УЧПУ на основе микро ЭВМ

Основные понятия микропроцессорной техники. Микропроцессором называют функционально законченное устройство (БИС), выполняющее операции с исходными данными в соответствии с программой, поступающей на его вход. Микропроцессорный набор представляет собой совокупность совместимых БИС, специально разработанных для построения различных микропроцессорных систем.

Микро ЭВМ – это конструктивно завершенное вычислительное устройство, реализованное на базе микропроцессорного набора БИС и оформленного в виде автономного прибора со своим источником питания, блоком связи и периферийным устройством (интерфейсом) ввода-вывода и комплексом программного обеспечения. Микроконтроллером называют устройство логического управления, выполненное на базе микропроцессора.

Микропроцессорная система – это любая вычислительная, контрольно-измерительная или управляющая система (в том числе система ЧПУ), построенная на основе микропроцессора. Мультимикропроцессорная система – это система, в которой используется более одного микропроцессора, обеспечены параллельная обработка информации и распределенное управление.

В последнее время появилось понятие «однокристальная микроЭВМ». В такой ЭВМ в одном кристалле размещены процессор, память и устройство ввода-вывода (порты).

Новые системы ЧПУ выполняются на основе микропроцессоров (микроЭВМ). Основная идея работы всех микроЭВМ описывается общей структурой, называемой машиной Неймана (по фамилии математика, впервые предложившего этот принцип).

19.1 Обобщенная структура ЭВМ

Модель такой машины включает четыре главных блока, которые присутствуют в любой ЭВМ (рис.19.1): запоминающее устройство (ЗУ), устройство ввода-вывода (ВВ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). Последние два устройства совместно образуют центральный процессор (ЦП). Связь с периферийным оборудованием осуществляется через устройство ВВ. Перечисленные устройства соединены между собой рядом проводников электричества, называемых шинами.

Периферийное оборудование включает различные устройства в зависимости от назначения микроЭВМ. В периферийное оборудование, которое может подключаться к УЧПУ на стадии отладки или при эксплуатации, обязательно входит устройство считывания с перфоленты и перфоратор для вывода информации на перфоленту. Даже если эти устройства не поставляются с системой, они необходимы для записи и отладки программно-математического обеспечения.

АЛУ выполняет арифметико-логические операции, а в ЗУ хранятся команды и данные. Информация в ЗУ организованна в виде слов. Каждое слово в памяти определяется своим адресом. В зависимости от разрядности АЛУ длина слова составляет 1; 2 или 4 байт.

Значение слова, представленное в двоичном коде, называется его содержимым.

ЦП является основным блоком ЭВМ. Построение ЦП обеспечивает возможность выбора из памяти команд (данных) и их пересылку в другой блок или возврат в память. Эта операция выполняется заданием определенных адресов памяти и выдачей управляющего импульса «чтение/запись». Затем при чтении ЦП производит дешифрацию выбранной из памяти команды и проведение вычислений или дальнейшей пересылки данных, определяемой этой командой. При записи ЦП выполняет обратную задачу шифрации команд для записи в память. Таким образом, ЦП обрабатывает и пересылает данные или изменяет последовательность операции. Это реализуется генерацией серии электрических импульсов, которые определяют направление передачи данных и в случае необходимости инициируют работу АЛУ. Данные и результаты вычислений АЛУ пересылаются в ЗУ, либо в определенное периферийное устройство (терминал) посредством устройства ввода-вывода.

Развитие микроэлектроники привело к созданию больших интегральных схем (БИС), в которых УУ и АЛУ выполнено на одном кристалле, называемом микропроцессором. В зависимости от состава микроЭВМ и объема ее памяти число входящих в нее кристаллов БИС может быть различным.

Принцип построения реальной микропроцессорной системы ЧПУ можно рассмотреть на примере утилитарной схемы микроЭВМ.

Рис. 19.2 Утилитарная схема CNC.

В отличие от классической выше рассмотренной схемы в системах ЧПУ имеется два вида памяти ПЗУ и ОЗУ.

ПЗУ постоянно-запоминающее устройство предназначено для хранения пакета программ ориентирующих микропроцессорную систему как систему ЧПУ.

В настоящее время для обрабатывающих центров чаще всего применяют ППЗУ – перепрограммируемое постоянно-запоминающее устройство. Такая память предназначена только для чтения информации. Иногда в зоне ППЗУ оставляют зоны памяти со свободным доступом для обслуживающего персонала. Их можно использовать, например, для хранения программ обработки типовых поверхностей группы деталей или для других целей упрощающих подготовку обработки деталей.

ОЗУ предназначено для хранении информации, необходимой для обработки конкретной детали. Здесь также хранится управляющая программа. ОЗУ может быть энергозащищенным и энергонезащищенным. Энергозащищенная память сохраняет информацию при отключении питания. Энергонезащищенная память теряет информацию. В этих системах для сохранения управляющей программы при отключении питания ОЗУ запитывают, как правило, от аккумуляторной батареи.

Построение блоков микропроцессорной системы ЧПУ с обменом информации через общие шины позволяет наращивать-добавлять необходимые блоки памяти, таймеры, контролеры, интерфейсные устройства и т.п. для увеличения возможностей системы ЧПУ, т.е. на базе одной и той же микропроцессорной ЭВМ можно строить системы ЧПУ для управления различными станками. Это резко сокращает сроки внедрения новых ЧПУ.

Таймер – электронные часы, используемые для учета времени работы, например инструмента, периодичность включения смазки и т.д.

Контролер – здесь уместнее оперировать с понятием микроконтроллер – устройство, реализованное на базе микропроцессорной техники для выполнения логических операций, например реализации цикла смены инструментов.

Для управления станками, выполняющие простые операции, могут применяться однопроцессорные системы ЧПУ. Для управления станками типа обрабатывающий центр используют многопроцессорные системы ЧПУ или еще их называют мультипроцессорные. Имеется главный процессор и сопроцессоры. Их работа построена на строгой иерархической системе. Каждый процессор выполняет свою роль, например, обеспечивает обработку детали, управляет сменой инструментов и т.п. Главный процессор управляет, потоками информации определяет их приоритетность, принимая те или другие решения.

На рис.19.3 приведена структура микроЭВМ с большей степенью детализации блоков для пояснения операций, выполняемых ЦП, в том числе элементарной операции считывания информации из ЗУ. Линии передачи данных и управляющих сигналов разделены (последние показаны пунктиром).

19.3 Структура микроЭВМ: шины: 1-адресная, 2-информационная, 3-управления, 4-внутренняя

В состав ЦП входит не менее четырех регистров, выполняющих различные функции: счетчик команд (СК), накапливающий сумматор (НС), регистр команд (РК) и буферный регистр (БР). В большинстве микропроцессоров число регистров не менее шести и они выполняют ряд дополнительных функций.

Устройство управления представляет собой определенную логическую схему, работа которой синхронизируется тактовым генератором (ТК). В функции ТК входит генерация управляющих импульсов, необходимых для работы всех блоков микроЭВМ.

УУ, называемое также контролером, в нужной последовательности открывает каналы передачи данных. Элементарная операция ЦП заключается в считывании с помощью УУ информации из ЗУ, передачи ее в РК, дешифрации и выработке управляющих сигналов. Дешифрация (интерпретация) информации, находящейся в РК, а также выработка импульсов для передачи данных одного блока в другой выполняется УУ.

Информация, хранящаяся в ЗУ, называется программой. Последовательность операции может быть изменена путем запоминания информации по разным адресам без изменения электрической схемы устройства. Это свойство микроЭВМ увеличивает гибкость устройств ЧПУ, выполненных на их основе. Вводя в память соответствующую последовательность команд, можно реализовать различные функции управления. Программа функционирования создается разработчиком УЧПУ и потребитель ее видоизменять не может. Используя эти возможности, потребитель создает управляющие программы применительно к конкретному оборудованию и обрабатываемым деталям.

Знание устройства микроЭВМ и программирования необходимо при разработке УЧПУ и выполнения профилактических ремонтных работ.

Все микроЭВМ обладают определенной системой команд, которой соответствует, с одной стороны, набор двоично-кодированных символов, а с другой стороны – символический язык, состоящий из сокращенных названий машинных команд для облегчения работы пользователя. Эти сокращения называются мнемокодами.

Программа, записанная в мнемокодах, называется также программой на языке ассемблера. Затем перед перенесением информации в память машины программа переводится в двоичные коды и называется программой в машинном или в объектном коде. Перевод в двоичный код выполняется автоматически программой-ассемблером.

Рассмотренная структура возможности использования одинаковых аппаратных реализаций УЧПУ для решения различных задач с помощью программного обеспечения микроЭВМ.

Создание программного обеспечения является трудоемким и требует специальных знаний в области программирования. Программирование, в свою очередь, в значительной степени зависит от аппаратной реализации и, в частности, от вида машинных команд и способов адресации.

Для общего представления машинные команды можно разбить на пять основных классов в соответствии с выполняемыми ими функциями:

1. Команды пересылки содержимого регистров. По этим командам УУ вырабатывает управляющие импульсы, обусловливающие пересылку информации из регистра в регистр или в ячейку памяти. Как правило, в таких командах указываются адреса регистра-отправителя и регистра-получателя. Одним из регистров может быть ячейка памяти или регистр интерфейса ввода-вывода.

2. Арифметические и логические команды. По этим командам машина выполняет такие операции, как сложение, вычитание, логическое сложение или вычитание, образование дополнительного кода, сравнение и т.д. Действия выполняются над операндами, находящимися в НС и в некотором указанном регистре или же в ячейке памяти. Команды этого типа либо выполняют действия над операндами, либо изменяют их.

3. Команды пропуска, условного и безусловного перехода. По этим командам изменяется или прекращается процесс последовательного увеличения содержимого СК путем пропуска следующей команды или выборки некоторой другой команды, расположенной по указанному адресу. Переход может быть условным или безусловным.

4. Команды, изменяющие режим работы машины. По этим командам машина переходит в режим останова, ожидания или совсем прекращает работу.

Как правило, такие команды не требуют операнда, другими словами, такая операция не нуждается в указании регистра, адреса и т.п.

5. Команды проверки состояния. Для оценки информации, содержащейся в НС, можно произвести операцию вывода, однако зачастую необходимо знать только лишь состояние НС (а именно, равно ли нулю, положительно, отрицательно ли содержимое НС и т.д.). Такие признаки необходимы для работы команд условного перехода и пропуска.

При вводе оператором задания в ЭВМ на выполнение определенной задачи существует определенная сложность. ЭВМ оперирует битами и данными регистров, а люди изъясняются на естественных языках или пользуются условными математическими обозначениями. Это противоречие преодолевается с помощью искусственного языка, позволяющее употреблять некоторое определенное количество сокращенных слов, предложений или формул, которые закодированы в ЭВМ, и она их может понять

В руководстве оператора приводятся значения принятых в данной ЭВМ языковых обозначений и построений (конструкций). При этом для ЭВМ создается программное обеспечение, позволяющее воспринимать последовательность битов, представляющих определенные команды или программы, написанные на искусственном языке. Затем они переводятся во внутренние битовые структуры, необходимые для выполнения операций, предусмотренной введенной программой.

Разработанные языки для ЭВМ имеют различные возможности с точки зрения потребителя и различную сложность построения. Наиболее простым является машинный язык, образуемый набором команд конкретной ЭВМ. Этот язык реализуется схемотехнически (на аппаратном уровне) или с помощью микропрограмм самой ЭВМ.

Язык ассемблера – это язык низкого уровня, отражающий набор команд конкретной машины.

В универсальных ЭВМ для связи с операционной системой используются промежуточные директивные языки. Универсальные языки высокого уровня типа ФОРТРАН, АЛГОЛ, ПЛ, ЛИСП имеют сложную структуру и не зависят ни от набора команд, ни от операционной системы конкретной машины. Для реализации этих языков требуется достаточно большой объем памяти ЭВМ. Существенно проще специализированные технологические языки высокого уровня, рассчитанные на программирование функций устройств ЧПУ потребителем. К ним относятся языки программирования электроавтоматики (например, язык ЯРУС, поставленный на УЧПУ «Электроника МС2101» и др.).

Программу для ЭВМ, позволяющую понимать информацию выходного языка, называют интерпретатором. Интерпретатор производит операции, предписываемые программой, записанной на исходном языке.

Вторым типом программы для обработки языковой информации является транслятор. Транслятор преобразует входную программу на исходном языке в другую версию этой программы, записанную в память на объектном языке. Последний обычно является машинным языком, т.е. языком ассемблера.

Вид транслятора, преобразующего программу на исходном языке в эквивалентную программу в кодах машины, называется компилятором, а процесс преобразования компилированием. При этом преобразовании компилятор выясняет, принадлежит ли входная программа к исходному языку, для которого написан данный компилятор, и если нет, то выдает соответствующее сообщение программисту, т.е. выявляет ошибки. Интерпретатор и транслятор в отличие компилятора преобразуют программу на промежуточный язык, обычно более компактный, чем машинный код, выдаваемый компилятором.

По мере усложнения архитектуры микроЭВМ, являющейся основной частью современных УЧПУ, усложняется и система внутренней адресации, которую необходимо знать при работе с ПМО УЧПУ.

В УЧПУ применяются в основном три вида адресации: прямые, косвенные и с использованием счетчика команд. Эти виды, в свою очередь, подразделяются на ряд методов.

Например, в УЧПУ «Электроника НЦ80-31» и в УЧПУ, выполненных на основе ЭВМ «Электроника 60», приняты следующие методы адресации.

Прямые методы адресации: регистровый (операнд находится в выбранном регистре); автоинкрементный (содержимое выбранного регистра автоматически наращивается); автодекрементный (содержимое выбранного регистра автоматически уменьшается); индексный (содержимое регистра с индексным словом, и сумма используется как адрес операнда).

Косвенные методы адресации: косвенно-регистровый (регистр содержит адрес операнда); косвенно-автоинкрементный (регистр содержит адрес операнда, который после выборки увеличивается на 2); косвенно-автодекрементный (регистр содержит адрес операнда, который после выборки уменьшается на 2); косвенно-индексный (содержимое регистра складывается с индексным словом, и сумма используется как адрес операнда).

Методы адресации с использованием счетчика команд: непосредственный (операнд выбирается из ячейки, следующей за командой); абсолютный (адрес операнда выбирается из ячейки, следующей за адресом команды); относительный (содержимое счетчика команд складывается с индексным словом, и сумма используется как адрес операнда); косвенно-относительный (содержимое счетчика складывается и индексным словом, и сумма используется как адрес операнда).

Под операндом понимают число или символ, участвующий в операции. Например, в выражении y=a+b операндами являются a и b.

Время, затраченное на изучение системы адресации конкретной машины, в конечном счете, оправдывает себя. Умение правильно применять, различные типы адресации непосредственно связано с быстротой и продуктивностью составления программ, хотя пользователь УЧПУ в общем случае может быть не знаком с вопросами программирования микроЭВМ. Внешние средства задания управляющей программы для обработки на перфоленте или с клавиатуры базируются на стандартных методах кодирования УП. Эти методы аналогичны применявшимся ранее методам в УЧПУ второго поколения со схемной реализацией алгоритмов. В ряде УЧПУ четвертого поколения кроме этих методов предусмотрено задание УП непосредственно по чертежу детали.

Ручное программирование выполняется обычно только для деталей с простой геометрией (например, при обработке ступенчатых валиков). Ручное программирование облегчает применение «меню» с виртуальными клавишами, назначение которых высвечивается на экране и изменяется по программе. Такие CNC – УЧПУ типа «Электроника НЦ80-31» имеют банк технологических данных, который позволяет упростить программирование. В более простых УЧПУ для программирования применяется символьная клавиатура. Примером такого решения является система УЧПУ «Электроника НЦ-31», предназначенная для токарных станков.

В системах с ручным заданием УП предусматривается также возможность ввода УП с помощью определенного программоносителя (кассеты электронной памяти, перфоленты и т.д.). Контроль УП производится непосредственно на станке. В связи с этим должна быть предусмотрена расширенная диагностика и защита станка от ошибок программиста.

Кроме того, в некоторых системах четвертого поколения предусматривается графическое изображение не дисплее запрограммированной детали.

В наиболее совершенных УЧПУ четвертого поколения пользователю предоставляется возможность наращивать математическое обеспечение УЧПУ, например, в части создания подпрограмм типовых технологических циклов. Для этого разработаны специальные языки высокого уровня.