5.6. Реализация алгоритмов управления последовательностных автоматов

5.6.1. Виды запоминающих устройств

Основной отличительной чертой последовательностных схем управления является наличие в их составе ЗУ. Поэтому последовательностные автоматы называются автоматами с памятью. Все реальные устройства автоматического управления содержат в сво­ем составе элементы памяти, хотя бы в виде блок-контакта в схе­ме управления двигателем (см. рис. 5.9, а). Рассмотрим типовые ЗУ, применяемые в АСУТП.

По своему назначению ЗУ подразделяются на два класса: по­стоянные и оперативные.

ПЗУ предназначены для длительного хра­нения информации, потому их основным качеством является энер­гонезависимость, т.е. способность длительное время сохранять за­писанную информацию после отключения электропитания. По своей конструкции ПЗУ подразделяются на магнитомеханические и электронные.

Магнитомеханические ПЗУ — это жесткие магнитные и гиб­кие дискеты. Информация записывается на их дорожках в виде последовательности намагниченных и ненамагниченных участков в двоичном коде (намагниченный участок — это 1, а ненамагниченный — это 0). Магнитомеханические ПЗУ энергонезависимы и надежны, допускают перезапись информации, но их быстродей­ствие ограничено скоростью вращения дисков. Они удобны для употребления в тех случаях, когда перезапись информации и об­ращение за информацией к ЗУ происходит относительно редко, как это бывает, например, при записи массива УП в памяти УЧПУ.

Электронные ПЗУ, в том числе перепрограммируемые (ППЗУ), выполняются на базе больших интегральных схем (БИС). Они об­ладают большей скоростью обмена информацией и используются для формирования в УВМ системного программного обеспечения (см. подразд. 6.1), а ППЗУ используются также для записи У П. Однако электронные ПЗУ имеют меньшую информационную ем­кость и низкую транспортабельность.

Оперативные ЗУ предназначены для скоростной обработки те­кущей (оперативной) информации. Эта информация не предназ­начена для длительного хранения, но должна быть обработана достаточно быстро, чтобы обеспечить управление быстродейству­ющими исполнительными механизмами, электроприводами. Вы­полняются ОЗУ на энергозависимых БИС, но позволяют обраба­тывать информацию с тактовой частотой в десятки и сотни мега­герц.

Основой БИС ОЗУ являются триггерные ячейки, выполнен­ные на электронных элементах с двумя устойчивыми состояния­ми триггеров.

5.6.2. Триггеры

Триггер – логический элемент, обладающий двумя устойчивыми состояниями.

Простейшей триггерной ячейкой является асинхронный RS-триггер. Это ячейка с двумя входами (R и S) и двумя выходами: прямым выходом Q и инверсным выходом Q. По сигналу S = 1 (Set — установка) RS -триггер устанавливается в единичное состояние, которому соответствует Q = 1 и Q = 0. По сигналу R = 1 (Reset — сброс) RS -триггер сбрасывается в нулевое состояние, которому соответствует Q = 0 и Q = 1. Когда на одном из входов RS триггера имеется единичный сигнал, на другой вход должен быть подан нулевой сигнал.

Одновременная подача единичных сигналов на оба входа RS-триггера не допускается.

При наличии на обоих входах RS -триггера нулевых сигналов его состояние не изменяется. Таким образом, RS -триггер является последовательностной управляющей ячейкой, характеризующей­ся двумя различными внутренними состояниями, каждое из ко­торых целесообразно обозначать сигналом на прямом выходе: Q = = 1 и Q = 0. В такую ячейку можно записать и в ней хранить ин­формацию, объем которой не превышает 1 бит (см. подразд. 2.2).

Триггер — это стандартная ячейка ОЗУ для хранения информации емкостью 1 бит.

Функционирование RS -триггера может быть отображено таб­лицей выходов (табл. 5.9).

Из табл. 5.9 видно, что при R = 0 и S= 0 RS -триггер сохраня­ет свое состояние неизменным, т.е. хранит ранее записанную информацию: либо Q = 0, либо Q = 1. При подаче сигнала S' = 1 на выходе устанавливается Q' - 1 вместо = 0 или сохраняет­ся Q = 1. Аналогично при подаче R' = 1 на выходе устанавливается Q'' = 0.

Запретность комбинации R= 1 и S= 1 (одновременно) означа­ет, что клетки со звездочками можно заполнять произвольно, так как при нормальной эксплуатации . RS -триггера одновременное по­ступление R= 1 и S= 1 исключено. При реализации RS -тригтера на элементах ИЛИ —НЕ наиболее простая схема получается, если вместо звездочек поставить нули, а при реализации на элементах

Таблица 5.9

R'	S'	G'-1	Q'	Q'	Режим
0	0	0	0	1	Хранение информации Q'=Q'X
0	0	1	1	0
0	1	0	1	0	Запись 1 Q'= 1
0	1	1	1	0
1	0	0	0	1	Запись 0 Q' = 0
1	0	1	0	1
1	1	0	*(1)	*(1)	Запретная комбинация
1	1	1			Q'=Q'

И — НЕ из тех же соображений лучше поставить вместо всех звез­дочек единицы, что и сделано. Составляя по табл. 5.9 логические

формулы (см. подразд. 5.2) для функций Q¹ и Q', получим следу­ющие выражения:

Q' = S + RQ'^] =SRQ'(5.9)

Q' = R + SQ'~^l = RSQ'~^l. (5.10)

Вторые части формул (5.9) и (5.10) позволяют непосредствен­но по ним получить схему RS-триггера на элементах И — НЕ, при­веденную на рис. 5.10.

Действительно, на выходе Q' имеем

Q' = RQ'-\ а на выходе Q' соответственно получим

Q> =SQ> =SRQ>-^],

что соответствует выражению (5.9).

Аналогично проверяется правильность выражения (5.10) от­носительно выхода Q' схемы, показанной на рис. 5.10.

Если в формуле (5.9) принять Q = Н, S = d_Hd_B, a R = d_B, то она становится эквивалентной формуле (5.8). Таким образом, если на входе RS-триггера по схеме, представленной на рис. 5.10, помес­тить элемент И — НЕ, дающий S = d_Hd_B, а на вход R подать сиг­нал d_B, то функции схем, представленных на рис. 5.9, б и 5.10, совпадут.

Чтобы получить синхронный RS -триггер, нужно на его входах предусмотреть две ячейки И —НЕ, на которые подается синхро­низирующий импульс С (рис. 5.11).

Синхронный триггер переключается только при одновремен­ной подаче единичных сигналов на один из информационных вхо­дов и на вход С (Clock). Так, при С = 1 и S = 1 имеем CS = 0 и триггер переключается в состояние Q - 1, Q = 0 или остается в этом состоянии (см. табл. 5.9). _

Путем подачи внутреннего сигнала CS на вход R Асинхронный RS -триггер превращается в триггер задержки — D -триггер (Delay — задержка).

У D -триггера вход R является внутренним, а информационный вход S переименован в D.

Рис. Синхронизация поступления входных сигналов X₁….X₄ .

Состояние D-триггера принимает то значение, которое имеется на входе D: при D = 1 получим Q= 1, а при D= 0 получим Q = 0, но только при условии, что С= 1. При С= 0 состояние выходов D -триггера не изменяется. Это свойство Д-триггера можно использовать для организа­ции считывания информации со входов управляющего устройства.

Из других типов триггеров для нас представляют интерес счет­ный триггер (Т- триггер) и J К- триггер (рис. 5.13). Т -триггеры ле­жат в основе схем различных счетчиков, а J К -триггеры являются универсальными в том смысле, что могут выполнять функции триг­геров многих других типов. У Т -триггера имеется только один ин­формационный (счетный) вход Т, который совпадает с тактовым входом С. После прохождения единичного импульса на счетном входе Т состояние триггера изменяется на противоположное.

Функционирование Т -триггера моделирует счет в двоичной си­стеме счисления. Действительно, при подаче единичного импуль­са на его вход (Т = 1) при условии, что значение выхода в этот момент времени равно нулю (Q= 0), значение выхода становится равным единице (Q= 1). Это соответствует добавлению единицы в какой-либо разряд двоичного числа, значение которого до того было равно нулю. При подаче следующего единичного импульса {Т- 1) значение выхода триггера изменится от Q= 1 к Q = 0. То же самое происходит при прибавлении единицы в какой-либо раз­ряд двоичного числа, если его значение до того было равно еди­нице. Однако в двоичном числе при этом произойдет перенос еди­ницы в следующий, старший, разряд. Такой же перенос единицы произойдет и на выходе счетного триггера, если к нему подклю­чить вход следующего счетного триггера, как это делается в счет­чиках (см. подразд. 5.6.3).

Универсальность J К -триггера заключается в том, что при по­даче входных сигналов J = 1 или К= 1 раздельно он работает, как RS -триггер. Если же на вход К подавать инвертированный сигнал с входа J , то получится D -триггер. А при подаче J = К= 1 одновре­менно он работает, как Т -триггер, т.е. изменяет свое состояние на противоположное после каждого прохождения единичного импульса на тактовом входе С. Следовательно, структура J К -триг­гера должна быть такой же, как Т -триггера, но должны быть пре­дусмотрены отдельные информационные входы J и К.

Рис. 5.13. Условные обозначения Т -триггера (б) и J К -триггера (в)

5.6.3. Регистры

Триггеры, используемые в ОЗУ, применяются не по одному, а группами, называемыми регист­рами.

Регистр — это электронное устройство, базирующееся на со­вокупности триггерных ячеек и предназначенное для хранения и преобразования помещенной в него информации, записанной в двоичном коде.

По характеру выполняемых операций регистры приня­то подразделять на регистры хранения, регистры сдвига и счет­ные регистры (счетчики).

Регистры хранения реализуют только одну, общую для регист­ров всех типов, функцию хранения информации в двоичном коде. Типичные регистры хранения строятся на D-триггерах. Примером простейшего регистра хранения является совокупность D-тригге­ров в схеме, приведенной на рис. 5.12.

Рис. 5.14. Регистр хранения RG, построенный на D-триггерах:

а — условное обозначение;

Регистры сдвига помимо приема, хранения и выдачи информа­ции подобно регистрам хранения позволяют сдвигать записанную информацию, т.е. перемещать значения записанных битов инфор­мации от одной триггерной ячейки к другой, соседней, причем сдвиг информации производится одновременно во всех ячейках в одном направлении. На рис. 5.15 приведена упрощенная схема ре­гистра сдвига, по которой можно судить о том, как организуется сдвиг информации в регистрах, построенных на D-триггерах.

Рис. 5.15. Схема регистра сдвига (а) и его условное обозначение (б)

Ин­формация в такой регистр может поступать как в последователь­ном, так и в параллельном коде, а сдвиг информации производится подачей единичного импульса на вход сдвига. Вход сдвига организуется путем объединения всех тактовых входов регистра.

Поскольку все D -триггеры регистра соединены последователь­но, а при подаче сигнала С = 1 информация со входа D-триггера передается на его выход, то при подаче единичного импульса сдвига вся информация, записанная в триггерах регистра, сдвигается слева направо на один разряд. При этом информация, хранившаяся до подачи импульса сдвига на выходе Q1, будет утрачена, если ее не переписать в какое-либо другое ЗУ, включенное на выходе Q1. Информация, передаваемая в последовательном коде, подается в регистр сдвига через информационный вход D4. Предварительно регистр может быть очищен единичным импульсом, подаваемым на входы R установки нуля. При поступлении на вход D4 инфор­мация подается поразрядно, начиная с младшего разряда. После подачи тактового импульса на вход сдвига информация перепи­сывается из каждого разряда в соседний младший.

Счетные регистры, или счетчики, отличаются тем, что помимо функций записи, хранения и выдачи информации выполняют фун­кцию счета поступающих на них импульсов с запоминанием ре­зультатов.

Рис. 5.16. Схема трехразрядного двоичного счетчика (а) и его условное обозначение (б)

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

И МАШИНЫ. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ

Первое механическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических операций было создано Блезом Паскалем в 1642 г.

Впервые идея программно управляемой счетной машины, имеющей арифметическое устройство, устрой­ства управления, ввода и печати (хотя и использующей десятич­ную систему счисления) была выдвинута в 1822 г. английским математиком Чарльзом Бэббиджем. Проект опережал технические возмож­ности своего времени и не был реализован.

Автором первого проекта цифровой вы­числительной машины на основе двоичной, а не десятичной системы счисления был профессор физики Джон Винсент Атанасофф (1903-1995гг.).

Машина Атанасоффа была практически готова в декабре 1941 г., но находилась в разобран­ном виде. В связи с началом Второй мировой войны все работы по реализации этого проекта прекратились. Лишь в 1973 г. приоритет Атанасоффа, как автора первого проекта такой архитектуры вычисли­тельной машины, был окончательно установлен решением федераль­ного суда США.

Первой ЭВМ считается машина ЭНИАК (ENIAC, Electronic Numerial Integrator and Computer - электронный цифровой интегратор и вычис­литель). Ее авторы, американские ученые Дж. Мочли и Преспер Экерт (Eckert and Mauchly), работали над ней с 1943 по 1945 гг. Машина была построена в Пенсильванском университете по заказу артиллерийского управления армии США, предназначалась для расчета траекторий по­летов снарядов, и представляла собой сложнейшее для середины XX в. инженерное сооружение - длина более 30 м, объем 85 куб. м, масса 30 т. В ЭНИАКе были использованы 18 тыс. электронных ламп, 1500 реле, машина потребляла около 150 кВт.

Первым коммерческим компьютером стала машина ЛЕО (LEO - Lyons' Electronic Office), которая применялась в Англии для расчета зарплаты работникам чайных магазинов (фирма «Лайонс»).

Ключевой этап в развитии вычислитель­ных средств и методов, связан с деятельностью фирмы IBM («International Business Machines»).

. Исто­рически первая ЭВМ классической структуры и состава - Computer Installation System/360 (фирменное наименование - Вычисли­тельная установка системы 360, в дальнейшем известная как просто IBM/360), была выпущена в 1964 г., и с последующими мо­дификациями (IBM/370, IBM/375) поставлялась вплоть до середины 80-х гг., когда под влиянием микро ЭВМ (ПК) не начали постепенно схо­дить со сцены. ЭВМ данной серии послужили основой для разработки в СССР и странах - членах СЭВ так называемой Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ), которые в течение нескольких десятилетий являлись основой отечественной компьютеризации.

Первая в СССР быстродействующая электронная цифровая машина МЭСМ (Малая электронная счетная машина), созданная под руководством С. А. Лебедева была принята в эксплуатацию 25 декабря 1951 г.

МЭСМ была вначале задумана как мо­дель (первая буква в аббревиатуре МЭСМ) Большой электронной счетной машины (БЭСМ). Однако в процессе ее создания стала очевидной целесообразность превращения ее в малую ЭВМ.

Под руководством С. А. Лебедева были созданы и внедрены в произ­водство еще две ламповые ЭВМ - БХМ-2 и М-20. В 60-х гг. были соз­даны полупроводниковые варианты М-20: М-220 и М-222, а также БЭСМ-ЗМ и БЭСМ-4.

Первые ПК

Первая персональная ЭВМ (ПЭВМ) Micral появилась в 1973 году во Франции. Её автор Труонг Тронг Ти. Первые экземпляры были восприняты как дорогостоящая экзотическая игрушка.

Массовое производство и внедрение в практику персональных компьютеров связывают с именем Стива Джобса, руководителя и основателя фирмы «Эппл компьютер» («Apple Computer»), с 1977 года наладившая выпуск персональных компьютеров «Apple».

История профессиональных ПК (персональных компьютеров) началась в 80-е гг. XX в., когда практически од­новременно компании Motorola, Zilog и Intel выпустили на ры­нок достаточно мощные микропроцессоры — Intel 8086, Z80 и М68000.

На этих микропроцессорах были построены первые микро­компьютеры :

• Kaypro II (Zilog); - август 1982 года - компания Э.Кея «Non-Linear Systems»

(позже переименованная в «Kaypro Corporation»).

• Macintosh 128К (Motorola); - январь 1984 года - «Apple Computer».

• IBM PC — XT/AT – 8 марта 1983 года. (Intel - INTegrated ELectronics).(eXtended

Technology – расширенная технология, по сравнению с IBM PC).

ПЭВМ характеризуются небольшими размерами и массовым производством, что позволяет делать их широкодоступным товаром, обеспечивающим обработку различной информации – текстов, звука, изображений и пр.

3.2. СТРУКТУРА И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭВМ

Электронная вычислительная машина (ЭВМ, компьютер) представляет собой комплекс технических средств, предназна­ченный для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

В основу архитектуры большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. аме­риканским ученым Джоном фон Нейманом в отчете по ЭВМ EDVAC:

• принцип программного управления — из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняют­ся процессором автоматически друг за другом в определен­ной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд (СчАК). Этот регистр процессора последовательно увеличивает храни­мый в нем адрес очередной команды. Если после выполне­ния команды следует перейти не к следующей, а к ка­кой-то другой, используются команды условного или безус­ловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду;

• принцип однородности памяти — программы и данные хра­нятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять та­кие же действия, как и над данными. Например, програм­ма в процессе своего выполнения также может подвергать­ся переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм);

. • принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения про­грамм с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся от них — не-фон-неймановские.

Например, в ассоциативных компьютерах может не выполняться принцип программного управления, поскольку каждая команда здесь содержит адрес следующей (т. е. они могут работать без счетчика команд, указывающего на выполняемую команду программы).

Архитектура фон Неймана часто ассоциируется с принстонской архитек­турой, которая характеризуется использованием общей опера­тивной памяти для хранения программ и данных.

Альтернативная — гарвардская архитектура харак­теризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных.

По прошествии более 60 лет большинство компьютеров так и имеют «фон-неймановскую архитектуру».

В СССР независимо от фон Неймана были сформулированы более де­тальные и полные принципы построения электронных циф­ровых вычислительных машин (Сергей Алексеевич Лебедев).

ЭВМ классической архитектуры фон Неймана состоит из пяти основных функциональных блоков:

- арифметическо-логического устройства (АЛУ);

- устройства управления (УУ);

- запоминающего устройства (ЗУ);

- устройства ввода (УВв);

- устройства вывода {УВыв).

Рис. Структурная схема ЭВМ архитектуры фон Неймана.

______ данные и команды

--------- управляющие сигналы.

Арифметическо-логическое устройство и устройство управления составляют сов­местно процессор (Пр).

Процессор — основная часть электронно-вычислительной машины, непосредственно осуществляющая процесс обработки данных и управляющая ее работой.

Арифметическо-логическое устройство — функциональная часть процессора выполняющая арифметические и логические действия над данными и предназначения я для выполнения арифметических и логических операций над кодами чисел и команд. В него входит сумматор, ряд регистров, логические схемы и элементы управления. С помощью этих узлов можно складывать_, вычитать, умножать и делить числа. Арифметические операции могут выполниться последовательно по разрядам и параллельно. В соответствии с этим могут выть машины последовательного и параллельного действии. В на­стоящее время наибольшее распространение получили ЭВМ парал­лельного действия.

Запоминающее устройство предназначено для хранения введен­ной информации, программы вычислений и промежуточных резуль­татов вычислений. Информация, содержащаяся в памяти запоми­нающего устройства и необхо­димая для решения задачи, по мере необходимости выводится из него и передается в АЛУ. После выполнения необходимых преобразований она вновь за­носится в память. По назначе­нию запоминающие устройства подразделяются на оперативные (ОЗУ), сверхоперативные (СОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ).

В память ЭВМ записывается и программа решении задачи. Программа состоит из последовательности команд (операций), которые необходимо выполнить для решения определенном задачи. Команда содержит адреса чисел в ячейках памяти, а также указание, какую операцию нужно произвести над этими числами. Программа может быть записана па перфоленте, перфокарте, магнитном диске и маг­нитной ленте. Составленные заранее программы вводится в память машины перед решением задачи.

Оперативное запоминающее устройст­во состоит из отдельных ячеек, имеющих свои номера или адреса. Каждая ячейка предназначена для хранения кода (слова) определенной длины. Все арифметические, логические операции и операции управления в машине выполняются по специальным уп­равляющим командам.

Команда представляется в виде цифрового набора и состоит из кодовой и ад­ресной частей.

Кодовая часть (код операции) коман­ды содержит условное обозначение опера­ции, которую должна выполнять машина. Адресная часть указывает на то, где хра­нится информация, над которой необходимо выполнять данную операцию, и куда на­править результат. По числу адресов в команде различаются трех-, двух- и одноад­ресные машины. Имеются машины, коман­да которых содержит четыре и пять адресов, но они получили малое распростране­ние. На рис. 2-27, а представлено минималь­ное содержание трехадресной команды.

В трехадресной команде адреса / и 2 указывают местонахождение операндов (данных) в памяти машины, которые сле­дует выбрать для исполнения операции, оп­ределяемой кодом операции. Адрес 3 ука­зывает номер ячейки памяти, куда необхо­димо послать результат.

В двухадресной команде (рис. 2-27,6) в адресной части указываются лишь два ад­реса, по которым выбираются операнды для исполнения операции, а результат либо мо­жет оставаться в арифметическом устрой­стве, либо посылаться в ячейку, номер ко­торой указан, например, по второму адре­су (в этом случае один из операндов хра­нился в арифметическом устройстве).

В одноадресной команде (рис. 2-27, в) в адресной части указывается всего лишь один адрес, по которому выбирается опе­ранд для исполнения операции или же по­сылается результат.

Последовательность команд составля­ет программу работы машины.

Таким образом, ЦВМ должна иметь три основных устройства (рис. 2-28):

1) арифметическое устройство (про­цессор), предназначенное для выполнения арифметических и логических операций;

2) запоминающее устройство (память), которое служит для хранения программы работы машины, исходных числовых дан­ных, промежуточных и конечных резуль­татов;

3) устройство управления, предназна­ченное для управления цифровой машиной при автоматической работе ее по програм­ме или при ручном управлении с пульта.

Для ввода и вывода информации слу­жат входные и выходные устройства.

Исходные данные, а также команды вводятся в запоминающее устройство ма­шины, после чего машина подготовлена для решения задачи по заданной программе. В процессе решения задачи устройство уп­равления выбирает последовательно из па­мяти команду за командой для исполнения. Исполнение команды протекает в два эта­па. На первом этапе производится выбор­ка команды из запоминающего устройства, а на втором — выбранная команда испол­няется.

Как правило, после исполнения коман­ды, выбранной из ячейки с номером k, ис­полняется очередная команда, находящаяся в ячейке с номером At+1 и т. д., до тех пор, пока не выполнятся все комаялы про­граммы или же не встретится команда, из-» меняющая обычный порядок выборки. ЦВМ, в которых команды автоматически выбираются из ячеек с номерами, увеличи­вающимися на единицу при каждой выбор­ке, называются машинами с естественным порядком исполнения команд.

Устройство управления выполняет функции управления дли обеспечения взаимодействия составных частей ЭВМ, Оно предназна­чено для приема и интерпретации кода команды, а также выработки последовательности всех функциональных управляющих сигналов для выполнения операций, задаваемых командой. Кроме того. УУ анализирует ход решения задачи, по мере необходимости модифици­рует команды и управляет последовательностью выполнения маши­ной команд программы в соответствии с заданным алгоритмом — конечной совокупностью точно сформулированных правил решения какой-то задачи.

Таким образом, У У в процессе работы обеспечивает автомати­ческую обработку цифровой информации в ЭВМ. Устройство управ­ления содержит задающий генератор, который вырабатывает им­пульсы тактовой частоты, синхронизирующие работу машины.

Устройство ввода данных предназначено для ручного или авто­матического ввода, хранения и автоматической записи в память машины исходных данных решаемой задачи, а также программы вы­числений. Информация вводится в ЭВМ с использованием устройств ввода с перфокарт, перфолент, магнитных лент, магнитных ди­сков и др.

Накопитель на магнитной ленте (НМЛ) — запоминающее уст­ройство, в котором носителем данных является магнитная лента.

Накопитель на магнитных дисках (НМД) — запоминающее уст­ройство, в котором носителем данных является магнитный диск.

Устройство вывода данных предназначено для автоматического приема результатов вычислений, хранения и выдачи этих данных в виде, удобном для дальнейшего использования. Результаты вычис­лений обычно выводятся на печатающее устройство ЭВМ, записыва­ются на магнитную ленту, высвечиваются на экранах и табло пуль­тов и иногда набиваются на перфокарты или перфоленты. Таким образом, одно и то же устройство, например накопитель на магнит­ной ленте, может выполнить функции как устройства ввода, так и устройства вывода; часто все устройства ввода и вывода объединя­ются в одну общую группу уст­ройств ввода — вывода.

	Поколения ЭВМ.
1 поколение	1950-1958, построены на лампах
II поколение	1959-1967 - на транзисторах и печатных платах
III поколение	1968-1978 - на микросхемах малой степени миниатюризации
IV поколение	1979-1993 - на микросхемах большой степени миниатюризации
V поколение	С 1994 - на микросхемах сверхбольшой степени миниатюризации

Классификация ЭВМ.

Академик В.М. Глушков указывал, что существуют три глобаль­ные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов ЭВМ.

Первое направление является традиционным — применение ЭВМ для автоматизации вычислений. Первые, а за­тем и последующие вычислительные машины классической структу­ры в основном и создавались для автоматизации вычислений.

Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в си­стемах управления. Она зародилась примерно в шестидесятые годы, когда ЭВМ стали интенсивно внедряться в контуры управления ав­томатических и автоматизированных систем. Новой сфере работ в наибольшей степени отвечали мини-ЭВМ. Именно они стали использоваться для управления отраслями, пред­приятиями, корпорациями. Для выполнения этих работ в настоящее время применяются в основном ПЭВМ,

Третье направление связано с применением ЭВМ для решения за­дач искусственного интеллекта. Напомним, что задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле. Это направ­ление постепенно набирает силу. Во многих областях науки и техни­ки создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экс­пертные системы. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам.

Даже это краткое перечисление областей применения ЭВМ показывает, что для решения различных задач нужна соответственно и разная вычислительная техника.

Выделим три большие группы ЭВМ:

- большие ЭВМ;

- вычислительные комплексы и системы;

- малые ЭВМ.

Подобное разделение нельзя воспринимать как классификацию по техническим параметрам. Это, скорее эвристический подход, где большой вес имеет предполагаемая сфера применения компьютеров.

Большие ЭВМ . Основное назначение больших ЭВМ — выполнение работ, связанных с обработкой и хранением боль­ших массивов информации, проведением сложных расчетов и исследований в ходе решения научно-исследовательских задач. Работа на больших ЭВМ требует высокой квалификации и опыта. Для неспециалиста в области вычислительной техники большие ЭВМ практически недоступны. В Советском Союзе класс больших ЭВМ составляли ЭВМ семейства ЕС. Название каждой модели образуется из букв ЕС и порядкового номера модели, например: ЕС-1020, ЕС-1022, ЕС-1065. ЭВМ данного семейства разрабатывались совместно различными коллективами стран — членов СЭВ. Первые мо­дели этого семейства появились во второй половине 60-х годов.

Для размещения всех устройств большой ЭВМ требуется машинный зал пло­щадью не менее 100 м², а для ЭВМ, например, ЕС-1065 —пло­щадью 350 м². Внешнее оформление ЭВМ семейства ЕС — несколько однотипных шкафов разного назначения.

Большинство АСУ верхнего уровня государственного управления в РФ (в силовых структурах, банках, на транспорте, в связи и т.д.) оснащены машинами семейства ЕС.

После подписания соглашения с фирмой IBM в марте 1993 года Россия получила право производить 23 новейшие модели-аналоги ЭВМ S/390. По расходам на управление и эксплуатацию эти машины оказываются эффективнее других вычислительных средств.

Вычислительные системы. Вычис­лительные системы состоят из нескольких одновременно работающих ЭВМ или процессоров. Все ЭВМ связаны между собой линиями (проводами) связи. Они могут дублировать друг друга, а могут находиться в резерве. Вычислительные системы строят на различных принципах в зависимости от цели их ис­пользования. Вычислительные системы, состоящие из несколь­ких ЭВМ, называются многомашинными вычисли­тельными комплексами, из нескольких процессоров и общего поля памяти — мультипроцессорными вычислительными си­стемами. И тот, и другой тип вычислительной системы служит для повышения производительности и надежности работы. Пользователи под­ключаются к вычислительным системам через терми­налы, расположенные на их рабочих местах.

Терминалами называются удаленные от ЭВМ устройства ввода-вывода информации, подсоединяемые к ЭВМ через спе­циальные каналы связи. Наиболее распространенный тип тер­минала — дисплей.

Многомашинные вычислительные системы отечественного производства выпускались на базе ЭВМ семейства ЕС.

Мультипроцессорные вычислительные системы выпускались на базе мини- ЭВМ семейства СМ.

Малые ЭВМ — это наиболее распространенный тип ЭВМ. Общей чертой представителей этой группы являются небольшие габариты и удобство эксплуатации. На некоторых моделях компьютеров без труда может работать человек, имею­щий минимальные знания в области вычислительной техники, но являющийся специалистом в другой сфере деятельности.

Среди малых ЭВМ выделены следующие подгруппы: мини-ЭВМ, микроЭВМ, персональные компьютеры, микрокалькуляторы.

Мини-ЭВМ . До появления микроЭВМ и персональных компьютеров мини-ЭВМ целиком определяли класс малых ЭВМ. В отличие от больших ЭВМ мини-ЭВМ очень легко приспо­собить к управлению различными производствами. Особенно широко они внедрены в автоматизированных системах управ­ления технологическими процессами. Основные функции их — контроль и управление технологическими процессами в реаль­ном масштабе времени. Для этой под­группы малых ЭВМ не требуются специальные помещения. Их внешнее оформление — минимум два шка­фа (высотой 1,8 м, шириной 0,8 м), куда вставляются блоки, и рабочий стол с дисплеем.

Первой мини-ЭВМ была 12-разрядная PDP-5, созданная в 1963 г. американской фирмой DEC и предназначенная для управления ядерным реактором.

В Советском Союзе малые ЭВМ начали появляться с 1959 г.: «Сетунь» (Москва); затем УМ1-НХ (Ленинград); «Днепр» (Киев); управляющие вычислительные комплексы для АСУТП на основе агрегированных средств вычислительной техники (АСВТ-М) М-6000, М-7000, М-400 и т. д.

«УМ1-НХ» — малогабаритная управляющая цифровая вычислительная машина, предназна­ченная для автоматизации управления произ­водственными процессами. Серийно выпускалась ее с 1963. Построена на потенциальных маломощных транзисторных схемах (общая потребляемая мощность ЦВМ 220 ва); в опера­тивном запоминающем устройстве использо­ваны миниатюрные интегральные элементы.

Отличительная особенность машины — от­носительно высокая эксплуатационная на­дежность (благодаря резкому снижению энергетического уровня работы элементов; основное напряжение питания — 1,7 в). Для расширения области примене­ния машины разработаны внешнее многоканаль­ное устройство ввода—вывода, управляющий комплекс с переменной комплектацией на основе «УМ1-НХ». УМ1-НХ стала одной из самых дешевых отече­ственных управляющих вычислительных машин.

АСВТ-М (агрегатный комплек­с средств вычислительной техники на микроэлектронной элементной базе) представляет собой набор агрегатных уст­ройств, предназначенных для компоновки информационных и управ­ляющих вычислительных комплексов (УВК), работающих в реаль­ном масштабе времени. На их базе могут быть также созданы автоматизированные системы управления агрегатами, цехами и производства­ми, а также вычислительные центры.

Каждое из устройств АСВТ-М представляет собой конструктивно и функционально законченное из­делие с унифицированными входами и выходами.

По функциональному назначению вся номенклатура агрегатных модулей АСВТ-М делится на устройства центрального управления и переработки информации, хранения информации, связи с объектом, связи с оперативным персоналом, внутрисистемной связи, выхода на внешние (внесистемные) линии связи, согласователи.

Агрегатный ком­плекс допускает последующую модернизацию и наращивание систе­мы управления.

В АСВТ-М используют семейства ЭВМ: М-40, М-400, М-6000, М-7000.

Управляющие вычислительные комплексы М-6000 и М-7000 - наи­более распространенные из серии АСВТ-М. Они имеют развитую и со­вершенную систему связи с объектом управления и оперативным персоналом, широкую систему команд и достаточно полное внутреннее математическое обеспечение.

Базовая конфигурация комплекса М-7000 включает процессор и одно ОЗУ на 16 Кслов, а также таймер, перфоленточное устройство ввода и вывода и печатающее устройство. Были разработаны комплексы более сложных конфигураций, включающие дополнительные устройства и большое число терминалов.

Самая большая модель АСВТ-М — комплекс М-4030. Его вычисли­тельная мощность позволяет реализовать алгоритмы оптимального уп­равления сложными технологическими процессами в реальном мас­штабе времени и параллельно решать задачи информационно-справоч­ного характера. С объектом управления М-4030 связывается при помо­щи ЭВМ М-40, М-400, М-6000.

В 1974 г. В СССР была организована совместная работа в содружестве со странами — членами СЭВ. Создано унифицированное стандарт­ное семейство мини-ЭВМ, которое получило название системы малых (по другой версии – «советчик мастера») - (СМ) ЭВМ. В 1976—1980 гг. выпущены модели первой очереди: СМ-1, СМ-2, СМ-3, СМ-4. Эти модели программно сов­местимы с моделями АСВТ-М: СМ-1 и СМ-2 с М-6000, М-7000; СМ-3 и СМ-4 с М-400.

В УВК СМ ЭВМ агрегатные модули выполняются в виде автономных, конст­руктивно законченных, комплектных блоков с автономным питанием и встроенной вентиляцией. Они реализованы в соответствии со стан­дартом Международной электротехнической комиссии (МЭК) и разме­щены в стандартных стойках без каких-либо конструктивных дора­боток. Такая реализация значительно упрощает проектную компо­новку, монтаж, модернизацию и обслуживание СМ ЭВМ по сравнению с АСВТ-М.

СМ ЭВМ построена как агрегатная система средств, позволяющая компоновать. управляющие вычислительные комплексы с различным составом оборудования и обеспечивать замену одного устройства дру­гим аналогичного назначения без изменения общего функционирова­ния системы.

Рис. Общий вид базового вычислительного комплекса СМ-2М (К-125 3/6 )

МикроЭВМ — это компьютеры, где в качестве элементной базы использован микропроцессор. Предназначены они для ра­боты в режиме индивидуального общения человека с ЭВМ, хотя имеется возможность в некоторых случаях работать одновре­менно и нескольким пользователям. Все оборудование ми­кроЭВМ размещается в пределах стола. На микроЭВМ могут работать как специалисты в области вычислительной техники, так и неспециалисты, имеющие некоторый багаж компьютерных знаний. Основные технические характеристики микроЭВМ нахо­дятся на уровне мини-ЭВМ и некоторых моделей ЕС. Их стои­мость намного меньше, а надежность существенно выше.

В СССР широко использовались отечественные микроЭВМ «Электро­ника С5», «Электроника 60», «Электроника НЦ», «Электроника 100», «Электроника К1». Из первых моделей наиболее хорошо себя зарекомендовала «Электроника 60», которая кроме высо­ких технических характеристик имела совместимость с «Элек­троникой 100/25», СМ-3, СМ-4.

Персональные ЭВМ по своим характеристикам аналогичны микроЭВМ. Однако существует ряд признаков, по которым был выделен именно этот подкласс. Одним из самых важных при­знаков является создание при работе на ЭВМ таких условий, когда пользователь, имеющий минимальные знания в области вычислительной техники, чувствует себя за пультом управления персональным компьютером удобно и комфортно. Достигается это наличием в памяти ЭВМ большого количества сервисных, а также специально разработанных для пользователей — специа­листов в конкретной области программ.

Микрокалькуляторы можно отнести к подклассу микроЭВМ, где отсутствует внешняя память. Предназначены они для про­ведения небольших расчетов, удобны в эксплуатации. Для ра­боты на микрокалькуляторах в программном режиме надо знать принципы программирования на машинно-ориентирован­ном языке.

То, что 30—35 лет назад считалось современной большой ЭВМ, в настоящее время является устаревшей техникой с очень скромными возможностями. Современный персональный компьютер с быстродей­ствием в сотни миллионов операций в секунду становится доступ­ным средством для массового пользователя,

В этих условиях любая предложенная классификация ЭВМ очень быстро устаревает и нуждается в корректировке. Например, в клас­сификациях десятилетней давности широко использовались названия мини-, миди- и микроЭВМ, которые сейчас почти исчезли из обихода.

Отдельные единицы оборудования, вхо­дящие в состав ТО, управляемого АСУТП, имеют автономные системы управления, позволяющие как встраивать данное обору­дование в технологический комплекс, так и использовать его ав­тономно.

По указанной причине управление в АСУТП организуется по иерархическому принципу. Иерархическое управление является од­ной из разновидностей централизованного управления. При уп­равлении по иерархическому принципу система управления под­разделяется на отдельные уровни, или ранги. Общее управление осуществляется центральной управляющей вычислительной ма­шиной (ЦУВМ), которая считается УВМ высшего (первого) ран­га. Однако ЦУВМ при иерархическом управлении управляет ТО не непосредственно, а только через промежуточные, локальные, управляющие вычислительные машины (ЛУВМ).

Все ЛУВМ, управляемые непосредственно от ЦУВМ, называ­ются УВМ второго ранга (второго уровня управления). Если име­ются ЛУВМ, управляемые не от ЦУВМ, а от УВМ второго ранга, то такие ЛУВМ называются ЛУВМ третьего ранга. По отношению к ним соответствующая УВМ второго ранга оказывается централь­ной. В результате при управлении по иерархическому принципу каждая УВМ управляет лишь управляющими устройствами бли­жайшего низшего ранга, а подчиняется лишь одной из УВМ бли­жайшего высшего ранга. Исключение составляет самый нижний уровень управления, на котором осуществляется непосредствен­ное управление ТО, т.е. не управляющими, а исполнительными устройствами.

Для АСУТП типична трехуровневая иерархическая структура, представленная на рис. 1.1. Здесь ЦУВМ, которая является доста­точно мощным промышленным компьютером, снабжает управ­ляющими программами TV ЛУВМ, а последние управляют испол­нительными электроприводами (например, М электроприводов)

Рис. 1.1. Типичная трехуровневая иерархическая структура АСУТП

через системы управления электроприводами (СУЭП) или дру­гими исполнительными устройствами.

ЛУВМ могут строиться на базе компьютеров, программируемых логических контроллеров и микроконтроллеров в зависимости от сложности решаемых задач управления. В качестве исполнительных устройств могут быть использованы не только электроприводы, но и нагревательные, электрофизические, электрохимические и другие установки. Системы управления исполнительных устройств могут быть построены как на базе микропроцессорных комплек­тов, так и без них, могут быть как цифровыми, так и аналоговыми.

На рис. 1.1 показано прохождение лишь прямых управляющих сигналов, а описание каналов обратной связи от ТО к АСУТП будет приведено далее. Прохождение сигналов обратной связи стро­ится также по иерархическому принципу: от исполнительных ус­тройств и агрегатов информация поступает сначала в ЛУВМ по результатам опросов датчиков, установленных на технологиче­ском оборудовании, а ЦУВМ получает необходимую информа­цию о состоянии технологического объекта в порядке обмена ин­формацией с ЛУВМ (см. подразд. 2.6).