Микропроцессоры и их применение в системах управления

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 
 
 
 
Б. М. Новожилов  
 
 
 
Микропроцессоры и их применение  
в системах управления 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

УДК 681.326.3 
ББК 32.973.26 
 Н74 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/267/book613.html 
Факультет «Специальное машиностроение» 
Кафедра «Стартовые ракетные комплексы» 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н. Э. Баумана в качестве учебного пособия 
Рецензенты:  
д-р техн. наук, главный специалист  
филиала ЦЭНКИ «Мотор» Е. Ф. Ищенко;  
канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры ИУ-1  
МГТУ им. Н. Э. Баумана Д. В. Креопалов 
 Н74 
 
Новожилов, Б. М. 
  
 
Микропроцессоры и их применение в системах управления : учебное пособие / Б. М. Новожилов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 81, [3] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4050-4 
Кратко изложены основные сведения о микропроцессорах, их 
структуре и функционировании на примере микропроцессора Intel 
8080/8085. Особое внимание уделено построению вычислительного 
процесса в микропроцессоре, а также методам адресации команд и 
данных. Программное обеспечение микропроцессорных систем рассмотрено в объеме, необходимом для понимания особенностей  
программирования микропроцессоров. Представлены устройства, входящие в состав микропроцессорных систем управления, — запоминающие устройства и интерфейсы связи с объектом управления. Описано 
взаимодействие микропроцессора с объектом управления, показано построение и функционирование каналов ввода-вывода цифровых и аналоговых сигналов. 
Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности 
«Стартовые и технические комплексы ракет и космических аппаратов», 
изучающих дисциплину «Управление техническими системами комплексов». 
УДК 681.326.3 
ББК 32.973.26 
 
 
© МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4050-4 
 
 
        МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014 
 
2 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Развитие 
ракетно-космической 
техники 
сопровождается 
усложнением технологических процессов предстартовой подготовки. В связи с этим повышаются требования к механическим 
агрегатам и технологическим системам наземных комплексов в 
отношении их точности и надежности, безопасности обслуживания, простоты перестройки алгоритмов управления при разработке 
новой техники и т. д. Выполнение этих требований возможно 
только при условии широкой автоматизации агрегатов и систем 
технологического оборудования стартовых комплексов. 
Одновременно все более острой становится необходимость 
представления оператору в реальном масштабе времени обширнейшей информации о прохождении контролируемого им технологического процесса, повышаются требования к обучению персонала на действующем оборудовании с полной имитацией работы 
технологических систем.  
Решение указанных задач возможно только с применением 
средств цифровой вычислительной техники на основе интегральных схем и микропроцессоров, позволяющих при малых габаритах 
и массах, малой потребляемой мощности реализовать достаточно 
сложные алгоритмы управления с обработкой большого потока 
информации. Показательным в этом отношении явился стартовый 
комплекс многоразовой транспортной космической системы 
(МТКС) «Энергия — Буран». Проведенный при его создании анализ технических требований к системам управления и алгоритмам 
работы технологического оборудования показал, что без широкого 
применения цифровых вычислительных устройств (ЦВУ) решение 
сложных задач управления технологическими процессами (в 
первую очередь процессами заправки ракетно-космической системы (РКС) криогенными компонентами топлива и их последующим 
 
3 

термостатированием) невозможно. Это обусловило выбор микропроцессорных средств в качестве технической базы для решения 
задач управления как отдельными агрегатами и технологическими 
системами, так и комплексом в целом. Последующие успешные 
испытания и запуски МТКС «Энергия — Буран» полностью подтвердили правильность сделанного выбора. 
В системах управления подвижных комплексов применение 
бортовых ЦВУ также позволяет решить большое число задач 
управления: выполнение технологических операций, управление 
системой амортизации агрегата, системами обеспечения температурно-влажностного режима перевозимого груза и др. 
При использовании микроэлектронной и микропроцессорной 
техники в системах управления стартовых комплексов к конструкторам и разработчикам технологического оборудования предъявляются повышенные требования не только в аспекте их технической грамотности, но и профессиональной подготовки. Знание 
принципов работы микропроцессоров и микропроцессорных систем управления позволяет закладывать в новые проекты более 
совершенные конструктивные и технологические решения. 
Предлагаемый вниманию учащихся курс лекций представляет 
собой систематизированное изложение основных принципов построения и функционирования микропроцессоров и микропроцессорных систем. Подробно рассматривается устройство и работа 
микропроцессора Intel 8080/8085. Большое внимание уделено организации микропроцессорных систем и входящим в их состав 
устройствам — устройствам памяти, портам ввода-вывода и др. 
Показаны особенности применения микропроцессоров в системах 
управления техническими объектами. 
Курс лекций предназначен для студентов старших курсов специальности «Стартовые и технические комплексы ракет и космических аппаратов», изучающих соответствующий раздел дисциплины «Управление техническими системами комплексов». 
 
 
 
 
 
4 

 
1. ОСНОВЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ 
1.1. Понятия и определения 
При решении задач автоматизации и управления используют 
понятия системы и процесса. Словом «система» часто обозначают 
различные понятия (например, система уравнений в математике, 
операционная система в компьютере, система автоматики промышленного производства и т. д.). Эти системы состоят из частей 
(элементов), между которыми существуют определенные, но разные связи и соотношения. В общем случае системой называют какой-либо набор связанных элементов, работающих совместно при 
выполнении общей задачи. 
В технике систему, в которой реализуется технологический 
процесс, называют объектом управления. Система управления — 
это более сложное понятие. Этим термином обозначают совокупность объекта управления и устройства, вырабатывающего управляющие воздействия (управляющего устройства). 
Под процессом обычно понимают временную последовательность действий или событий в системе, в результате которых 
происходят преобразование и (или) передача вещества, энергии и 
(или) информации. В техническом процессе можно достичь требуемых значений выходных величин системы благодаря управлению, т. е. выработке соответствующих управляющих воздействий. Одновременно происходят передача информации о 
состоянии процесса и переработка управляющей системой входной информации в выходную. В отличие от устройств, преобразующих энергию или вещество, для управляющих устройств характерны процессы переработки информации, т. е. процессы 
получения, преобразования, передачи, хранения и восприятия 
информации. 
 
5 

Обмен информацией между отдельными блоками, узлами и 
элементами системы управления проводится с помощью сигналов, 
носителями которых являются физические величины, например 
электрические токи и напряжения, давления газов и жидкостей, 
электромагнитные колебания и т. д. 
Управляющее устройство, выполняющее операции управления 
без участия человека, называют устройством автоматического 
управления, или контроллером. Совокупность контроллера и объекта управления представляет собой систему автоматического 
управления (САУ). В отличие от САУ автоматизированные системы управления (АСУ) предусматривают участие человека 
(оператора) в процессе управления. 
Независимо от типа технологической системы управление 
ею должно осуществляться в темпе управляемого процесса, т. е. 
в реальном масштабе времени (чаще говорят —  в реальном 
времени). 
В связи с повышением уровня автоматизации выполняемых 
операций к электроавтоматике предъявляют особые требования, 
поскольку одновременно с увеличением объема решаемых задач 
при проектировании возникают проблемы, связанные с уменьшением размеров станций электрооборудования, простотой его 
наладки, диагностикой неисправностей и их оперативным устранением, повышением надежности работы. В этой связи традиционные методы релейно-контактной автоматики вытесняются цифровыми 
методами, 
обеспечивающими 
большую 
точность 
обработки и удобство хранения информации, простоту управления 
и легкость автоматизации. 
Полупроводниковая интегральная технология позволяет создавать высокопроизводительные управляющие устройства с так 
называемой жесткой логикой управления, в которых алгоритм обработки информации жестко связан со схемотехникой устройства. 
Любое изменение алгоритма работы объекта управления ведет к 
необходимости 
изменения 
структуры 
такого 
управляющего 
устройства и связей между его элементами. Поэтому управляющие 
устройства с «жесткой» логикой обычно предназначают для решения исключительно одной задачи или нескольких близких задач 
управления, если заранее известен алгоритм настройки на их решение. Это дает следующие преимущества: 
 
6 

• система на «жесткой» логике специализирована и поэтому не 
имеет аппаратной избыточности, т. е. каждый элемент системы 
участвует в процессе обработки информации; 
• система на «жесткой» логике обеспечивает максимальную 
скорость реакции на изменение входных сигналов, поскольку обработка информации осуществляется во всех узлах системы одновременно. 
Отметим, что для решения каждой новой задачи управляющие 
устройства на «жесткой» логике нужно проектировать и изготавливать заново. Это приводит к большим затратам времени и материальных средств при расширении круга решаемых задач управления или изменении технологического процесса. Более того, при 
усложнении алгоритмов управления применение устройств на 
«жесткой» логике становится неэффективным вследствие необходимости увеличения числа применяемых узлов и элементов, связей 
между ними, что обычно сопровождается повышением потребляемой мощности и уменьшением надежности. 
Преодолеть недостатки «жесткой» логики можно переходом к 
управляющим устройствам, которые могли бы адаптироваться под 
любую задачу и перестраиваться с одного технологического процесса на другой без изменения состава технических средств. Такая 
перестройка возможна только при использовании программируемых управляющих устройств, которые могут быть реализованы 
либо как цифровые вычислительные машины с программным 
управлением, либо как вычислительные системы с программируемой 
структурой. 
Основой 
современных 
программируемых 
устройств являются электронные цифровые вычислительные машины или ЭВМ, в которых изменение алгоритма обработки информации осуществляется изменением управляющей программы. 
Программа вычислений записывается в памяти машины в виде последовательности двоичных кодов — команд. Каждая команда 
программы определяет в закодированном виде всю информацию, 
необходимую для ее выполнения. 
Цифровые вычислительные машины при гибкости применения 
обладают также высокой вычислительной мощностью, необходимой 
для автоматизации сложных технологических процессов. Однако при 
всей своей универсальности системы с программным управлением 
обладают недостатками, с которыми приходится считаться: 
 
7 

•  принципиально меньшим быстродействием, чем узлы, из которых они состоят, так как любая задача решается путем последовательного выполнения команд программы; 
•  аппаратной избыточностью, которая сопровождается увеличением стоимости системы, ростом потребляемой мощности 
и т. п. 
Технический прогресс в области микроэлектроники позволил значительно увеличить быстродействие программируемых 
систем при резком снижении их стоимости и потребляемой 
мощности. Более того, получают развитие программируемые 
системы, которые совмещают в себе достоинства как систем на 
«жесткой» логике, так и программируемых систем. При некотором сужении области применения такие системы обеспечивают 
сочетание достаточно высокого быстродействия и необходимой 
гибкости. 
Универсальные цифровые вычислительные машины с программным управлением принципиально позволяют реализовать 
любое преобразование информации. Для этого они должны иметь 
устройства для хранения информации и ее обработки с возможностью управления этим процессом, а также устройства для ввода и 
вывода информации. Укрупненная блок-схема универсальной 
ЭВМ показана на рис. 1.1. 
 
 
Устройство 
ввода 
Запоминающее 
устройство 
Устройство 
вывода 
Управляющее устройство 
Арифметико-логическое устройство 
Процессор 
 
 
Рис. 1.1. Блок-схема универсальной ЭВМ 
 
8 

В запоминающем устройстве (устройстве памяти) хранятся 
представленные в двоичном коде данные задачи и программа, 
представляющие собой перерабатываемую вычислительной машиной информацию. 
Устройства ввода и вывода информации позволяют вводить и 
выводить данные в запоминающее устройство по специальным 
командам, посылаемым из управляющего устройства. 
В арифметико-логическом устройстве по сигналам управляющего устройства выполняются элементарные арифметические и 
логические операции преобразования данных, поступающих из 
запоминающего устройства. 
Управляющее устройство предназначено для организации 
процесса вычислений. Оно обеспечивает выборку очередной команды программы из запоминающего устройства, ее выполнение, 
запоминание результата операции и определение следующей команды. Совокупность управляющего устройства и арифметикологического устройства называется процессором. 
Таким образом, процессор можно определить как устройство, 
исполняющее команды и координирующее действия других 
устройств ЭВМ. Процессор является ядром универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением. В 
принципе процессор и остальные блоки такой машины могут быть 
построены на любой элементной базе. Каждый новый этап развития цифровой техники связан с переходом на более совершенную 
элементную базу: от ламп к транзисторам, от транзисторов к интегральным схемам (ИС), а затем к большим интегральным схемам 
(БИС). В результате этого процесса появились микроэлектронные 
вычислительные устройства, известные как компьютеры. Выполненный по интегральной технологии микрокомпьютер значительно превосходит первые ЭВМ по быстродействию и производительности.  
Применение микрокомпьютеров дает программируемым системам дополнительные преимущества по сравнению с системами 
с «жесткой» логикой: 
• меньше корпусов ИС для реализации одних и тех же достаточно сложных функций; 
• более высокая надежность вследствие меньшего числа контактов, связей и компонентов; 
 
9