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. 3.57, о).

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. 3.57, 6). 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. 3.57. ЭВМ в обработке данных и системе управления

Задержка обработки сигнала от объекта должна бвпъ 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. 3.58 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.;

• 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.

Рис. 3.58. Структура типичной ЭВМ

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 2".

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 микроЭВМ 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 микроЭВМ, оснащенных магнитным диском и емкой памятью и помешенных в герметичный металлический корпус, сделало их незаменимым эле­ментом систем управления. Объединенные в сети, такие микроЭВМ 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).