Poprzez określenie 'architektura' rozumie się tu zbiór bloków funkcjonalnych, ich cechy oraz wzajemne uzależnienia. Określenie to różni się od przedstawionego w podpunkcie 4.2.1.4 pojęcia 'architektura TD'.
(Pojęcie to jest jednym ze sposobów reprezentacji wiedzy).
Opis architektury mikroprocesorów stanowi w dalszej części pracy podstawę do przeprowadzenia porównania wybranych reprezentantów. przerwań. Jego uproszczona struktura wewnętrzna pokazana jest na rysunku 4.3 [K I]. Na uwagę zasługuje możliwość wykonywania rozkazów na danych 16-bitowych, co znacznie przyśpiesza realizację algorytmu i ułatwia pracę programiście. Jednostka arytmetyczno- logiczna (ALU) jest pow iązana z zespołem rejestrów 8-bitowych, które mogą, być łączone w 16-bitowe elementy. Rozkazy arytmetyczne pozw alają tylko na operacje dodawania i odejmowania, co jest poważnym mankamentem.
Należy zauważyć, że obecnie znaczenie typowych m ikroprocesorów 8-bitowych w układach sterowania przekształtników je st nikłe. Oprócz wad wynikających z ograniczonych możłiwości operacji matematycznych, przy konstrukcji sterownika wymagana jest rozbudowa systemu mikroprocesorowego o pamięć RAM i ROM, oraz elementy peryferyjne niezbędne do komunikacji z otoczeniem. To niewątpliwie zadecydowało o powodzeniu m ikrokontrolerów kosztem mikroprocesorów 8-bitowych.
Rys. 4.3 Schemat blokowy mikroprocesora Z-80
rozdział 4 - D obór sterowania dedykowanego urządzeń energoelektronicznych (system doradczy)
M ikroprocesory Zilog Z80 były chętnie stosowane do konstrukcji m ikroprocesorowych układów sterowania urządzeń energoelektronicznych w latach 80-tych [K1],[K17]. Obecnie są prawie nie spotykane w nowych rozwiązaniach.
m ikrokontrolery 8-bitow e
Spośród mikrokontrolerów 8-bitowych najbardziej popularny jest układ Intel 80C31. Produkowany przez wiele firm światowych w różnych odmianach, jest stale stosowany zwłaszcza w prostszych układach sterowania, nie wymagających skomplikowanych obliczeń matematycznych. Jego zalety pokazuje rysunek 4.4. Poza
jednostką arytm etyczno-logiczną (CPU) układ jest wyposażony w procesor funkcji boołowskich znacznie ułatwiający realizację funkcji logicznych. W ewnątrz struktury znajduje się niew ielka pamięć RAM, w niektórych wersjach jest także pamięć programu w postaci ROM (80C51) lub EPROM (87C51) [MF8]. Bardzo w ażną rolę pełnią liczniki 16-bitowe, pozwalające na odmierzanie odcinków czasu oraz układ wejść/wyjść cyfrowych, składający się z czterech bram 8-bitowych. Dużym ułatwieniem komunikacji z urządzeniem nadrzędnym jest programowalny układ obsługujący transmisję szeregow ą (UART). W ewnątrz układu znajduje się zintegrowany system obsługi przerwań (5 źródeł przerwań). Ciekaw ostką są rozkazy mnożenia i dzielenia, które jednak ze względu na 8-bitowe operandy nie są 'wygodne w użyciu.
O atrakcyjności tego mikrokontrolera może świadczyć wielość odmian, jest jednak charakterystyczne, że lista rozkazów i rdzeń struktury wewnętrznej s ą zawsze takie same (rysunek 4.4). Bardzo popularne odmiany mikrokontrolerów Siem ensa (SAB80C515/517) m ają dodatkowo 8-kanalowy przetwornik A/C, dodatkowy układ łicznikowo-komparatorowy umożliwiający realizację skomplikowanych funkcji (m.in. generowanie sygnałów MSI), oraz dodatkow ą liczbę bram układów we/wy cyfrowych [MF16].
M ikrokontrolery 8-bitowe są chętnie stosowane w układach sterowania urządzeń energoelektronicznych, zwłaszcza w sytuacjach nie wymagających wykonywania skomplikowanych obliczeń na danych 16- czy 32-bito-wych (mnożenie, dzielenie itp.). M oże to dotyczyć prostych układów sterowania przekształtników o komutacji sieciowej łub przekształtników DC/DC przy niezbyt wysokich częstotliwościach przełączeń. Istnieje wtedy możliwość w ykorzystania wewnętrznych urządzeń mikrokontrolera (układy szybkich wyjść, układy komparatorowo-licznikowe), znacznie ułatwiających realizację funkcji przełączania zaw orów (zwiększenie częstotliwości przełączeń) przy małym udziale części programowej [K2j.
m ikrokontrolery 16-bitow e
Pow ażną w adą m ikrokontrolerów 8-bitowych jest lista rozkazów ograniczająca się do operacji jednobajtowych. Spowalnia to pracę układu jeśli trzeba operować na wartościach dw u- i więcej bajtowych, w przypadku mnożenia i dzielenia należy wtedy budować odrębne, czasochłonne procedury. Znacznym postępem było więc pojawienie się na rynku mikrokontrolerów 16-bitowych. Jako przykład może służyć mikrokontroler Intel 80C196KC [MF9], przedstawiony na rysunku 4.5.
Ciekawą cechą tego mikrokontrolera jest architektura rejestr-rejestr, pozw alająca na wykonywanie wszystkich operacji arytm etycznych i logicznych na argumentach pobieranych z 256 rejestrów pamięci operacyjnej bez pośrednictwa akumulatora. Upraszcza to i przyśpiesza wykonywanie operacji. Wszystkie operacje m ogą być w ykonywane na argumentach 8- i 16-bitowych, dostępne są operacje m nożenia i dzielenia ze znakiem, oraz bez znaku.
Ważnym elementem jest układ szybkich wejść/wyjść (HSI/O). Pozwala on na generowanie na wyjściu sekwencji przełączeń, wykonywanych w określonych chwilach czasu, przy małym udziale programowym. Układ szybkich wejść pozwala ponadto rejestrować chwile zmian stanu na wejściach układu, przy czym czas tych zdarzeń jest wyrażony przez stan wewnętrznego licznika. Cały układ charakteryzuje się dużą elastycznością
PO P t P2 P3
Rys.4.4 Schemat blokowy mikrokontrolera Intel 80C 51
rozdział 4 - D obór sterowania dedykowanego urządzeń energoelektronicznych (system doradczy)
i umożliwia realizację w ielu zadań sterowniczych. Przykładem elastyczności może być zmiana trybu rejestracji chwil przełączeń (zbocze narastające, opadające itp.)
Do pom iaru wielkości analogowych w ykorzystywany je st przetwornik A/C 8-kanałowy, o rozdzielczości 8- lub 10- bitów (maksymalna szybkość przetw a
rzania ok. Sjis/kanał). Jako przetwornik C/A może służyć układ MSI, pozwalający generować odpowiedni sygnał na trzech liniach wyjściowych.
W ażnym elementem zabezpieczają
cym m ikrokontroler przed niewłaściwym funkcjonowaniem w wyniku zakłóceń jest układ kontroli (watchdog). W czasie pracy procesora wymaga on cyklicznego odświeżania, bez którego powoduje zerowanie m ikrokontrolera i start program u od początku. Układy takie spotyka się także w niektórych mikrokontrolerach 8-bitowych.
M ikrokontrolery 16-bitowe są elementami pozwalającymi na realizację układów sterowania urządzeń przekształtnikowych o wyższych wymaganiach obliczeniowych i szybkości działania. Dotyczy to głównie układów sterowania falowników napięcia M SI i przekształtników, gdzie wykorzystuje się bardziej skomplikowane algorytmy sterowania (modulacja do 10kHz lub/i sterowanie wektorowe), dodatek8, [KIO].
Znacznie bardziej rozbudowane wewnętrzne bloki funkcjonalne tych mikrokontrolerów pozw alają na realizację szybszych i precyzyjniejszych przełączeń sygnałów sterujących wyjściowych oraz powiązanie ich z innymi funkcjami systemu (uruchomienie pomiaru za pom ocą przetwornika A/C).
procesory syęn ałow e
Mikrokontrolery 16-bitowe obok szeregu zalet, m ają pewne wady, które utrudniają ich zastosowanie w pewnych sytuacjach, głównie ze względu na zbyt wolne wykonywanie rozkazów. Ma to związek z ich architekturą, dokładniej pojedynczymi wewnętrznymi magistralami: adresow ą i danych. Powoduje to, że kody rozkazów, ja k i poszczególne dane są pobierane po kolei, co oznacza wydłużenie czasu trwania wykonania
W większości typów procesorów sygnałowych zastosowano tzw. architekturę harwardzką, w której szyny adresowania programu i danych są rozdzielone. Jest więc możliwe jednoczesne pobieranie i wykonywa
nie rozkazów, co przyśpiesza działanie proce
sora.
Przykładem takiego urządzenia może być procesor Analog Devices A D SP-2111, należący do rodziny układów 16-bitowych [MF2], którego schemat blokowy jest przedstawiony na rysunku 4.6. Posiada on zm odyfikowaną architekturę harwardzką, przy czym wewnątrz struktury znajduje się pamięć programu i danych, co znacznie ułatwia konstrukcję systemu i przyśpiesza działanie procesora.
Wszystkie rozkazy są wykonywane w jednym cyklu (50ns dla rezonatora 20M Hz), łącznie ze skomplikowanymi mnożeniami z sumowaniem wyników.
W ewnątrz układu znajduje się 16-bitowy licznik, ze wstępnym dzielnikiem częstotliwości, dwa układy do synchronicznej transmisji szeregowej, oraz dwukierunkowy interfejs pozwalający na wymianę informacji np.
z procesorem nadrzędnym.
rozkazu.
Rys.4.6 Schemat blokowy procesora sygnałowego A D SP-2111
PO P I P2
Rys.4.5 Schemat blokowy mikrokontrolera Intel 80C196KC
rozdział 4 - Dobór sterowania dedykowanego urządzeń energoelektronicznych (system doradczy)
Pewnym ograniczeniem tego układu jest możliwość prowadzenia tylko obliczeń stałoprzecinkowych.
Procesory nowej generacji tej samej firmy o architekturze 32-bitowej w ykonują rozkazy arytmetyki zmiennoprzecinkowej, a czas cyklu rozkazowego został jeszcze skrócony. Najnowszym przedstawicielem tej rodziny je st układ ADSP-21060. Posiada on pamięć RAM powiększoną do 4 M b, oraz procesor wejścia/wyjścia pozwalający na różne rodzaje komunikacji z otoczeniem [S2],
Wydaje się, że w obecnej chwili znaczenie procesorów sygnałowych u układach sterowania urządzeń energoelektronicznych poszerza się [M5], Duże możliwości obliczeniowe, szybkość wykonywania rozkazów predystynująje do wykorzystania w układach sterowania z implementacją skomplikowanych struktur układów sterowania z odtwarzaniem niedostępnych pomiarowo wielkości, pomiarem i adaptacją parametrów obiektu sterowania itp. Z drugiej strony brak lub niewielka liczba wewnętrznych układów peryferyjnych (liczniki, układ UART, układ HSI/O) utrudniają ich wykorzystanie. Nasuwa się tu więc rozwiązanie tego problemu, przy specjalnie wysokich wymaganiach względem układu sterowania, które polega połączeniu procesora sygnałowego z mikrokontrolerem. Ten pierwszy będzie funkcjonował jako wspomagający obliczenia (jako swoisty koprocesor). Takie rozwiązanie pozwala na efektywne wykorzystanie mocy obliczeniowej procesora sygnałowego z elastycznością struktury wewnętrznej mikrokontrolera.
procesory RISC i transputery
Procesory RISC stanow ią rozwiązanie cechujące się najwyższą w stosunku do wyżej wymienionych szybkością działania. Ich cechą charakterystyczną jest zredukowana lista rozkazów. Głównym celem przy opracowywaniu było uzyskanie małej liczby rozkazów procesora o bardzo krótkim czasie wykonania. Układy te charakteryzują się dużą ilością rejestrów wewnętrznych, jednocyklowym czasem wykonywania rozkazów, przy czym ich kody są wykonywane natychmiast, nie wymagając dekodowania na mikrokody. Typowo, posiadają architekturę 32-bitową, co ju ż świadczy o ich dużej mocy obliczeniowej. W adą niektórych procesorów RISC jest zbyt prymitywny, ja k na potrzeby sterowania urządzeń przemysłowych, zwykle jednow ektorow y system przerwań [L l].
Transputery są innym rozwiązaniem na drodze do uzyskania dużych mocy obliczeniowych. Transputery są to mikroprocesory specjalnie przeznaczone do pracy równoległej, gdzie wymagane są systemy wieloprocesorowe o dużej mocy przetwarzania (np. sterowanie rozległymi obiektami). Specjalizuje się w tym względzie firma IN M O S Inc., która produkuje całą rodzinę takich układów. Ich efektywność w dużej mierze zależy od dopasowania konfiguracji sieci od realizowanego zadania, a w zasadzie od podziału zadań cząstkowych na poszczególne jednostki. Zwykle transputery m ają architekturę typu RISC. Ich zastosowanie w energoelektronice na razie ogranicza się do rozwiązań laboratoryjnych i jednostkow ych [Z2].