книги из ГПНТБ / Журавлев, Ю. П. Системное проектирование управляющих ЦВМ

По ф о р м е п р е д с т а в л е н и я ч и с е л различают:

—АУ с фиксированной запятой;

—АУ с плавающей запятой.

В АУ с ф и к с и р о в а н н о й з а п я т о й использу­ ется естественная форма представления чисел. Запятая может быть зафиксирована в любом месте разрядной сетки. Чаще всего она фиксируется либо перед старшим разрядом, либо после младшего. В этих случаях алго­ ритмы выполнения операций наиболее простые.

В АУ с п л а в а ю щ е й з а п я т о й используется нормальная форма представления чисел. АУ такого типа более сложны по устройству.

По с п о с о б у о б р а б о т к и и н ф о р м а ц и и различают:

—АУ последовательного действия,

—параллельного действия,

—параллельно-последовательного действия.

ряда к разряду. Достоинством АУ такого типа является его простота и экономичность. Существенный недоста­

выполняется над всеми разрядами чисел одновременно. При этом увеличивается количество оборудования, но

оборудования и быстродействию этот тип АУ занимает промежуточное положение между АУ последовательного и параллельного действия.

По т и п у с у м м а т о р а различают:

—АУ с сумматорами комбинационного типа,

—с сумматорами накапливающего типа.

В АУ с с у м м а т о р а м и к о м б и н а ц и о н н о г о т и п а для хранения результата операции используются дополнительные регистры, что приводит к увеличению оборудования. Однако быстродействие сумматоров ком­ бинационного типа выше, чем сумхматоров накапливаю­ щего типа.

В АУ с с у м м а т о р а м и н а к а п л и в а ю щ е г о т и п а результат операции сохраняется в сумматорах, но необходимость подачи на вход сумматора чисел, участвующих в операции, последовательно по времени,

30

приводит к уменьшению быстродействия по сравнению с сумматорами комбинационного типа.

По т и п у п р и м е н я е м ы х э л е м е н т о в разли­ чают:

—АУ с элементами импульсного типа,

—с элементами потенциального типа.

б) Классификация устройств управления ЦВМ. По с п о с о б у ф о р м и р о в а н и я у п р а в л я ю щ и х с и г ­

на л о в различают:

—центральные УУ,

—местные,

—комбинированные.

При ц е н т р а л и з о в а н н о м у п р а в л е н и и все управляющие сигналы формируются в одном централь­ ном управляющем устройстве. Схемная реализация такого устройства относительно сложна, что затрудняет контроль его работы и наладки. Центральные УУ при­ меняются, как правило, в специализированных маши­ нах и универсальных ЦВМ малой производительности.

В случае м е с т н о г о у п р а в л е н и я каждое уст­ ройство ЦВМ имеет автономный блок управления. При этом обеспечивается максимальная автономность рабо­ ты отдельных устройств ЦВМ, но увеличивается коли­ чество оборудования. Такой способ управления приме­ няется в вычислительных системах высокой производи­ тельности.

При к о м б и н и р о в а н н о м у п р а в л е н и и функ­ ции управления устройствами ЦВМ выполняют как цен­ тральные, так и местные УУ.

По с п о с о б у р а с п р е д е л е н и я в р е м е н и д л я в ы п о л н е н и я к о м а н д п р о г р а м м ы различают:

•— синхронное УУ,

—асинхронное,

—полусинхронное.

При с и н х р о н н о м способе управления время, от­ водимое для выполнения всех команд, одинаково. Существенным недостатком такого УУ являются непро­ изводительные затраты времени при выполнении команд.

При а с и н х р о н н о м управлении на выполнение каждой команды отводится фактически необходимое время. По сравнению с синхронным УУ несколько усложняется схема.

31

этом первый используется для управления короткими операциями, а второй—для управления длинными опе­ рациями.

§1.4. ТРЕБОВАНИЯ К УПРАВЛЯЮ Щ ИМ ЦВМ. БАЛАНСЫ ТРЕБОВАНИЙ

Применение ЦВМ для управления различного рода процессами требует рассмотрения ряда вопросов, свя­ занных со спецификой работы устройств переработки дискретной информации и их местом в системах авто­ матического управления. Особого внимания заслужи­ вают вопросы разработки цифровых машин, предназна­ ченных для использования в сложных системах управ­ ления, и, в частности, вопросы выявления требований, предъявляемых управляющим цифровым машинам, на основе требований, предъявляемых к системам в целом.

Рассматриваемые системы управления характеризу­ ются следующими свойствами. Во-первых, эти системы следует отнести к классу сложных систем. Сложность проявляется в том, что управляющие системы состоят из большого числа элементов (элементарных управляющих систем), имеют сложную систему связи, большие потоки информации и реализуют сложные целевые функ­ ции [5].

Во-вторых, процесс прохождения информации через каждую из основных частей системы управления описы­ вается с помощью алгоритмов, заложенных в структуру и конструктивное выполнение каждой части. Другими словами, каждая основная часть решает свою конкрет­ ную задачу; задачи различных частей системы не пере­ секаются.

Действительно, если целевая функция системы имеет

и осведомительных сигналов о состоянии системы вы­ рабатывает аргументы Xi, t целевой функции;

—■управляющая часть перерабатывает эти аргумен­ ты в соответствии с видом целевой функции и выдает множество управляющих сигналов на объектовую часть;

— объектовая часть изменяет свою «траекторию» в соответствии с характером целевой функции,

32

В-третьих, рассматриваемые системы управления функционируют в реальном масштабе времени. Это означает, что динамические ошибки запаздывания си­ стемы при реализации целевой функции не должны превышать некоторого множества допустимых значений, определяемого разрешающей способностью и устойчи­ востью системы.

Следующее важное свойство таких систем заключа­ ется в том, что в подавляющем большинстве случаев переработка информации в них осуществляется с по­ мощью цифровых устройств. Характерной особенностью цифровой машины и других дискретных устройств, вхо­ дящих в состав управляющей части системы, является то, что переработка информации цифровыми устройст­ вами осуществляется в соответствии с программами, которые могут описывать линейные и нелинейные за­ висимости и делают управляющую часть системы изо­ морфной любой динамической системе. При этом не­ маловажное значение имеют следующие два свойства цифровых устройств:

а) устройства, перерабатывающие дискретную ин­ формацию, по своей природе универсальны и с по­ мощью некоторого минимального набора операций мо­ гут реализовать любой наперед заданный алгоритм;

б) инструментальная ошибка устройств переработки дискретной информации не зависит от точности изго­ товления отдельных блоков и узлов, входящих в них, и принципиально может быть сделана сколь угодно малой.

Кроме того, использование цифровых устройств в управляющей части позволяет сделать замкнутую си­ стему автоматического управления с достаточным запа­ сом устойчивости (см., например, [6, 7]).

■Перечисленные свойства отражают наиболее суще­ ственные черты сложных систем управления и позво­ ляют несколько детализировать общий подход к про­ цессу проектирования отдельных звеньев, в частности, управляющих частей систем рассматриваемого класса, использующих цифровые машины.

Целевая функция системы содержит сведения о ха­ рактере, времени, точности и надежности решаемых системой задач. Эти сведения отражают ее целевое назначение и образуют совокупность основных требова­ ний, предъявляемых к ней.

Баланс времени. Баланс времени отражает функцио­ нальную связь между временными интервалами про­ хождения информации через все звенья системы.

В системах с обратной связью решение задачи осу­ ществляется путем многократного повторения циклов управления и поскольку управляющая часть системы представляет собой (конечно, в некотором приближе­ нии) дискретный ключ, то время одного цикла управ­ ления в предположении, что задающая и объектовая части являются непрерывными звеньями системы, опре­ деляется в соответствии с выражением T = T Y.

Время Т в системах с непрерывными задающей и объектовой частями, как правило, в явном виде на эта­ пе разработки требований, предъявляемых к системе, не задается. Чаще всего задаются частотные свойства объектовой части, т. е. собственно управляемых объек­ тов. Поэтому при использовании в управляющей части системы ЦВМ и других дискретных устройств возникает вопрос согласования частотных свойств непрерывной части системы с полосой пропускания ее управляющей части. Если такое согласование удовлетворяет теореме В. А. Котельникова, то динамические свойства управ­ ляющей части ‘близки к динамическим свойствам непре­ рывного звена.

При определении периода Ту выработки управляю­ щих воздействий (одного цикла управления) удобно задающую и объектовую части системы рассматривать совместно как ее непрерывную часть, а управляющую

ляющей сигналов на выходе непрерывной части систе­ мы, тогда

Гу< 1/2/.

Баланс ошибок. Баланс ошибок отражает влияние ошибок, вносимых каждой из основных частей, на об­ щую ошибку системы. Как правило, ошибки системы и отдельных ее частей указываются в виде среднеквадра­ тических значений.

Если ошибки, вносимые основными частями, неза­ висимы, то баланс ошибок в системе описывается вы­ ражением

Баланс надежности. Для последовательных систем, как известно, баланс надежности описывается выраже­ нием

Я = Я3ЯУЯ0,

причем для сложных последовательных систем распре­ деление вероятности безотказной работы системы при­ ближается к экспоненциальному.

Баланс стоимости. Баланс стоимости отражает сово­ купность потребляемых системой экономических ресур­ сов, выраженных в денежных единицах:

5 (Т) = S 3+ 5 y+ 5 0.

Здесь Т — время «жизни» системы, т. е. общее время ее эксплуатации, a S(T), Ss, S Y, S 0 — затраты на изго­ товление, амортизацию и эксплуатацию соответственно всей системы, а также ее задающей, управляющей и объектовой частей. Приведенное выражение справедли­ во, если функциональное и топологическое деления си­ стемы на части совпадают. В других случаях это выра­ жение несколько видоизменяется.

Балансы других требований обычно не составляются.

к каждой основной части системы. В частности, требо­ вания, предъявляемые . к управляющей части системы, определяются на основе следующих выражений:

Как видно из приведенных соотношений, чтобы вы­ явить характер требований к управляющему звену, необходимо прежде всего знать требования к системе, а также к ее задающей и объективной частям.

На практике системы управления проектируют обыч­ но для разработанных уже объектовых частей с тенден­ цией к использованию в качестве задающих частей серийно изготавливаемую промышленностью аппарату­ ру. В этих условиях выявление требований к управляю­ щей части системы, как правило, не представляет боль­ ших трудностей. Если же в проектируемой системе все основные ее части разрабатываются заново, то априор­ ные балансы требований стремятся составить так, что-

36

бы максимально удовлетворялись требования к системе в целом. При этом, разумеется, в процессе координиро­ ванного проектирования системы эти балансы могут уточняться с поправкой на практически получаемые результаты.

Таким образом, процесс проектирования дискретной управляющей части сложной системы автоматического управления необходимо начать прежде всего с выявле­ ния основных требований, которые в совокупности отра­ жают ее целевую функцию.

§ 1.5. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦВМ

Качество работы управляющих и универсальных ЦВМ и их приспособленность к решению задач того или иного класса определяются прежде всего основными техническими характеристиками:

— внутренним языком машины (т. е. системой команд, системой адресов и системой форматов команд),

—разрядностью и формой представления чисел,

—емкостью оперативных и внешних ЗУ,

—емкостью и пропускной способностью буферных ЗУ, а также других устройств ввода и вывода инфор­ мации,

—быстродействием,

—надежностью работы и т. д.

Каждая из перечисленных технических характери­ стик может рассматриваться как частный критерий оценки эффективности ЦВМ, поскольку любая из них в той или иной мере характеризует качество работы машины.

Пользоваться частными критериями на этапе проек­ тирования машины крайне трудно, так как, во-первых, каждый из них не отражает в явном виде качества работы ЦВМ, а во-вторых, выбрать оптимальное реше­ ние непросто из-за большого количества таких крите­ риев. Поэтому возникает задача разработать обобщен­ ные критерии, наиболее полно отражающие зависимость качества работы ЦВМ от совокупности ее технических характеристик. К таким критериям можно отнести:

—производительность,

—цену эффективного быстродействия,

—себестоимость однократного решения некоторой задачи и др.

37

ный показатель технической эффективности ЦВМ, зави­ сящий от совокупности основных технических характе­ ристик машины и учитывающий приспособленность последней к решению задач того или иного класса и условия эксплуатации машины. Этот показатель должен быть таким, чтобы с его помощью можно было оцени­ вать различные ЦВМ. Ясно, что не имеет смысла оце­ нивать работу различных ЦВМ безотносительно к ре­ шаемым задачам, поскольку очень часто возникают такие ситуации, когда из двух ЦВМ одна обладает большей производительностью при решении задач од­

управляющих ЦВЛ1 эталонной задачей является задача управления объектами системы; для ЦВМ широкого назначения эталонной задачей может служить любая вычислительная или логическая задача. В некоторых случаях сравнительную оценку универсальных ЦВМ широкого назначения можно производить относительно

38

б) известны объемы входной, промежуточной и вы­ ходной информации;

в) для заданной системы команд ориентировочно могут быть оценены емкость памяти и общее количество машинных операций, необходимые для решения задачи.

П о д п р о и з в о д и т е л ь н о с т ь ю W понимается количество решаемых машиной в единицу времени эта­ лонных задач в режиме ее нормальной эксплуатации, считая, что процесс решения задачи управляющей ЦВМ начинается с момента ввода исходной информации, а процесс решения задачи универсальной ЦВМ широ­ кого назначения начинается с момента ввода исходной информации и программы и заканчивается выдачей окончательных результатов, т. е.

где Гэ — время решения эталонной задачи. Пусть

Твв — время ввода программы и исходного числового материала,

То — время собственно решения задачи,

с помощью тестов, периодически выполняемых в про­ цессе решения задачи,

Tv — время, расходуемое на профилактические осмот­ ры и ремонты, на поиск и устранение неисправностей и приходящееся на однократное решение эталонной за­ дачи,

ей С2 — коэффициенты совмещения соответственно ввода и вывода информации с процессом решения за­ дачи.

Тогда время решения эталонной задачи может быть записано следующим образом:

Тэ — Твв(1—ei) + 7с+ 7’г+ 7’к+ 7’р-}-7'выв(1—ег). (1.2)

Полагая 7р = р7’э, из (1.1) и (1.2) получаем

W = 7 .. (1 - . ,) + Та+ Тт+ Тх + Гвы (1 - в1) * 1--3)

39