Часть 8

ТЕХНИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Глава 6 техническое обеспечение систем управления

6.1. Управляющий вычислительный комплекс

В состав технических средств АСУ ТП входят устройства пре­образования и передачи сигналов от технологического объекта, исполнительные устройства для реализации управляющих воз­действий, управляющий вычислительный комплекс (УВК).

Управляющий вычислительный комплекс (УВК) — это сово­купность технических средств, предназначенных для выработки на основе информации о состоянии объекта управляющих воз­действии или выдачи рекомендаций по управлению технологи­ческим объектом. В составе управляющих вычислительных комплексов, в соответствии с функциональным назначением, может быть выделено три группы устройств: вычислительный комплекс (ВК), устройства связи с объектом (УСО), устройст­ва связи с ^оперативным персоналом.

Вычислительный комплекс предназначен для логической и математической обработки информации о технологическом объекте. Он включает одну или несколько вычислительных ма­шин.

Устройства связи с объектом преобразуют поступающие с первичных преобразователей электрические сигналы (потен­циальные, импульсные, частотные и т. д.) в цифровые для ис­пользования в вычислительных машинах. Устройства связи с объектом выполняют также обратное преобразование сигна­лов из цифровых в электрические, непосредственно восприни­маемые исполнительными устройствами или соответствующими преобразователями.

Устройства связи с оперативным персоналом позволяют опе­раторам-технологам следить за ходом технологического процес­са и управлять им.

Для компоновки современных УВК используют так называе­мый агрегатный принцип, предусматривающий возможность создания УВК различных конфигураций, в зависимости от тре­бований технологического объекта. При этом устройства и' бло­ки, входящие в набор УВК, обладают системой унифицирован­ных связей, являются конструктивно законченными и содержат необходимые источники питания.

Агрегатный принцип позволяет создавать УВК с требуемы­ми техническими характеристиками для управления различны­ми технологическими процессами. Он дает возможность вно­сить изменения в состав УВК в процессе эксплуатации, напри­мер при расширении объема задач по обработке информации или управлению процессом. Использование агрегатного прин­ципа позволяет также повысить надежность и живучесть вы­числительного комплекса (это достигается введением некоторой избыточной аппаратуры).

Структура вычислительного комплекса. Структура современных вычислительных машин может быть весьма сложной '[25, 33]. Однако в любом случае она строится из блоков трех ти­пов: оперативного запоминающего устройства (ОЗУ); процес­сора; блока управления вводом—выводом (каналы ввода— вывода).

Запоминающие устройства используют для хранения данных, обрабатываемых вычислительной машиной, и программ обра­ботки этих данных. Основными параметрами, характеризующими запоминающие устройства, являются емкость (количество хранимой информации) и время выборки, необходимое для по­лучения и запоминающего устройства или записи в него дан­ных.

Запоминающие устройства делятся на оперативные (внут­ренние) и внешние.

Оперативные (внутренние) запоминающие устройства (ОЗУ) применяют для хранения данных и программ, обрабаты­ваемых процессором в данный момент времени. Они характе­ризуются малым временем доступа, не зависящим от местопо­ложения требуемого элемента данных. В современных ЭВМ в качестве ОЗУ наиболее часто применяют накопители на БИС (полупроводниковые запоминающие устройства) и на феррито-вых сердечниках.

Оперативное запоминающее устройство современных вычис­лительных машин обычно строится по агрегатному принципу. Оно комплектуется из блоков определенной емкости, в зави­симости от потребностей решаемых задач. Обычно емкость блока ОЗУ составляет от 8К до 64К, при максимальной емкос­ти 64К—256К. Время выборки из ОЗУ составляет порядка 1 мкс.

С целью повышения быстродействия вычислительных машин иногда применяют сверхоперативное запоминающее устройство, используемое в качестве буфера для процессора. Время выбор­ки данных, хранимых в таком устройстве, составляет десятки наносекунд, однако ввиду высокой стоимости их емкость обыч­но невелика и составляет несколько сотен байт.

Для хранения неизменяемых программ и констант часто используют постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). Пе­резапись информации в ПЗУ невозможна. Применяют также запоминающие устройства, запись в которые выполняется с ис­пользованием специальных средств, и информация не может быть изменена в процессе их функционирования. Такие запо­минающие устройства называют полупостоянными (ППЗУ).

Внешние запоминающие устройства. Наиболее часто в ка­честве внешних запоминающих устройств применяют накопи­тели на магнитных лентах и магнитных дисках. Чтобы храни­мые в них данные могли обрабатываться процессором, необхо­дима передача этих данных в ОЗУ. Время доступа к хранимым во внешних запоминающих устройствах данным значительно больше времени доступа к данным, находящимся в ОЗУ. В то же время внешние запоминающие устройства обладают боль­шой емкостью — от сотен К до сотен М.

Процессором называют устройство, предназначенное для выполнения логических и арифметических действий над дан­ными согласно заданной программе. В тех случаях, когда про­цессор ориентирован на обработку данных специального вида, его называют спецпроцессором, в противном случае—универ­сальным.

Рис. 6.1. Организация универсального процессора:

РКА — регистр адреса команды; РК — ре­гистр команды;

РР — рабочие регистры процессора;

РОН — регистры общего на­значения

Организация универсаль­ного процессора показана на рис. 6.1. В его составе можно выделить следующие элемен­ты интерпретатор команд, вы­полняющий действия в соот­ветствии с выбранной из ОЗУ командой; регистр адреса команды, содержащий текущий

адрес исполняемой команды; регистр команды, содержащий исполняемую команду; рабочие (программно-недоступные) регистры, используемые интерпре­татором команд в процессе работы; регистры общего назначе­ния, используемые программой при работе.

Основными характеристиками процессора являются: тип системы команд, быстродействие, длина слова, объем исполь­зуемой памяти.

Системы команд можно условно разделить на адресные, безадресные, команды управления ходом программы, команды ввода — вывода. В большинстве современных вычислительных машин, применяемых в АСУ ТП, используют одноадресную систему команд, когда в команде может быть задан только один адрес данных, содержащихся в ОЗУ.

Длина слова, т. е. размер минимального адресуемого эле­мента данных, для вычислительных машин, применяемых в АСУ ТП, колеблется от 4 до 32 разрядов. Наибольшее распро­странение получили 16-ти разрядные мини-ЭВМ и 8- и 16-ти разрядные микро-ЭВМ. Обычно размер адресуемой памяти колеблется от 8 до 256К.

В зависимости от реализации интерпретатора команд про­цессоры делятся на схемные и микропрограммные. В схемных процессорах каждой команде соответствует набор логических схем, выполняющих необходимые действия. Примерами таких ЭВМ являются М-6000 и М-7000.

В случае микропрограммного процессора схемно реализует­ся только набор элементарных микроопераций (передача из регистра в регистр, прибавление 1 и т. п.). Из таких микро­команд могут набираться достаточно сложные микропрограм­мы, содержащиеся в специальном сверхбыстродействующем ПЗУ. Примерами ЭВМ с микропрограммной реализацией про­цессора являются СМ-2 и СМ-4.

Основной функцией каналов ввода — вывода является орга­низация работы с внешними устройствами вычислительной ма­шины помимо главного процессора. Эти устройства представля ют собой спецпроцессоры с системой команд, ориенти­рованной только на выпол­нение операций ввода и вы­вода данных. При этом главный процессор только инициирует последовательность опе­раций ввода — вывода, а последующая работа по передаче данных выполняется без его участия.

Рис. 6.2. Организация ЭВМ с ра­диальной структурой:

ОЗУ — оперативное запоминающее уст­ройство; ПР — процессор; К.ВВ — канал ввода — вывода; УИ — управление ин­терфейсом; КВУ — контроллер внешне­го устройства; ВУ — внешнее устрой­ство

Каналы ввода — вывода могут обслуживать несколько внеш­них устройств, подключенных к вычислительной машине. В за­висимости от быстродействия этих устройств, канал ввода — вывода может обслуживать либо одновременно несколько низ­коскоростных устройств (мультиплексный режим), либо одно высокоскоростное устройство (селекторный режим).

В современных вычислительных машинах, применяемых в УВК, используют два типа структур: радиальную и магистральную.

Вычислительная машина с радиальной структурой показана на рис. 6.2. Особенностью радиальной структуры является то, что блоки ОЗУ непосредственно связаны только с устройствами процессорного типа (процессор и канал ввода — вывода), к ко­торым через устройства управления вводом — выводом подклю­чаются внешние устройства. При радиальной структуре обычно для управления вводом — выводом имеется специальное уст­ройство — интерфейс. При наличии связи «каждый с каждым», как показано на рис. 6.2, отказ любого из блоков и устройств (за исключением процессора) не приводит к отказу вычисли­тельной машины. В реальных УВК для повышения надежности процессор и канал ввода — вывода часто дублируются, так что отказ любого из устройств не приводит к отказу вычислитель­ной машины. Однако для многопроцессорных вычислительных машин такое дублирование делает их структуру очень сложной и требует большого числа кабелей. Примерами вычислитель­ных машин с радиаль­ной структурой могут •служить СМ-1 и СМ-2М. Вычислительная ма­шина с магистральной

Рис. 6.3. Организация ЭВМ с магистральной структурой

МГ — магистраль

структурой показана на рис. 6.3. При такой организации все устройства (ОЗУ, процессор и блок управления вводом — вы­водом) подключаются к общей магистрали, представляющей со­бой унифицированный набор линий для передачи данных и уп­равляющих сигналов. Каждое из подключенных к магистрали устройств однозначно определяется своим адресом. При этом устройства могут обмениваться информацией как через процес­сор, так и непосредственно.

Магистральная структура вычислительных машин выглядит более простой. Отметим, что на рис. 6.3 отсутствует отдельное устройство канала ввода — вывода. Поскольку каждое из внеш­них устройств имеет контроллер, подключенный непосредствен­но к магистрали, к которой подключается также и ОЗУ, конт­роллеры внешних устройств обычно берут на себя часть функ­ций канала по непосредственной передаче данных в память. Примерами вычислительных машин с магистральной структу­рой являются С-М-3, СМ-4, СМ-1800 и СМ-1634.

Внешние устройства подключаются к ЭВМ через специаль­ный блок — интерфейс, устанавливающий связь с этими уст­ройствами. Для согласования технических и логических харак­теристик внешнего устройства с интерфейсом применяют конт­роллеры, которые могут входить в состав внешних устройств (рис. 6.2 и 6.3).

В современных вычислительных машинах используют интер­фейсы различных типов. В машинах СМ-1 и GM-2 применяют интерфейс типа 2К; в СМ-3 и СМ-4 — типа ОШ (общая шина); в СМ-1634 —типа ИУС; в СМ-1800 —типа И-41. Для подклю­чения внешних устройств, ориентированных на интерфейс од­ного -типа, к интерфейсу другого типа применяют специальные устройства согласования.

Микропроцессоры и микро-ЭВМ. Широкое применение в совре­менных управляющих вычислительных комплексах находят ми­кропроцессоры и микро-ЭВМ [И, 41, 61]. Микропроцессором называют функционально законченное устройство для програм­мной обработки информации, реализованное на одной или нескольких БИС. В нем содержатся БИС обработки информа­ции и местной памяти, а также элементы интерфейса.

Микро-ЭВМ — это вычислительная машина на основе микро­процессора, к которому добавлены БИС памяти и управления вводом — выводом.

Основой для создания микропроцессоров и микро-ЭВМ слу­жат микропроцессорные наборы. С помощью микропроцессор­ных наборов строят как универсальные микро-ЭВМ, так и спец­процессоры, входящие в состав УВК. Примерами универсаль­ных микро-ЭВМ, реализованных на основе микропроцессорных наборов, являются СМ-1634, СМ-1800 и Электроника-60. Если микро-ЭВМ имеют систему команд, совместимую с системой команд широко распространенных мини-ЭВМ, это позволяет значительно упростить разработку программного обеспечения микро-ЭВМ. Так, микро-ЭВМ типа СМ-1634 имеет систему команд, совместимую с вычислитель­ной машиной СМ-2, а Электроника-60 — с вычислительными ма­шинами СМ-3 и СМ-4.

Спецпроцессоры на базе микропроцессорных наборов ис­пользуют для создания различного рода «интеллигентных» внеш­них устройств, способных самостоятельно выполнять ряд функ­ций по обработке информации. Важной особенностью таких спецпроцессоров является то, что на них может реализоваться система команд, наиболее удобная для обработки данных кон­кретного внешнего устройства. Так, спецпроцессор, используе­мый в «интеллигентном» устройстве связи с объектом, может иметь систему команд, ориентированную на работу с модулями ввода — вывода аналоговых и дискретных сигналов, а также на первичную обработку информации и реализацию законов регулирования. Это позволяет выполнять такие устройства осо­бенно эффективными именно для данного применения.