ҚОНДЫРЫЛҒАН БАСҚАРУ ЖҮЙЕЛЕРІ

Бүгінгі таңда микроконтроллер (МК) негізіндегі басқару және бақылаудың қондырылған (insertion, embedded) жүйелері кеңінен қолдануда. Күрделі техникалық объектілер мен жүйелерді басқару ақпаратты өңдеу саласында негізгі бағыттардың бірі және көптеген бағыттардың негізгі зерттеу пәні болып табылады. МК дайын біркристалды ЭЕМ микросұлбасы түрінде жасалады. МК құрамында микропроцессорлық ядро басқаруымен өз жұмысын атқаратын қондырылған (кірістірілген) қосымша құрылғылар болады. Қазіргі кезде шығарылатын процессорлардың басым көпшілігі микроконтроллерлер болып табылады. Микроконтроллермен басқарылатын объектілердің саны көп екендігі ескеріле отырып, олардың жылдық өнімі микропроцессорлар өнімінен бірнеше есе асып түседі [1, б. 17].

МК – әр түрлі мақсаттарға арналған аппараттық кешендердің басқарушы ядросы. Олар қондырылған жүйелердің көптеген есептерін, мақсаттарын шешеді, қажетті жұмыс жылдамдығына, әмбебаптылыққа ие, сыртқы ешқандай электрлік тізбектерді қажет етпегендіктен, жоғары икемділікті, деректер қауіпсіздігін және беріктілігін қамтамасыз етеді.

МК-да микропроцессорлық құрылғы және перифериялық (шалғай) жабдық біріктіріледi. Бұл жобаланып жатқан құрылғының массасын, меншікті энергияқоректенуін (мА/МГц) және бағасын төмен түсіруге мүмкіндік береді. Заманауи МК әр түрлі топтар құрайды. МК программисттермен енгізілген программаларды орындайды. Олар әр түрлі құрылғыларды басқара алады, қосымша құрылғылардың минимум саны арқылы олардан мәліметтер қабылдай алады, себебі қажетті перифериялық сұлбалардың қажетті саны МК кристалында орналасқан [2].

МК деректерді өңдеудің жаппай құралына айнылудың үш себебі бар: 1. әр түрлі функцияларды атқаруға бір ғана сұлбаны қолдануға мүмкіндік беретін программалық басқару; 2. жадысы бар процессордың енгізу-шығару құрылғыларымен бір кристалда бірігуі, сол себепті аппаратураны қосымша сұлбалардың минималды сандары арқылы құруға мүмкіндік береді; 3. қолданушының өз қажеттіліге қарай сұлбаны программалау мүмкіндігі.

МК қолданудың негізгі аймағы мәліметтерді цифрлы өңдеудің қондырылған жүйелері болып табылады. Осы жүйелерде МК шешетін тапсырмаларды үш группаға бөлуге болады: дискретті (релейлі) басқару; аналогты басқару; сигналдарды цифрлы өңдеу.

Дискретті басқарудың тапсырмалары цифрлы автоматтардың, есептеуіш құрылғылардың және программаторлардың класын қамтиды. Осы тапсырмалар деректерді өңдеуде логикалық операциялардың басымдылығымен сипатталады. Есептеу көлемі үлкен емес және бүтінсанды арифметика көлемінде шешіледі. Кіріс және шығыс деректер релейлі типті құрылғыға келеді және содан шығарылады. Басқару оқиғалар бойынша, сонымен қатар бір секундтағы реакция уақыты көрсетілетін уақыттық диаграмма бойынша жүргізіледі. Аналогты басқару тапсырмаларында аналогты датчиктерден келіп тұсетін ақпараттар өңделеді, басқарушы әсерлер есептеліп, атқарушы аналогты құрылғыларға жіберіледі [3]. Есептеу дәлдігіне талаптар ереже бойынша 8-12 разряд құрайтын датчиктер мен атқарушы құрылғылардың дәлдігімен анықталады. Басқару сыртқы әсерлерге жауап қайтаруға қажетті уақытпен қамтамасыз ететін жиілікпен жүзеге асырылады. Сигналдарды цифрлы өңдеудің тапсырмаларында ереже бойынша 12-24 разряд құрайтын сигналдардың электронды түрлендіргіштері дәлдігімен нақты уақытта көлемді есептеулер жүргізіледі. Қателердің жиналуының алдын алу үшін аралық есептеулер салыстырмалы түрде жоғары дәлдікпен орындалады [3]. Деректерді өңдеу 10 кГц пен 10 МГц аралығындағы сигналдың дискреттелу жиілігінде орындалады.

МК микропроцессорлардан (МП) түрлі жүйелерді басқару функциясын атқарумен және салыстырмалы түрде әлсіз есептеуіш ядроға қарамастан, көптеген қосымша түйіндерді біріктірумен ерекшеленеді. МК және МП арасын қатаң шекарамен бөлуге де болмайды (мысалы, мобильді құрылғыларға (телефондар, қалта компьютерлері, цифрлы видеокамералар) арналған МП-ларда процессор бір мезгілде қатты дамыған есептеу қорларына ие болуы және көптеген сыртқы компоненттерді басқаруы керек.

Әр түрлі қосымшалар үшін процессорлық модульдің архитектурасымен, кірістірілген жады типімен, перифериялық құрылғылар жиынтығымен және т.б. айрықшаланатын МК-ң көптеген саны қолданылады. МП-ға қарағанда МК-да программалар мен деректер логикалық тәуелсіз жады блоктарында орналасатын жадының гарвардтық архитектурасы жиірірек қолданылады. Көп МК-лерде сыртқы жадыны қосуға арналған шиналардың болмауы мүмкін. Ең арзан жады типтері тек қана бір рет жазуды қолдайды.

Принстондық (Фон-неймандық) архитектура МК құрылысын программалар, деректер немесе стектердің еске сақтау құрылғыларын қолдану қажеттілігі болған жағдайда бір ғана ортақ жадыға қатынау арқылы жеңілдетеді. Бұл нақты уақытта жұмыс істейтін операциоялық жүйелер жасаушыларға белгілі бір икемділік береді.

Гарвардтық архитектурада командалар аз такті көлемінде орындалатындықтан, параллелді операцияларды орындау үшін көптеген мүмкіндіктер ұсынады.

МК классикасы болып жасаушылар арасында ұзақ жылдар бойы кең танымал MCS-51 тобы саналады. Мұндай жағдай әлемге танымал өндірушілер ұсынған буын клондарының кең номенклатурасы және архитектуралық шешімдермен, сонымен қатар дайындаушылар мен тапсырысты жеткізушілердің тиімді баға саясатымен байланыстырылады.

Сонымен, МК-да орналасатын типтік сұлбалар: программа жадысынан команда кодтарын қабылдап, оларды декодтайтын және орындайтын орталық процессорлы құрылғы; программалар жадысы (командалардың кодтарын сақтайды); деректердің оперативті жадысы (программалар айнымалыларын сақтайды; стек болуы мүмкін); МК жұмысының жылдамдығын анықтайтын тактілік генератор; МК дұрыс іске қосылуын қамтамасыз ететін түсіру тізбегі; сыртқы құрылғылармен деректермен алмасуды қамтамасыз ететін тізбектелген порт; енгізу/шығару әмбебап цифрлы порттары; уақыттық интервалдарды санауда қолданылатын таймер; программалардың істен шығуларының алдын алатын WDT (Watchdog timer) күзеттік таймері (қатып қалған жағдайда процессордың қайта қосылуын қамтамасыз етеді, яғни микропроцессорлық жүйені тұрып қалу жағдайынан шығару) [2, б. 17].

Микроконтроллер жадысының ішкі жүйелерінің құрамы: программалар жадысы; деректер жадысы; МК регистрлері. Программалар жадысы келесідей жүзеге асырылуы мүмкін: ROM (Read-Only Memory) - көп рет программаланатын тұрақты еске сақтау құрылғысы (ТЕСҚ); PROM (бір рет программаланатын ТЕСҚ); EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory); EEPROM (Electrically EPROM); Flash–EEPROM.

МК деректер жадысы статикалық оперативті еске сақтау құрылғысы (ОЕСҚ) негізінде жұмыс істейді. МК тактілік жиілігінің төмендеуі кезінде ОЕСҚ ұяшықтарының құрамы көптеген кіші мәндерге дейін сақталады (электрқоректенуді төмендету мақсатымен).

Үзу жүйесі (ҮЖ) – МК-ң маңызды бөліктерінің бірі, МК-де маңызды оқиғаларға жауап беретін үзілулер механизмін атқаратын аппараттық және программалық құралдардың жиыны. Үзу – компьютерде белгілі бір оқиға болғаны туралы хабарлайтын сигнал. Бұл кезде операциялық жүйе берліген үзуге қандай бір жауап беруі керек. Шығу көздеріне байланысты барлық үзілулер үш класқа бөлінеді: сыртқы, ішкі және программалық.

Үзілуді өңдеу процедурасын бастамас бұрын, берілген процесс арасында өзгеріске ұшырауы мүмкін ресурстардың қалып-күйлерін сақтап алу керек. ҮЖ ұйымдастырылуының негізгі әдістері бір-бірінен үзілуді орындау үшін қажетті аппараттық құралдардың санымен ерекшеленеді, сонымен қатар әр түрлі жылдамдықтарға ие.

МК адрестік кеңістігінде регистрлердің орналастырылуы маңызды сұрақтардың бірі болып табылады. Кейбір МК-да барлық регистрлер және жады бір адрестік кеңістікте орналасады. Бұл деректер жадысы регистрлермен үйлесімді дегенді білдіреді. Мұндай қатынас «МК қорларының жадыда көрінуі» деп аталады.

Басқа МК-да енгізу/шығару құрылғыларының адрестік кеңістігі жадының жалпы кеңістігінен ажыратылған. Жеке енгізу/шығару кеңістігі гарвардты архитектуралы процессорларға белгілі бір артықшылықтар береді, енгізу/шығару регистріне қатынау кезінде команданы оқу мүмкіндігін қамтамасыз етеді.

МК стегі. Микроконтроллерде мәліметтер ОЕСҚ, сонымен қоса ішкі программаларды шақыру үшін және үзілулерді өңдеу үшін қолданылады. Осы операциялар кезінде программалық есептеуіш және негізгі регистрлер (аккумулятор, қалып-күй регистрі және т.б.) құрамы сақталады және негізгі программаға қатынау кезінде қайта іске қосылады.

Сыртқы жады. Егер МК-де сыртқы жадыны қосу үшін арнайы аппараттық құралдары болса, онда бұл операция штатты әдіспен атқарылады (МП үшін сияқты). Екінші әмбебапты әдіс – сыртқы жадыны қосу үшін енгізу/шығару порттарын қолдану және жадыға қатынауды программалық құралдар негізінде жүзеге асыру.

МК процессорының тиімді архитектурасы (процессор командаларының жүйесінің негізінде) программа кодының көлемін және оны орындауға жұмсалатын тактілердің минималдауды қамтамасыз ету керек. Сонымен қоса процессор архитектурасы [3]:

а) мәліметтердің разрядтылығы мен адрестік кеңістіктің кеңеюін қамтамасыз ететін команда жүйелерін құрудың концептуалды принциптер жинағы негізінде құрылады;

б) программалау тілімен семантикалық алшақтықтың қысқаруын қамтамасыз етеді;

в) энергияқоректену және бағасы жағынан ең жақсы көрсеткіштерге жетуге көмектеседі.

Көптеген қосымшаларда микроконтроллерлердің батареямен қоректену қолданылады, ал кейбір жағдайларда қысқа мерзімге қоректену көзінің өшуі кезінде жұмыс қабілеттілігін сақтауды қамтамасыз ететін үлкен сыйымдылықты конденсаторлар қолданылады. Сондықтан электрқоректенуді төмендету мәселесі микроконтроллер үшін өзекті болып табылады. Әр түрлі жұмыс жағдайларында жұмыс істейтін МК қоректенетін қуаттың үш түрі бар: микроконтроллердің дұрыс жұмысы үшін қажетті жеке қуат; микроконтроллер сыртқы құрылғылармен деректер алмасу кезінде есепке алуға тура керек келетін енгізу-шығару құрылғылары тұтынатын қуат; «ұйқы» режимінде қолданылатын қуат.

Жартылай өткізгіштерді дайындау технологиясында ойлаудың конвенциалды парадигмасынан бас тарту арқылы мамандар қолданыстағы және болашағы бар микроконтроллерлердің архитектураларын анықтады. Техникалық объектілердің күрделілігінің өсуіне байланысты оларды басқару сапасына талаптар жоғарылайды, бұл басқару жүйелерінде беріктілік сипаттамаларды, көптеген басқару режимдері және жүйенің адаптацияға бейімделгіштігін қамтамасыз ететін есептеу техникасының көпфункционалды құралдарын қолдануды талап етеді.

Әдебиет:

1. Микропроцессорные системы: учеб. пос. для вузов / Е.К. Александров и др.; Под общ. Ред. Д.В. Пузанкова. – СПб.: Политехника, 2002. – 935 с.

2. Васильев А.Е. Микроконтроллеры. Разработка встраиваемых приложений. – СПб.: БХВ-Петербург, 2008.- 304 с.: ил.

Intel