Характерные особенности СРВ1. Реальный масштаб времени функционирования. 2. Постоянство и цикличность решаемых задач. 3.Случайность поступления внешних воздействий, и, как правило, асинхронность решения функциональных задач. 4. Как правило, длительная непрерывная эксплуатация. 5. Закрытие СРВ для разработчика. 6. Повышенные требования к надежности функционирования СРВ. Типовой инструмент ознакомления с любой СРВ. При начальном ознакомлении с любой СРВ, как правило, возникает вопрос: с чего начать ознакомление? Рис.1.2.1 позволяет создать простой инструмент для начального этапа ознакомления. Согласно схеме рис.1.2.1 ознакомление со структурой любой СРВ должно начинаться с поиска компонент, указанных на рис.1.2.1. Поиск ведется постановкой следующих вопросов: ► ЧТО управляется? Ответом является поиск или указание объекта управления; ► ЧЕМ управляется? Ответом является поиск или указание УУ.
1.3 ТИПОВАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СРВ ЦЕЛЬ – детализация принципиальной схемы СРВ. Типовая структурная схема СРВ. В предыдущем разделе указывалось, что в лекционном материале будут рассматриваться СРВ, УУ которых реализовано компьютерами. На рис.1.3.1 дана типовая, структурная схема СРВ, являющаяся детализацией (т.е. отвечающей на вопрос: как реализуется?) принципиальной схемы СРВ на рис.1.2.1.
Условные обозначения: Д – датчики информации ПО – программное обеспечение П – потребители информации X – сигналы от датчиков Ап – аппаратные средства Y - сигналы к потребителям .
Рис. 1.3.1 Типовая структурная схема СРВ При всем разнообразии типов построения Объектов Управления (ОУ) в любом их них присутствуют датчики (Д) и потребители (П) информации. Расположение их на рисунке внутри ОУ показывает только факт принадлежности этих компонент к ОУ, хотя территориально они могут быть разнесены, но обязательно должны быть связаны с ОУ. Среда, как источник возмущения, воздействует на Д, которые преобразуют эти воздействия в сигналы X, поступающие в компьютер. Результатом их обработки в компьютере являются сигналы Y, которые воздействуют на П. В свою очередь П преобразуют их в виде реакций на возмущения. Датчики являются источником динамической информации о среде. Если управляется один объект (например, технологический процесс), то множество Д несет информацию о разных состояниях этого процесса, если управляется множество объектов, то множество Д состоит из подмножеств, каждое из которых несет информацию об одном из управляемых объектов. Необходимо отметить важную особенность Д для СРВ: кроме информации от них СРВ не получает никакой информации о среде. Образно выражаясь, только через датчики УУ СРВ «видит», «слышит» и «чувствует» те компоненты среды, которые воздействуют на ОУ. Характерными особенностями ДАТЧИКОВ являются:
Потребители информации являются потребителями воздействий, вырабатываемых компьютером. Их особенности те же, что и у датчиков. Если исходить из определения, что «данные – информация, подготовленная для определенных целей», и учитывая, что в СРВ такие данные идут непрерывно (в реальном времени), удобно называть их «потоками данных от Д или к П». Компьютеры используются в качестве УУ. Компьютеры имеют Аппаратные (Ап) средства и Программное Обеспечение (ПО). Назначение компьютера – обрабатывать потоки данных, поступающих от Д, т.е. программно реализовывать процессы управления на основе этих данных. В результате обработки из компьютера выдаются потоки данных к П. Темп обработки данных, в соответствии с системной характеристикой СРВ, должен быть не ниже скорости изменения среды. ПО разрабатывается на основе алгоритмов процессов преобразования данных от Д к П. Анализ типовой структурной схемы. Несмотря на довольно простую схему рис.1.3.1, ее инженерный анализ представляет значительный интерес, ибо результаты анализа применимы для любой конкретной схемы, базирующейся на данном рисунке. С практической точки зрения наибольший интерес представляют возможные ошибки при проектировании. Ошибки могут быть системного, программного или аппаратного характера. В свою очередь каждый такой тип ошибок можно детализировать по уровням. Например, аппаратные ошибки детализируются на уровне плат – в платах, в соединениях между платами; на уровне устройств – в устройствах, в соединениях между устройствами и т. д. Чем выше уровень ошибок, тем более «дороже» их нахождение и исправление. Следовательно, при разработках СРВ вопросы контроля и диагностики (т. е. поиска ошибок) должны обязательно учитываться. Самыми «дорогими» в разработках СРВ являются ошибки системного уровня, т.е. ошибки самой концепции системы. Можно идеально реализовать нижестоящие уровни, но система не будет работать, если была ошибка на системном уровне. Рис.1.3.1 является типовой, структурной схемой любой СРВ, т. е. конструкцией системного уровня. Рассмотрим типовые ошибки возможные в схеме рис.1.3.1. Наиболее очевидной ошибкой является несоблюдение системной характеристики, анализ которой дан в разделе 1.2. Для Д и П возможны ошибки: ♦ не учтено какое – либо свойство среды, которое на практике все же влияет на поведение ОУ (например; не учтено какое – либо свойство исходного сырья, которое на практике влияет на технологический процесс производства); ♦ точность моделирования в датчиках занижена (завышение точности в принципе лучше); ♦ ненадежность любых компонент системы из – за их низкого качества. В свою очередь вопросы качества в современных рыночных условиях напрямую связаны со стоимостью и правдивостью рекламируемых покупных компонент. Как указывалось, основная цель ПО – преобразование потоков информации от Д в потоки информации к П, поэтому типовой ошибкой является неправильный выбор принципа построения алгоритма преобразования информации с учетом системной характеристики. Разработку ПО необходимо строить на принципе максимальной «мобильности», т.е. возможности при эксплуатации вносить максимальные изменения с минимальными затратами. Принцип управления объектом удобно представлять в виде процесса проталкивания («протолкнуть – толкая, продвинуть»). В зависимости от уровня, на котором рассматривается «проталкивание» в СРВ, объекты (что и чем проталкивается?) различны. На уровне структуры СРВ (рис.1.3.1) «проталкивание» как процесс управления объектом идет от входного сигнала Xi до следующего сигнала X(i+1) (рис.1.3.2), (они «инициаторы» проталкивания). Множество таких сигналов обрабатывается в УУ. Результаты обработки представляются как множество выходных сигналов Ym для потребителей (реакции на возмущение среды).
Рис.1.3.2 Принцип «проталкивания» процесса управления на уровне сигналов Xi и Yj
Механизм реализации принципа проталкивания. В «проталкивании» процессов управления используется принцип прерывания, при котором очередной входной сигнал Xi прерывает работу УУ для того, чтобы УУ обработало («обслужило») пришедший входной сигнал (т.е. выдало выходной сигнал Yj). Необходимость прерывания обоснована абсолютной важностью обработки каждого входного сигнала (см. рис.1.2.2). Понятие «прерывание», как инструмента для реализации нескольких работ в реальном времени, неосознанно применяется нами в бытовых ситуациях. Примеры. 1. Дома, если у Вас зазвонил телефон, Вы прерываете свою работу и снимаете трубку (обрабатываете входной сигнал в виде телефонного звонка). После разговора Вы возвращаетесь к прерванной работе (если предположить, что разговор не требует каких – то срочных действий). Пример 2. Приготовление обеда на кухне - типичная СРВ массового обслуживания (если этот вопрос попадётся студентке, то она обязана объяснить, используя данный термин, как «работает» такая СРВ (приготовление обеда) при приготовлении первого и второго). В СРВ массового обслуживания также сохраняется требование реализации системной характеристики, но уже для каждого процесса. Такое требование еще более ужесточает требование к скорости обработки входных сигналов каждого процесса, т.к. нужно не только успеть выдать Yj для данного процесса, но и успевать обрабатывать входные сигналы от других процессов в отведенное для них время. Режимы on-line и off-line. С точки зрения таких понятий как процесс и инструмент для реализации процесса, СРВ является инструментом, реализующим различные процессы в реальном времени. Какие могут быть типы процессов в реальном времени? Например, включённый автопилот в самолёте по заданной цели (курсу) в режиме реального времени ведёт самолёт. Другой пример. Корреспондент ведёт репортаж с места события (т.е. в режиме реального времени), но репортаж ведётся в диалоге с диктором телевидения. Процессы такого типа (диалоговые) имеют отдельное название режим on-line. Режим on-line (в системе) определяется как диалоговый, интерактивный, оперативный режим. / Интерактивный это обозначение, с помощью которого указывается, что для системы или режима работы характерен отклик на вводимые оператором команды/. Фактически это диалоговая работа пользователя с различными удалёнными информационными ресурсами. Если же идёт трансляция, например, какого-либо концерта в режиме реального времени, то это и будет просто прямая трансляция (в режиме реального времени). Режим off-line (автономный) определяется как приём и передача информации без непосредственного участия пользователя. Например, при работе принтера пользователь задаёт команду компьютеру, а тот на запуск принтера и далее принтер сам печатает, выбирая информацию из компьютера.
1.4 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРОГРАММНОГО УУ СРВ / Фрагментыв данном разделе, посвящённые фон – неймановской архитектуре очень важны для понимания структуры и работы микропроцессора (раздел 2.1 лекционного курса), ибо, изучая его структуру в разделе 2.1, Вы не только быстро «схватите» принцип его работы (как он работает?), но и будете знать, почему он работает так, а не иначе./ ЦЕЛЬ – дать принцип построения и структуру программного УУ СРВ. Исходная фон неймановская машина. Почти все компьютеры сейчас фон – неймановского типа. Джон фон Нейман – американский ученый венгерского происхождения в 1945г. предложил идею построения вычислительных машин на основе следующей архитектуры (фон – неймановская архитектура) (рис.1.4.1).
Рис. 1.4.1 Исходная фон – неймановская машина Фон – неймановская машина имеет следующие части: АЛУ, ЗУ, УУ, ВВОД, ВЫВОД. В АЛУ (Арифметико – Логическом Устройстве) выполняются операции (команды) над двоичным числами; в ЗУ (Запоминающем Устройстве) хранится информация в двоичном коде; УУ (Устройство Управления) управляет работой АЛУ. Устройство ВВОДа осуществляет ввод информации в двоичном виде в машину, а устройство ВЫВОДа – вывод обработанной двоичной информации из машины. Информация ЗУ может быть в виде: ● программ, представляющих собой набор команд, обрабатываемых в АЛУ; ● данных, которые обрабатываются командами. Две фундаментальные идеи фон Неймана определили направление развития вычислительной техники: ♦ программа вводится в машину не через отдельный ввод, а через тоже устройство ввода, через которое в нее поступают данные; ♦ программа имеет для машины тот же вид двоичной последовательности, что и данные, которые с ее помощью обрабатываются. Несмотря на современную очевидность этих идей, тогда (40-е, 50-е годы 20-го века) они были не ясны. Так, в 50-е годы на равных правах с фон – неймановской машиной существовала гарвардская схема, в которой для программ был свой ввод – вывод и хранились они в отдельном от данных ЗУ (чаще всего это было постоянное ЗУ, а ввод – вывод программ состоял в замене одного ЗУ на другое). Советская вычислительная машина МЭСМ (1952г.) имела раздельное ЗУ: 19- разрядные ячейки для программ м 16-ти разрядные для данных. При совмещении путей ввода программ и данных: ■ отпадала необходимость в отдельном ЗУ программ; ■ появилась возможность оперативно изменять программу в ходе счета, модифицируя команды в программе как обычные данные. Сейчас эта возможность не используется, но она существенно повлияла на историю развития вычислительной техники Дальнейшее развитие фон – неймановской машины шло по двум путям ее усовершенствования в виде сращивания: ► АЛУ + УУ; ► ЗУ+ УУ. ► АЛУ + УУ. Идея сращивания АЛУ и УУ привела к идее ЦПр (Центрального Процессора), т.е. такого АЛУ, в котором есть свое местное УУ, выполняющее наиболее оперативные функции (рис.1.4.2).
Рис.1.4.2 Типовая фон – неймановская машина В ЗУ хранятся программы и данные в двоичном коде, Программа – упорядоченная последовательность команд, подлежащих обработке в ЦПр. Данные – по отношению к программе это информация, с которой работает программа, получая ее на вводе, обрабатывая и выдавая ее на выходе. В ЗУ программы и данные расположены в ячейках памяти, каждая из которых имеет свой адрес, по которому информация может быть считана или записана в нее. При чтении считывается копия информации, т.е. информация после считывания остается в ЗУ. Таким образом, возможно неограниченное чтение информации из ячеек ЗУ. При записи в ячейку предыдущая информация стирается. Возможность не только чтения, но и записи в ЗУ, дает концепцию модификации данных, т.е. изменения данных в одной и той же ячейке. Таким образом, появляется понятие «переменная», широко используемое в программировании. ЦПр, состоящий из УУ и АЛУ, определяет действия, подлежащие выполнению, путем считывания команд, находящихся в ЗУ. Программа состоит из набора двоичных команд, которые выбираются одна за другой в ЦПр с помощью СчК (Счетчика Команд), находящегося в УУ. Если в СчК занести определенный адрес ЗУ, начиная с которого в ЗУ находится данная программа, то после выполнения очередной команды, СчК автоматически наращивается на 1. Затем идет выборка по этому адресу следующей команды, ее обработка, затем опять СчК = СчК + 1 и так далее до команды стоп. Исключение составляют команды переходов в программах. Они меняют последовательный ход программы. В этих командах при их реализации формируется новый адрес памяти (куда уйти в программе, чтобы продолжить вычисления). Затем этот адрес записывается в СчК и выборка команд идет уже, начиная с этого адреса. Связь ВВОДа / ВЫВОДа с ЗУ показывает необходимость двух видов преобразования информации, приходящей в машину: ♦ сигналы любой физической основы (механические, электрические, световые и т.д.) от устройства ВВОДа должны быть преобразованы в двоичный код, применяемый в ЗУ; ♦ двоичный код в ЗУ, предназначенный для ВЫВОДа должен быть преобразован в сигналы той же физической основы, которые «понятны» устройству ВЫВОДа. В вычислительных машинах последующих поколений развитие фон – неймановской машины шло добавлением спецпроцессоров (для решения узкого, но часто повторяющегося класса задач), периферийным процессором (для управления вводом/выводом). Это позволило разгрузить основной ЦПр, что увеличило скорость его работы. УУ стало снабжаться системой прерывания, таймером (устройством, отсчитывающим время) и т.д. ► ЗУ + УУ. На идее сращивании УУ и ЗУ развивалось микропрограммное управление. Целью такого сращивания – стремление упростить работу. Вместо того, чтобы расписывать каждую команду программы до мелких операций (фрагменты такой росписи были однотипны), лучше заранее записать такую «мелочевку» в память (создать микропрограмму), и при необходимости вызывать нужные наборы микроопераций (т.е. микропрограмм) по известным адресам. Поскольку изменения в таких программах редки, то целесообразно сделать такую память постоянной т.е. только читаемой. Схемная реализация в виде только читаемой памяти дает: ● увеличение быстродействия (подумайте, почему?); ● потенциальное уменьшение сбоев и ошибок (подумайте, почему?). Микропрограммирование позволяет достигать более высокого уровня организации и гибкости при проектировании УУ и создает возможность модификации УУ посредством простого изменения содержимого микропроцессорной памяти (например, организация такой же памяти, но на более быстродействующих элементах) Программная и схемная реализации. Появление возможности программной реализации функций привело к качественным изменениям в технологии проектирования СРВ. Эти изменения связаны с особенностями программной и схемной реализации функций по отношению к: ♦ скорости реакции на возмущения; ♦ гибкости, как способности внесения изменений; ♦ внесению несанкционированных изменений При схемной реализации реакция на возмущения идет на уровне электронных скоростей (электронные схемы), что значительно превышает программную скорость реализации этих реакций. Однако схемная реализация не дает гибкости, ибо любая электронная схема «жесткая». Применение схемной реализации оправдано при очень высоких скоростях реакций (наносекундный диапазон) и потенциальном постоянстве алгоритмов реализации таких реакций (например: радар, ракеты). Внесение несанкционированных изменений в схему возможно только непосредственным контактом со схемой (диверсия). При программной реализации реакций на возмущения скорость их даже при современном промышленном развитии вычислительной техники ниже схемной, но гибкость такой реализации значительно выше. Программные УУ можно в довольно широких пределах корректировать за счет программ, не меняя оборудование СРВ. Именно это качество дало резкий толчок к применению программной реализации, ибо большинство СРВ не требуют реакции на уровне наносекундного диапазона. К сожалению, программная реализация намного более подвержена внесению несанкционированных изменений («хакеры» с их вирусами, выводящими из строя программное обеспечение).
1.5 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ТИПОВЫЕ СТРУКТУРЫ СРВ ЦЕЛЬ – дать типовые структуры СРВ как инструменты (модели) для начального этапа разработок или ознакомления с любой СРВ. В данном разделе показывается, как, объединив схемы из разделов 1.3 и 1.4, получить типовой инструмент (модель) для начального этапа разработок или ознакомления с СРВ. Типовая структура СРВ. На рис.1.5.1 дана типовая структура СРВ, в которой УУ представлено фон – неймановской структурой. Рис.1.5.1 является компоновкойрисунков 1.3.1 и 1.4.2. Программное обеспечение (ПО) располагается в ЗУ.
Рис.1.5.1 Типовая структурная схема СРВ, в которой УУ представлено
|
