Урок 12

Елементна база сучасних комп’ютерів

Поняття про мікропроцесор

Однією з характерних особливостей нинішнього етапу науково-технічного прогресу є все більш широке застосування мікроелектроніки в різних галузях народного господарства. Роль мікроелектроніки в розвитку суспільного виробництва визначається її практично необмеженими можливостями у вирішенні різних завдань у всіх областях народного господарства, глибоким впливом на культуру і побут сучасної людини.

Особлива увага в даний час приділяється впровадженню мікропроцесорів, що забезпечують вирішення завдань автоматизації управління механізмами, приладами ' і апаратурою. Адаптація мікропроцесора до особливостей конкретного завдання здійснюється в основному шляхом розробки відповідного програмного забезпечення, що заноситься потім в пам'ять програм. Апаратна адаптація в більшості випадків здійснюється шляхом підключення необхідних інтегральних схем обрамлення і організації введення-виводу, відповідних вирішуваному завданню.

Мікропроцесором називається програмований електронний пристрій для обробки інформації, виконаний у вигляді однієї чи кількох мікросхем високого ступеня інтеграції. Перші мікропро­цесори були у вигляді інтегральних мікросхем на кристалах кремнію. На початку у вигляді мікросхем виготовлялися окремі логіч­ні елементи. Такі мікросхеми вважалися мікросхемами з малим ступенем інтеграції. Використовуючи мікросхеми логічних еле­ментів, змонтованих на платах із друкованим монтажем, можна було створювати окремі цифрові пристрої обробки інформації: регістри, шифратори, дешифратори, суматори, лічильники імпуль­сів тощо.

Удосконалення інтегральних технологій дало змогу виготов­ляти у вигляді мікросхем не тільки окремі логічні елементи, але цифрові пристрої в цілому. Такі мікросхеми належать до мікро­схем із середнім ступенем інтеграції.

Подальший бурхливий розвиток інтегральних технологій дав змогу виготовляти у вигляді однієї мікросхеми окремі блоки елект­ронно-обчислювальних машин. Такі мікросхеми називаються мік­росхемами з високим ступенем інтеграції.

Наступний етап розвитку інтегральних технологій дав змогу виготовити у вигляді однієї чи кількох мікросхем основну части­ну електронно-обчислювальної машини, яка виконує основний обсяг обробки інформації — процесор. Такий процесор, виготов­лений у вигляді однієї чи кількох мікросхем, отримав назву мік­ропроцесор.

Мікропроцесор здійснює обробку інформації за програмою, що записана в його пам'ять. Змінивши програму, можна змінюва­ти функції й області застосування мікропроцесора. У цьому поля­гає його універсальність.

Контролери та логічні елементи

Логічні елементи — елементарні пристрої цифрової техніки, призначені для реалізації елементарних операцій над логічними змінними. Для реалізації операцій над логічними змінними, що можуть мати тільки два значення О і 1, застосовують технічні пристрої, які можуть знаходитися в одному з двох станів. Такими технічними пристроями є різного роду ключові елементи, що можуть перебувати в одному з двох станів: увімкнено й вимкнено. Ключові елементи можуть мати різну фізичну природу: пневматичний ключовий елемент — клапан на пневмопроводі, що може знаходитися у двох станах — закритому й відкритому, гідравлічний ключовий елемент — клапан на трубопроводі з рідиною, який також може бути або відкритий, або закритий. Відомі пристрої, що виконують доволі складні логічні операції, побудовані на основі пневматичних ключових елементів. Однак найбільшого поширення набули логічні пристрої на основі електричних ключових елементів.

Електричний ключ може бути механічної дії, коли електричне коло замикається чи розмикається вручну за допомогою електричного вимикача чи кнопки. Електричний ключ механічної дії застосовується для реалізації найпростіших логічних функцій на передніх панелях електричних пристроїв і вимірювальних приладів, задаючи різноманітні режими їх роботи. Досконалішим електричним ключем є електромагнітне реле. До винайдення і широкого застосування електронних ключових елементів електромагнітні реле були основним елементом для реалізації пристроїв обробки цифрової інформації. Види електронних логічних елементів

У наш час для реалізації логічних функції і операцій застосовуються пристрої, що побудовані на основі електронних ключових елементів: біполярних і польових транзисторах, які працюють у ключовому режимі. Логічні змінні і функції можуть мати, як відомо, лише два значення — 0 і 1. У технічних пристроях значення логічного О реалізується рівнем напруги від 0 В до 0,8 В, а значення логічної 1 — рівнем напруги 2,4 ... 5 В.

Програмо́ваний логі́чний контро́лер (ПЛК) — електронний пристрій, який використовується для автоматизації технологічних процесів таких як, управління конвеєрною лінією, насосами на станціях водопостачання, верстатами з числовим програмним керуванням і т.п. По суті, це спеціалізований комп'ютер реального часу, що розроблений на основі мікроконтролера. Основною його відмінністю від комп'ютерів загального призначення є значна кількість пристроїв вводу-виводу для давачів та виконавчих пристроїв, а також можливість надійної роботи при несприятливих умовах: широкий діапазон температур, висока вологість, сильні електромагнітні завади, вібрації і т.п.

Будова та принцип роботи ПЛК

Основним принципом дії ПЛК є циклічна робота, у якій контролер виконує по черзі окремі команди у такій послідовності, в якій вони записані у програмі. На початку кожного циклу програма зчитує "картину" стану входів контролера та записує їх стани (таблиця стану входів процесу). Після виконання всіх команд і визначення (підрахунку) актуального для даної ситуації стану виходів, контролер вписує стани виходів до пам'яті, що є таблицею стану виходів процесу а операційна система виставляє відповідні сигнали на виходи, котрі управляють виконавчими механізмами. Отже всі сигнальні комбінації подаються у вхідний модуль контролера, а програма відслідковує їх картину та реагує зміною станів виходів на основі закладеного алгоритму.

Цикл роботи ПЛК може виглядати як послідовність кроків:

1.     Автодіагностика.

2.     Зчитування входів.

3.     Виконання програми.

4.     Комунікаційні завдання.

5.     Встановлення станів виходів.

ПЛК може складатися з:

• модуля центрального процесора (CPU);
• модуля аналогових виходів;
• модуля аналогових входів;
• модуля комунікацій;
• модуля дискретних виходів;
• модуля дискретних входів;
• модуля керування осями;
• модуля лічильників;
• спеціальних модулів;
• блоків пам'яті ROM, PROM, EPROM, EEPROM.

Основний алгоритм роботи мікропроцесора

Мікропроцесор, як уже зазначалося, призначений для виконан­ня програм з обробки інформацій. Програма складається з певної кількості команд (інструкцій), які мікропроцесор виконує у певній послідовності. Команди, як і дані, над якими мікропроцесор ви­конує операції, знаходяться у пам'яті.

Виконання команд програми мікропроцесором — це певна цик­лічна послідовність дій:

o   формування адреси чергової команди;

o   зчитування цієї команди за сформованою адресою й пересилка її з пам'яті у мікропроцесор;

o   дешифрування отриманої з пам'яті команди, тобто розкла­дання команди на елементарні дії, які мають виконувати пристрої мікропроцесора;

o   власне виконання команди, тобто виконання у певній по­слідовності елементарних дій, з яких складається команда;

o   формування адреси операндів, над якими виконується пев­на послідовність елементарних операцій даної команди;

o   зчитування операндів з пам'яті за сформованою адресою і пересилання їх із пам'яті у мікропроцесор;

o   формування адреси, за якою буде записано результат вико­нання даної команди;

o   пересилання результату за сформованою адресою з мікро­процесора у пам'ять;

o   формування адреси наступної команди.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ:

1. Що називається мікропроцесором?

2. Розкажіть про покоління мікросхем.

3. Що таке мікроконтролер?

4. Що реалізує впровадження мікроконтролерів у автоматизовану систему?

5. Що являє собою система управління контролера?

6. Назвіть найбільш популярні типи контролерів.

7. Як представляється інформація у мікропроцесорі?

8. Що таке логічний елемент?

9. Назвіть основні логічні елементи, які використовуються у цифрових приладах?

10. У вигляді яких пристроїв реалізуються логічні елементи?