1.3. Описание функционирования иис. Содержательные логические схемы алгоритмов

Вводные замечания

Описание принципа и последовательности действия средства измерения в большинстве случаев проводится словесно, на естест­венном языке. Оно становится громоздким для сложных измери­тельно-вычислительных систем, что затрудняет анализ работы и сравнение вариантов реализации таких средств измерения, за­трудняет подготовку их программного обеспечения.

Логические схемы алгоритмов (ЛСА) [1.8, 1.9] выделяются среди^ способов формального описания работы автоматических устройств компактностью записи, возможностью представления алгоритма с наперед установленной степенью детализации, изве­стной связью с логическими схемами программ, возможностью-минимизации объема некоторых видов алгоритмов.

В ЛСА применяются заранее определенные множества функ­циональных {A_t}, логических {<в₄} операторов, а также правила последовательности выполнения алгоритма в зависимости от

удовлетворения условий со,. При отсутствии логических операто­ров или при удовлетворении в них логических условий операторы ЛСА выполняются последовательно слева направо. Если логиче­ские операторы не удовлетворяются, то дальнейший путь выпол­нения алгоритма может быть обозначен с помощью указательных знаков (например, полускобок). Так, алгоритм Л^Л₂сй"^4₃ преду­сматривает выполнение операторов А\А₂, и если удовлетворяется условие со, то и оператора Л₃; если же условие со не удовлетворя­ется, то будут повторяться операторы А₂А₂А₂ до тех пор, пока оно не будет удовлетворено.

К основным недостаткам ЛСА можно отнести необходимость составления и постоянного использования списков операторов {Аг} и {со,} с расшифровкой их содержания, отсутствие эффектив­ных методов минимизации записи. Эти недостатки слабо прояв­ляются при относительно простых и обостряются при сложных ЛСА.

Наличием перечисленных недостатков можно объяснить в пер­вую очередь то, что ЛСА в информационно-измерительной техни­ке применялись преимущественно для рассмотрения аналого-циф­ровых преобразований и мало использовались для описания функ­ционирования сложных измерительных комплексов и систем.

Ниже предлагаются и рассматриваются содержательные логи­ческие схемы алгоритмов (СЛСА), предназначенные для фор­мального описания работы ИИС, в том числе включающих малые ЭВМ. В СЛСА развиваются и конкретизируются идеи ЛСА при­менительно к специфике таких систем [1.10].

При разработке СЛСА предполагалось, что они должны:

описывать функционирование как аппаратной, так и програм­мно-управляемой частей ИИС;

отражать по возможности наглядно содержание описываемых преобразований;

описывать не только информационные преобразования, но и служебные операции;

служить основой для составления программ;

описывать функционирование ИИС с разной детализацией. Условные обозначения СЛСА

В СЛСА объединяются операторы, определяющие обмен ин­формационными . и служебными сигналами между функциональ­ными блоками системы, а также преобразования этих сигналов. Каждый оператор содержит указатель его назначения и конкрет­ное содержание передаваемой или преобразуемой информации. Операторы в алгоритме размещаются в строке слева направо и отделяются друг от друга интервалами. В сложных алгоритмах выделяются группы связанных между собой операторов. Для на­глядного представления алгоритмов возможно размещать группы операторов на отдельных строках и сопровождать их необходи­мыми пояснениями.

Обозначения информационных преобразований в СЛСА в ос­новном выполняются буквами латинского алфавита,_ а служебной

информации—греческого. Аналоговая величина в общем виде обозначается буквой х, множество таких величин — X, цифро­вая — z, а множество цифровых величин — Z. Цифровое выра­жение конкретной аналоговой величины представляется в ви­де D х.

Функциональные операторы получения, преобразования, пере­дачи, выдачи измерительной информации обозначаются 1(/*). В скобках дается конкретное содержание таких операторов. Наи­более распространенное содержание операторов связано с опера­тивным хранением информации S(storage), выдачей, чтением ин­формации R (read), записью, регистрацией информации W (write), обработкой информации F (function) и СР (compute), операция­ми сравнения CR (comparison) и контроля СН (checking).

Обозначения операторов с перечисленными преобразованиями над I и Z имеют вид: I(S : X), I(S : Z); I(R : X), I(R : Z); I(W:*), I(W:Z); I(F: X), I(CP : Z); I(CR:Xi, *,-), I(CR:z„ z_}); I(CH:*), I(CH:z).

Преобразование сигналов записывается с указанием входных и выходных величин, разделенных наклонно}"* прямой, причем указы­вается вид преобразования информации. Передача аналоговых и цифровых величин обозначается как I(x), I(X), I(z), l(Z).

Различаются операторы, характеризующие преобразования ин­формации внутри блоков системы, и операторы, определяющие процесс обмена информацией между блоками. Например, в СЛСА Ii(*i/z,) I₂(z,) I₃(zi/z₂) I₄(z₂) l5(F:z₂/z₃) I₆(z₃) I₇(S:z₃) опера­торы I_b I₃, I5, I₇ характеризуют преобразования внутри блоков (Ii — аналого-цифровое преобразование, 1₃ — преобразование ко­да, Is—функциональное преобразование и Ь—запоминание), а I2, I4, 1б—передачу информации между блоками. В зависимости от области применения можно использовать различные СЛСА. В частности, для описания последовательности выполнения опе­раций передачи информации по магистрали цифрового интерфей­са можно использовать операции 1₂, 1₄, 1б, дополнив их командами,. адресами блоков и другой информацией, необходимой для орга­низации процесса обмена информации в принятом интерфейсе..

Кроме измерительной информации необходимо передавать ад­реса Ad* (address) блоков системы или их частей SbAd*, инфор­мацию о времени Т* (time), режиме или диапазоне работы. L* (law). В том случае, когда передача адреса Ad* или субадре­са SbAd* должна сопровождаться указанием на то, что переда­ется именно адрес, это обозначается в СЛСА как Ad (Ad*) и SbAd (SbAd*) соответственно. Подобным же образом вводятся указатели Т и L.

Для обозначения суммирования используется знак 2, вычита­ния Л, умножения П, деления г, дифференцирования d, интегри­рования /.

Каждый из цифровых блоков может являться приемником, источником или приемоисточником информации. Кроме этих раз­новидностей блоков следует выделить устройство управления

процессом обмена информацией в системе и исполнительные уст­ройства, служащие для формирования воздействий на объект изу­чения. На рис. 1.1 показан блок управления, который обменива­ется с блоками системы командной информацией Ф(Ф*), а также информационными сигналами. Исполнительное устройство может оказывать тепловые Т°, механические Р и электрические U воз­действия на объект исследования. Компенсационные воздействия отмечаются индексом к (см. ниже табл. 1.1).

К наиболее распространенным командам относятся Ф(И), >0(W), Ф(Э), Ф(В) и Ф(Е) — «выдать», «записать», «запом­нить», «начать» и «завершить» выполнение алгоритма соответст­венно.

Логические операторы разделяются на операторы состояния, условные логические операторы без переноса и с переносом по­следовательности выполнения алгоритма.

Информация о состоянии ф характеризует состояние блока. Если блок «готов» или «не готов» принять, выдать, запомнить ин­формацию, то формируются сигналы <p(W), <p(W), (p(R), (p(R), (p(S), (p(S). Подтверждение (или отсутствие подтверждения) приема или выдачи информации осуществляется сигналами

<p(W:/*), <p(W:/*), <p(R:/*), <p(R:/*).

В табл. 1.1 приводятся графические обозначения и операторы, -отражающие преобразования, выполняемые основными функцио­нальными блоками ИИС.

Кроме буквенных обозначений аз СЛСА используются символы: лреобразования /; выполнения всех (параллельно) [| и любого (одного) | из операторов, объединяемых этими символами; пере­носа части СЛСА на-другую строку X; продолжения СЛСА ...; установления или изменения индекса или выражения : = ; пере­дачи импульсным сигналом по специальной шине i—i; выполне­ния части СЛСА программным путем гл.

Содержательные логические схемы алгоритмов записываются слева направо в порядке выполнения операторов, команд, логиче­ских условий, конкретное содержание которых заключается в круглые скобки. Для объединения нескольких связанных опера­торов (например, выполняемых одновременно) используются пря­моугольные, а для более крупного объединения операторов ■— фи­гурные и двойные скобки.

При одинаковых частях алгоритмов можно использовать для запи­си сокращенные обозначения, заключенные в угловые скобки <>. Например, вместо [ln(*o/*i) Ii2(*'/*2) I13 (^/-^з) ] II [I21 (-«;₀/л;») X ХЫла/Хя) М*я/*в)]11---Н [Im(*o/*i). ^I"s(^Jci/^JC2) ^lm(x₂/x₃)] мо­жет быть записано

■<Ii>:= [In(*b/*i) Ii2(*i/*2) Iis(*2/*s)]ll<l2>||...H<In>. В ряде слу­чаев возможна минимизация записи СЛСА объединением преобра­зований, последовательно выполняемых внутри блоков; например, I(x₀/xi)l(xi/x₂) может быть записано в виде 1(х₀/х₂).

Перенос выполнения алгоритма обозначается верхними полу-

Таблица 1.1. Обозначения ФБ и преобразований

Н аименование блока

Условное обозначение

Наименование блока

Условное обозначение

Датчик

IJtgfa)

ПреоЗразова-тель кодов

#

#

КФг)

Аналоговый пре­образователь

Цифровой ком­мутатор, муль­типлексор

MUX

Щ/'О

Нормирующий аналоговый преоб­разователь

Ъ,

О

Цифровое ЗУ

_-Г

м

I(SlZ)

Аналоговый ком­мутатор

_{= £-}

Ш1ч)

Цифровое устройство сравнения

1(СГ?:гцг_})

\ , 1

п

T(CP:Z)

Аналоговое ЗУ

Аналоговое уст­ройство сравнения

-Li

I(S:X)

KCH'-x^Xf}

Цифровое вы­числительное устройство

Мини- или микро-ЭВМ

_ч

СР

с_%

тР:1У,Ф(Ф*)

Аналоговое вы­числительное уст­ройство

Аналоговый ка­нал связи

Регист рирующий прибор

Г)

КС

I(F:X}

Их)

I(W:x)

Цифровой канал связи

Устройство управления

КС.

*#

-1

+1

ФВУ

xv

Г(/?:*>

Показывающий прибор

Исполнитель­ное устройство

Аналого-цифро­вой преобразова­тель

Кф)

Цифровое ре­гистрирующее устройство

- #

I(W:Z)

Продолжение таб.1. 1. Г

Дисплей (экранный пульт)

Цифровой ин­дикатор

Индикатор ре­зультатов кон­троля

Та".мер

Вычислитель­ные операции

Наименование блока

Цифро-аналого­вый преобразова­тель

Накопитель на магнитных дисках

Накопитель на перфоленте

Накопитель на магнитно"! ленте

Наименование блока

Условное обозначение

А

рооЛщ-.г)

)I(R-CHay

1(R:X-,Z) I(W.X;Z)

КГ)

S I Д |f 1 П | г | d

скобками Г или ~|, показывающими его направление, а место продолжения — нижними полускобками _|или]_- Если в алгорит­ме имеются несколько переносов действия, то они маркируются

Г- J. L-T « /

Перенос действия алгоритма в замкнутых измерительных си­стемах (системах с обратной информационной связью) обознача­ется с помощью полускобок, которые в этом случае показывают жесткое соединение отмеченных мест в цепи преобразования. На­пример, В СЛСА [I(*l)HL.I(*o.c)]I[(*l— *о.с)/*2][1(**/*о:с)~11И(*а)1

показано действие информационной обратной связи в системе.

Последовательность выполнения алгоритма изменяется, если не удовлетворяется логическое условие со. В этом случае дальней­шее выполнение алгоритма определяется знаками переноса. На­пример, в СЛСА [_Ii (/*) (о((о*)~|1₂(/*), если не удовлетворяется условие о*, выполняются преобразования Ii(/*) Ii (/*)... до тех пор, пока со* = 1, тогда происходит преобразование Ы^*)-

Если справа от условного логического оператора не стоит по­лускобка, то этот оператор задерживает выполнение алгоритма-до тех пор, пока не будет удовлетворено логическое условие.

Для отражения в СЛСА временных соотношений целесообраз­но учитывать следующие рекомендации.

Преобразования над аналоговыми сигналами выполняются в течение всего времени действия алгоритма. Преобразования дис-

жретных и цифровых величин выполняются в течение ограничен­ного времени, а их результаты сохраняются на выходе преобразо-1вателей в течение времени, необходимого для последующих пре-•образований. Если необходимо оставить неизменным какой-либо ■сигнал в течение определенного времени, то могут быть исполь­зованы обозначения начала и окончания его действия: I(/*)...

.. Л(/*), Ф(Ф*) ...Ф(Ф*) и т. п.

Если система имеет несколько ступеней иерархии, то на каж­дой из ступеней целесообразно ввести свою индексацию сигналов. ■Сигналы, связанные с определенными блоками, могут при необхо­димости иметь индексы, соответствующие номеру блока. Сигналы, формируемые блоком управления, желательно отмечать индек­сом 0 (1о, Фо, «о, фо)- Условные обозначения СЛСА сведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Условные обозначения содержательных логических схем алгоритмов

С одержание

Обозначение

Содержание

Обозначение

С имволы

Преобразование сигналов Параллельное преобразо­вание (И) Выполнение любого пре­образования (ИЛИ)

Перенос СЛСА

Продолжение СЛСА

Объединение преобразо­ваний

Сокращенное обозначение Расшифровка или изме­нение содержания

Передача импульсного сиг­нала

Выполнение алгоритма программным путем

Перенос выполнения алго­ритма

X '].'{'■} (•>

r...j.L-"l

Начало и окончание дей­ствия операторов (раз­мещается над опера­тором)

невыполнение (над опера-

Отрицание, оператора тором)

Информационные опера­торы (см. табп. 1.1)

Служебные операторы

Адрес

Субадрес

Время

Режим работы, диапазон

Статус, состояние

Логические операторы

Командные операторы

Начать

Завершить

Записать

Выдать на устройство индикации

(-)

ЦП

Ad(AZ*)

SbAd(SbAd*)

ЦТ)

L(f)

?(?*) ю(ю*)

ф(Ф*)

ф(В)

ф(Е)

4>(W)

О преобразованиях СЛСА

Ниже приводится несколько общих соображений о преобразо­ваниях СЛСА.

Возможно выполнение однородных операций измерительных преобразований параллельно (одновременно) [Ii(/*)||...||I,-(/*)l|... ...\\1п{1')\ и последовательно Ii (/*)... I* (/*)... 1„(/*) во време­ни. Тот или иной вариант СЛСА должен выбираться в результа-

те анализа времени преобразования и сложности структуры в предъявляемых в этом отношении требований к системе.

Выполнение одинаковых преобразований из параллельных ка­налов может быть выделено и произведено последовательно. На­пример, СЛСА [I(_Xl) I(*i/A*i)||...||I(*<) I(**/**,-)||...HI(x„)X Xl{x_n/kx_n)_][_0(i: = i+l) I{X/kXi) a(i=n)~~\... может быть пре­образована к следующему виду:

[I (*,) ||... ||1 (*,) ||... ||I (x_n) ] [_Ф(*: = «+1) X

XI(X/Xi) I(x_t/kx_t) ю(*=п)~|-..

Целесообразность такого выделения определяется в результа­те анализа в первую очередь метрологических характеристик.

Одинаковые преобразования в последовательной цепи можно выполнять только один раз: например, СЛСА [_Ф(1: = t+l)X X[I(S:Dt) I(S:Dj)] co(i"=n)~|.. может быть преобразована к виду:

1_Ф(»: = Ч-1) I(S:Dt) to(i=n)~\l (S:Dj),

Для частей СЛСА, содержащих большое количество однотип­ных операций и логических условий, в целях их минимизации мо­жет быть использован формальный аппарат преобразования логи­ческих схем алгоритмов и т. п.

Варианты СЛСА одной и той же ИИС могут различаться сте­пенью детализации (от объединения сложных преобразований до совокупности простых операций), соотношением объемов ана­логовой и цифровой частей, объемами аппаратной и программ­ной реализаций, местом размещения канала связи в системе, по­следовательностью выполнения операций преобразования (парал­лельное, последовательное), применением стандартных или спе­циализированных интерфейсов и т. п.

Вариант СЛСА системы должен выбираться на основании со­поставления результатов анализа с предъявляемыми требова­ниями.

Важно отметить, что при анализе погрешностей измерения должны учитываться погрешности информационных операций преобразования, а при анализе времени измерения должно учи­тываться также время выполнения всех служебных и информа­ционных операторов. Следует обратить внимание на необходи­мость учета совместного (совмещенного во времени) выполнения преобразований аналоговых сигналов и раздельного во времени выполнения операций над импульсными и цифровыми сигналами.

В первом случае следует применять известные методы реше­ния дифференциальных уравнений, а во втором можно ограни­читься суммированием времен выполнения операций дискретных и цифровых преобразований (см. гл. 21).