45. Использование вычислительных устройств в системах автоматизации

Существует и другая сторона использования микропроцессоров и микро-ЭВМ, позволяющая осуществить переход от центральной обработки информации на больших ЭВМ к локальной на управляющих вычислительных микро-ЭВМ. Такие интегрированные структуры, которые могут иметь в своём составе и традиционные устройства автоматизации, обладают большими КПД, надёжностью и требуют относительно малых затрат на обработку информации, образуя информационные и вычислительные структуры.

В последнее время многие фирмы предлагают микропроцессорные системы и средства автоматизации. При разработке систем и средств автоматизации наметилось две основных тенденции:

• разработка программно-технических комплексов, позволяющих реализовать практически весь спектр задач контроля регулирования, логического управления, архивирования, представления и передачи информации. Такие комплексы как правило обладают открытой архитектурой и позволяют большими возможностями конфигурирования в рамках структурных единиц.

• Разработка различного рода контроллеров, малой, средней и большой мощности, средств связи и коммуникаций, позволяющих пользователю строить системы управления из набора технических средств, как из кубиков.

Контроллеры могут обладать как встроенным программным обеспечением, так и иметь средства для загрузки универсальных либо специализированных программных пакетов.

Проектирование систем (ЭВМ, цифровых устройств) базируется на определенных принципах организации систем с требуемыми свойствами: автоматически выполнять вычисления, хранить информацию, выполнять арифметические операции и т.д.

Существенной особенностью ЭВМ является его сложность. Сложность - это свойство систем, состоящих из большого числа элементов. Для сложных систем характерно то, что функция, реализуемая системой, не может быть представлена как композиция функций, реализуемых наименьшими элементами системы. Отсюда следует, что для определения системы необходимо использовать несколько форм описания функций и структур -иерархии функций и структур. Это объясняется эффектом организации, порождающим в совокупностях элементов новые свойства.

Например, в совокупности электронных элементов ЭВМ - свойство выполнять логические операции; в совокупности логических элементов - свойство складывать, или сравнивать числа; в совокупности устройств - свойство реализовывать вычисления на основе алгоритмов.

45. Иерархический, системный, функциональный подходы к построению систем автоматизации с использованием эвм

Иерархический подход к описанию сложных систем предполагает, что на высшем уровне иерархии система рассматривается как один элемент, имеющий входы и выходы для связи с внешними объектами. В этом случае функция системы не может быть задана подробно и представляется как отображение состояний входов на состояния выходов системы. Чтобы раскрыть устройство и порядок функционирования системы, глобальная функция и сама система разбиваются на части - функции и структурные элементы следующего, более низкого уровня иерархии. В свою очередь эти части опять детализируются, и так до тех пор, пока функция и структура системы не будут полностью раскрыты, с необходимой степенью подробности.

Очевидно, что элемент - это, прежде всего, удобное понятие, а не физическое свойство.

Таким образом, любая система содержит в себе иерархию процессов и элементов, логика которой приводит к необходимости использовать иерархию функций и структур описания того, как устроена и работает система. Нижележащий уровень иерархии раскрывает сущность процессов и устройство элементов, относящихся к более высокому уровню.

Системный подход к построению цифровых систем

Устройство и порядок функционирования систем, в том числе и ЭВМ, предопределяются, с одной стороны, назначением системы, а с другой стороны, -элементной базой, «материалом» из которого строится система. Под элементной базой понимается набор различных элементов, по основе которого строится система, и называется структурным базисом. Набору элементов структурного базиса соответствует набор функций, называемый функциональным базисом. Отсюда следует, что система должна проектироваться исходя из её назначения с учетом свойств структурного базиса, существующего на данный момент проектирования, или потенциально возможной.

Пусть назначение системы задаётся в виде функции F. Исходя из содержания и свойств функции F, можно определить структурный базис элементов пригодный для создания системы. Когда структурный базис элементов определен, становится известным функциональный базис (Pi,... ,Pn), реализуемых элементами.

Функции элементов (Pi,...,Pn) более просты, чем функция системы F. По этой причине, чтобы выявить структуру S, реализующую функцию F, необходимо путем формальных преобразований построить эквивалентную функции F функцию φ, представленную в виде композиций функций. Таким образом, функция F будет детализирована до элементарных функций , для реализации каждой из которых имеется определенный структурный элемент.

Местоположение функций (pi,...,(pN в записи φ предопределяет места соответствующих элементов в структуре. Поэтому функцию φ можно использовать в качестве формы для построения структуры S, состоящей из элементов типа (Pi,...,Pn) и реализующей заданную функцию φ = F, т.е. функцию системы.

Если система сложная, указанная процедура повторяется по отношению к каждой из функций, реализуемых элементами структуры S. В результате этих действий будут выявлены структура элементов верхнего уровня и структуры элементов последующих уровней иерархии. Описанный подход к проектированию систем базируется в предположении о доминирующей роли функций в отношении структур. Как следствие доминирующей роли функций, структура системы определенная для верхних уровней иерархии, играют преобладающую роль в отношении структур низших уровней, т.е. состав элементов и связей в структурах верхних уровней предопределяет состав элементов и связей в структурах низших уровней. Из сказанного следует, что системы должны проектироваться по принципу "сверху - вниз" - от верхнего уровня представления функций и структур к его нижнему.

Подход к проектированию систем, основанный в признании доминирующей роли функций в отношении структур, называется функциональным подходом. В основу проектирования ЭВМ заложен принцип первичности функций в отношении структур, из которого следует, что структура ЭВМ, т.е. конфигурация схем, предопределяется функцией (назначением) ЭВМ.

Для унификации различных структурных решений используются понятия операционного устройства и интерфейса. Эти понятия вводятся в функциональном отношении. Операционное устройство - это преобразователь дискретной информации с произвольной функцией. Интерфейс определяется как алгоритм обмена информации между устройствами. Введение заданных понятий создает основу для построения методики проектирования разнообразных операционных устройств, таких как процессор, процессоров ввода - вывода, контроллеров внешних устройств ЭВМ и т.д. В основу проектирования операционных устройств различного назначения положен принцип функционального микропрограммирования и представления устройства как композиции операционного и управляющих автоматов.