Файл: Автоматизация_Staroverov1.doc

Раздел IV

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ

Глава 18. Общая характеристика

МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Развитие вычислительной техники является одним из основных факторов, определяющих прогресс развития металлур­гического производства. Особое внимание уделяется вводу в дей­ствие автоматизированных систем управления технологическими процессами. На вооружение металлурга приходит принципиально новая техника: быстродействующие управляющие электронно­цифровые вычислительные машины, логические информационные устройства и сложные кибернетические машины.

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) представляет со* бой комплекс технических средств для автоматической обработки информации. Согласно заданной программе машина автоматиче­ски реализует требуемый вычислительный процесс.

Основной частью ЭВМ является процессор. Он предназначен для логической и арифметической обработки информации, а также для автоматического управления процессом вычисления в соот­ветствии с заданной программой. Процессор организует и отчасти осуществляет заданную в виде программы последовательность действий — процесс (откуда и название «процессор»). По назна­чению процессоры делят на центральные и периферийные. В одно­процессорных ЭВМ все функции вычисления и управления выпол­няет процессор. В многопроцессорных ЭВМ имеется центральный процессор, который реализует основной процесс обработки инфор­мации, и периферийные процессоры, выполняющие те или иные специальные функции, например управление работой внешних устройств.

МикроЭВМ является разновидностью обычной ЭВМ. Отличи­тельная особенность микроЭВМ заключается в том, что по меньшей мере преобразование данных и управление работой ЭВМ осуще­ствляется одной микросхемой (большой интегральной схемой — БИС), которая называется микропроцессором, т. е. микроЭВМ — это ЭВМ, выполненная на базе микропроцессора.

С момента создания первой цифровой ЭВМ существовало как бы четыре поколения ЭВМ.

ЭВМ первого поколения (1946—1960 гг.). Основным активным элементом машин первого поколения являлась электронная лампа. К машинам этого поколения отечественного производства отно­сятся БЭСМ-1, БЭСМ-2, «Стрела», «Урал-1», «Урал-2», «Урал-4», «Минск-1» и др.

ЭВМ второго поколения (1960—1966 гг.). В этих машинах в качестве элементной базы использовались полупроводниковые диоды и транзисторы, что позволило существенно увеличить быстродействие и надежность ЭВМ, а также емкость оперативной памяти. При этом одновременно уменьшились габаритные размеры, масса и потребляемая мощность. К машинам отечественного про­изводства второго поколения относятся БЭСМ-4, БЭСМ-6, «Урал-14», «Урал-16», «Минск-22», «Минск-32» и др.

ЭВМ третьего поколения (1966—1977 гг.). В этих машинах элементная база обеспечивается микроэлектроникой (интеграль­ными микросхемами). Для ЭВМ третьего поколения характерны резкое повышение быстродействия и надежности систем вычисли­тельной техники; дальнейшее сокращение габаритных размеров и потребляемой мощности; появление новых технических средств хранения, ввода и вывода информации; диалоговое общение с ЭВМ; использование операционных систем.

К ЭВМ третьего поколения относится созданная СССР сов­местно со странами — членами СЭВ в 1972 г. единая система электронных вычислительных машин (ЕС ЭВМ), предназначен­ных для решения широкого круга научно-технических и планово­экономических задач, а также для работ в автоматизированных системах управления.

Для решения сравнительно небольших задач управления различными процессами используются ЭВМ с упрощенной си­стемой команд, получившие название мини-ЭВМ (СМ-4, СМ-1420, СМ-1300, СМ-1800, «Электроника-100» и др.). На базе этих ма­шин созданы измерительно-вычислительные комплексы (ИВ К) для автоматизации научных исследований, технологических и других процессов, автоматизации рабочих мест (АРМ) технолога, конструктора, проектировщика и т. д.

ЭВМ четвертого поколения (с 1977 г.). Они основаны на при­менении БИС, в которых на одном полупроводниковом кристалле размещается до тысячи схем. Высокая степень интеграции БИС способствовала дальнейшему увеличению плотности компоновки аппаратуры, повышению ее надежности, увеличению быстродей­ствия и снижению стоимости, а также обеспечила возможность создания нового класса ЭВМ — микроЭВМ. За сравнительно короткий срок в нашей стране было создано четыре поколения микроЭВМ. Так, широко известны «Электроника-60», ДВК-2, ДВК-3 и ДВК-4, «Искра-226».

ЭВМ пятого поколения. Для ЭВМ пятого поколения, разра­батываемых пока в лабораторных условиях, элементная база основывается на сверхбольших интегральных схемах (СБИС) и на оптико-электронных элементах. Быстродействие ЭВМ пятого по­коления будет достигать сотен миллионов операций в секунду. Для преобразования и передачи оптических сигналов будут применяться лазеры, светоизлучающие Диоды, световоды и раз­личные фотоприемники.

Единицы информации. К машинным единицам информации, участвующим в цифровых и логических преобразованиях, отно­сятся бит, байт, слово, запись, блок и файл. К натуральным единицам информации относятся разряд, символ, поле, запись и массив.

Бит — наименьшая единица информации, один разряд ма­шинного слова, состоит из двоичных разрядов. Бит может при­нимать значения 1 или 0.

Байт — основная единица информации. Она содержит восемь двоичных разрядов (8 бит). Восьмиразрядный машинный код служит для представления алфавитно-цифровой информации и позволяет закодировать до 256 различных символов.

Слово — последовательность символов или импульсов, пред­ставляющих эти символы. Машинным словом называется специаль­ная последовательность символов, которая может быть прочитана и интерпретирована данным типом ЭВМ. Машинное слово может представлять константу, переменную величину или команду в программе.

Запись — совокупность нескольких слов переменной длины, рассматриваемых как одно целое, т. е. объединенных единым смыслом.

Блок — компактно расположенная по носителю внешнего за­поминающего устройства группа записей, считываемая и записы­ваемая в оперативную память машины одной командой.

Файл — последовательная группа данных, состоящая из не­скольких блоков, объединенных общим смысловым признаком. Файлы могут иметь различную длину. Для правильной обработки файлов различной длины и структуры на носителе внутреннего запоминающего устройства помимо основной информации запи­сывается служебная информация — метка.

Символ — графический знак, изображающий букву, цифру, служебный знак (например, *, —), математический знак (>, <, = и др.). Совокупность символов, используемая в ЭВМ, представляет алфавит машины.

Поле — двоичный слог в слове или смежные последователь­ные знаки в записи, имеющие функционально самостоятельное значение и обрабатываемые за одну операцию (например, таблица чисел, вводимая в ЭВМ). Содержащиеся в таблице числа назы­вают элементами поля.

Массив — пакет или блок данных, пересылаемый в машине как одно целое. Массив является единицей информации, объединя­ющей несколько записей с общим смысловым признаком.

2. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

Чтобы выяснить сущность работы ЭВМ, сначала рас­смотрим операции, производимые человеком на калькуляторе, выполняющего только арифметические действия.

Примем, что алгоритм и исходные данные задачи заданы и записаны на одном из листков бумаги. В процессе вычислений сначала появятся промежуточные значения, а затем конечные результаты. Их мы также будем фиксировать на листах бумаги. Согласно первой фазе алгоритма, т. е. первому указанию к дей­ствию, определяем последовательность действий. Выполнение оператора алгоритма сводится к следующему: нужно отыскать на листах бумаги исходные данные, считать их и перенести на клавиатуру калькулятора, затем можно нажать на кнопку со знаком операции, заданной в операторе. Вычисленный результат операции необходимо занести на лист, если он не будет исполь­зован в качестве аргумента следующей операции. Далее вновь обращаемся к алгоритму, чтобы продолжить вычисления. И так до тех пор, пока не будет выполнен оператор «Закончить вычис­ления».

Рассмотренный процесс вычисления прост. Однако для авто­матизации вычислений необходимо располагать записью алгоритма и средством, на котором будут фиксироваться исходные данные, промежуточные и конечные результаты. Необходимо также иметь средства для реализации операторов алгоритма.

Для автоматизации вычислений необходимо листы бумаги, используемые для описания алгоритма и хранения результатов, заменить каким-либо устройством. Оно должно как бы помнить алгоритм, исходные данные, промежуточные и конечные резуль­таты, т. е. должно служить машинной памятью. Машинная память является «складом информации» (рис. 146). В ячейке памяти может храниться одно число или оператор алгоритма. Ячейки нумеруются числами 0, 1, 2 и т. д., называемыми адре­сами ячеек. Если необходимо записать в память слово, то следует указать адрес ячейки, в которую надо его поместить, и подать слово на вход памяти. Память устроена таким образом, что за­данное слово будет передано в ячейку с указанным адресом и будет храниться там как угодно долго. В любой момент, обратив­шись к памяти, можно получить значение хранимого там слова. Для этого в память нужно послать адрес, определяющий место­нахождение требуемого слова, и она через некоторое время выдаст копию слова. При этом содержимое ячейки останется без измене­ния, так что, записав один раз слово, можно получить его копии сколь угодно раз.

Из-за специфики машинной памяти алгоритм приходится представлять в форме, допускающей реализацию на вычислитель­ной машине. Такая- форма называется программой. В программе

0

0. 2 З

В-1

Средство доступа к ячейкам памяти

т

Адрес

Слово

Рис. 147. Структура команды

операторы алгоритма представляются в виде команд. Команда — это слово информации, предписывающее операцию над опреде­ленными величинами. Команда имеет структуру, показанную на рис. 147. В данном случае команда состоит из четырех частей. Каждая часть команды — это группа из определенного числа символов, обычно цифр. Первая часть команды соответствует наименованию операции и называется кодом операций. Три последние части команды — адреса величин, участвующих в опе­рации. Операции можно кодировать цифрами, например, так: сложить — 01, вычесть — 02 и т. д.

Рассмотрим пример, по которому необходимо вычислить Р =

• Р + х. Пусть величина Р хранится в ячейке с адресом 146, а величина х — в ячейке с адресом 166. При таком размещении величин в памяти команда будет выглядеть в следующем виде:

01 146 166 146

Это означает, что содержимое ячейки с адресом 146 и содержи­мое ячейки 166 необходимо сложить и результат послать в ячейку с адресом 146.

Допустим, что программа и необходимые исходные данные загружены в память машины. Теперь необходимо выполнять вычисления, т. е. действия, заданными командами программы. При ручных вычислениях операторы алгоритма читались челове­ком. В машине эти функции возлагаются на процессор.

Перед началом вычислений процессору должен быть указан адрес ячейки начала программы. Только после этого процессор может приступить к выполнению вычислений по заданной про­грамме. При этом процессор выполняет операции: чтение команд, дешифровку кода, выборку операндов, вычисление и запись результатов.

Чтение команды. Адрес ячейки команды известен. Процессор посылает его в память и получает оттуда команду.