Навигация

Периферийные устройства

ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

С. Н. ТРАНЬКОВ, инженер

Любая микропроцессорная система или микроЭВМ имеет три подсистемы — процессор, устройства памяти и подсистему ввода-вывода информации. Процессор обычно — универсальный элемент. Тип и объем памяти, а также устройства ввода-вывода, как правило, ориентированы на решение конкретной задачи и их выбор определяется назначением и условиями функционирования системы в целом.

Подсистема ввода-вывода включает в себя внешние или периферийные устройства и интерфейсы.

Периферийные устройства обеспечивают связь микропроцессорной системы или микроЭВМ с управляемым процессом и оператором. Сюда относятся: внешние запоминающие устройства большой емкости; устройства для связи с объектами управления (машина — процесс); аппаратура для- обмена информацией с оператором (человек — машина).

Интерфейсы представляют собой комплекс аппаратных и программных средств, необходимых для электрического и функционального сопряжения внешних устройств с системой. Интерфейс ввода-вывода управляет работой внешнего устройства по командам микропроцессора, а также преобразует данные в форматы, требующиеся для работы конкретных внешних устройств, и обратно. Заметим, что далеко не всегда можно провести четкую границу между интерфейсом и внешним устройством. Часто компоненты интерфейса разбивают на две части, одну из которых относят к интерфейсу микроЭВМ, а другую — к внешнему устройству и называют контроллером. В специальной литературе термины «интерфейс» и «контроллер» часто используют как синонимы.



На рисунке показана условная классификация периферийных устройств, применяемых в микропроцессорных системах. Расширение области применения микропроцессорных систем в последние годы привело к появлению множества новых, порой самых неожиданных внешних устройств. Например, в микропроцессорной системе автоматического управления узлами автомобиля внешним устройством является карбюратор. Естественно, что в таких условиях типы и способы управления внешними устройствами целиком определяются творчеством конструкторов различных автоматизированных систем и рассмотреть их в рамках одной статьи невозможно. Поэтому остановимся лишь на «типовых, наиболее универсальных периферийных устройствах.

В комплекте устройств ввода-вывода информации особое место занимают внешние запоминающие устройства, в качестве которых применяют накопители на магнитных лентах (НМЛ) и дисках (НМД), а также на перфоленте. Эти устройства, как правило, энергонезависимы, т. е. отключение питания не приводит к потере хранимой в них информации.

Память на магнитной ленте относится к запоминающим устройствам с последовательным доступом, причем время обращения к такой памяти непостоянно и определяется местонахождением информации на ленте, скоростью движения носителя, временем пуска и останова и др. Информация записывается на ленту блоками, содержащими несколько слов. Запись и считывание осуществляются контактным способом, при котором движущаяся лента имеет непосредственное соприкосновение с блоком магнитных головок. При ширине ленты 12,7 мм число дорожек может достигать 9. При использовании магнитных лент скорость обмена данными колеблется от 2500 байт/с до 1,25 Мбайт/с. Емкость одной катушки достигает 180 Мбайт.

Разновидность запоминающих устройств на магнитной ленте — кассетный накопитель, часто используемый в микропроцессорных системах. Его конструкция сходна с конструкцией обычного кассетного магнитофона. Такие устройства дешевы и компактны, но имеют гораздо меньшую емкость и невысокую скорость считывания.

К недостаткам запоминающих устройств на магнитной ленте следует отнести недолговечность ленты и головок при работе в постоянном их контакте, а также значительное время обращения к памяти.

Для повышения быстродействия, т. е. уменьшения времени обмена информацией с памятью, еще при использовании вычислительных машин второго поколения были разработаны запоминающие устройства на магнитных барабанах, а в дальнейшем и на магнитных дисках. Активном стороне диска соответствует одна головка записи-считывания, которая выбирает необходимую дорожку в результате механического радиального перемещения. Между головкой и диском при помощи воздушной подушки поддерживается расстояние в несколько микрон. Поэтому такой способ называют бесконтактным считыванием, что позволяет практически неограниченно увеличить ресурс запоминающих устройств. Емкость пакета из 12 дисков достигает 300 Мбайт, Но все же такие запоминающие устройства имеют по сравнению с другими большие габариты и стоимость, из-за чего их применение в микропроцессорных системах ограничено.

Запоминающие устройства на гибких магнитных дисках уступают предыдущим накопителям по техническим характеристикам, но более дешевы и менее критичны к условиям эксплуатации. Гибкий диск представляет собой полистироловую пленку с активным магнитным слоем. Его помещают в специальный защитный конверт с радиальной прорезью, через которую при помощи радиально перемещающейся головки происходит считывание. При операциях записи-считывания головка контактирует с диском, что несколько ограничивает ресурс таких накопителей. Данные на диске записываются на 77 концентрических дорожках, а сам диск условно разделен на 26 секторов. Местоположение блока информации определяется номерами дорожки и секторов. Емкость диска составляет 512 Кбайт, среднее время обращения — 380 мс.



В микропроцессорных системах иногда применяется периферийное перфоленточное оборудование, рассчитанное на ленту с различным числом дорожек. Такие устройства обычно работают в стартстопном режиме и обеспечивают скорость записи 100 знак/с, считывания — от 60 до 300 знак/с. К недостаткам перфоленточного оборудования следует отнести недолговечность бумажных лент особенно при частом их использовании.

Большую и разнообразную группу периферийных устройств занимают средства обмена информацией между человеком и машиной, которые имеются практически в каждой микропроцессорной системе. При этом необходим оперативный вывод данных или параметров технологического процесса в удобной для восприятия оператором форме, а также возможность немедленно вмешиваться в управляемый процесс, корректировать его ход или отдельные параметры, что также должно делаться простейшим и привычным для оператора способом.

Одним из самых распространенных устройств вывода информации в системе человек — машина можно назвать различные индикаторы — накальные, газоразрядные, светодиодные, жидкокристаллические и плазменные.

Накальные и газоразрядные индикаторы широкого применения в микропроцессорных системах не получили. Первые весьма недолговечны и потребляют сравнительно большие токи, а вторые требуют применения высоких питающих напряжений. Последний недостаток относится также и к плазменным индикаторам.

Индикаторы на основе светодиодов и светодиодных матриц надежны, долговечны, имеют небольшие габариты и потребляют малую мощность.

При помощи светодиодов информация может представляться в двоичном виде. В простейшем устройстве вывода каждому информационному разряду соответствует один диод. Более сложные, но удобные для восприятия — сегментные и матричные буквенно-цифровые и знаковые индикаторы, выполняемые на основе светодиодов. При управлении различными технологическими процессами иногда удобно пользоваться условными графическими обозначениями, мнемосхемами, указателями уровней сигналов и др. Такие внешние устройства могут быть легко построены на основе стандартных светодиодных индикаторов, расположенных соответствующим образом.

В тех случаях, когда потребление электроэнергии является определяющим фактором, например в устройствах с автономным питанием — в калькуляторах, часах, применяют жидкокристаллические индикаторы, которые изготавливаются в виде панелей с необходимым набором цифр, букв, различных символов. Но для нормального восприятия устройства вывода на основе жидких кристаллов требуют окружающего освещения. Для улучшения видимости их иногда дополняют элементами подсветки.

Для работы любого матричного или сегментного индикатора необходимо формировать специальный код, который получают преобразованием кода символа, поступающего из микропроцессора. Эта задача решается как аппаратно, так и программным путем и существует достаточно большое число вариантов ее решения. В современных микропроцессорных системах встроенный преобразователь вводят в состав самого индикатора.

Для вывода информации в микропроцессорных системах управления технологическими процессами удобно использовать индикаторные панели, представляющие собой матрицы, содержащие 128X128, 256X256 или 512X512 светящихся элементов. С одним из вариантов таких панелей типа ИМГ читатели нашего журнала уже познакомились (см. «АТиС», 1983, № 2, с. 38—40). Такие панели можно наращивать без потери равномерности шага между элементами, что позволяет формировать табло больших размеров. Более того, имеется возможность менять размер символов или изображений. Однако эти панели представляют собой достаточно сложные электронные устройства с внутренней оперативной памятью. При использовании в составе микропроцессорных систем можно упростить их схемы управления, возложив функции преобразователя на микропроцессор, что несложно сделать при помощи программы. Как считают некоторые специалисты, панели подобного типа для микропроцессорных систем весьма перспективны, и в будущем они смогут с успехом конкурировать с электронно-лучевыми трубками.

Печатающие устройства микропроцессорных систем позволяют документировать результаты обработки информации и выдавать их на бумаге в удобной для восприятия человеком алфавитно-цифровой форме. В настоящее время наибольшее распространение получили электромеханические печатающие устройства, такие, как электрическая пишущая машинка. Принцип ее печати широко известен. Поскольку такие машинки печатают знаки поочередно, их относят к устройствам посимвольной' печати. Максимальная скорость печати таких внешних устройств до 15 знак/с. Использование нового принципа формирования знаков позволило получить так называемые игловые печатающие устройства, в которых формирование знака делается путем управления специальными электромагнитами точек, из которых набираются знаки. Такой принцип позволил увеличить скорость печати до 180 знак/с.

В настоящее время все шире начинают использоваться устройства строчной печати, в которых вся строка печатается одновременно. Это еще увеличило скорость печати. В частности, современное печатающее устройство такого типа способно печатать в минуту 600 ... 1200 строк по 128 знаков в каждой. Однако эти устройства пока еще громоздки и дороги.

Малые габариты и почти бесшумную работу обеспечивают термографические печатающие устройства. В основе термической печати лежит локальный нагрев термочувствительной бумаги, изменяющий ее цвет. Скорость печати посимвольных термографических печатающих устройств достигает 30 символов в секунду, а построчных — до 1000 строк в минуту.

Простейшим устройством ввода информации в микропроцессорную систему является клавиатура. В настоящее время разработано громадное количество конструктивных разновидностей клавиатур на основе механических, электромеханических и электронных переключателей и любая из них может с успехом применяться в микропроцессорных системах. Заметим лишь, что при формировании электрических цепей клавиатуры необходимо исключать «дребезг» контактов. Это можно делать как при помощи специальных формирователей, так и программным путем.

Телетайп, разработанный для передачи и приема телеграфных сообщений, с успехом применяется и в микропроцессорных системах различного назначения. Удобно то, что телетайп имеет клавиатуру, печатающий механизм, устройства ввода с перфоленты и перфоратор, что позволяет вводить и выводить информацию, а также хранить некоторые ее объемы. Телетайп требует представления информации в последовательном коде, причем при передаче любого символа к информационным битам добавляются служебные — стартовый, стоповый, бит контроля на четность. С учетом этого за 1 с можно передать не более 10 символов. Несмотря на это, широкие функциональные возможности телетайпа, простота и удобство обслуживания, невысокая стоимость, доступность обусловили достаточно широкое распространение телетайпов в микропроцессорных системах.

Одним из наиболее удобных для оператора периферийных устройств вывода информации является электронно-лучевая трубка, которую используют совместно с пультом. Такой экранный пульт обычно называют дисплеем. Промышленностью выпускаются как алфавитно-цифровые, так и графические дисплеи. Последние, однако, весьма сложны и дорогостоящи, что несколько ограничивает их применение в микропроцессорных системах. Алфавитно-цифровые дисплеи пожалуй, наиболее распространены из-за удобства пользования и широких функциональных возможностей. Как правило, они имеют встроенные микропроцессорные устройства и сами могут использоваться как простейшие микропроцессорные системы. При расширении логических функций электронных схем дисплея появляется возможность обрабатывать значительные объемы информации, что позволяет оператору вести диалог с ЭВМ и оперативно получать результаты. Такие внешние устройства, выполняющие функции микроЭВМ, интеллектуальными терминалами.

Для получения изображений символов на экране дисплея разработано много способов, наибольшее распространение из которых получило растровое сканирование с формированием точечных изображений знаков и цифр. Число символов в Строке текста, изображаемого на экране дисплея, обычно 80 при количестве строк 20—24.



Текст, выводимый на экран, называют страницей или кадром. Для его хранения в дисплее предусмотрено оперативное запоминающее устройство. В современных дисплеях это запоминающее устройство позволяет хранить три и более страниц текста, причем имеется возможность их многократного вызова на экран и исправления любых знаков и строк. В связи с этим интересно отметить, что персональные микроЭВМ, имеющие дисплей, печать и внешний накопитель, в настоящее время используются при написании книг. При этом имеется возможность редактирования текста на экране дисплея перед выводом его на печать, хранения отредактированной информации на диске и получения перфоленты текста. В результате появляется возможность непосредственного ввода текста с перфоленты или диска в фотолинотип, что позволяет избежать трудоемких операций набора текста и его корректировки. Автоматизация этих операций позволяет исключить довольно большое количество субъективных ошибок, неизбежных при ручном наборе.

Широкое использование микропроцессоров и микроЭВМ в различных системах автоматического управления и контроля обусловило многообразие внешних устройств связи машина — процесс. В одних случаях в качестве внешних устройств такого типа можно использовать простейшие шифраторы и дешифраторы, в других — требуется достаточно сложное преобразование вводимой и выводимой информации как по форме представления, так и

Но если все же попытаться это сделать, то имеет смысл разделить устройства связи машина — процесс на группы в соответствии с формой преобразуемой информации на цифровые и аналоговые.

Для правильного ведения многих управляемых процессов достаточно иметь сигналы в виде соответствующих кодов, а в простейших случаях это могут быть сигналы типа «да-нет». Такую группу можно отнести к внешним цифровым устройствам. При вводе в микропроцессорную систему дискретной информации, как правило, достаточно преобразовать сигналы по форме представления данных и привести их к уровням, необходимым для нормальной работы микропроцессора. При выводе цифровой информации и управлении объектами различного назначения довольно часто приходится применять усилительные устройства разных типов, в простейшем случае — ключевые усилители.

Аналоговые внешние устройства принимают информацию от микропроцессора в цифровом виде и преобразуют ее в непрерывный выходной сигнал, необходимый для нормального ведения технологического процесса, и наоборот, непрерывные сигналы от датчиков представляют в форме, необходимой для работы микропроцессора. Основными блоками этих устройств являются цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи. Заметим, что при использовании специальных микропроцессоров появляется возможность такого преобразования программным путем. Этот вопрос мы рассмотрим подробнее в одной из следующих статей раздела.

Микропроцессорные системы, работающие с территориально разнесенными объектами, требуют использования специальных каналов связи. Для сопряжения с ними используют различные технические средства, типы и принципы действия которых определяют конкретными условиями.

Особо следует сказать о внешних устройствах для привязки микропроцессорных систем к действующим установкам железнодорожной автоматики и телемеханики. По виду преобразования их можно отнести к цифровым устройствам. Но в зависимости от места подключения в ряде случаев необходимо решать задачи исключения опасных отказов в самих внешних устройствах.

, В частности, в микропроцессорной электрической централизации, объектами управления которой являются стрелки и сигналы, а объектами контроля — стрелки и рельсовые цепи, этот вопрос является наиглавнейшим. Действительно, при любых сколь угодно широких функциональных возможностях микропроцессорной системы и при многократном резервировании процессоров использование внешних устройств, в которых может произойти опасный отказ, делает неприемлемой такую систему в целом. Поэтому разработчики занимаются решением задачи исключения опасных отказов в таких системах на любом уровне, и в настоящее время уже имеется ряд' способов перехода на объекты управления и контроля в комплексе устройств железнодорожной автоматики и телемеханики, исключающих опасные отказы.

При согласовании микропроцессоров с внешними устройствами важную роль играют вопросы организации обмена информацией, что будет рассмотрено в следующей статье раздела.