконтроллерах с большим количеством

интегрированных на кристалл периферийных устройств начальной области

памяти 24 байта оказывается недостаточно для размещения всех регистров

специального назначения периферийных устройства для их размещения

отведена специальная область памяти. При этом в начальной области памяти

остаются только регистры специального назначения центрального процессора.

Начиная с адреса 2000Н располагается секция внутреннего,

интегрированного на кристалл ПЗУ. Это может быть как однократно-

программируемое ПЗУ так и масочно-программируемое ПЗУ объемом от 8 до

32 Кбайт, в зависимости от типа микроконтроллера. В том случае, если

микроконтроллер не имеет встроенного ПЗУ, эта область памяти будет

относиться к области внешней памяти.

Характерной особенностью процессоров Intel является возможность задать в

начале рассматриваемой области памяти не только желаемую конфигурацию

микроконтроллера и микропроцессорной системы, в том числе цикл работы

внешней шины, но и дополнительные коды секретности, которые полностью

исключают возможность несанкционированного чтения или записи

содержимого внутренней памяти и тем самым — возможность

несанкционированного тиражирования изделия со встроенной системой

микроконтроллерного управления. Последнее обстоятельство обеспечивает

защиту вложений, сделанных заказчиком в разработку программного продукта,

что особенно важно, так как доля этих затрат непрерывно растает и по

некоторым оценкам уже приближается к 80% стоимости всего проекта. В

начальной области кодовой памяти располагаются также вектора переходов на

подпрограммы обслуживания прерываний.

Первым адресом, по которому процессор обращается для выполнения

программы пользователя, является адрес 2080Н. Сюда передается управления и

после сброса системы по сигналу RESET. Расположенная вслед за внутренним

ПЗУ память, вплоть до адреса FFFFH может рассматриваться как внешняя

память программ и/или данных и/или область aдресации внешних устройств

ввода/вывода пользователя. Некоторые самые современные микроконтроллеры,

например, 8XC196NP, 8XC196NU, 80C296SA, предназначенные для

высокопроизводительной обработки больших массивов информации в

реальном времени имеют 'возможности расширенной адресации памяти. В

этом случае объем прямоадресуемой памяти возрастает до 1 Мбайта, 6 Мбайт и

даже до 16 Мбайт. При этом внутренняя шина адреса микроконтроллера вместо

16-разрядной становится 24-разрядной, а во вне выводятся дополнительно 4

или 8 старших разрядов адресной шины.

Возможности подключения внешней памяти и внешних устройств ввода/

вывода

На стадии разработки и отладки микропроцессорной системы приходится

использовать внешнюю память программ и только затем, когда алгоритмы и

программное обеспечение полностью оттестированы и начинается серийный

выпуск изделия , программное обеспечение «прошивается» в внутреннюю

память микроконтроллера. Кроме того, в ряде применений требуется внешняя

память данных, часто энергонезависимая, для хранения промежуточных

массивов информации, результатов тестирования работоспособности

оборудования, текущих настроек системы управления, циклограмм управления

оборудованием в функции времени и т.д.

В системах встроенного управления, где часто приходится изменять

алгоритмы управления и программное обеспечение, единственной

альтернативой оказывается применение в качестве внешней памяти программ

так называемой флэш-памяти. Эта память, впервые анонсированная фирмой

Intel в 1988 г., бурно развивается и на сегодняшний день сочетает в себе

достоинства ОЗУ и ПЗУ, являясь энергонезависимой памятью с высокой

плотностью хранения информации, высоким быстродействием, малым

потреблением энергии, исключительной надежностью и помехоустойчивостью.

Она допускает более 100 тысяч циклов перезаписи.

Вместе с тем, несмотря нa большое количество интегрированных на

кристалл периферийных устройств, их часто оказывается недостаточно для

решения конкретной задачи. В этом случае приходится дополнительно

использовать внешние периферийные устройства: программируемые порты

ввода/вывода данных, контроллеры прерываний, контроллеры

последовательного ввода/вывода данных и т.д.

Встроенный контроллер внешней шины обеспечивает корректное

подключение к микроконтроллеру внешней памяти и внешних периферийных

устройств, а также формирование необходимых сигналов управления ими.

Большинство микроконтроллеров MCS-196 имеют мультиплицированную шину

адреса/данных, а самые совершенные из них могут работать и с

мультиплицированной шиной адреса/данных, что повышает

производительность системы и упрощает интерфейс с внешней памятью и

периферией.

В зависимости от разрядности используемой внешней памяти и периферии

шина может работать в нескольких режимах:

Стандартном — как 16-разрядная мультиплицированная шина (вся внешняя

память и периферия 16-разрядные). 8-разрядном — когда вся внешняя память и

периферия 8-разрядные. Динамически переключаемом между 8- и 16-разрядным

режимами в зависимости от типа внешнего устройства, к которому в данный

момент происходит обращение.

Кроме того, наличие специального входа готовности Ready допускает

расширение сигналов чтения RD# и записи WR# для подключения медленно-

действующей памяти и устройств ввода/вывода (например,

жидкокристаллического дисплея). Более того, изменяя программно байты

конфигурации микроконтроллера, можно задать требуемое число тактов

ожидания для оптимального сопряжения микроконтроллера с внешними

устройствами.

Лекция 11.

Применение микропроцессоров в приводах мехатронных систем. Примеры

МП приводов современных систем.

Пример МК-системы на основе ОМЭВМ семейства МК51.

В данном разделе рассматривается пример построения МК-системы на

основе ОМЭВМ МК51, который может быть использован для

приобретения навыков программирования и отладки программ для МК51, а

также рассматриваться в качестве макета реальной системы управления для

отладки ее прикладного программного обеспечивания совместно с объектом

управления в реальном масштабе времени.

Проектируемый отладочный модуль должен содержать следующие

средства:

- постоянную память с программой Монитор, обеспечивающей управление

всей системой и прежде всего взаимодействие с оператором;

- оперативную память для занесения программ, данных и создания буферов

Монитора;

- простейшую клавиатуру для загрузки кодов и взаимодействия с

оператором: 16 цифровых клавиш (цифры от 0 до F), 8 управляющих клавиш,

в том числе и клавиша "сброс" - системного сброса;

- простой дисплей, обычно однострочный (на основе семисегментных

индикаторов), который используется для визуального контроля вводимой

информации и отображения данных;

- расширитель ввода-вывода на основе ППА КР580ВВ55.

Кроме того, отладочный модуль может иметь собственный источник

электропитания и (в некоторых случаях) дополнительное место на печатной

плате ("слот”) для монтажа пользовательских средств связи с объектом

управления. Функциональная схема отладочного модуля, удовлетворяющего

поставленным требованиям, приведена на рис.15. Как видно из приведенной

схемы, память МКС имеет две физически- разделенные области для хранения

данных и программ: ВПД и ВПП.

Рис.15. Функциональная схема отладочного модуля

Обращение к ним стробируется сигналами RD, WR и РSЕN, соответственно.

Программа Монитор расположена в ВПП. Адресное пространство ВПД

включает в себя следующие области: буферную область Монитора; память

данных; область, отведенную для подключения интерфейсных БИС (ППА,

ККД).

Контроллер клавиатуры - дисплея (ККД) закрывает адресные

пространства ВПД размером в 4 ячейки. Выбор кристалла ККД

осуществляется дешифратором ДС, при установке соответствующих адресов

(указанных 4-х ячеек).

Обмен данными МК с ККД осуществляется через порт Р0. Для

синхронизации работы ККД используется сигнал с выхода АLЕ. Выход

сигнала прерывания из ККД (IRQ) соединен со входом запроса

прерываний МК. Это позволяет достаточно просто обнаруживать факт

нажатия клавиш, а также выполнять переход из программы пользователя

в Монитор по прерыванию от клавиатуры.

Для управления внешним объектом от МК используется порт Р1 и

оставшиеся не задействованными 5 линий порта Р3. Для сопряжения МК с

объектом, имеющим большое число входов/выходов, можно расширить

резидентную систему ввода/вывода, подключив к МК необходимое

количество внешних портов. Такое расширение может быть выполнено двумя

способами: с использованием стандартного расширителя ввода/вывода

(КР580ВР43) или интерфейсных БИС (КР580ВВ55, КР580ВВ51). На

приведенной схеме показан вариант расширения ввода/вывода с

использованием параллельного периферийного адаптера (ППА) КР580ВВ55.

Порты адаптера адресуются как ячейки ВПД, при этом младшие разряды (А0,

А1) шины адреса используются для выбора порта, а старшие (А10  А3) с

помощью дешифратора DС формируют сигнал выбора микросхемы ППА.

Ввод/вывод данных стробируется сигналами WR/RD - записи/чтения ВПД.

Системный сброс МКС осуществляется нажатием на клавишу "сброс".

Унифицированная структура силовой части статических преобразователей

частоты для широкого класса приводов переменного тока.

Современный этап технической революции характеризуется бурным раз-

витием не только управляющей, но и силовой электроники. успехи которой

позволяют по новому взглянуть на ряд проблем, которые раньше не решались

либо ввиду непомерной стоимости проекта либо сложности его реализации на

имеющейся элементной базе.

Известно, что в большинстве промышленно развитых стран около 70-80%

всей вырабатываемой электроэнергии используется для преобразования в

механическую работу с помощью различных электродвигателей. При этом до

последнего времени наиболее массовым типом электропривода был нере-

гулируемый привод с асинхронными короткозамкнутыми двигателями. Это

объясняется простотой двигателя и возможностью его непосредственного

подключения к трехфазной сети переменного тока с помощью так называемых

пускателей - простейшей коммутационной и защитной аппаратуры.

Применение нерегулируемых электроприводов сопровождается значитель -

ными непроизводительными затратами электроэнергии и в условиях резкого

подорожания энергоносителей и, соответственно, электроэнергии, экономичес-

ки невыгодно. Поэтому, доля регулируемых электроприводов, в том числе час-

тотно-регулируемых электроприводов переменного тока постоянно растет. При

этом в ряде стран приняты специальные государственные программы ускорен-

ного развития энерго- и ресурсосберегающих технологий на базе экономичного

регулируемого электропривода с широкими интерфейсными возможностями,

дозволяющими одновременно с экономией электроэнергии решать и задачи

комплексной автоматизации производства в целях оптимизации параметров

технологических процессов и улучшения качества выпускаемой продукции.

Увеличение стоимости энергоносителей привело к еще одной проблеме -

удорожанию цветных металлов и к увеличению стоим ости электрических

машин традиционных конструкций. Эта проблема способствовала быстрому

прогрессу электрических машин новых типов с малыми затратами меди и

алюминия («малообмоточных»): реактивных и индукторных, которые к тому

же более технологичны, так как имеют не распределенные, а более простые в

изготовлении сосредоточенные обмотки.

В отличие от асинхронных двигателей эти двигатели не могут работать

непосредственно от сети переменного тока и требуют питания от инвертора

напряжения или тока с регулируемой выходной частотой. Особенно эффек-

тивна работа таких машин в режиме автокоммутации, когда переключение фаз

выполняется по сигналам установленного на вал двигателя (встроенного)

датчика положения. Такой двигатель называется вентильным или бес-

контактным двигателем постоянного тока и допускает управление по двум

каналам: каналу напряжения на якоре и каналу угла коммутации. По прогнозам

специалистов вентильные двигатели в начале следующего века вытеснят с

рынка как традиционные коллекторные двигатели постоянного тока, так и

асинхронные двигатели.

Большинство современных систем привода переменного тока со ста-

тическими преобразователями частоты строится по хорошо известной клас-

сической схеме: «Неуправляемый выпрямитель - Звено постоянного тока - Ав-

тономный инвертор напряжения с ШИМ-модуляцией - Двигатель» (рис.16).

Для трехфазных двигателей (асинхронных, синхронных, вентильных или

вентильных индукторных) инвертор напряжения выполняется по стандартной

6-и ключевой схеме. Для двигателей с другим числом фаз, например, для

четырехфазных индукторных двигателей инвертор строится на базе по-

лумостовых или мостовых схем.