Разработка МПС управленя

       Микропроцессор ВМ86 появился как результат совершенствования МП ВМ80, и архитектура обоих процессоров имеет много общего. Программно-доступные узлы и система команд ВМ80 могут считаться подмножествами узлов и системы команд ВМ86. Преемственность этих микропроцессоров выражается в программной совместимости снизу вверх, благодаря которой для ВМ86 можно использовать программное обеспечение ВМ80. Хотя программы на машинном языке ВМ80 не могут непосредственно выполняться микропроцессором ВМ86, они достаточно просто переводятся с языка ассемблера ВМ80 на язык ассемблера ВМ86.

       Основными архитектурными особенностями микросхемы К1810ВМ86, отличающими    ее от микросхемы КР580ИА80А и позволяющими больше чем на порядок повысить производительность систем, являются:

       1) более мощная система команд с расширенными возможностями адресации памяти, включающая команды умножения, деления и обработки последовательностей байтов или слов;

       2) аппаратная реализация процесса  совмещения операций выполнения и выборки команд;

       3) более гибкая и мощная организация системы прерываний;

       4) аппаратная реализация некоторых  механизмов взаимодействия нескольких  процессоров, упрощающая построение  сложных мультипроцессорных систем.

       Структурная схема микропроцессора К1810ВМ86 представлена на рисунке 2.1, и она включает следующие устройства: арифметико-логическое устройство (ALU) с тремя регистрами временною хранения операндов (RGB) и регистром признаков (RS); группу регистров общего назначения (R0 - R7); микропрограммное устройство управления (MCU) для управления выполнением команд; схему управления доступом к магистрали (DMU);схему внутренней синхронизации (CLG), преобразующую внешние тактовые импульсы во внутренние последовательности синхроимпульсов и обеспечивающую синхронизацию МП с медленными ЗУ и УВВ; схему обработки запросов прерываний (INTU); схему управления циклами обмена (СU), осуществляющую управление работой 16-разрядного канала адреса/данных; буферы канала   адреса/данных (BD/A); указатель команд (IР), выполняющий функции программного счетчика; сегментные регистры (RGS), содержащие базовые адреса программ, данных и стека; сумматор адреса (Sm), служащий для вычисления 20-разрядного физического адреса; регистры очереди команд (RI), предназначенные для формирования шестибайтной очереди команд, готовых к исполнению.

       Отличительной особенностью архитектуры микропроцессора К1810ВМ86 является наличие двух основных асинхронно работающих устройств: устройства обработки (УО) и устройства сопряжения канала (УСК). Упрощенная структурная схема, представляющая МП в виде двух независимых устройств, изображена на рисунок 2.1 б. УО декодирует и выполняет команды, а УСК осуществляет связь с внешними устройствами, обеспечивает выборку команд и данных из памяти, формирует очередь команд. Организация параллельной работы УО и УСК и уменьшение конфликтных ситуаций при обращении к памяти за счет применения очереди команд позволяет существенно повысить производительность систем на основе микропроцессора К1810ВМ86.

       Регистровая модель микропроцессора К1810ВМ86 приведена на рисунок 2.2, а. Регистры CS, DS, SS и ES называются сегментными регистрами и используются при обращении к памяти для вычисления физических адресов ячеек. Основное назначение этих регистров следующее: регистр программного или кодового сегмента (CS) определяет текущий программный сегмент; содержимое регистра CS вместе с содержимым указателя команд (IP) задает адрес очередной команды выполняемой программы; регистр сегмента данных, или информационного сегмента (DS), используется в командах при обращении к данным; регистр стекового сегмента (SS) определяет текущий стековый сегмент и используется в командах обращения к стеку, при обработке подпрограмм и прерывании; регистр дополнительного сегмента (ES) обычно  применяется  как  вспомогательный сегмент данных.

       

       Рисунок 2.1– Структурная схема микропроцессора  К1810ВМ86

       Регистры  общего назначения АХ. ВХ. СХ и DX, называемые также регистрами данных, используются при выполнении арифметических и логических операций. Эти же регистры могут выполнять некоторые специальные функции, что и нашло отражение в их мнемонических обозначениях : АХ — аккумулятор. ВХ - базовый регистр,  СХ — счетчик.  DX — регистр данных. Эти регистры общего назначения допускают раздельною адресацию к их старшим (Н) и младшим (L) половинам и могут использоваться в виде набора 8-разрядных регистров.

       Регистры  общего назначения SP, ВР, SI и DI называются адресными регистрами, так как в них хранятся относительные адреса, используемые для определения адресов операндов в пределах одного из сегментов памяти. В указателе стека (SP) и в указателе базы (ВР) содержатся относительные адреса в пределах стекового сегмента памяти, а в регистре индекса источника (SI) и регистре индекса приемника (DI) хранятся относительные адреса в пределах сегмента данных.

       

       Рисунок 2.2– Регистровая модель микропроцессора  К1810ВМ86

       В пределах любого из сегментов емкостью в 64К байт обращение к операндам происходит с помощью 16-разрядного адреса смещения в сегменте. Этот адрес определяется способом адресации и называется также исполнительным адресом (ЕА). 20-разрядный физический адрес памяти (ADDR) формируется в сумматоре адреса (Sm) посредством сложения 16-разрядного адреса смещения в сегменте с 16-разрядным адресом в сегментом регистре, сдвинутым на четыре разряда влево (рисунок 2.2,б).

       Рассмотренные функции регистров микропроцессора  К1810ВМ86 являются основными и реализуются  в командах по умолчанию. Дополнительные возможности использования регистров  указываются при описании конкретных видов команд.

       Регистр признаков или флагов (RS) состоит из одноразрядных регистров, фиксирующих состояние процессора и применяемых для управления его функционированием (рисунок 2.2, в). Флаги CF, PF, AF, SF и ZF аналогичны флагам микропроцессора КР580ИК80А и характеризуют результат выполнения последней арифметической или логической операции. Флаг переполнения OF устанавливается в состояние 1 при переполнении, возникающем в результате арифметических операций над величинами со знаком. Флаги DF, IF и TF применяются для управления микропроцессором. Флаг направления DF служит для автоматического увеличения или уменьшения адреса при наработке последовательностей символов питания режимов автоинкрементной и автодекрементной адресации). Установка флага разрешения прерывания IF разрешает МП-прием запроса прерывания на входе INT. Установка флага трассировки TF переводит МП в состояние прерывания  после  выполнения  каждой команды, т. е. организует режим пошагового выполнения программ.

       Микропроцессор  К1810ВМ86 предназначен для использования как в простых однопроцессорных, так и в сложных мультипроцессорных системах управления и обработки информации. В связи с этим МП имеет специальный вывод (см. рисунок 2.1, а) для задания минимального или максимального режимов функционирования. Каждый режим характеризуется некоторым набором управляющих сигналов, соответствующим сложности проектируемой системы. При подключении вывода к выводу Uсс (или 00) микропроцессор настраивается на работу в минимальном режиме, в котором все сигналы управления периферийными устройствами вырабатываются самим МП. При подключении вывода к выводу GND происходит изменение функций ряда управляющих сигналов и МП перенастраивается на работу в максимальном режиме. В этом режиме МП используется обычно с системным контроллером, генерирующим сигналы управления системой. Управляющие сигналы максимального режима работы на рисунок 2.1, а заключены в круглые скобки.

       Назначения  выводов МП и соответствующих им сигналов, в данном разделе рассматривать не будем, как, впрочем, и во всей записке. 

       2.2 Описание структурной  схемы системы  управления 

 

       Рисунок 2.3–Структурная схема системы. 

       Описание  структурной схемы:

• ГТИ (генератор тактовых импульсов) предназначен для подачи тактовых импульсов на микропроцессор с фиксированной частотой (5 МГц).
• (МП) микропроцессор является центральной частью системы, которая обрабатывает все поступающие в него сигналы и выдает управляющие сигналы на различные внешние устройства.
• (ДУС) дешифратор управляющих сигналов устанавливает в зависимости от сигналов микропроцессора сигналы на считывание/запись в/из памяти или в/из внешнего устройства.
• (ШФ) шинный формирователь выполняет функцию демультиплексирования шины адреса/данных процессора в шину данных системы.
• (БР) буферные регистры так же  предназначены для демультиплексирования шины адреса/данных процессора в шину адреса системы.
• (ЗГ)– задающий генератор (выдает импульсы с частотой 100 кГц).
• Программируемый таймер предназначен для отсчета определенного количества импульсов задающего генератора и выдачи управляющих импульсов через гальваническую развязку на тиристоры.
• ОЗУ– хранит текущие данные системы.
• ПЗУ– содержит управляющую программу согласно которой происходит функционирование системы.
• Параллельный порт– позволяет организовать работу с клавиатурой, и такими сигналами как: сигналом «блокировка», обслуживание ввода аналогового сигнала, индикация готовности, и численного значения напряжения вообще.
• АЦП– позволяет преобразовать аналоговый задающий сигнал 0…10 В в цифровой сигнал, который по шине данных поступает в микропроцессор.
• Силовые ключи– в данном конкретном случае ими являются тиристоры.
• Блок синхронизации предназначен для служит для организации синхроимпульсов, с помощью которых система синхронизируется с сетью.

       Описание  функционирования системы

       При включении системы происходит ее инициализация, затем определяется текущая частота сети. Так как  приблизительно частота сети равна (в Беларуси) 50 Гц, то ориентировочно за один период питающего напряжения задающий генератор выдаст импульсов (а за полпериода– 1000). Но частота сети может колебаться, следовательно перед выдачей сигнала «готовность» система выполнит определение текущей частоты сети. Устройство синхронизации подключено к D-триггеру, который выдает равномерный периодический ступенчатый сигнал с частотой питающей сети. Система через параллельный порт определяет изменение импульса от  триггера, запускает один из счетчиков, и постоянно опрашивает через порт состояние выхода триггера. Как  только сигнал от триггера изменяется, то система считывает показания счетчика и находит разность между посланным числом и числом, до которого досчитал счетчик, и записывает его в память в качестве относительного времени одного полупериода, измеренном в количестве прошедших импульсов.

       После прохождения инициализации системы  выдается сигнал «готов».

       Аналоговый  ввод сигнала организован при  помощи АЦП и буферного регистра. 

       2.3 Выбор элементов памяти 

       Так как микропроцессор имеет 16-ти разрядную  шину данных, то для обеспечения  работы микропроцессора как с  отдельными байтами, так и со словами (2 байта– старший и младший), то для  ОЗУ и ПЗУ будут применены  по два «банка» восьмиразрядной  памяти размером по 2 Кбайта каждый.

       Обращение к младшим ячейкам слова происходит по сигналу А0, а к старшим по сигналу  – сигнал разрешения старшего байта.

       Программа работы МП должна храниться в ПЗУ. Поэтому оно должно быть достаточного объема. Также для упрощения модернизации системы оно должно иметь возможность перезаписи, поэтому выбраны микросхемы К573РФ5. Это электрически перепрограммируемое ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием. Объем ПЗУ—2*2=4 Кбайта.

       ОЗУ хранит переменные необходимые для программы. Для простоты размещения памяти в адресном пространстве МПС, ОЗУ лучше выбрать такого же размера как и ПЗУ, тогда разница при обращении к ПЗУ и ОЗУ будет лишь в старшем бите. С помощью дешифратора, по этому биту будет выбираться ПЗУ или ОЗУ. Выбраны две микросхемы К573РУ10. Объем—2*2=4 Кбайта. 

       2.4 Расчет и выбор  элементов сопряжения 

       Сопряжение  необходимо провести с:

• Силовыми ключами;
• Входными и выходными сигналами;
• Блоком синхронизации.

       Сопряжение  с силовыми оптотиристорами.

       Схема включения одного силового тиристора: 

       

 

       Рисунок 2.4—Сопряжение с силовой частью. 

       

• Ток управления—150 мА.
• Напряжение управления—2,5 В.

       Т.к. выходной ток таймера только 1,5 мА, а включать требуется сразу два  тиристора, то необходимо поставить усилитель. Им будут служить два транзистора в ключевом режиме. Их суммарный коэффициент усиления должен быть: .

       Выбираем  транзисторы:

• Первый: KT312A. Ток коллектора—50мА.
• Второй: КТ3129Д. Ток коллектора—500мА.