Основы проектирования приборов и систем. Лекции

Рисунок 16 Программируемые контроллеры

Учитывая специфику устройств, критерии оценки можно разделить на три группы (рисунок 17): технические характеристики;

эксплуатационные характеристики; потребительские свойства.

При этом критериями выбора необходимо считать потребительские свойства, то есть соотношение показателей затраты/производительность/надежность, а технические и эксплуатационные характеристики ограничениями для процедуры выбора.

Выбор аппаратуры производится в четыре этапа:

определение соответствия технических характеристик предъявленным требованиям; определение соответствия эксплуатационных характеристик предъявленным требованиям; оценка потребительских свойств выбираемой аппаратуры; ранжирование изделий.

Рисунок 17 Критерии оценки программируемых контроллеров

4) Средства вывода информации и управления.

Рассматриваемый класс технических средств предназначен для вывода управляющей информации из вычислительных устройств оператору или непосредственно на исполнительные механизмы.

Устройства преобразуют машинные сигналы в форму, которая воспринимается человеком и исполнительным механизмом.

Предварительно средства вывода информации выбирают по классификационным признакам:

средства сигнализации применяются для световой сигнализации положения управляющего органа, для световой и звуковой сигнализации нарушений нормального режима работы и для других целей;

средства вывода информации на регистрацию служат для печати результатов измерений, вычислений, сменных рапортов, вторичных документов, графиков и т.п.;

средства вывода информации для интерактивного режима работы оператора с вычислительной системой применяют при взаимодействии оператора с автоматизированной системой.

Если такие средства серийно изготавливаются, то по их техническим характеристикам осуществляется окончательный выбор.

1.1.2Интерфейсы

1.1.2.1 Понятие интерфейса.

Создание современных автоматизированных систем связано с задачами объединения в единый вычислительный комплекс различных программируемых контроллеров, устройств хранения и отображения информации, аппаратуры передачи данных и непосредственно рабочих станций.

Эти задачи возлагаются на унифицированные системы сопряжения - интерфейсы. Термин интерфейс (синоним слова сопряжение) понимается как совокупность схемотехнических и программных средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов устройства или системы.

Составными физическими элементами связей интерфейса являются электрические цепи, называемые линиями интерфейса. Часть линий, сгруппированных по функциональному назначению, называется шиной, а вся совокупность линий магистралью.

Всистеме шин интерфейсов условно можно выделить две магистрали:

информационного канала;

управления информационным каналом.

По информационной магистрали передаются коды данных, адресов, команд и состояний устройств. Аналогичные наименования присваиваются соответствующим шинам интерфейса (ШД, ША).

Магистраль управления информационным каналом по своему функциональному назначению делится на ряд шин:

управления обменом; передачи управления; прерывания;

специальных управляющих сигналов.

Шина управления обменом включает в себя линии синхронизации передачи информации. Применяется асинхронных или синхронный обмен. Асинхронная передача происходит при условии подтверждения приемником готовности к приему и завершается подтверждением о приеме данных. При синхронной передаче темп выдачи и приема данных задается регулярной последовательностью сигналов.

Шина передачи управления выполняет операции приоритетного занятия магистрали информационного канала. В большинстве интерфейсов взаимодействие выполняется по принципу ведущийведомый или master-slave, при котором ведущее устройство может брать управление шиной на себя в определенные моменты времени. При наличии в системе нескольких устройств, способных выполнять функции ведущего, возникают проблемы приоритетного распределения ресурсов шины арбитража.

Шина прерывания применяется в машинных интерфейсах. Основная ее функция идентификация устройства, запрашивающего сеанс обмена информацией. Идентификация состоит в определении контроллером или процессором исходной информации о запрашиваемом устройстве. В качестве информации об устройстве используется адрес источника прерывания, либо адрес программы обслуживания прерывания вектор прерывания.

Шина специальных управляющих сигналов включает в себя линии, предназначенные для обеспечения работоспособности и повышения надежности устройств интерфейса. К этим линиям относятся: линии питания, контроля источника питания, тактирующих импульсов, защиты памяти, общего сброса, контроля информации и т.д.

1.1.2.2 Классификация интерфейсов.

Косновным характеристикам интерфейса относятся: функциональное назначение; тип организации связей; принцип обмена информацией; способ обмена; режим обмена; количество линий;

число линий для передачи данных; количество адресов; количество команд; быстродействие; длина линий связи;

число подключаемых устройств; тип линии связи.

Интерфейсы классифицируются:

1)По функциональному назначению интерфейсы можно подразделить на следующие: магистральные (внутримашинные); внешние интерфейсы периферийных устройств; системные (интерфейсы локальных сетей).

2)По типу организации связей интерфейсы подразделяются на следующие:

магистральные; радиальные; древовидные;

радиально-магистральные.

3)По принципу обмена информацией интерфейсы подразделяются на следующие:

спараллельной передачей информации;

споследовательной передачей информации;

спараллельно-последовательной передачей информации.

4)По режиму обмена информацией интерфейсы подразделяются на следующие:

ссимплексным режимом обмена;

сполудуплексным режимом обмена;

сдуплексным режимом обмена;

смультиплексным режимом обмена.

В симплексном режиме лишь один из двух абонентов может инициировать в любой момент времени передачу информации по интерфейсу (см. рисунок 18).

Рисунок 18 Симплексный режимом обмена

В полудуплексном режиме любой абонент может начать передачу информации другому абоненту, если линия связи интерфейса при этом оказывается свободной (см. рисунок 19).

Рисунок 19 Полудуплексный режимом обмена

В дуплексном режиме каждый абонент может начать передачу информации другому абоненту в произвольный момент времени (см. рисунок 20).

Рисунок 20 Дуплексный режимом обмена

В мультиплексном режиме в определенный момент времени связь может быть осуществлена между парой абонентов в любом, но единственном направлении от одного из абонентов к другому абоненту (см. рисунок 21).

Рисунок 21 Мультиплексный режимом обмена

5)По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на следующие:

ссинхронной передачей данных (с постоянной временной привязкой в цикле сбора информации);

сасинхронной передачей данных (без постоянной временной привязкой к определенному временному интервалу цикла сбора информации).

1.1.2.3 Магистральные (внутримашинные) интерфейсы.

1) Рассмотрим принцип работы магистральных интерфейсов.

Магистральные интерфейсы реализуются на основе многопроводной высокочастотной магистрали передачи информации, состоящей из набора линий (проводов). Каждый провод представляет собой длинную линию, согласованную с обоих концов. В разрывы проводов через интерфейсные разъемы параллельным образом могут подключаться различные устройства. Вход-выход устройств на магистраль осуществляется только через стандартизованные интерфейсные элементы это усилители-источники сигналов (ИСТ) и усилители-приемники сигналов (ПРМ), представленные на рисунке 22.

Рисунок 22 Прием-передача двунаправленного сигнала

Когда периферийное устройство, которое может быть Задатчиком, запрашивает управление магистралью, оно делает это с одной из двух целей:

осуществить передачу данных в или из памяти непосредственно, помимо процессора, в режиме прямого доступа к памяти (ПДП);

прервать выполнение программы и заставить процессор перейти через вектор прерывания устройства к программе обслуживания прерывания в режиме обработки прерывания.

Использование информационной части магистрали разрешается запрашивающему обслуживание устройству в соответствии с установленной схемой приоритетов. Для приема запросов на прерывание Задатчиком интерфейса от Исполнителей или других Задатчиков используются линии запроса прерывания

INT.

При захвате Задатчиками управления интерфейсом используются три варианта приоритетного арбитража:

последовательный; параллельный; циклический.

Схема последовательного арбитража представлена на рисунке 23.

Рисунок 23 Схема последовательного арбитража

Вход сигнала BPRN Задатчика, имеющего наивысший приоритет, подключается к общему проводу. Выход сигнала BPRO Задатчика с высшим приоритетом подключается ко входу сигнала BPRN следующего Задатчика с более низшим приоритетом и т.д.

Схема параллельного арбитража представлена на рисунке 24.

Рисунок 24 Схема параллельного арбитража

В данной схеме арбитраж запросов магистрали от задатчиков на линиях BREQ осуществляется приоритетным шифратором. Зашифрованное значение приоритета запроса затем дешифруется дешифратором для выдачи соответствующего сигнала BPRN. После того, как любой из Задатчиков заканчивает обращение по интерфейсу, ему присваивается самый низкий приоритет, а у остальных Задатчиков приоритетный вес соответственно увеличивается и арбитраж осуществляется по новой системе приоритетов.

Схема циклического арбитража за исключением самого принципа работы организуется так же, как и схема параллельного арбитража. Все Задатчики имеют переменный приоритетный вес.

2) Приведем обзор представителей внутримашинных интерфейсов.

Уже историей являются фирменные шины типа NuBus (Apple), Microchannel (IBM) или Q-Bus (DEC), когда-то широко применявшихся в промышленных системах.

Шина STD это почти ровесник микрокомпьютерной эры. Тем не менее, STD до сих пор довольно широко распространена, особенно в США. Дальнейшее распространение получил 32-разрядный вариант этой шины - STD-32.

Шина ISA безусловно является самой распространенной в мире и еще долго будет применятся в индустриальных компьютерах. Шина РС/104 практически представляет собой версию шины ISA в другом конструктивном исполнении, хотя их электрические характеристики отличаются (нагрузочная способность РС/104 уменьшена до 4 мА). РС/104 часто используется в качестве шины расширения для одноплатных компьютеров.

Шина VL-Bus быстро потеряла свою популярность, повторяя судьбу 486 микропроцессора, который ее в свое время и породил.

Шина EISA еще применяется в высокопроизводительном оборудовании, однако быстро вытесняется шиной PCI.

Шина Multibus II, рассматривавшаяся в свое время как серьезный конкурент VME, сейчас переживает не лучшие свои времена, особенно после того, как фирма Intel отказалась от поддержки своего детища.

Шина же VME получила довольно широкое распространение для индустриальных и других специальных приложений. Однако основные принципы шины VME, заложенные компанией Motorola в 70-х годах (в эпоху господства технологии TTL), стали тормозом на пути ее развития. Несмотря на появление расширенной версии (VME64), доля изделий VME на рынке встраиваемых систем постепенно уменьшается.

Сравнительно недавно в недрах ассоциации производителей оборудования с шиной PCI (группа PICMG) были разработаны спецификации на шину Compact PCI. Платы Compact PCI могут иметь размеры 3U (100х160 мм) или 6U (233,35х160 мм). Пассивная объединительная панель может содержать до 8 слотов Compact PCI. В один из крайних слотов должна быть вставлена системная плата. Контакты 1-25 шины Compact PCI содержат сигналы 32-разрядной шины РСI, а контакты 26-47 - сигналы 64-разрядной версии.

Сначала PCI получила признание в качестве шины для плат VME в измененном конструктивном исполнении, а сейчас уже появились комбинированные платы VME высотой 6U, где в качестве второго разъема используется Compact PCI.

Архитектура PCI оказала также большое влияние на шину CardBus, являющуюся дальнейшим развитием стандарта PCMCIA.

Хотелось бы посоветовать системным интеграторам не увлекаться супермодными быстродействующими шинами без особой на то необходимости. В 90 % случаев для обмена с аппаратурой аналогового и цифрового ввода/вывода достаточно иметь шину с пропускной способностью менее 1 Мбайт/с. Об этом мы будем говорить позже.

Лекция 9

1) Рассмотрим подробнее стандарт PCI.

Шина PCI была предложена фирмой Intel первоначально в качестве средства связи между микросхемами. Рожденный в 1992 году стандарт PCI занял господствующее положение в области шин расширения для персональных компьютеров. Шина PCI оказала влияние не только на офисные компьютеры, но и на вычислительную технику специального назначения.

Внастоящее время PCI активно используется в качестве локальной шины для связи между микросхемами как в рамках архитектуры Intel, так и в системах на базе Power PC, Alpha и т. п.

Для промышленных компьютеров существует несколько реализаций шины PCI, которые по типоразмерам применяемых плат наиболее близки к офисным компьютерам. Более того, в таких промышленных системах могут без каких-либо переделок применяться обычные платы PCI. Однако, в остальном промышленные компьютеры достаточно сильно отличаются от своих офисных аналогов.

Спецификации шины PCI+ISA были предложены в начале 1995 года. Процессорные платы, разработанные в соответствии с этим стандартом, представляют собой полноразмерные платы IBM PC, на краевой разъем которых выведена как шина ISA, так и PCI. Соответственно в системе могут применяться одновременно как платы ISA, так и платы расширения с шиной PCI.

Продолжением развития стандарта PCI стали интерфейсы NLX для офисных компьютеров с быстрым удалением материнской платы и PCI для компьютеров промышленного применения.

Встандартных конструктивах Евромеханики (МЭК-297) получили широкое применение Industrial PCI, Compact PCI, PXI.

Вмобильных приложениях стали популярными Card Bus и Small-PCI.

Вкачестве применения на платах уменьшенного размера применяются PMC, PC/104+, PC-MIP.

2) Закончив краткое рассмотрение основных вариаций шины PCI, зададимся вопросом о причинах ее популярности в промышленных и других встраиваемых системах. Основную роль здесь играет растущее признание шины PCI в качестве стандартной шины для офисных персональных компьютеров, что имеет сразу несколько последствий:

наличие большого числа не дорогих электронных компонентов, ориентированных на шину PCI; большой задел программного обеспечения как в области системного ПО, так и в области драйверов

устройств ввода/вывода;

независимость шины PCI от типа центрального процессора. Сейчас шина PCI в качестве локальной шины используется не только в системах с микропроцессором класса Intel х86, но и для Power PC, Alpha, MIPS и т. п.;

пропускная способность шины адекватно соответствует быстродействию современных микропроцессоров.

В качестве недостатков шины PCI можно отметить следующие:

так как исторически шина PCI разрабатывалась в качестве интерфейса связи микросхем, она не поддерживает мультипроцессорность и не имеет развитой системы прерываний;

малая нагрузочная способность шины PCI. Максимальное число плат расширения колеблется от 4 (PCI+ISA) до 7 (Compact PCI), в то время как для традиционных шин (например, ISA или VME) это число доходит до 20. Нагрузочная способность шины PCI может быть увеличена с помощью специальных мостов PCI-to-PCI, однако в ущерб производительности шины;

шина PCI, в отличие от традиционных асинхронных шин, является синхронной, в связи с чем для ее нормальной работы временная диаграмма сигналов на шине должна выдерживаться с точностью до 2 нс при длительности периода синхросигнала 30 нс. Из-за этого становится сложнее обеспечивать работоспособность системы в условиях промышленных помех, а также в широком диапазоне температур.

Но различные разновидности шины PCI уже составляют около 17% рынка.

Через наиболее распространенную 32-разрядную версию шины PCI с тактовой частотой 33 МГц теоретически можно передавать 132 Мбайт в секунду.

Рассмотрим вопросы быстродействия шины PCI применительно к промышленным системам.

Как известно, у шины PCI линии адреса и данных мультиплексируются, причем при блоковых передачах по шине достаточно один раз задать начальный адрес для обмена, а затем весь блок данных может передаваться непрерывно, порциями по 4 байта за один такт шины (30 нс). Другими словами, теоретическая пропускная способность шины достигается при передаче бесконечно большого блока данных. Отсюда видно, что PCI может служить отличным интерфейсом для устройств, которые по своей природе предназначены для работы с блоками данных (НЖМД, Fast Ethernet и т. п.).

Но набор периферийных устройств в системах промышленного назначения может сильно отличаться от того, что мы привыкли видеть в офисных компьютерах. Видеоподсистема и дисковые накопители могут совсем отсутствовать, коммуникации зачастую используются медленные, а основной подсистемой является

аппаратура аналогового и дискретного ввода/вывода, через которую и осуществляется связь с объектом управления.

Технологические параметры поступают в систему в основном как байтовые или двухбайтовые двоичные переменные (точность АЦП, как правило, меньше 16 разрядов), которые затем обрабатываются по определенному алгоритму с целью выдачи управляющих воздействий. Отсюда видно, что в системах технологического управления циркулируют в основном не блоки данных, а одиночные значения (отсчеты) различных параметров. На считывание одиночного значения, например, с платы АЦП шина PCI затратит 4 такта работы (120 нс). Кроме того, циклу передачи по шине предшествуют несколько этапов (арбитраж и т. п.), которые характеризуются возможными задержками. Суммарная задержка лежит в пределах от 2 тактов (60 нс) до 258 тактов (7,74 мкс). В случае применения мостов PCI-to-PCI суммарная максимально возможная задержка получается умножением на число мостов плюс минимум один такт задержки на каждый мост. Такого рода задержки не в последнюю очередь явились причиной миграции интерфейсов видеоподсистем с шины PCI на шину AGP. Стандарт PCI в подсистемах, критичных к задержкам, рекомендует предусматривать буфер для хранения данных в течение 30 мкс (примерно соответствует максимальной задержке для 4 мостов).

Между процессором и системной магистралью в промышленных системах (в том числе с Compact PCI) всегда устанавливается хотя бы один мост PCI-to-PCI, поэтому к 4 тактам чтения и 2 тактам задержки на локальной шине нужно добавить минимум 3 такта задержки, необходимых для перехода на следующий сегмент PCI-шины через мост PCI-to-PCI. В итоге получается, что в идеальном случае (без тактов ожидания) мы сможем считать значение за 9 тактов, или 270 нс. Эквивалентное быстродействие при этом равно 3,7

миллионов отсчетов в секунду.

Шина ISA использует немультиплексированные линии адреса данных, и при тактовой частоте шины 8 МГц максимальное быстродействие без тактов ожидания составит 4 миллиона отсчетов в секунду (2 такта шины ISA). Для восьмиразрядной шины ISA, применяемой например в контроллерах MicroPC, требуется два цикла шины для получения одного 16-разрядного отсчета, поэтому максимально возможное быстродействие составляет 2 млн. отсчетов в секунду. В современных процессорных платах переход с быстродействующей ( 33 МГц) локальной шины на шину ISA, как правило, осуществляется с помощью специальных мостов, для которых характерны уже упомянутые задержки на локальной шине. Но даже «заторможенная» (с двумя тактами ожидания) 8-разрядная шина ISA имеет быстродействие 1 млн. отсчетов в секунду.

В результате получается, что в случае одиночных обращений превосходство шины PCI даже над 8-

разрядной ISA не такое уж и большое.

Очевидно, что компьютерная система управления занимается не только тем, что постоянно считывает какие-либо данные, она еще их обрабатывает. Типовым алгоритмом в системах автоматического регулирования является, так называемый, ПИД-алгоритм. В соответствии с этим алгоритмом считанное значение (например, температура воды в резервуаре) сравнивается с эталонным, после чего в зависимости от величины рассогласования выдается соответствующее управляющее воздействие (например, пошире открыть заслонку горячей воды). ПИД-алгоритм со всеми необходимыми преобразованиями и проверками на граничные условия, например, на микропроцессоре 5х86/133 МГц (по быстродействию соответствует Pentium 75) выполняется примерно за 100 мкс и требует за это время двух обращений к внешним устройствам (1 - считать значение и 2 - выдать управляющее воздействие).

Подсчитаем, какое реальное ускорение получит пользователь, используя быструю шину PCI вместо медленной (2 такта ожидания) 8-разрядной шины ISA, учитывая, что цикл записи на шине PCI выполняется в среднем на один такт быстрее, чем цикл чтения:

Полтора процента не такое уж значительное ускорение! Многие используют шину PCI в качестве шины расширения не из-за того, что она влияет на быстродействие системы, а из-за поддержки технологии plug&play.

Многие производители применяют гибридный подход, когда для работы со стандартными блочными устройствами используется PCI, а для специализированного ввода/вывода - другая шина, для которой существуют необходимые платы расширения или которая общепринята для конкретной сферы применения.

1.1.1.1 Внешние интерфейсы периферийных устройств.

1) Рассмотрим принцип работы внешних интерфейсов периферийных устройств.

В таких интерфейсах используются как параллельный (интерфейс Centronics, на котором в компьютере реализован LPT-порт), так и последовательный (интерфейс RS-232, на котором в компьютере реализован COM-порт) способы обмена информацией.

Интерфейсы с параллельной передачей информации являются унифицированной системой связей и сигналов между устройством ввода-вывода (УВВ) и контроллером вычислительной системы (Контроллер).

Как правило, интерфейсы с параллельной передачей информации - асинхронные радиальные одно или