Учебный микропроцессорный комплект и его роль в развитии вычислительной техники

Ахремчик О. Л.

Аннотация. В докладе затрагиваются предпосылки создания учебного микропроцессорного комплекта. Описываются структура и основные функции устройства. Анализируются основные достижения, способствовавшие качественному изменению в области изучения микропроцессорных вычислительных систем. Выделяются прикладные технические и фундаментальные философско-психологические проблемы, частичное решение которых достигнуто блоагодаря использованию комплекта.

1. Предпосылки создания учебного микропроцессорного комплекта

В 70-х годах 20-го века фирма «Intel» выпустила 8-битные микропроцессоры I8008 (1972), I8080 (1974) и I8085 (1976). С целью поддержки функционирования вычислительных систем на базе восьмиразрядных процессоров были разработаны большие интегральные микросхемы: таймер/счётчик, последовательный интерфейс, параллельный интерфейс, контроллер прямого доступа к памяти, контроллер электронно-лучевой трубки, генератор тактовых импульсов, контроллер прерываний. Комплект больших интегральных схем позволил создать достаточно мощные небольшие компьютеры с перспективой применения в разных областях.

Появление аналогов микросхем «Intel» в СССР (микропроцессорный комплект серии К580) привело к возможности разработки многообразия технических устройств с микропроцессорным управлением. В период с 1985 по 1995 годы на территории бывшего СССР во многих сферах деятельности начинают применяться вычислительные средства на базе процессоров невысокой разрядности. В 1986 году журнал «Радио» опубликовал схему компьютера «Радио 86РК». Схема включала 29 микросхем, доступных в СССР. В схему компьютера была заложена возможность подключения внешних устройств, и при несложной модернизации он мог использоваться, как рабочий инструмент радиолюбителя и как обычный компьютер в быту (игры, и т.п.). Позднее был налажен серийный выпуск компьютера под маркой «Микроша». Компьютер строился на основе классической модульной архитектуры с магистральным способом организации взаимодействия модулей.

Использовать технические решения по организации вычислений на базе данного компьютера оказалось непросто. Во многом это определялось достаточно большим многообразием методов взаимодействия больших интегральных микросхем как друг с другом, так и с периферийными устройствами. Развитая система команд (система команд микропроцессоров серии К580 включает 80 команд) и разнообразные способы адресации зачастую приводили к затруднениям как при разработке, так и в ходе эксплуатации технических систем. Большая часть проблем была связана с недостатком знаний технических специалистов в области программирования и обслуживания микропроцессорной техники на базе К580. Широкое использование микропроцессорных интегральных комплектов потребовало разработки учебного оборудования.

2. Разработчики и производители учебных микропроцессорных комплектов

В период с 1983 по 1985 гг. были разработаны и широко начали выпускаться учебные микропроцессорные комплекты (УМК). Разработки УМК были выполнены параллельно сотрудниками Института электронной техники (г. Москва, Россия) и сотрудниками Отдела автоматизации технологических процессов Производственного объединения «ВЭФ» (г. Рига, Латвия). Именно эти вычислительные средства послужили основой для перехода к качественно новой ступени образования в области применения вычислительной техники в промышленности.

Разработка института электронной техники называлась УМПК-80 и была составной частью базового учебного оборудования, построенного на базе микропроцессорных комплектов серий КР580, К589, К1801, К1810, К1816. Комплекс УМПК-80 был разработан А. И. Дядькиным, В. Е. Кушниром, Д. И. Панфиловым, О. А. Романенко, В. С. Сафанюком, С. Г. Шароновым. Массовый выпуск комплекса осуществлялся ВСНПО «Союзвузприбор» (сейчас РНПО «Росучприбор»). Комплекс имел модульную архитектуру и позволял исследовать как одноплатные микроЭВМ, так и персональные компьютеры с развитой периферией. Недостатком УМПК-80 было то, что он был бескорпусным и его модули выпускались в виде отдельных плат, устанавливаемых в специализированные лабораторные стенды УМПК-80/СЛ1(СЛ2).

Разработка, выполненная на базе производственного объединения «ВЭФ», называлась УМК. Комплекс имел подобную УМПК-80 схемотехническую реализацию, но поставлялся в виде завершенного изделия, помещенного в корпус (рис. 1). В комплект входила одна макетная плата с установленной на ней микросхемой параллельного интерфейса КР580ВВ55.

Рис. 1, a. Внешний вид УМК производства объединения «ВЭФ»

Рис. 1, б. Внешний вид УМК производства объединения «ВЭФ»

Большую роль в рекламе комплексов, в развитии информационного и методического обеспечения для них сыграл цикл публикаций под редакцией ректора Московского института электронной техники Л. Н. Преснухина в 1984–1986 годах, в том числе третий том фундаментального на тот период труда «Микропроцессоры», посвященный использованию УМПК80 и УМК. Оба комплекта имели практически одинаковое системное программное обеспечение, которое называлось программа «Монитор».

Далее рассматриваются УМК производственного объединения «ВЭФ». Автор использовал данные комплексы для преподавания курсов «Основы электроники и микропроцессорной техники», «Микропроцессорное управление технологическим оборудованием», «Технические средства автоматизации», «Интерфейсы систем автоматизации и управления» для обучения технических специалистов в Калининградском техническом институте рыбной промышленности и хозяйства (1988-1995 гг.), в Калининградском институте Федеральной пограничной службы (1996-1997 гг.), в Тверском государственном техническом университете (1997-1998 гг.).

3. Состав учебного микропроцессорного комплекта

Рис. 2. Состав УМК (вид внутри)

Рис. 3. Состав УМК (вид снаружи)

В состав УМК (рис. 2, 3) входят пластмассовый корпус (1), источник питания (2), модуль центрального процессора (ЭВМ) (3), клавиатура (4), разъем для подключения макетной платы (5) и макетная плата. На горизонтальной панели прибора расположены кнопка включения питания (6), шесть семисегментных индикаторов, составляющих дисплей и отображающих шестнадцатеричные код адреса и значения данных (7), информационные светодиодные индикаторы (8), набор кнопок клавиатуры оператора (9), кнопки переключения режима работы (10).

Индикаторы включали шестнадцать светодиодов для индикации двоичного кода адреса на системной шине адреса; восемь светодиодов для индикации двоичного кода данных на системной шине данных; восемь светодиодов для индикации слова состояния микропроцессора.

Системная программа была записана в постоянную память ЭВМ и занимала 2 Кбайт адресного пространства, начиная с нулевого адреса. Изменить содержание первых 4 Кбайт памяти пользователь не мог. Ему были доступны несколько Кбайт оперативной памяти начиная с адреса 0800 (Н).

Структура ЭВМ УМК включает микропроцессор, формирователи шин адреса, данных и управления, схему пошагового исполнения команд, схему сигналов управления, системное постоянное запоминающее устройство ПЗУ, оперативное запоминающее устройство ОЗУ и две больших интегральных схемы параллельного ввода/вывода.

Разработчиками УМК были задуманы и реализованы три идеи. Первая касалась возможности воспроизведения работы вычислительной системы в пошаговом режиме. Это осуществлялось специальной управляющей клавишей «Работа/Шаг», позволяющей блокировать поступление импульсов от тактового генератора на вход микропроцессора и осуществить формирование последовательности импульсов в ручном режиме посредством нажатия управляющей кнопки «Шаг». Влияние этого усовершенствования трудно переоценить. Оно позволило исследовать работу вычислительной системы в модельном времени, индивидуально задаваемом каждым пользователем. При этом на индикаторах комплекта отображалась двоичная информация о состоянии всех трех шин системы, что позволяло сформировать целостное представление о последовательности и сложности функционирования центрального процессора. Таким образом, человек мог наблюдать сечения трех временных диаграмм одновременно в подходящем для себя темпе.

Вторая идея основывалась на том, что команды рассматриваемого микропроцессора имеют различную длину (от 1 до 3 байтов) и выполнение каждой команды осуществляется за разное количество машинных циклов. УМК предоставил возможность исследования работы системы по командам или по машинным циклам, что задавалось положением кнопки «Команда/Цикл». Это позволяло детализировать выполнение каждой из 80 команд и рассмотреть, сколько байтов они занимают и какие машинные циклы они включают.

Реализация данных идей позволила преодолеть психологический барьер, связанный со скоростью протекающих в вычислительной системе процессов обмена информацией и скоростью человеческого восприятия и осознания данной информации. Пользователь получил возможность интерпретации временных диаграмм функционирования микропроцессорной системы.

Третья идея была поистине революционной. Она дала возможность пользователю через разъем для подключения внешней макетной платы обеспечивать взаимодействие с вычислительной системой большого числа внешних устройств. К ним относились: контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти, последовательный интерфейс, аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, кодеры и декодеры, датчики с дискретным сигналом и транзисторные ключи. При этом производители выпустили дополнительный набор внешних плат, не входивших в базовую комплектацию, которые избавляли пользователя от необходимости самому разрабатывать и изготовлять внешние устройства. В то же время пользователь мог создавать свои устройства на поле основной макетной платы, которой комплектовался УМК.

Такой подход позволил расширить область применения УМК и использовать его не только для изучения функционирования микропроцессорной системы, но и для создания и отладки аппаратуры для регистрации динамических процессов, управления технологическими параметрами. Остановимся на том, что все взаимодействие можно было исследовать в пошаговом режиме, позволяющем сколь угодно долго сохранять состояния микропроцессора и всех компонентов с отображением на лицевой панели УМК.

4. Основные лабораторные работы на базе учебного микропроцессорного комплекта

Лабораторные работы, выполняемые на УМК, можно разделить на три группы. Первая группа касается изучения системы команд, способов адресации и режимов работы восьмиразрядных процессоров компании «Intel». Вторая группа направлена на изучение программирования и режимов работы больших интегральных схем, поддерживающих функционирование микропроцессора. Третья группа касается изучения системных аспектов взаимодействия микропроцессора, поддерживающих его микросхем и внешних устройств (например, аналого-цифрового преобразователя или электронно-лучевой трубки).

Первые две группы работ лабораторного практикума на базе УМК имели хорошо проработанное методическое обеспечение. Издательство «Высшая школа» выпустило многотысячным тиражом несколько десятков пособий, посвященных использованию УМК. Третья группа работ была проработана в методическом плане менее широко, но она выполнялась в комплексе с НИР (например, работ, направленных на исследование различных типов датчиков).

Многообразие работ позволило на основе УМК создать лабораторные практикумы для большого набора дисциплин разных технических специальностей. При этом соблюдался очень важный принцип преемственности содержания курсов и их целостное представление в системе знаний, умений и навыков специальности. Эта преемственность основывалась на применении УМК в 3–5 курсах (например, для специальности «Эксплуатация судового электрооборудования» практикум по следующим дисциплинам: «Основы электроники и микропроцессорной техники», «Микропроцессорное управление технологическим оборудованием», «Проектирование цифровых систем управления»).

Решение задач на УМК включало этапы: составление алгоритма решения задачи; составление программы, реализующей данный алгоритм в системе команд восьмиразрядных процессоров «Intel»; ввод программы в УМК; выполнение программы и составление отчета. Почти все алгоритмы требовали организации несложных вычислительных процессов, связанных с выполнением простых логических и арифметических операций.

Практика применения УМК показала, что на первых этапах изучения возникали сложности, связанные с выбором способов адресации и методикой набора ассемблерных программ в шестнадцатеричном коде. Переходя от простых операций сложения однобайтных чисел и операций маскирования к инициализации внешних программируемых интегральных схем и далее к обмену информацией в последовательном и параллельном интерфейсах, обучаемые начинали осознавать логику работы вычислительной системы. Особый интерес вызывали не простые вычислительные операции и демонстрация возможностей микропроцессора, а решение реальных инженерных задач – управление двигателем постоянного тока, срабатывание системы аварийной световой и звуковой сигнализации, реализация цифрового фильтра или ПИД регулятора технологического параметра. Эти модели наглядно демонстрировали достижения и преимущества вычислительных средств на базе комплекта больших интегральных схем по сравнению с классическими тогда сериями малых цифровых интегральных схем (К155, К555 и др.), не говоря о релейной автоматике и модулях типа «Логика Т», «Транслог» и др.

5. Решение комплекса проблем на основе использования комплекта

Опыт применения УМК позволяет выделить общие требования к учебному оборудованию для изучения средств вычислительной техники: невысокая стоимость и доступность; возможность отображать процессы передачи и преобразования данных в устройстве; возможность как независимого применения УМК, так и в составе других устройств; возможность ручного управления режимом выполнения программ; хорошо разработанное методическое и программное обеспечение; возможность расширения УМК за счет разработки собственных модулей.

Разработка и использование учебного микропроцессорного комплекта позволили осуществить постановку и частично решить комплекс проблем. К числу прикладных технических проблем следует отнести:

• обеспечение качественной подготовки квалифицированных кадров, способных осуществлять разработку и настройку программно-технических средств автоматизации и систем управления технологическим оборудованием на их базе, что способствовало широкому использованию средств вычислительной техники в сфере управления технологическим оборудованием;
• отставание процесса разработки методического обеспечения и учебного оборудования от процесса обновления элементной базы вычислительной техники, что способствовало передаче части обучающих функций дистрибьютерам программно-технических систем с ориентацией процесса обучения на конкретного пользователя, а не проектировщика новых систем;
• ориентация на определенного производителя в образовательном процессе (процессоры фирмы «Intel»), что дает отложенный положительный эффект в виде дальнейшей ориентации пользователей на продукцию этого производителя. К числу фундаментальных философско-психологических проблем можно отнести:
• значительный прогресс микропроцессорных систем по сравнению с психологическими возможностями человека, при этом учебный микропроцессорный комплект продемонстрировал возможность создания методов и средств для восприятия и осознания человеком технических систем и процессов функционирования данных систем в индивидуальном временном масштабе за счет физической реализации временных диаграмм в пошаговом режиме;
• потеря актуальности огромных массивов информации и результатов исследований в связи с появлением и развитием новых технических систем. Суть проблемы состоит в отведении значительного объема времени на изучение методов математического описания дискретных систем, рассмотрение прохождения непрерывного сигнала через цифровую ЭВМ. В то же время быстродействие процессоров УМК и систем следующих поколений на основе теоремы Котельникова-Шеннона позволяло для большей части инженерных специальностей исключить данный материал, сосредоточившись на аспектах макетирования реальных систем, а не исследовать математические модели их функционирования с привлечением довольно сложного математического аппарата, не востребованного в инженерной практике;
• ориентация средств обучения типа УМК на изучение алгоритмически проработанных и математически поставленных задач, что не дает возможности получения навыков для решения ситуационных задач, исследования процедур «анализ через синтез» и др.

Переход на двухуровневую систему подготовки в соответствии с Болонским соглашением в России не ослабил актуальности применения систем, подобных УМК. Однако стремительное развитие микропроцессорной элементной базы, ее проектирование и производство вне стран бывшего СССР приводят к возрастанию времени, затрачиваемого на подобные разработки. Время разработки учебного комплекса и время жизненного цикла самого комплекта интегральных схем, изучаемых в УМК, соизмеримы. Поэтому шире следует применять мультимедийные тренажерные комплексы, позволяющие осуществить разработку и производство моделей устройств, выпускаемых мелкими сериями, с ориентацией на процесс обучения потенциального пользователя. При этом наличие мультимедийной модели становится неотъемлемым свойством вычислительной системы, как в свое время наличие учебного микропроцессорного комплекта являлось свойством комплекта больших интегральных схем К580.

Об авторе: Тверской государственный технический университет
axremchic@mail.ru
Материалы международной конференции SORUCOM 2011 (12–16 сентября 2011 года)
Статья помещена в музей 28.11.2011 с разрешения авторов