МИКРОКОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Книга призвана дать общее представление об областях применения и возможностях микрокомпьютеров, используемых в качестве управляющих устройств различными процессами и системами. В популярной форме излагаются основные понятия из области микропроцессорной техники, программирования, цифровой электроники, методы обработки данных, возможности и конфигурация микрокомпьютеров. На примере конкретных задач управления подробно рассмотрены принципы составления программ для микроЭВМ, системы команд, взаимодействие с периферийными устройствами.

Предназначена для начинающих радиолюбителей, студентов и школьников, осваивающих основы проектирования и программирования микропроцессорных контроллеров.

УДК 004.382.7 ББК 32.973.26

Original Japanese edition published as Illustrated Introduction to Mechatronics. Introduction to Personal Computers Based Controllers (Revised 2nd Edition) by Yoshikazu Suematsu.

Published by Ohmsha, Ltd., 3-1 Kanda Nishikicho, Chiyodaku, Tokyo, Japan. Translation rights arranged with Ohmsha, Ltd.

ISBN 4-274-08675-5 (яп.)© Yoshikazu Suematsu, 1999

ISBN 5-94120-048-Х (рус.)© Издательский дом «Додэка-ХХЬ, 2002

Серия «Механотроника. Первое знакомство (с иллюстрациями)» издается с 1983 года. Как раз в это время общественный интерес к новому направлению, получившему название «механотроника»1, начал набирать силу. Именно тогда представители самых разных профессий, так или иначе связанных с техникой и естественными науками, боясь отстать от времени, ощутили потребность заполнить «пустоты» в своей эрудиции, образовавшиеся в результате стремительного развития электроники, вычислительной и микропроцессорной техники. Аудитории, где проводились семинары и лекции, посвященные этим дисциплинам, были переполнены слушателями.

Приступая к работе над этой серией, авторы постарались таким образом подобрать, скомпоновать и изложить материал, чтобы рассматриваемые (в общем, достаточно сложные) вопросы и проблемы пробуждали у читателей, особенно у тех, кто впервые столкнулся с понятием «механотроника», интерес и стремление к более глубокому их изучению и пониманию (а не наоборот!). Теперь, без ложной скромности, можно утверждать, что мы с этой задачей справились. Объективным свидетельством этого служит тот факт, что и сейчас, по прошествии двух десятилетий, книги данной серии не залеживаются на прилавках. За это время было продано более 100000 экземпляров.

Учитывая столь очевидный интерес читателей, было принято решение о выпуске второго - исправленного и дополненного - издания книги. Теперь в конце каждой главы вы найдете разделы «Обобщение главы» и «Практические задания», в которых, для закрепления материала, в очень сжатой форме изложено основное содержа-

1 Механотроника (от англ. mechatronics) - соединение оборудования с микрокомпьютерами (прим. переводника).

ние, даны вопросы для повторения и небольшие практические задачи, ответы к которым приведены в конце книги.

Авторы постарались не слишком перегружать книгу теоретическими основами такой фундаментальной науки, как механотроника, сохранив ее главное достоинство - понятность и доступность широкому кругу читателей, прежде всего новичкам. Было решено вернуться к более подробному и строгому изложению этих вопросов в другом более объемном издании под названием «Практическое руководство по

.технике обработки сигналов»1.

Дополненное издание серии «Механотроника. Первое знакомство» включает в серию еще 7 книг, которые, возможно, тоже заинтересуют читателя:

•Датчики.

•Микрокомпьютерные системы управления.

•Электромеханические приводные устройства.

•Системы управления роботами.

•Цифровые системы управления.

•Обработка сигналов.

•САПР.

•Электронные интерфейсы.

Январь 1999 г. Ёсифуми Амэмия

В оригинале - «Advice course* (прим. переводчика).

ПРЕДИСЛОВИЕ

С тех пор как в 1973 году американская фирма «Intel» впервые опубликовала материалы о 4-разрядных микрокомпьютерах1, произошел весьма ощутимый прогресс как в области расширения их функциональных возможностей, так и в сфере коммерческого применения в самых различных областях. Сегодня трудно найти бытовой прибор без управляющего микропроцессора. Представьте только, одно устройство может содержать около 20 микропроцессоров! Причем в распоряжении каждой японской семьи может находиться более сотни таких устройств.

Одним из основных показателей совершенства микрокомпьютера является число разрядов данных, которые он обрабатывает. Так, на смену 4-разрядным процессорам пришли 8-разрядные, что мгновенно привело к расширению области практического применения микрокомпьютеров. Увеличение разрядности до 16, а затем до 32 воспринималось специалистами как события исключительного значения. В настоящее время существуют даже 64-разрядные микропроцессорные системы.

Появление микрокомпьютеров произвело революционный переворот не только в промышленности, но и в повседневной жизни. Современный человек уже не может представить себя без бытовых удобств, пришедших в его дом вместе с приборами, начиненными хитроумной электроникой. В то же время произошло своего рода «интеллектуальное отчуждение» большинства людей от окружающей их бытовой техники. Устройство приборов существенно услож-

1 В отечественной литературе вместо слова «микрокомпьютер» часто используется термин «микропроцессор», имея в виду БИС, в которой помимо процессора есть также запоминающее устройство и устройства ввода-вывода {прим. редактора перевода).

12

нилось, и «обыкновенный человек» зачастую не представляет себе принцип их работы. Кроме того, ввиду исключительно интенсивного развития компьютерной техники промышленные изделия, управляемые с помощью микрокомпьютеров, морально устаревают, прежде чем рядовой пользователь успеет привыкнуть к ним и основательно разобраться в их устройстве. В эпоху расцвета микрокомпьютерной техники очень важно, чтобы как можно больше людей научились находить общий язык с микропроцессорными системами.

Эта книга ориентирована на читателей, которые либо совсем не знакомы с вычислительной техникой и цифровыми электронными схемами, либо имеют некоторый опыт работы с микрокомпьютерами и языками программирования типа Фортран или Бейсик. Цель написания книги состояла в том, чтобы вооружить читателя базовыми знаниями, необходимыми для понимания основных функций микрокомпьютерных управляющих систем.

Книга состоит из восьми глав. В первой главе сравниваются принципы построения и области применения микрокомпьютеров и универсальных компьютеров «большого формата». На конкретных примерах рассматриваются функции управляющего микрокомпьютера в окружающих нас технических устройствах. Во второй главе читатель познакомится с внутренней «архитектурой» микрокомпьютера, узнает, какие существуют типы микрокомпьютеров, из каких основных блоков они состоят и какие функции способны выполнять.

Третья и четвертая главы содержат основные сведения из области техники цифровых схем, а также азы двоичной системы счисления. Изучив пятую главу, мы узнаем, каким образом происходит загрузка программы, и как она выполняется микрокомпьютером. В шестой главе мы познакомимся с принципами машинного программирования и основными командами, применяемыми для управления микрокомпьютером, рассмотрим назначение наиболее часто используемых команд языка ассемблера для 8-разрядного микрокомпьютера.

В седьмой главе приведены 5 несложных задач, на примере которых мы научимся составлять программы для микрокомпьютера. Восьмая глава посвящена описанию принципа работы и функций больших интегральных схем (БИС), реализующих так называемый

"---13

.Шутники утверждают, будто бы

ГДЕ ПРИМЕНЯЮТСЯдвигателем технического прогресса

МИКРОКОМПЬЮТЕРЫ была и остается человеческая лень.

Какие только приспособления и устройства не изобрели люди, стремясь максимально облегчить себе повседневную жизнь! Самые удачные изобретения составляли «интеллектуальную собственность» отдельных племен, обеспечивая им существенные преимущества перед соперниками в борьбе за выживание. Секреты изготовления орудий труда и правила пользования ими (выражаясь современным языком, инструкции по эксплуатации) тщательно оберегались и передавались из поколения в поколение. В ходе эволюции человечество накопило огромный технический потенциал, благодаря которому его физические возможности возросли тысячекратно.

Компьютер - это тоже рабочий инструмент, однако совершенно уникальный. Изобретенный во второй половине 20 века, он, в отличие от всех прежних изобретений, увеличил производительность в сфере умственного труда. За считанные секунды он способен производить вычисления, с которыми человеку не справиться и за всю Жизнь, причем достоинства компьютера не ограничиваются только этим. Можно не соглашаться с прогнозами фантастов, предсказывающих появление электронных роботов, наделенных всеми функциями человеческого мозга, а значит, способных заменить самого

параллельный интерфейс - устройство, обеспечивающее обмен данными и взаимодействие компонентов микрокомпьютера. Значительная часть главы посвящена цифро-аналоговым и аналого-цифровым преобразователям, осуществляющим взаимодействие микрокомпьютера с внешними устройствами.

При подготовке первого издания книги, увидевшей свет в 1983 году, авторы постарались поставить себя в положение человека, впервые узнавшего о микрокомпьютерных управляющих устройствах. Учитывая интерес, проявленный читателями к этой книге, было предпринято ее второе издание, исправленное с учетом последних достижений в рассматриваемой области, и дополненное разделами «Обобщение главы» и «Практические задания» по каждой главе. Авторы книги будут считать, что их труд не пропал даром, если число ее читателей, разбирающихся в устройстве микрокомпьютера, станет хотя бы на одного больше.

В заключение хотелось бы выразить благодарность заслуженному профессору университета г. Нагоя Ёсифуми Амэмия, под руководством которого создавалась книга, художнице Такеути Томоко, с иллюстраций которой начинаются все главы, а также сотрудникам издательства «Омша» - непосредственным исполнителям технической части проекта.

Автор