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 

 
Рис. 1.7. Зависимость выходной величины от времени при  
                    1 < kT < 2 
 
 
 
Рис. 1.8. Зависимость выходной величины от времени при 
kT > 2 
 
Вариант 3: kT > 2. Пусть kT = 2,5: 
n  .................................. 
 0          1  
      2 
 
  3 
x[nT] 
............................. 
0
x  
0
1,5x

   
0
2, 25x    
0
3,375x

 
 
В этом случае колебательный расходящийся (неустойчивый) 
процесс имеет вид, представленный на рис. 1.8. 
Таким образом, в цифровой системе устойчивость, точность и качество управления зависят от параметров системы и, прежде всего, от 
значения Т (периода дискретизации, который определяется временем работы алгоритма управления). 
В зависимости от значения величины kT система может стать неустойчивой: чем больше значение 
kT, тем хуже качество переходного 
процесса. Существует предельное 
значение произведения kT, после 
которого система становится неработоспособной. При  заданном 
коэффициенте усиления k, определяемом требуемой точностью 
системы, показатели системы ухудшаются при увеличении периода дискретизации Т. При превышении Т предельного значения система теряет устойчивость.  
Период квантования Т равен времени выполнения управляющего алгоритма (см. рис. 1.2). Время выполнения управляющей 
программы зависит от сложности самой программы и быстродействия МПС. Сложность программы определяется выбранным алгоритмом коррекции и, как правило, не может быть существенно 
снижена. Следовательно, реальный путь уменьшения периода дискретизации Т — увеличение быстродействия МПС. 
 
8 

Существуют два пути увеличения быстродействия МПС: 
1) использование конвейерных структур; 
2) применение параллельных вычислений. 
Принцип конвейеризации процесса обработки информации заключается в разделении этого процесса на отдельные действия и выполнение их разными блоками микропроцессора с возможностью их 
параллельной работы. Примером конвейеризации является очередь 
команд микропроцессора Intel 8086. Использование очереди команд 
позволяет одновременно выполнять команду в арифметико-логическом устройстве (АЛУ) и загружать следующую команду с помощью устройства управления (УУ). В результате устраняются простои (УУ во время выполнения команды и АЛУ во время загрузки 
следующей) и повышается общее быстродействие МП. 
Алгоритмическая реализация корректирующего устройства в 
ряде случаев позволяет разделить вычисления на несколько параллельно выполняющихся операций. Например, вычисление суммы 
 
1
2
3
4
b
a
a
a
a




 
может быть представлено в следующем виде: 
1
1
2
 
2
3
4
c
a
a
c
a
a
b
c
c
;
;
.






 
1
2
При этом вычисление 
1
c  и 
2
c  можно вести параллельно на 
двух разных МП. Если обозначить время выполнения одного сложения 
,
t  время вычислений в первом случае составит 3

t , а во 
втором — 2
.
t  
2. Конвейерные вычислительные структуры 
2.1. Классификация конвейерных структур 
Принцип конвейеризации заключается в следующем: некая операция (Оп) разбивается на несколько подопераций (Поп1…Пoп m),  
выполняемых последовательно (рис. 2.1). Результат, полученный 
при выполнении очередной подоперации, является исходными 
данными для следующей подоперации. 
9 

Длительность каждой подоперации обозначим 
.
i
Тогда общее 
время выполнения операции может быть рассчитано как сумма 
времен отдельных подопераций: 
                    Oп
.
i
t



 
Рис. 2.1. Общий принцип кон- 
                    вейеризации:  
Оп — исходная операция;  
Поп1…Поп m — подоперации 
Рис. 2.2. Работа конвейера при
равной длительности подопе                      раций 
Важно 
отметить, 
что 
суммарное время выполнения операции одинаково как при использовании конвейера, так и без него. 
В чем же тогда состоит смысл использования конвейера, если 
общее время выполнения операции не изменяется? С помощью 
конвейера удается выполнять бóльшее число операций за единицу 
времени, так как отдельные подоперации выполняются параллельно. Если без конвейера результаты операции появляются с интервалом времени Oп,
t
 то при использовании конвейера — с интервалом 
max,

 где 
max

— длительность самой продолжительной 
подоперации. 
Если все 
i
 равны между собой, 
конвейер работает без задержек, результат каждой подоперации сразу 
поступает на вход следующей подоперации (рис. 2.2).  
Если время выполнения подопераций различно, существует вероятность ситуации, когда результат подоперации 1 не может быть передан сразу на вход подоперации 2, так как подоперация 2 еще не закончена. В течение промежутка времени от завершения подоперации 1 до завершения 
подоперации 2 результат подоперации 1 должен сохраняться на ее 
выходе, для чего используются специальные блоки‐фиксаторы 
(рис. 2.3). 
Рис. 2.3. Работа конвейера при различной длительности подопераций: 
F1…Fm  —  блоки-фиксаторы 
Блоки Поп1 и F на рис. 2.3 составляют ступень конвейера. Переход результатов от одной ступени конвейера к другой происходит в соответствии с сигналами синхронизации, которые подаются 
10