Теория автоматического управления. Часть 7. Дискретные системы

1. Теория Автоматического Управления Часть 7

1
Полулях Антон Иванович,
к.т.н., доцент кафедры АД,
зам. начальника отдела
проектирования систем
автоматического управления

2. 8. Дискретные системы

2
Обмен данными в микропроцессорной системе

3. 8. Дискретные системы

3
Существуют два основных способа передачи данных:
параллельный и последовательный.
При параллельном способе двоичное число передается
одновременно по нескольким параллельно идущим линиям связи
(проводникам). Количество линий связи равно количеству
разрядов в передаваемом двоичном числе.
При последовательном способе биты, составляющие двоичное
число, передаются последовательно, один за одним, по одной
линии связи (одному проводнику).
К достоинствам параллельного способа передачи данных следует
отнести высокую скорость (так как все биты передаются
одновременно).

4. 8. Дискретные системы

4
Однако в параллельно идущих проводниках возникают
перекрестные помехи, и при большой длине линии связи эти
помехи становятся весьма ощутимыми. То есть, при передаче
данных параллельным способом на большие расстояния высока
вероятность искажения передаваемых данных. Поэтому этот
способ применяется при передаче данных на небольшие
расстояния (до нескольких метров).
При последовательной передаче данных возможна передача на
большие расстояния, так как проводник один и взаимовлияние
отсутствует. Одну линию связи легче (и дешевле) продублировать
— это тоже достоинство последовательного способа. Недостаток
— меньшая, чем в параллельном способе, скорость передачи
данных и более сложная конструкция аппаратных средств.

5. 8. Дискретные системы

5
Управление обменом на примере параллельного способа
обмена
Управление обменом заключается в решении следующих задач:
-Определение устройства, управляющего обменом;
-Определение устройств, участвующих в обмене;
-Определение направления обмена;
-Определения момента начала и окончания обмена;
-Контроль правильности передачи данных.
В МПС обмен всегда происходит между двумя устройствами:
ведущим(активным) и ведомым (пассивным), рис. 1.

6. 8. Дискретные системы

6
Обменом всегда управляет ведущее устройство. Ведущим
устройством в микропроцессорной системе всегда является
микропроцессор (за исключением обмена по методу прямого
доступа в память).
Таким образом, одним из устройств, участвующих в обмене,
является МП. Другим устройством может быть ЗУ илиУВВ.
Запоминающее устройство может быть представлено в виде
набора регистров (ячеек), в которых хранится информация (рис. 2)

7. 8. Дискретные системы

7
Обменом всегда управляет ведущее устройство. Ведущим
устройством в микропроцессорной системе всегда является
микропроцессор (за исключением обмена по методу прямого
доступа в память).
Таким образом, одним из устройств, участвующих в обмене,
является МП. Другим устройством может быть ЗУ илиУВВ.
Запоминающее устройство может быть представлено в виде
набора регистров (ячеек), в которых хранится информация (рис. 2)

8. 8. Дискретные системы

8
Обмен происходит между МП и одной из ячеек ЗУ.
Следовательно, МП должен иметь возможность указания, с какой
именно ячейкой ЗУ он будет выполнять обмен. Для этого каждая
ячейка ЗУ имеет уникальный номер, который называется адресом.
Перед началом обмена МП указывает адрес ячейки ЗУ, с которой
он будет обмениваться, определяя таким образом второго
участника обмена
Устройство ввода-вывода также может быть представлено в виде
набора регистров, в которых может храниться информация.
Каждый такой регистр называется портом и может быть соединен
с каким-либо внешним устройством — таким образом
осуществляется передача данных между МПС и внешними по
отношению к ней устройствами (датчиками, исполнительными
элементами).

9. 8. Дискретные системы

9
Каждый порт ввода-вывода также имеет уникальный номер,
называемый адресом.
При обмене с устройством ввода-вывода МП указывает адрес
порта, с которым он будет производить обмен данными.

10. 8. Дискретные системы

10
Так как обмен информацией всегда осуществляется между двумя
устройствами — ведущим и ведомым, информация может
передаваться либо от ведомого к ведущему, либо наоборот.
Передача данных от ведущего устройства к ведомому называется
записью информации. Передача данных от ведомого к ведущему
— чтением (рис. 4, рис. 5).

11. 8. Дискретные системы

11
Для указания направления передачи данных (запись или чтение)
используются специальные управляющие сигналы (передаваемые
по специальным управляющим линиям связи): "разрешение
чтения" (RD)и "разрешение записи" (WR) (рис. 6).

12. 8. Дискретные системы

12
Горизонтальная черта над обозначением сигналов означает, что
активным уровнем для данного сигнала является логический "0".
То есть, если сигнал WR находится в состоянии логического нуля
выполняется запись данных (передача от ведущего к ведомому).
Если сигнал RD находится в состоянии логического нуля
выполняется чтение данных (передача от ведомого к ведущему).
Естественно, одновременно эти сигналы находится в состоянии
логического "0" не могут.
Таким образом, перед началом обмена, ведущее устройство,
которое управляет обменом, переводит соответствующий сигнал в
состояние логического "0", определяя таким образом направление
обмена.

13. 8. Дискретные системы

13
Иногда вместо двух сигналов используется один (RD/WR).
Значение логического "0", принимаемое этим сигналом,
соответствует записи информации, логической "1" — чтению
(рис. 7).
Начало и окончание обмена могут определяться двумя способами.

14. 8. Дискретные системы

14
Способ 1. Для определения момента начала и окончания обмена
используются сигналы, задающие направление обмена (RD и WR).
Передний фронт сигнала соответствует моменту начала обмена,
задний — моменту окончания обмена (рис. 8).
Способ 2. Использование специального управляющего сигнала
(рис. 9).

15. 8. Дискретные системы

15
Методы обмена
С точки зрения организации обмена между ведущим и ведомым
устройствами существуют несколько методов обмена.
Синхронный обмен. При синхронном обмене ведущее устройство
не анализирует готовность ведомого устройства, предполагая, что
ведомое устройство всегда готово к обмену. Такой метод обмена
применим в случае, если ведомое и ведущее устройства
обладают примерно одинаковым быстродействием.
Асинхронный обмен. Если ведомое устройство имеет меньшее
быстродействие, или оно бывает готово к обмену лишь в
определенные моменты времени, необходимо перед началом
обмена убедится в его готовности к обмену информацией с
ведущим устройством. Принцип асинхронного обмена
иллюстрируется рис. 1.

16. 8. Дискретные системы

16
Для проверки готовности используется специальная управляющая
линия READY. Сигнал логической "1" на ней свидетельствует о
готовности ведомого устройства. Ведущее устройство
анализирует состояние линии перед началом обмена.

17. 8. Дискретные системы

17
Обмен по прерываниям. Недостаток асинхронного метода
заключается в том, что если ведомое устройство в течение
длительного времени не готово, ведущее "простаивает", теряя
время в цикле проверки готовности.
От такого недостатка можно было бы избавиться, если бы
ведомое устройство имело возможность сообщать ведущему о
своей готовности в произвольный момент времени и тем самым
вынуждать его к началу обмена.
По такому принципу работает обмен по прерываниям (рис. 2).

18. 8. Дискретные системы

18

19. 8. Дискретные системы

19
В момент, когда ведомое устройство готово к обмену, оно
посылает ведущему специальный сигнал — "запрос на
прерывание".
Ведущее (микропроцессор) прерывает выполнение основной
программы и начинает выполнение специальной подпрограммы
обработки прерывания.
Подпрограмма обработки прерывания и выполняет собственно
обмен.
По окончании выполнения подпрограммы, ведущее устройство
возвращается к выполнению основной программы.
Использование обмена по прерываниям позволяет ведомому
устройству самому выступать инициатором обмена.

20. 8. Дискретные системы

20
При этом пока ведомое не готово, ведущее устройство может
заниматься своими делами, не тратя время на периодическую
проверку сигнала готовности.
Таким образом, применение обмена по прерываниям
целесообразно в тех случаях, когда быстродействие ведущего и
ведомого устройств сильно различаются или если обмен с
ведомым устройством может происходить в случайные моменты
времени.
Организация внутренних линий связи
Внутренняя магистраль микропроцессорной системы использует
параллельный способ обмена данными. Все линии связи,
входящие в нее, могут быть условно разделены на три группы.

21. 8. Дискретные системы

21
Шина данных несколько параллельно идущих линий
(проводников), по которым передаются собственно данные.
Количество линий в шине данных определяется разрядностью
передаваемых данных. Информацию на шину данных выдает
ведущее устройство — микропроцессор (если выполняется запись
данных) или ведомое устройство (если выполняется чтение
данных).
Шина адреса — несколько параллельно идущих линий
(проводников), по которым передается адрес (уникальный номер)
ведомого устройства (ячейки ЗУ или порта ввода-вывода).
Количество линий в шине адреса определяется разрядностью
адреса. Информацию (адрес) на шину адреса всегда выдает
ведущее устройство (микропроцессор).

22. 8. Дискретные системы

22
Шина управления содержит линии, по которым передаются
управляющие сигналы (RD, WR, DEN и т.п.). Количество и
перечень линий в шине управления определяется конструкцией
конкретной МПС и, прежде всего, микропроцессора.

23. 8. Дискретные системы

23
Часто для передачи адреса и данных используют одни и те же
линии связи, передавая по ним сначала адрес, потом данные с
разделением во времени. Такое конструктивное решение
получило название мультиплексированная шина адреса-данных
(рис. 2).

24. 8. Дискретные системы

24
Для определения момента времени, в который происходит
передача адреса, служит сигнал "строб адреса" — на время
передачи адреса по мультиплексированной шине он переводится
в состояние логической "1".
С учетом всего вышеизложенного, временная диаграмма
синхронного параллельного обмена (при использовании
мультиплексированной шины адреса-данных) будет выглядеть
следующим образом (рис. 3).

25. 8. Дискретные системы

25
Управление обменом в случае последовательного обмена
данными
При последовательной передаче данных данные передаются
последовательно по одной линии связи (рис. 1)

26. 8. Дискретные системы

26
Это означает, что на передачу одного бита информации
отводится интервал времени . Логическая "1" в простейшем
случае кодируется напряжением , логический "0" — отсутствием
напряжения. В процессе передачи одного бита линия на время
переводится в соответствующее состояние. По истечении периода
, линия переводится в состояние, соответствующее передаче
следующего бита и так далее.
В последовательном обмене всегда участвуют два устройства:
приемник и передатчик (рис. 2).

27. 8. Дискретные системы

27
Данные передаются от передатчика (он формирует на линии
напряжение) к приемнику (он анализирует напряжение на линии).
Таким образом, участники обмена всегда определены заранее
путем соответствующего подключения линии связи.
Различают три основных разновидности последовательного
обмена:
Симплексный обмен. Данные передаются только в одном
направлении.
Полудуплексный обмен. Данные могут передаваться в обоих
направлениях, но не одновременно (поочередно).
Дуплексный (полнодуплексный) обмен — данные могут
передаваться одновременно в обоих направлениях.

28. 8. Дискретные системы

28
Существуют два основных способа управления
последовательным обменом: синхронный и асинхронный.
При синхронном последовательном обмене, по линии связи
передаются только данные в формате, представленном на рис. 1.
Порция данных, передаваемая передатчиком за один прием,
называется символом. Как правило, символ содержит от 5 до 8 бит
информации.
При последовательном синхронном обмене информация о
моменте начала передачи поступает в передатчик и приемник
одновременно от некоего внешнего источника (рис. 3)

29. 8. Дискретные системы

29
Приемник и передатчик одновременно (синхронно) начинают
работать. После начала передачи данные передаются
непрерывно. Момент окончания передачи не оговаривается.

30. 8. Дискретные системы

30
Недостатком синхронного способа обмена является возможность
рассинхронизации приемника и передатчика.
Как следует из рис. 1, каждый бит передается в течение времени .
Период задается специальным тактовым генератором.
Естественно, приемник и передатчик имеют разные тактовые
генераторы. И их частоты могут незначительно отличаться
(вследствие неизбежных отклонений параметров электронных
элементов).
Следовательно, периоды в приемнике и передатчике с большой
степенью вероятности будут слегка отличаться. Через
определенное время после начала передачи это неизбежно
приведет к рассинхронизации работы приемника и передатчика и к
потере информации (приемник может пропустить один бит или
дважды принять один и тот же бит).

31. 8. Дискретные системы

31
Выходом из положения могла бы стать передача по второй линии
связи тактовых импульсов передатчика приемнику. Однако такой
способ не дает ощутимых результатов при передаче на
значительные расстояния, так как в линии передачи
синхроимпульсов возникают искажения, приводящие опять же к
рассинхронизации.
Таким образом, синхронная последовательная передача имеет
ряд недостатков:
Сложность синхронизации начала и окончания передачи.
Постепенная рассинхронизация приемника и передатчика.

32. 8. Дискретные системы

32
Асинхронный метод последовательного обмена был разработан
с целью устранения указанных недостатков. При асинхронном
обмене информация передается кадрами, каждый кадр состоит из
информационных бит, образующих символ, и служебных бит,
определяющих момент начала и окончания передачи символа
(рис. 4)

33. 8. Дискретные системы

33
При отсутствии передачи, на линии поддерживается состояние
логической "1". Стартовый бит всегда имеет значение логического
"0". Таким образом, переход линии из состояния "1" в состояние
"0" (передача стартового бита) является признаком начала
передачи данных.
По началу стартового бита производится синхронизация
приемника и передатчика, таким образом, при асинхронном
последовательном обмене синхронизация приемника и
передатчика происходит в начале передачи каждого кадра.

34. 8. Дискретные системы

34
Стоп-бит всегда имеет значения логической "1". Он как бы
возвращает линию в состояние отсутствия передачи.
Длительность передачи стопового бита может быть , или (часто
говорят "один", "полтора" или "два стоп-бита"). Несмотря на то, что
кадр состоит всего из 10 бит, в процессе его передачи может
возникнуть рассинхронизация (по причинам, описанным выше).
При очень большой разнице приемника и передатчика, потеря
бита может произойти даже на 10 битах. Во избежание этого,
длительность стопового бита увеличивают, так как он обязательно
должен быть обнаружен после последнего информационного
бита. Увеличение длительности стопового бита позволяет также
"защитить" стартовый бит следующего кадра от потери. Если
приемник не обнаруживает стоп-бит, фиксируется "ошибка кадра"
и весь кадр считается принятым с искажением.

35. 8. Дискретные системы

35
По сравнению с синхронным методом, асинхронный имеет
меньшую скорость передачи данных, так как кроме собственно
информационных приходится передавать еще и служебные биты.
Контроль правильности передачи данных
Проверка правильности передачи данных может выполняться с
использованием 3-х различных подходов:
Обнаружение ошибок.
Контроль ошибок (обнаружение + попытка исправления путем
запроса повторной передачи данных).
Исправление ошибок (восстановление искаженных данных без их
повторной передачи). Вместе с основной информацией по каналу
связи передаются дополнительные контрольные данные,
позволяющие приемнику самому восстановить информацию в
случае ее искажения при передаче.

36. 8. Дискретные системы

36
Простейшим способом обнаружения ошибок при асинхронной
последовательной передаче является контроль четности.
При этом в состав кадра вводится дополнительный служебный бит
— бит паритета (рис. 1).

37. 8. Дискретные системы

37
Собственно алгоритм обнаружения ошибок выглядит следующим
образом:
Действия передатчика
Бит паритета устанавливается в "0“ Подсчитывается количество
единиц во всех информационных битах
Значение бита паритета устанавливается таким, чтобы
полученная сумма плюс бит паритета была четной
Действия приемника
Подсчитывается количество единиц во всех принятых
информационных битах полюс бит паритета.
Если полученная сумма является четной, данные приняты без
искажений, в противном случае имела место ошибка.

38. 8. Дискретные системы

38
Достоинством данного метода является его простота.
Недостатком — то, что он может определить состояние ошибки,
только если искажению подверглось нечетное количество бит. При
искажении, например, двух бит в символе, данный метод не
выявит ошибки. Тем не менее, он получил очень широкое
распространение и реализован на аппаратном уровне в
большинстве современных асинхронных приемопередатчиков.
Метод контроля четности может быть использован также и при
параллельной передаче данных, если это необходимо. В этом
случае необходимо использовать дополнительную линию связи
для передачи бита паритета.

39. 8. Дискретные системы

39
Пакетный метод передачи данных по последовательному
каналу
При пакетном методе передачи информация передается
порциями, каждая порция называется пакетом (рис. 1).

40. 8. Дискретные системы

40
Пакет состоит из отдельных символов, а символ состоит из
определенного числа бит. В начале пакета находятся стартовые
символы, которые имеют фиксированное значение.
Они определяют момент начала передачи пакета и позволяют
выполнить синхронизацию приемника с передатчиком аналогично
варианту асинхронной передачи.
Далее идут информационные символы, в которых отсутствуют
служебные биты.
Далее — контрольные символы, содержащие информацию,
позволяющую проверить правильность передачи
информационных символов.
Стоп-символы имеют также фиксированное значение и прием
последнего стоп-символа определяет момент окончания передачи
пакета.

41. 8. Дискретные системы

41
При таком способе с одной стороны отсутствуют служебные биты
в каждом символе (т.е. сохраняется высокая скорость передачи
данных), с другой стороны существует возможность
синхронизации передатчика и приемника. Данный способ является
своеобразным "гибридом" синхронной и асинхронной передачи.
Управление последовательным каналом при полудуплексной
связи
При полудуплексном режиме последовательной передачи,
передача данных возможна в обоих направлениях, но не
одновременно. Это означает, что на обоих концах линии связи
установлены и приемник, и передатчик. Но так как линия связи
одна, она используется поочередно то одной парой "приемникпередатчик" (для передачи в одном направлении), то другой парой
(рис. 1).

42. 8. Дискретные системы

42

43. 8. Дискретные системы

43
Следовательно, необходима процедура согласования между
двумя парами "приемник-передатчик" для определения права на
занятие линии связи и недопущения одновременного занятия
линии двумя передатчиками.
Для решения этой задачи используются два дополнительных
управляющих сигнала: RTS (Request To Send — запрос на
передачу данных) и CTS (Clear To Send — разрешение передачи
данных).
Устройство, желающее начать передачу данных, устанавливает
активным сигнал RTS. Второе устройство, если оно освободило
линию и готово к приему, устанавливает в ответ сигнал CTS.
Таким образом, в полудуплексном обмене передача может
начаться только при получении активного сигнала CTS от
устройства, находящегося на другом конце линии.

44. 8. Дискретные системы

44
Управление потоком данных
При передаче данных по последовательному каналу возможна
ситуация, когда быстродействие приемника меньше, чем
быстродействие передатчика.
При этом возможна ситуация, когда передаваемые по каналу
связи данные не могут быть своевременно приняты приемником,
что грозит потерей данных.
В таком случае возникает необходимость приостановки передачи
данных передатчиком по сигналу от приемника. Решение данной
задачи получило название управление потоком данных.
Управление потоком предполагает посылку приемником
уведомления о невозможности приема данных. Существуют два
варианта управления потоком -- аппаратное и программное.

45. 8. Дискретные системы

45
Аппаратное управление потоком (RTS/CTS, Hardware Flow
Control) использует два дополнительных управляющих сигнала:
RTS и CTS.
Сигнал CTS (от приемника к передатчику) позволяет
приостановить передачу данных, если приемник не готов к их
приему.
Передатчик "выпускает" очередной байт только при наличии
активного сигнала на линии CTS.
Байт, который уже начал передаваться, задержат сигналом CTS
невозможно.
Аппаратный протокол обеспечивает самую быструю реакцию
передатчика на состояние приемника (рис. 1).

46. 8. Дискретные системы

46
Если аппаратный протокол не используется, на стороне
передатчика необходимо обеспечить постоянную подачу на вход
CTS активного сигнала, в противном случае передатчик будет
"молчать".
Программное управление потоком (XON/XOFF, Software Flow
Control) предполагает наличие двунаправленного канала передачи
данных.

47. 8. Дискретные системы

47
Работает протокол следующим образом: если устройство,
принимающее данные, обнаруживает причины, по которым оно не
может их дальше принимать, оно по обратному
последовательному каналу посылает байт-символ XOFF (13h).
Противоположное устройство (передатчик), приняв этот символ,
приостанавливает передачу.
Когда принимающее устройство снова становится готово к приему
данных, оно посылает символ XON (11h), приняв который
передатчик возобновляет передачу.
Время реакции передатчика на изменение состояния приемника,
по сравнению с аппаратным протоколом, увеличивается, по
крайней мере, на время передачи символа (XON или XOFF).

48. 8. Дискретные системы

48
Следовательно, данные без потерь могут приниматься только
приемником, имеющим дополнительный буфер принимаемых
данных и сигнализирующим о неготовности заблаговременно.
Преимущество программного протокола заключается в отсутствии
необходимости передачи управляющих сигналов (уменьшение
количества проводов в кабеле). Недостатком, кроме требования
наличия буфера и большого времени реакции, является
сложность реализации полудуплексного режима обмена.

49. 8. Дискретные системы

49
Способы кодирования бит при последовательной передаче
данных
Способ 1. Простой однополярный код (рис. 1).
Недостаток такого способа заключается в том, что если
передается длинная последовательность нулей, сложно
детектировать обрыв линии, так как картина в обоих случаях будет
одинаковой — отсутствие напряжения на линии.

50. 8. Дискретные системы

Способ 2. Код NRZ (Not Return no Zero, однополярный код)
(рис. 2).
Недостаток такого способа — при большой длине линии за счет ее
активного сопротивления, и
уменьшаются, приближаясь друг
к другу. В результате могут возникать ошибки при детектировании "0"
и "1" приемником.
50

51. 8. Дискретные системы

51
Способ 3. Двуполярный код (рис. 3).
Двуполярный код лишен вышеупомянутого недостатка, присущего
однополярному коду, но более сложен в технической реализации.

52. 8. Дискретные системы

52
Способ 4. Код "Манчестер II"
В коде "Манчестер II" синхросигнал передается вместе с данными
(рис. 4).

53. 8. Дискретные системы

53
Способ 4. Код "Манчестер II"
В коде "Манчестер II" синхросигнал передается вместе с данными
(рис. 4).
Код "Манчестер II" формируется на основе сихросигнала,
задающего период и информационного сигнала в коде NRZ.
Передача "0" или "1" кодируется направлением изменения
напряжения. Таким образом, сигнал в коде "Манчестер II" всегда
содержит информацию о периоде следования синхроимпульсов.
Принцип технической реализация передачи с использованием
кода "Манчестер II" иллюстрируется рис. 5

54. 8. Дискретные системы

54
На стороне передатчика синхросигнал выделяется и используется
для получения данных из сигнала в коде NRZ. При этом
устраняется возможность рассинхронизации приемника и
передатчика за счет того, что приемник использует
синхроимпульсы, формируемые тактовым генератором
передатчика. Недостатком данного способа является сложность
его технической реализации. Способ используется в тех случаях,
когда необходимо обеспечить высокую надежность передачи
информации. Часто применяется при передаче данных с датчиков.

55. 8. Дискретные системы

55
Определение аппаратных и программных средств
Общая структура микропроцессорной системы представлена на
рис. 1