Предисловие

Отличительным этапом развития современного общества является проникновение средств обработки информации (вычислительной техники) практически во все сферы деятельности. Сказанное, прежде всего, относится к персональным компьютерам, которые с успехом применяются в науке, промышленности, на транспорте, медицине, образовании, в индустрии развлечений и т.д., перечислять можно весьма долго.

Такому интенсивному продвижению СВТ человечество обязано успехам в развитии технологии производства полупроводниковых микросхем и изобретению микропроцессора, являющегося .мозгом. любой современной вычислительной системы. Создание первого микропроцессора в 1971 году положило начало эпохе компьютеризации. "Благодаря микропроцессорам компьютеры стали массовым, общедоступным продуктом", - заявил Тед Хофф, один из изобретателей первого микропроцессора.

Менее чем за тридцатилетнюю историю микропроцессоры прошли поистине гигантский путь. Первый чип Intel 4004 работал на частоте 750 КГц, содержал 2300 транзисторов и стоил около 200$. Производительность его оценивалась в 60 тыс. операций в секунду. Для сравнения, один из наиболее мощных современных микропроцессоров Alpha 21264 фирмы DEC имеет следующие характеристики: тактовая частота составляет 600 МГц; на кристалле размещено 15,2 млн. транзисторов; производительность - 2 млрд. операций в секунду, при этом стоимость микропроцессора составляет около 250$.

Сравнение приведенных значений подтверждает оценку успехов микропроцессорной индустрии, данную основателем и председателем совета директоров фирмы Intel Гордоном Муром: "Если бы автомобилестроение эволюционировало со скоростью полупроводниковой промышленности, то сегодня "Роллс-Ройс" стоил бы 3 доллара, мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина и было бы дешевле его выбросить, чем платить за парковку".

Такое интенсивное развитие технологий в обществе, где основным предметом труда становится информация, является следствием растущего спроса на новые орудия труда - компьютеры. На сегодняшний день компьютеризация является одним из главных направлений научно-технического прогресса и концентрированным его выражением. Количество и качество производимых в стране компьютеров, степень насыщенности вычислительной техникой самых разных отраслей становится одним из основных критериев ее экономического и военного потенциала.

Однако вычислительная техника, это не только персональные компьютеры. Это еще и всевозможные контрольно-измерительные, регистрирующие и управляющие системы. Автоматизация производства, позволившая существенно повысить качество выпускаемой продукции, снизить ее стоимость была бы также не возможна без цифровых систем управления, широко используемых на самых различных уровнях: обрабатывающие станки с ЧПУ, автоматизированные участки, робототехнические комплексы, цеха и т.д.

Весьма широко СВТ используются и в комплексах военного назначения. Это и радиолокационные системы, и системы управления огнем, и приводы систем наведения и стабилизации вооружения и т.д. Чем же так хороши цифровые системы управления? Основными достоинствами цифровых систем управления являются: высокая стабильность характеристик; возможность добиваться оптимальных режимов работы управляемых процессов, за счет реализации сложных нелинейных алгоритмов управления; гибкость к изменению параметров управляющих алгоритмов, да и самих алгоритмов; высокая надежность; низкая стоимость.

Анализируя различные сферы применения средств вычислительной техники можно выделить два основных направления их использования:

- на рабочих местах для рационализации проектно-конструкторских, канцелярских и редакторских работ, административного управления (обработка текстов, банковские системы и т.д.), в быту и т.д.;

- как элемент технической системы для управления различными технологическими процессами, промышленными и бытовыми машинами.

В первом случае пользователю нет необходимости вникать в особенности обработки информации на ЭВМ, знать ее устройство, архитектуру. При этом его требования к СВТ сводятся к тому, чтобы на используемой вычислительной системе можно было установить необходимую операционную систему и проблемно-ориентированные пакеты прикладных программ, а также требуемый набор языков программирования высокого уровня (Паскаль, Си и т.д.).

Особенностями второго направления использования СВТ (когда они входят в состав системы управления, автоматизированной измерительной системы и используются для управления различными процессами) являются большое количество операций обмена данными с внешними устройствами, в том числе и нестандартными, операций предварительной обработки, сортировки данных и т.п., а также работа в режиме реального времени.

Работа в режиме реального времени означает, что информация, полученная от внешних устройств, должна быть не только правильно обработана, но и своевременно выдана на выходные устройства для воздействия на управляемый процесс. Интервал времени между моментами ввода информации называется тактом квантования. Величина его зависит от инерционности управляемого процесса и может составлять от нескольких десятков микросекунд до сотен миллисекунд.

Перечисленные выше особенности применения СВТ для управления процессами определяют необходимость составления компактных управляющих программ с минимальным количеством операций, позволяющих работать с нестандартным периферийным оборудованием. Программирование таких задач на языках высокого уровня, как правило, не только мало эффективно, а зачастую и невозможно. В данном случае наиболее рациональным является программирование в машинных кодах или на языке Ассемблера.

Машинно-ориентированный язык Ассемблера является специфичным для каждой ЭВМ и, вследствие этого, наиболее соответствующим ее архитектуре. Языки Ассемблера, хотя и уступают языкам программирования высокого уровня в наглядности и "прозрачности" описания алгоритмов, однако программы, полученные после трансляции с языков программирования высокого уровня на машинный язык, уступают по эффективности (время выполнения, требуемый объем памяти) аналогичным программам, полученным после трансляции с языка Ассемблера. Кроме того, ни один язык программирования высокого уровня не дает возможности управлять всеми аппаратными ресурсами вычислительной системы, что особенно необходимо при разработке управляющих программ, работающих в реальном времени.

Т.о. для решения задач проектирования систем управления с ЭВМ в контуре управления (мехатронных систем), пользователю (разработчику САУ с ЭВМ в контуре управления) необходимы знания о структурах вычислительных систем, функциональных узлах и элементах ЭВМ, принципах их работы, взаимодействия между системными и аппаратными средствами, системным программным обеспечением и прикладными программами.

Формированию у студентов основ знаний в перечисленных областях и практических навыков работы с элементами СВТ, работающих в режиме реального времени, знакомству с основными узлами персонального компьютера и их архитектурой, различными устройствами ввода-вывода (стандартными и нестандартными), знакомству с машинно-ориентированным языком программирования Ассемблером и посвящен курс «ЭВМ и вычислительные системы».

Курс состоит из двух взаимосвязанных частей. В первой части рассматриваются общие вопросы построения современных вычислительных систем, архитектура типовой микропроцессорной системы (МПС), организация памяти МПС, способы адресации, программируемые периферийные БИС (параллельный и последовательный порты, таймер, контроллер клавиатуры), микроконтроллеры и построение на их основе микроЭВМ, основы программирования на языке Ассемблер для микропроцессора (МП) фирмы INTEL - i8086. Вторая часть посвящена изучению персональных компьютеров.