История электротехники - Коллектив авторов

Методы синтеза дискретных (цифровых) автоматов были успешно освоены тем поколением инженеров-разработчиков, которое уже имело в своем распоряжении малые и средние интегральные схемы, но еще не имело микропроцессоров и промышленных микроконтроллеров.

Развитие методов и инженерных методик синтеза цифровых автоматов является заслугой А.Д. Закревского, С.И. Баранова, В.А. Склярова и других специалистов в области разработки цифровых схем (1966–1977 гг.).

Проектирование цифровых устройств на интегральных элементах получило дальнейшее развитие благодаря возможности сочетать микросхемы разной степени интеграции в поисках наиболее рационального и экономичного решения. Инженер-разработчик, получив задание на создание цифрового устройства с заданными функциональными характеристиками, мог пользоваться набором интегральных модулей разной степени интеграции. Процесс разработки состоял в выборе типов модулей, способов их соединения и алгоритма работы.

Этот путь конструирования, представляющийся наиболее естественным, получил широкое распространение («конструктор»). Помимо него был разработан и стал применяться другой путь (назовем его «скульптор»), который воспроизводит известное высказывание о том, как скульптор создает свои произведения: он берет глыбу материала и удаляет из нее все лишнее.

Исходный материал представляет собой большую интегральную схему с регулярной структурой, в которой можно удалять (разрушать) лишние связи и вводить новые соединения путем воздействия на исходную схему электрическими сигналами. Оба способа разработки имеют свои преимущества, однако второй (применение однородной структуры) менее распространен из-за сложности проектирования и технической реализации.

Поскольку любая логическая схема, автомат с памятью могут быть выполнены с использованием весьма ограниченного набора типов малых и средних интегральных схем, то нельзя ли поставить задачу о создании БИС, которая стала бы основой для создания любой заданной структуры? Положительный ответ на этот вопрос был в значительной мере предопределен разработанной к этому времени техникой программирования постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) и программируемых логических матриц (ПЛМ).

Универсальная исходная матрица ПЗУ, программируемых пользователем, допускает запись на нее любой информации путем пережигания выбранных перемычек в кристалле. Для записи осуществляется поочередный перебор адресов ячеек; по заранее рассчитанным адресам осуществляется запись данных, т.е. такое энергетическое воздействие на выбранную ячейку, которое делает ее хранителем состояния, инверсного исходному. Описанная технология соответствует однократно программируемому пользователем ПЗУ. За последующие годы (1983–1990 гг.) разработаны различные типы ПЗУ, в том числе модули со стиранием записанной информации ультрафиолетовым излучением или модули, в которых стирание производится посредством электрического сигнала. Каждая ячейка, адрес которой выбран, позволяет прочитать записанные в ней данные: нуль или единица в каждом бите слова данных. Это вполне эквивалентно выполнению данной ячейкой логической функции. Таким образом, соответственно запрограммированная БИС памяти может выполнять те же переходы и формировать те же последовательности слов на выходе, что и специально разработанная схема. Значит, для некоторого, достаточно обширного класса задач нет необходимости разрабатывать множество схем, необходимо иметь единственный кристалл, а различие функций закладывать на этапе программирования содержимого памяти. Тогда вместо разработки аппаратуры можно разработать и записать в программируемую память соответствующее содержимое. Высокая технологичность этой операции удачно сочетается с высокой надежностью полученного устройства благодаря уменьшенному числу внешних проводников и паяных соединений.

Следующий шаг на пути перехода от разработки структур схем к разработке функций, выполняемых БИС, был сделан с изобретением ПЛМ. Матрица обладает более широкими функциональными возможностями по сравнению с программируемой памятью. Однако промышленный выпуск ПЛМ не стал сколько-нибудь заметной вехой в создании интегральных средств автоматизации.

11.4.7. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ

Создание цифровых средств управления на основе БИС стало возможным после появления микропроцессоров (МП). В 1971 г. американская фирма «Intel» выпустила первое устройство («Intel 4004»), предназначенное для выполнения вычислительных операций в средствах вычислительной техники. Считают, что это событие по значимости сравнимо с изобретением транзистора.

Микропроцессор — это программно-управляемое устройство, осуществляющее обработку цифровой информации, выполненное в виде одной или нескольких БИС.

По существу, все вычислительные средства имеют сходное устройство и близкие принципы выполнения операций. Поэтому современные БИС микропроцессоров воспроизводят те структуры и операции, которые хорошо известны разработчикам и пользователям вычислительных средств. Различают два класса микропроцессорных систем: микроЭВМ и микроконтроллеры. Первые предназначены главным образом для вычислительных работ высокой производительности. Микроконтроллеры — управляющие системы, используемые для автоматизации управления технологическими операциями. Контроллеры характеризуются сравнительно малым объемом памяти, специфичным набором команд, наличием встроенных устройств ввода-вывода (УВВ).

В качестве УВВ могут использоваться АЦП и ЦАП, фотосчитывающие устройства, средства отображения информации и ее регистрации, концевые выключатели, терморезисторы и термопары, датчики перемещения, угла поворота и иные подобные устройства.

До появления МП стратегия электронных устройств автоматики формулировалась так: одна функция или группа взаимосвязанных функций — одно устройство. Появление новых функциональных задач означало необходимость разработки новых устройств. МП и их функциональное продолжение — микроконтроллеры нарушили эту стратегию. Теперь она может формулироваться иначе: если устройство выполняет операцию или достаточно длинную последовательность операций, которые могут быть реализованы с помощью процессоров, то поочередное их выполнение позволит одному процессору обслуживать несколько устройств и решать различные задачи. Благодаря этому аппаратные затраты на автоматизацию существенно сокращаются. Поскольку быстродействие процессора велико (одна операция выполняется за долю микросекунды), то последовательный характер обработки информации разных источников может быть незаметным для пользователя. Управление процессорами в системе, которая обслуживается микроконтроллером, потребовало нового способа мышления от разработчиков средств автоматизации. Основные изменения в подходах связаны с цифровым способом представления и обработки информации; необходимостью представления любой операции в форме, которая может быть выполнена МП за конечное число машинных операций. Важнейшей частью разработки становится составление алгоритма выполнения операции. Возможность решения многих задач обусловлена тем, что полученный результат может быть превращен в соответствующий управляющий сигнал, который запоминается и поступает на выход в течение некоторого времени; в это время процессор освобождается для ввода данных других источников информации, обработки их по другим алгоритмам или программам и подачи сигналов управления на другие выводы контроллера.

Процесс управления, таким образом, практически не отличается от выполнения вычислений по программе; возможности микроконтроллера могут быть более скромными, чем у вычислительной машины, в отношении точности (разрядности) и объема памяти. Микропроцессорное управление промышленными объектами может строиться на иерархическом принципе: процесс управления реализует дерево целей — совокупность ярусов, где каждый ярус описывает управление на соответствующем уровне иерархии.

Наиболее ответственные задачи решает ЭВМ высшего уровня, которая описывает поведение частей системы в более общем виде; выходная информация этой ЭВМ воспринимается как задание контроллерам низших уровней. Таким образом, каждый ярус управления в иерархической системе подчиняется сигналам высших уровней и управляет поведением низших.

Примером подобных иерархических систем могут служить микропроцессорные средства управления лазерной технологической установкой. Такая установка содержит несколько подсистем (поддержания вакуума и обеспечения газовой среды; обеспечения скорости прокачки газа; электропитания для поддержания оптимальных параметров тлеющего разряда; перемещения обрабатываемой детали и т.п.). Каждая подсистема выполняет локальную задачу, совокупность их обеспечивает требуемое качество процесса в целом.