Микропроцессорная техника. Специальные вопросы проектирования

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 
Ю. И. Рассадкин, А. В. Синицын 
 
 
 
Микропроцессорная техника. 
Специальные вопросы проектирования 
 
 
 
 
Учебное пособие  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 

УДК 004.318(075.8) 
ББК  32.973.26 
         Р24 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/190/book1424.html 
Факультет «Специальное  машиностроение» 
Кафедра «Специальная робототехника и мехатроника» 
Р24 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 
 
Рецензент  
канд. техн. наук, доцент А.Н. Кропотов 
  
 
Рассадкин, Ю. И. 
Микропроцессорная техника. Специальные вопросы проектирования : учебное пособие /  Ю. И. Рассадкин, А. В. Синицын. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. — 64, [4] с. : 
ил. 
 
ISBN 978-5-7038-4413-7 
 
 В пособии приведены  основные сведения, необходимые студенту 
при изучении третьей части курса «Микропроцессорная техника». Рассмотрены некоторые специальные вопросы проектирования микропроцессорных систем, в том числе оптимизация работы микропроцессорной 
системы за счет конвейеризации, использования локального запоминающего устройства. Описаны основы построения и функционирования операционных систем. Подробно рассмотрено применение вычислительных 
сетей. 
Для студентов, обучающихся в МГТУ им. Н.Э. Баумана по специальности «Мехатроника». 
 
  УДК 004.318(075.8) 
   ББК 32.973.26 
 
 
 
 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4413-7                             
 
      МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 
2 
 

Предисловие 
В предлагаемом учебном пособии рассмотрены некоторые 
специальные вопросы, которым следует уделить особое внимание 
при проектировании микропроцессорных систем (МПС), являющихся составной частью мехатронных систем специального 
назначения. Прежде всего, это вопросы быстродействия МПС,  
которые важны с точки зрения получения минимального периода 
квантования. Для повышения быстродействия используется конвейеризация вычислений и выполнения команд в микропроцессоре 
(МП), а также локальное запоминающее устройство (ЛЗУ) для 
ускорения обмена данными между микропроцессором и запоминающим устройством (ЗУ).  
При изучении общих сведений об операционных системах вводятся понятия процесса, ресурса, описывается принцип диспетчеризации процессов и аппаратной поддержки функций операционной системы на уровне микропроцессора.  
Распределенные МПС широко распространены в мобильной 
робототехнике и других областях техники. При их проектировании 
возникает необходимость использования вычислительных сетей 
для обмена данными. В пособии приведены основные принципы 
построения сетей.  
Цель пособия — получение студентами знаний в области МПС 
специального назначения, основ операционных систем. После изучения представленного материала студент должен знать: 
 принципы конвейеризации вычислений и выполнения команд микропроцессором; 
 принцип работы локального запоминающего устройства, 
различные типы архитектур ЛЗУ; 
 основы операционных систем, понятия процесса, диспетчера; 
 принципы аппаратной поддержки функций операционной 
системы микропроцессором; 
3 

 принципы организации обмена данными в распределенных 
МПС; 
 общие сведения о вычислительных сетях; 
уметь: 
–  вести анализ и разработку структурных и принципиальных 
схем аппаратных средств МПС; 
– разрабатывать и отлаживать программные средства МПС,  
реализующие алгоритмы управления; 
–  создавать экспериментальные и макетные образцы; 
–   обосновывать технические требования к микропроцессорным системам по общему техническому заданию. 
 
4 

1. Быстродействие микропроцессорной  
системы, входящей в состав системы  
автоматического управления  
Микропроцессорной системой называется специализированная 
ЭВМ, входящая в состав цифровой системы автоматического 
управления (САУ). Структура цифровой системы в общем виде 
представлена на рис. 1.1. 
Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема цифровой системы автоматического управления: 
УМ — усилитель мощности; ИД — исполнительный двигатель; H — нагрузка;  
          ДОС — датчик обратной связи; УВВ — устройство ввода-вывода 
Микропроцессор функционирует в соответствии с программой, 
реализующей корректирующее устройство. В общем случае управляющая программа реализует алгоритм, блок-схема которого 
представлена на рис. 1.2. 
Цикличность выполнения программы обусловливает дискретность всех сигналов в МПС (рис. 1.3).  
Рассмотрим простейшую САУ (рис. 1.4). Поскольку значения 
управляющего сигнала u(t) на выходе блока управления определены лишь в дискретные моменты времени, необходимо использовать экстраполяцию для определения значения u(t) на всем интервале Т. Будем считать, что u(t) = const  в течение периода Т (см. 
рис. 1.3).  
5 

Ввод g x
,
Рис 1.2. Блок-схема алгоритма  
      управляющей программы:  
Твв — время ввода входных сигналов; Тр — время расчета значения 
выходного сигнала; Твыв — время 
вывода 
выходного 
сигнала;  
g — задающий сигнал; x — регулируемая величина; u — управля- 
                   ющий сигнал 
 
 
Рис. 1.3. Дискретный характер 
сигналов в микропроцессорной  
                      системе:  
Т — период квантования 
 
 
 
Рис. 1.4. Структурная схема 
                      САУ:  
k — коэффициент усиления; g(t) — 
входное воздействие; e(t) — ошибка; u(t) — управляющий сигнал;  
      x(t) — выходная координата 
Рассмотрим произвольно взятый интервал времени (рис. 1.5). 
Для этого интервала времени справедливы следующие соотношения: 
( )
const;


m
u t
u
( )
( );
( )
( )
( ).
u t
k
t
t
g t
x t




 
Рис. 1.5. Интервал времени 
Пусть g (t) = 0, тогда 
(
).
m
u
kx mT

 
Для рассматриваемого временного 
отрезка можно записать дифференциальное уравнение: 
 
( )
.
m
m
dx
u
x t
u t
c
dt 



 
Найдем постоянную с для момента времени t = mT: 
x mT
kx mT mT
c


 
(
)
(
)
;
c
x mT
kmT
(
)(1
).


 
6 

В результате получаем выражение  
 
( )
(
)(1
).
x t
x mT
kt
kmT



 
Рассмотрим момент времени 


1
:
t
m
T


 
x m
T
x mT
k m
T
kmT
[(
1) ]
[
](1
(
1)
),





 
[(
1) ]
[
](1
),
[(
1) ]
[
](1
).
x m
T
x mT
kmT
kT
kmT
x m
T
x mT
kT








 
Для момента времени 


2
:
t
m
T


 
 
2
[(
2) ]
[(
1) ](1
)
[
](1
) .
x m
T
x m
T
kT
x mT
kT






 
Для произвольного момента времени 
 
0
[
]
(1
) ,
n
x nT
x
kT


 
где 
0
x  определяется начальными условиями. Следовательно, характер изменения выходной величины x[n] зависит от значения 
произведения kT. Рассмотрим три варианта поведения системы 
при различных kT на нескольких начальных интервалах времени  
n = 0…3.  
Вариант 1:  kT < 1. Пусть kT = 0,5: 
n  
................................... 
 0          1  
     2 
 
3 
x[nT] ............................. 0
x  
0
0,5x  
0
0,25x    
0
0,125x  
 
В этом случае будем иметь некое подобие апериодического 
процесса (рис. 1.6). 
 
 
Рис. 1.6.  Зависимость выходной величины от времени при  
                     kT < 1 
 
Вариант 2: 1
2.
kT


Пусть  kT = 1,5: 
n  
................................... 
 0          1  
     2 
 
    3 
x[nT] ............................. 0
x  
–
0
0,5x    
0
0, 25x    –
0
0,125x  
Таким образом, имеем колебательный сходящийся (устойчивый) процесс (рис. 1.7). 
7