2. Принципы построения микропроцессорных систем
Микропроцессорная система управления (МПСУ) - это вычислительная система, включающая в себя процессор, запоминающее устройство (ЗУ), расширитель арифметических функций (РА), объединяемые термином вычислитель (ВЧС), и контроллеры внешних устройств (рис. 2.1 а). Обмен информацией между блоками МПС осуществляется по специальному каналу обмена (магистраль ВЧС).
а) б)
Рис. 2.1. Структуры однопроцессорных МПСУ
а) с одной магистралью, б) с двумя магистралями
Контроллер внешнего устройства (КВУ) - включает в себя схемы сопряжения внешнего устройства (ВУ) с системной магистралью (интерфейс) и схемы преобразования входных и выходных данных внешнего устройства. Во многих устройствах ЧПУ КВУ выполняются с использованием специализированных, так называемых “потребительских” БИС, ориентированных на выполнение определенной функции, например преобразования сигналов датчика положения в код. Зачастую функции КВУ достаточно сложны и требуют такой степени адаптации к объекту и пользователю, что КВУ выполняется на базе специализированной МПС.
Расширители стандартных арифметических (сопроцессор) функций МПСУ необходимы для повышения производительности МПС при выполнении операций, входящих в базовый набор арифметических функций.
При использовании однопроцессорного вычислителя возможны две основные структуры, рассматриваемые ниже.
В структуре с общей магистралью (рис. 2.1 а) все контролеры ВУ сопрягаются с ВЧС через эту магистраль. В этой структуре нагрузочная способность магистрали ВЧС ограничивает возможности расширения системы, т.к. при значительном увеличении количества КВУ понижается помехоустойчивость передачи информации по магистрали. Данная структура используется в основном при разработке модульных контроллеров, например, SLC 500 фирмы Allen Bradley, S7 200 фирмы Siemens.
Для улучшения характеристик используется однопроцессорная структура с двумя магистралями (рис. 2.1б), сопряжение между которыми осуществляется через специальное устройство согласования магистралей - адаптер. В этой структуре КВУ оператора (дисплея, клавиатуры) сопрягаются обычно с магистралью ВЧС, а КВУ объекта (электроприводов, датчиков состояния объекта, устройств управления электроавтоматикой) сопрягаются с магистралью объекта. Примером реализации данной структуры являются УЧПУ 2С42, Маяк600.
В однопроцессорных СУ в полной мере определились основные принципы организации МПСУ, обеспечивающие возможность расширения системы при сохранении функциональной гибкости и обеспечении надежности функционирования при малом времени восстановления в случае отказа.
Принцип программно-аппаратной реализации функций управления. В соответствии с данным принципом основными функциями аппаратных средств КВУ являются функции преобразования информации вычислителя в сигналы управления объектом и обратное преобразование значения сигналов состояния объекта в машинную форму, а обработка информации производится программными средствами вычислителя.
Традиционно аппаратно реализуются функции цифроаналогового и аналогцифровогоового преобразования сигналов, согласование сигналов по уровням наряжения и тока. В случае необходимости получения максимального быстродействия, например, выполнение операций умножения, такие операции также выполняют аппаратно (аппаратные умножители). К недостаткам аппаратной реализации функций необходимо отнести высокую стоимость и невозможность изменения алгоритмов реализации функций.
Программная реализация функций осуществляется с существенно более низкой скоростью, но обладает определённой гибкостью, т.е. при необходимости алгоритм реализации при минимальных затратах всегда может быть заменён на более совершенный.
Магистрально-модульный принцип построения аппаратных средств. В соответствии с данным принципом аппаратные средства, входящие в состав базовой конфигурации МПСУ выполняются в виде унифицированных по конструкции модулей (механическая совместимость) и имеют унифицированные средства сопряжения с системными магистралями (функциональная и электрическая совместимость).
Принцип “встроенной” диагностики аппарата МПСУ. В соответствии с этим принципом каждый модуль, входящий в ВЧС и КВУ, должен иметь свои аппаратные диагностические средства (аппаратная избыточность). Это позволяет при наличии соответствующего программного обеспечения, быстро локализовать неисправность и снизить время восстановления устройства в случае отказа.
Однопроцессорные МПСУ накладывают ограничения на количественное и качественное расширение функциональных возможностей обусловленные следующими причинами:
Ограниченная вычислительная мощность (производительность) процессора, которая при большом числе управляемых координат и функций связи с оператором не обеспечивает управление в режиме реального времени.
Ограниченная возможность привязки МП СУ к объекту (управление большим числом входов и выходов ЭА объекта).
Ограничение, связанное с распределённостью объекта управления в пространстве.
Ограничение, связанное с конечной нагрузочной способностью системной магистрали.
Из сказанного следует, что переход к мультимикропроцессорным структурам СУ является объективной тенденцией развития этого класса устройств. В настоящее время распространены ММПС СУ, в которых увеличение функциональных возможностей достигается в результате применения в качестве локальной МПС (ЛМПС) однородных по элементной базе функционально законченных МП модулей, каждый из которых решает собственную вычислительную задачу (разделение функций управления). К локальным магистралям (ЛМ) данных ВЧС подключаются необходимые КВУ. Различие функций, выполняемых модулями, определяется различным ПО, записанным в память ВЧС, входящих в состав этих модулей. Такой подход позволяет создавать модульные МП СУ, расположенные в одном блоке или же распределенные по конструктивным блокам системы управления.
При расположении модулей ММПС в одном блоке с параллельным обменом информацией между ними (рис. 2.2 а) агрегатирование отдельных ВЧС осуществляется с использованием двухпортовых (многопортовых) блоков общей памяти (БОП) или параллельных модулей связи. Связь через БОП обеспечивает наименьшие потери производительности ММПС, обусловленные конфликтами при одновременном обращении вычислителей к БОП. В структуре рис. 2.2 а просматривается иерархия в построении магистралей. Верхний уровень управления - системная магистраль. Нижний уровень управления - локальные магистрали ВЧС1 - ВЧС n. В качестве примера реализации данной структуры можно назвать СУ промышленных роботов: РБ242Б - двухпроцессорная двухуровневая система управления с БОП, "Сфера 36" - семипроцессорная двухуровневая система управления с модулем связи.
Во второй структуре ММПС (рис. 2.2 б) в отличие от первой МП ВЧС имеют равные возможности обмена данными. Обмен осуществляется через адаптеры связи АС1-АС3, подключенные к локальным магистралям соответствующих вычислителей и имеющих выходы на два последовательных канала обмена. Достоинством данной структуры является конструктивная автономность локальных ВЧС, возможность их встраивания в аппаратуру, расположенную в различных местах общей системы управления при минимальном числе линий обмена и хорошей, а в перспективе при использовании оптических каналов обмена - идеальной помехозащищенности.
Недостаток структуры - ограниченная пропускная способность последовательного канала обмена.
В данной структуре также возможна организация иерархической подчинённости процессоров на аппаратном или программном уровне.
Эта структура реализована в таких системах распределённого управления как MC2101, MSH-TURBO-M.
Из сказанного выше следует, что для ММПС характерны следующие принципы построения:
- принцип разделения
функций управления между процессорами,
в соответствии с которым все функции
управления объектом распределяются
между процессорами таким образом, чтобы
получить максимальную производительностьния
объектом распределяются таким отразом,
чтобы получить макисальнуюнных роботов
мер,
- принцип иерархического построения аппаратных и/или программных средств.
Комбинируя принципы построения МПСУ, можно получить оптимальную по выбранному критерию структуру.
а) б)
Р
а) с параллельным обменом информации, б) с последовательным обменом