10.3. Микропроцессоры и эвм в системах управления

Первые ЭВМ строились на базе ламп, позже транзисторов, имели небольшое быстродействие и надежность, предназначались главным образом для выполнения сложных вычислений, связан­ных с проектированием оружия. Основной целью при их проектировании было обеспечение предельного быстродействия пусть даже ценой усложнения конструкции ЭВМ. ЭВМ этого типа существуют и сейчас (большие и суперЭВМ) и используются для автоматизации сложной рутинной работы человека.

Решение сложных задач требует быстродействующего процессора, емкого оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), емких магнитных дисков и т.д., что обусловило огромную стоимость таких ЭВМ.

Для повышения эффективности использования этих ЭВМ формируется очередь программ, подлежащих выполнению. При вынужденной остановке выполнения текущей программы, например на время обращения к устройству печати или магнитному диску, при ожидании ввода с клавиатуры, во избежание простоя дорогостоящей техники автоматически запускается следующая в очереди программа, так что процессор работает непрерывно, и в ЭВМ одно­временно выполняется множество программ, запускаемых пользователями с многочисленных терминалов. Исходя из соображений общей эффективности использования ЭВМ, конкретная программа может быть прервана и отложена. При этом время выполнения конкретных программ является непредсказуемым.

Основная черта использования этих ЭВМ — отсутствие прямой связи с внешним миром, когда не требуется мгновенной реакции на внешние обстоятельства (рис. 57, а).

С появлением в конце 60-х годов XX века микросхем мощность увеличилась, ЭВМ стала надежнее, а стоимость снизилась. Были сделаны попытки создания управляющих ЭВМ (УЭВМ), предназначенных для управления сложными техническими объектами, функционирующими в реальном мире, когда человек является в основном наблюдателем (рис. 57, б). При изменении условий существования объекта требуется оперативное управление. При возникновении непредвиденных ситуаций необходима значительная мощность ЭВМ для своевременной выработки и выдачи управляющего воздействия на объект управления во избежание аварий.

Рис. 57. ЭВМ в обработке данных и системе управления

Задержка обработки сигнала от объекта должна быть минимальной, поэтому типичным является выполнение одной управляющей программы, а основным состоянием УЭВМ является ожидание сигналов от объекта или моментов выдачи управляющих воздействий. Во избежание людских и материальных потерь УЭВМ должны иметь высокую надежность. Для повышения надежности и быстродействия системы управления стремятся предельно приблизить УЭВМ к объекту управления.

Задачи управления сравнительно просты. В совокупности эти причины обусловили стремление к упрощению, удешевлению и миниатюризации УЭВМ при росте их числа. Немаловажным является требование гибкости структуры УЭВМ для обеспечения простоты их адаптации к выполнению задач управления конкретными объектами.

Принципы построения первых УЭВМ (миниЭВМ) оказались настолько удачными, что подавляющее большинство современных ЭВМ построены на их основе. На рис. 58 приведена структу­ра типичной современной ЭВМ. Основой ЭВМ является магистраль для обмена данными между отдельными устройствами, или модулями ЭВМ (шина, являющаяся совокупностью проводов или дорожек на печатной плате, к которым подключаются блоки ЭВМ). При передаче данных шина занята, и все модули, нуждающиеся в обмене данными, должны ждать ее освобождения, что делает шину узким местом, во многом определяющим быстродействие ЭВМ.

Мозг ЭВМ — центральный процессор (ЦП) — предназначен для обработки данных. Процессор состоит из следующих основных частей:

• операционного устройства, или сумматора, или арифметическо-логического устройства (АЛУ) — автомата по выполнению ко­манд программы типа арифметических команд сложения или умно­жения двух чисел и логических команд сравнения двух чисел и др.;

Рис. 58. Структура типичной ЭВМ

• регистров и внутренней памяти процессора для промежуточного хранения исходных данных и результатов работы сумматора;

• устройства шинного интерфейса, предназначенного для чтения из памяти по шине команд программы и исходных данных и записи в оперативную память результатов.

Процессор последовательно считывает из памяти команды программы и выполняет их. Последующие команды пользуются результатами выполнения предыдущих команд.

Возможны команды условного перехода, когда выполняется сравнение содержимого ячеек памяти, и в зависимости от результата сравнения осуществляется переход не к следующей по порядку команде, а к команде, хранящейся по адресу, указанному в команде перехода. Команды этого типа позволяют реализовать сложную логику обработки данных. Из технических соображений центральный процессор проектируют так, чтобы он обрабатывал одновременно число бит (двоичных разрядов), равное Т.

Важнейшим модулем ЭВМ является оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), в которое записываются и считываются команды и данные программы по адресам.

Современное полупроводниковое ОЗУ — микросхема, состоящая из большого количества триггеров, каждый из которых способен хранить 1 бит (0 или 1), и механизма адресации для доступа к этим данным по заданному адресу. Обмен с ОЗУ осуществляется обычно байтами, 1 байт = 8 бит — число бит, достаточное для кодирования 256 символов, обычно используемых в текстах (буквы большие и малые, русские и латинские, цифры, знаки). Объем ОЗУ современных ЭВМ исчисляется мегабайтами, или миллионами байтов. Тексты хранятся в ОЗУ в виде последовательностей символов. Под целые числа отводится по 2... 4 байта, под дробные числа — по 4...8 байтов. При выключении ЭВМ микросхема ОЗУ обесточивается, и вся информация, записанная в ОЗУ, теряется.

Наряду с оперативным в ЭВМ имеется и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), работающее только на чтение. Информация в ПЗУ записывается с использованием сложного оборудова­ния в заводских условиях, изменить или стереть ее сложно, при выключении питания данные сохраняются. ПЗУ используется для хранения неизменных данных, например элементов программного обеспечения, ответственных за управление внешними устройствами типа клавиатуры, дисплея, магнитного диска (так называемых драйверов внешних устройств).

Адреса ОЗУ и ПЗУ составляют единое адресное пространство, и обращение к ним происходит с использованием общих команд. Соотношение размеров ОЗУ и ПЗУ определяется назначением ЭВМ. Например, в ЭВМ общего назначения память состоит в основном из ОЗУ, чем обеспечивается гибкость и универсальность ЭВМ. В УЧПУ станка доля ПЗУ, хранящего неизменные программы управления узлами станка, как правило, значительно больше.

Шину, процессор и ЗУ иногда называют центром ЭВМ, так как именно они составляют базу, на которой строится ЭВМ и которая определяет ее возможности. Остальные модули, такие как дисплей, накопитель на магнитном диске, принтер, соединяются с шиной при помощи контроллеров — блоков сопряжения.

Для подключения к ЭВМ любого из многообразных внешних устройств, выпускаемых промышленностью или изготавливаемых для системы управления индивидуально, достаточно изготовить контроллер — несложный блок преобразования данных и команд из стандарта, принятого для обмена по шине ЭВМ, в формат данного устройства. Часто контроллер выполняет функцию управ­ления сложным внешним устройством типа мощного принтера, диска или дисплея и в этом случае представляет собой специализированную микро-ЭВМ со своими процессором, ОЗУ и ПЗУ.

Использование шин в ЭВМ обеспечивает гибкость структуры и позволяет компоновать ее из необходимых для конкретного применения модулей.

Важнейшим из внешних устройств является накопитель на магнитном диске, предназначенный для хранения больших объемов информации (программ и данных). Стоимость хранения единицы информации на диске значительно ниже, чем в ЗУ, и при выключении ЭВМ информация на диске сохраняется. Емкость дисков исчисляется гигабайтами (миллиардами байтов).

Переход к использованию больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных микросхем привел к снижению стоимости и габаритов, повышению мощности и надежности современных ЭВМ. Современный микропроцессор состоит из многих милли­онов транзисторов, имеет площадь порядка нескольких квадратных сантиметров и способен выполнять несколько сотен миллионов операций в секунду.

ЭВМ создают обычно на базе одного из микропроцессорных наборов, состоящих из согласованных между собой микросхем: микропроцессора, ОЗУ, ПЗУ, контроллера, шины, АЦП и ЦАП и т.д. Постепенно сформировался стандарт на основные модули микроЭВМ, что привело к их унификации, повышению качества и снижению стоимости как самих микросхем, так и программного обеспечения ЭВМ.

Производство дешевых и мощных одноплатных микро-ЭВМ, оснащенных магнитным диском и емкой памятью и помещенных в герметичный металлический корпус, сделало их незаменимым эле­ментом систем управления. Объединенные в сети, такие микро-ЭВМ составляют костяк систем управления современным производством.

При проектировании системы управления встает вопрос, какую ЭВМ использовать: специализированную или общего назначения. Специализированные ЭВМ, ориентированные на решение задач узкого класса, обеспечивают требуемую надежность, быстродействие, функциональные возможности, габариты, устойчивость к условиям эксплуатации. Однако их использование эконо­мически оправдано только при широких масштабах применения системы управления, например в качестве УЧПУ станков, так как решение других задач на этой ЭВМ невозможно или неэффективно, а индивидуальная разработка и изготовление специализированных ЭВМ и программного обеспечения к ним дороги. Использование ЭВМ общего назначения для управления, с одной стороны, выгодно, так как они выпускаются крупными сериями и дешевы, имеется много специалистов по их использованию, сама ЭВМ может применяться для решения широкого круга задач; кроме того, возможно недорогое обновление системы ввиду совместимости новых моделей ЭВМ со старыми. При этом для включения ЭВМ в систему управления требуется разработка контроллера и драйвера к нему, что для типовых ЭВМ не составляет труда. Однако, с другой стороны, обычные ЭВМ часто недостаточно быстродействующи, надежны и устойчивы к окружающей среде.

В связи с удешевлением массовой электроники и ростом ее возможностей наблюдается тенденция максимального использования готовых компонентов вплоть до ЭВМ, выпускаемых в этом случае в специальном исполнении (герметичный кожух, малые габариты, специальное конструктивное оформление).