ВВЕДЕНИЕ. Современный период развития автоматизированных систем управления технологическими процессами и производствами (АСУ ТП) предполагает максимальное использование

 

Современный период развития автоматизированных систем управления технологическими процессами и производствами (АСУ ТП) предполагает максимальное использование вычислительной техники и микропроцессорных систем с развитым программным обеспечением. В настоящее время в таких отраслях промышленности, как энергетика, транспорт, нефтяная и газовая промышленность, формируются иерархические автоматизированные системы диспетчерского управления с применением микро-ЭВМ и использованием локальных вычислительных сетей. Это приводит к существенному изменению, как в технических средствах, так и в требованиях к компетенциям современных специалистов в области автоматизации и управления.

Микропроцессорные системы можно рассматривать как комплекс включающий элементы трех систем: центральный микропроцессор или подсистема микропроцессоров, выполняющих математическую обработку информации; подсистема памяти, осуществляющая хранение информации и программ; подсистема ввода-вывода, реализующая связь микропроцессорной системы с внешним миром и интерфейс с человеком. При этом аппаратное обеспечение выбирается, как правило, из широкой номенклатуры доступных на рынке серийных изделий, а значительная часть работы при проектировании АСУ ТП связана с разработкой и конфигурированием программного обеспечения, обеспечивающего выполнение конкретных функций, определяемых техническим заданием. В настоящее время отечественная электронная промышленность предлагает разработчикам несколько семейств микропроцессорной элементной базы. Это обуславливает целесообразность рассмотрения их особенностей в рамках учебного процесса.

Поэтому основной целью настоящего курса является ознакомление будущих специалистов по автоматизации технологических процессов и производств с общими основами, принципами разработки программного обеспечения современных систем автоматизации с использованием специальных языков и средств программирования.

Цель дисциплины - изучение теории, принципов построения, методов разработки и применения микропроцессорной (МП) техники в различных областях, формирование у магистрантов знаний и навыков работы с микропроцессорными устройствами, необходимых для успешного освоения ряда специальных дисциплин, а также для работы по специализациям, получение знаний по основным принципам построения, функционирования и использования современных средств микропроцессорной техники, формирование навыков разработки микропроцессорных систем для применения в науке и промышленности.

Тема лекции 1: Введение в микропроцессорную технику. Основные понятия.

Содержание темы: Компьютерная система, компоненты компьютерной системы, элементы процессора. Основные типы архитектур.

Для начала несколько основных определений.

• Электронная система — в данном случае это любой электронный узел, блок, прибор или комплекс, производящий обработку информации.

• Задача — это набор функций, выполнение которых требуется от электронной системы.

• Быстродействие — это показатель скорости выполнения электронной системой ее функций.

• Гибкость — это способность системы подстраиваться под различные задачи.

• Избыточность — это показатель степени соответствия возможностей системы решаемой данной системой задаче.

• Интерфейс — соглашение об обмене информацией, правила обмена информацией, подразумевающие электрическую, логическую и конструктивную совместимость устройств, участвующих в обмене. Другое название — сопряжение.

Микропроцессорная система может рассматриваться как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов (рис.1.1). В качестве входных и выходных сигналов при этом могут использоваться аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигналы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов.

Внутри системы может производиться хранение, накопление сигналов (или информации), но суть от этого не меняется. Если система цифровая (а микропроцессорные системы относятся к разряду цифровых), то входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательности кодов выборок с помощью АЦП, а выходные аналоговые сигналы формируются из последовательности кодов выборок с помощью ЦАП. Обработка и хранение информации производятся в цифровом виде.

Характерная особенность традиционной цифровой системы состоит в том, что алгоритмы обработки и хранения информации в ней жестко связаны со схемотехникой системы. То есть изменение этих алгоритмов возможно только путем изменения структуры системы, замены электронных узлов, входящих в систему, и/или связей между ними. Например, если нам нужна дополнительная операция суммирования, то необходимо добавить в структуру системы лишний сумматор. Или если нужна дополнительная функция хранения кода в течение одного такта, то мы должны добавить в структуру еще один регистр. Естественно, это практически невозможно сделать в процессе эксплуатации, обязательно нужен новый производственный цикл проектирования, изготовления, отладки всей системы. Именно поэтому традиционная цифровая система часто называется системой на «жесткой логике».

 

 

Рис. 1.1. Электронная система

Любая система на «жесткой логике» обязательно представляет собой специализированную систему, настроенную исключительно на одну задачу или (реже) на несколько близких, заранее известных задач. Это имеет свои бесспорные преимущества.

Во-первых, специализированная система (в отличие от универсальной) никогда не имеет аппаратурной избыточности, то есть каждый ее элемент обязательно работает в полную силу (конечно, если эта система грамотно спроектирована).

Во-вторых, именно специализированная система может обеспечить максимально высокое быстродействие, так как скорость выполнения алгоритмов обработки информации определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов и выбранной схемой путей прохождения информации. А именно логические элементы всегда обладают максимальным на данный момент быстродействием.

Но в то же время большим недостатком цифровой системы на «жесткой логике» является то, что для каждой новой задачи ее надо проектировать и изготавливать заново. Это процесс длительный, дорогостоящий, требующий высокой квалификации исполнителей. А если решаемая задача вдруг изменяется, то вся аппаратура должна быть полностью заменена. В нашем быстро меняющемся мире это довольно расточительно.

Путь преодоления этого недостатка довольно очевиден: надо построить такую систему, которая могла бы легко адаптироваться под любую задачу, перестраиваться с одного алгоритма работы на другой без изменения аппаратуры. И задавать тот или иной алгоритм мы тогда могли бы путем ввода в систему некой дополнительной управляющей информации, программы работы системы (рис. 1.2). Тогда система станет универсальной, или программируемой, не жесткой, а гибкой. Именно это и обеспечивает микропроцессорная система.

 

 

Рис. 1.2. Программируемая (она же универсальная) электронная система.

 

Но любая универсальность обязательно приводит к избыточности. Ведь решение максимально трудной задачи требует гораздо больше средств, чем решение максимально простой задачи.

Поэтому сложность универсальной системы должна быть такой, чтобы обеспечивать решение самой трудной задачи, а при решении простой задачи система будет работать далеко не в полную силу, будет использовать не все свои ресурсы. И чем проще решаемая задача, тем больше избыточность, и тем менее оправданной становится универсальность. Избыточность ведет к увеличению стоимости системы, снижению ее надежности, увеличению потребляемой мощности и т.д.

Кроме того, универсальность, как правило, приводит к существенному снижению быстродействия. Оптимизировать универсальную систему так, чтобы каждая новая задача решалась максимально быстро, попросту невозможно. Общее правило таково: чем больше универсальность, гибкость, тем меньше быстродействие. Более того, для универсальных систем не существует таких задач (пусть даже и самых простых), которые бы они решали с максимально возможным быстродействием. За все приходится платить.

Таким образом, можно сделать следующий вывод. Системы на «жесткой логике» хороши там, где решаемая задача не меняется длительное время, где требуется самое высокое быстро действие, где алгоритмы обработки информации предельно просты. А универсальные, программируемые системы хороши там, где часто меняются решаемые задачи, где высокое быстродействие не слишком важно, где алгоритмы обработки информации сложные. То есть любая система хороша на своем месте.

Однако за последние десятилетия быстродействие универсальных (микропроцессорных) систем сильно выросло (на несколько порядков). К тому же большой объем выпуска микросхем для этих систем привел к резкому снижению их стоимости. В результате область применения систем на «жесткой логике» резко сузилась. Более того, высокими темпами развиваются сейчас программируемые системы, предназначенные для решения одной задачи или нескольких близких задач. Они удачно совмещают в себе как достоинства систем на «жесткой логике», так и программируемых систем, обеспечивая сочетание достаточно высокого быстродействия и необходимой гибкости. Так что вытеснение «жесткой логики» продолжается.

 

Литература:1 осн.[236-241]; 2 осн.[151-155].

Контрольные вопросы:

1. Основные понятия и определения.

2. Этапы развития МП и МП-систем.

3. Назовите основные компоненты, достоинства и недостатки различных архитектур МП.

4. Для чего нужен оператор?

5. Что показывает операнд?

6. Назначение АЛУ (арифметико-логическое устройство).

7. Что такое дешифратор команд?

8. Каковы функции блока управления?

9. Каковы функции блока управления?

10. Для микропроцессоров характерна трехшинная структура, что она содержит.

11. Что представляет собой программа для магазинного процессора.

12. Что такое шина данных?

Тема лекции 2: Стандарты и топологии.

Содержание темы: Внутренняя коммуникация микропроцессорных систем, сравнение топологий. Иерархия соединений, примеры стандартов.

Принципы организации процессов обработки информации.Микропроцессорной системой (МПС) называется система цифровой обработки информации и управления, содержащая в своем составе, по крайней мере, один микропроцессор (МП), один или несколько модулей основной (ОЗУ и ПЗУ) и дополнительной памяти, устройства ввода и вывода, блоки сопряжения (контроллеры) с устройствами ввода и вывода, которые связаны друг с другом с помощью системной магистрали, состоящей, в общем случае, из магистралей (шин) адресов (МА, ША), магистралей (шин) данных (МД, ШД) и магистралей (шин) управления (МУ, ШУ).

Логическая структура МПС приведена на рис.1.1, где ОУ – объект управления, Д – датчики, ИМ – исполнительные механизмы, ИК – информационные контроллеры, БСД – блок сопряжения с датчиками, БСИК – блок сопряжения с информационными контроллерами, ОП – основная память, ДП – дополнительная память. ОЗУ МПС обеспечивает чтение и запись информации и реализуется как энергозависимая память, содержимое которой стирается при выключении МПС. ПЗУ обеспечивает только чтение информации и реализуется в виде энергонезависимой памяти. Контроллеры представляют собой устройства сопряжения аппаратуры ввода-вывода с системной магистралью и реализуют определенный интерфейс. Магистраль обеспечивает коммуникацию аппаратных средств МПС и представляет собой набор проводников и усилителей сигналов. Рис. 1.1. Логическая структура МПС В зависимости от областей применения МПС подразделяются на специализированные и универсальные, встроенные и автономные.Основой любой МПС является микроЭВМ - вычислительная или управляющая система, выполненная на основе МП, в состав которой, как правило, входят: постоянная (программируемая) память программ (ПЗУ), память данных (ОЗУ), генератор тактовых импульсов и информационный контроллер, построенные на основе БИС или СБИС.По способу реализации микроЭВМ подразделяются на однокристальные, одноплатные и многоплатные. В одноплатных микроЭВМ МП выполняется в виде кристалла БИС (СБИС), на котором кроме самого МП могут располагаться и другие компоненты микроЭВМ (ПЗУ, ОЗУ, контроллеры и т.п.).По назначению микроЭВМ разделяются на универсальные и специализированные (проблемно-ориентированные).По организации структуры различают одно- и многомагистральные микроЭВМ (рис. 1.2). Рис. 1.2. Общая структура ЭВМ: а – одномагистральная;б – многомагистральная В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются данные, адреса и управляющие сигналы. В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали, что позволяет осуществить одновременную передачу по нескольким (или всем) магистралям и тем самым увеличить быстродействие системы.

Центральной частью МПС является микропроцессор - обрабатывающее устройство, выполненное с использованием технологии БИС (часто на одном кристалле) и обладающее способностью выполнять под программным управлением обработку информации (включая ввод-вывод), принятие решений, арифметические и логические операции.

Литература:1 осн.[236-241]; 2 осн.[151-155].

Контрольные вопросы:

1. В каком режиме работает ОЗУ?

2. В каком режиме работает ПЗУ?

3. Что называется микрокомпьютером?

4. Назовите основные характеристики шины?

5. Из каких основных блоков состоит микропроцессор?

6. Назначение блока программной памяти (БПП).

7. Назначение счетчика команд.

Тема лекции 3: Память.

Содержание темы: Иерархия памяти, Полупроводниковое памяти. Типы полупроводниковой памяти. Дизайн и функционирование статической и динамической памяти.

ХарактеристикиМП. Развитие технологии и микроэлектронных схем привело к созданию БИС и СБИС, представляющих собой универсальные по назначению функционально-законченные устройства и по своим функциям и структуре напоминающие упрощенный вариант процессора обычных ЭВМ, но имеющие несравнимо меньшие размеры. Такие БИС получили название микропроцессора.

МП – это микросхема или совокупность небольшого числа микросхем (соответственно 1 или несколько кристаллов БИС), выполняющая над данными арифметические и логические операции и осуществляющая программное управление вычислительным процессом.

Микропроцессорные средства выпускаются в виде наборов совместимых по уровню напряжения питания, сигналом и представлением информации БИС и СИС, включающих МП, микросхемы оперативной постоянной памяти, управления вводов выводом, генератора тактовых сигналов и др.

МП служат основой для создания различных универсальных и специализированных микроЭВМ, микропроцессорных информационных управляющих систем, программируемых микроконтроллеров, разнообразных микропроцессорных приборов и устройств контроля, управления и обработки данных.

Микрокомпьютеры с небольшими вычислительными ресурсами и упрощенной системой команд ориентированы не на производство вычислений, а на выполнение процедур логического управления различным оборудованием, называют программируемым микроконтроллером или просто контроллером.

К основным характеристикам МП можно отнести следующие показатели:

· Тип микроэлектронной технологии, используемой при изготовлении микропроцессорных БИС;

· Длину слова (количество разрядов), обрабатываемого МП;

· Быстродействие МП (тактовая частота, время выполнения команд основных операций);

· Емкость адресуемой памяти;

· Тип управляющего устройства (схемное или микропрограммное управление);

· Эффективность системы команд (количество команд, выполняемые операции, возможные способы адресации, наличие команд работы со стековой памятью, команд операций с битами, десятичными числами, числами с плавающей точкой и т.п.);

· Число уровней прерывания;

· Пропускная способность интерфейса ввода вывода;

· Номинальные параметры используемых сигналов;

· Число входящих в микропроцессорный набор дополнительных микросхем и выполняемые ими функции;

· Наличие и доступность для пользователя программных средств поддержки проектирования программ для МП и отладки микропроцессорных устройств и систем.

Все многообразие МП удобно делить на два различных типа:

1. Однокристальные МП с фиксированной разрядностью слова, с фиксированной системой команд и, как правило, с управляющим устройством со схемной логикой;

2. Многокристальные (секционные) программируемые МП с изменяемой разрядностью слова и с фиксированным набором микроопераций.

МП первого типа имеют логическую организацию, напоминающую организацию процессов обычных ЭВМ. Однокристальные МП выполняются с использованием различных МОП-технологий микроэлектроники, позволяющих размещать на одном кристалле большое число элементарных схем – МОП транзисторов.

Однако МОП-структуры существенно уступают в быстродействии биполярным структурам. Раньше биполярные БИС обладали меньшей плотностью упаковки компонентов на кристалле, поэтому появился второй тип МП – многокристальный биполярный МП. Он основан на конструктивном принципе Функционально-разрядного слоя.

Возможность проектирования системы команд, наилучшим образом учитывающей особенности алгоритмов обработки информации в АСУ ТП, обеспечивается микропрограммным управлением МП.

Функциональная организация микропроцессора. Прежде чем дать подробное описание структуры МП и МП систем, необходимо рассмотреть основные концепции вычислительной техники – архитектуру аппаратного обеспечения и программного обеспечения. Архитектура микропроцессора – функциональные возможности аппаратных электронных средств МП, используемые для представления данных, машинных операций, описания алгоритмов и процессов вычислений.

Архитектура объединяет аппаратурные, микропрограммные и программные средства ВТ и позволяет четко выделить то, что при создании конкретной микропроцессорной системы и использовании возможностей микропроцессорного комплекта должно быть реализовано пользователем программным способом и дополнительными аппаратными средствами. Существует множество типов и классификаций архитектуры вычислительных машин.

Микропроцессор, являющийся универсальным программно управляемым устройством обработки информации, включает в себя: операционное устройство (ОУ), обеспечивающее обработку информации в соответствии с выполняемой командой; устройство управления (УУ), осуществляющее синхронизацию вычислительного процесса МП в соответствии с выполняемой командой и состоянием управляемого процесса; интерфейсные блоки (БИ), обеспечивающие взаимодействие МП с другими модулями МП-системы. В самом общем виде ЦЭВМ можно представить в виде четырех основных блоков: Блок ввода-вывода; Память; Арифметико-логическое устройство (АЛУ); Блок управления, с помощью которых можно описать любую универсальную ВМ, смотри рисунок 1.

Информация в ВМ подается и выдается посредством устройств ввода-вывода.

 

Рисунок 1 – Схема основных блоков МП

 

Внутри самой ВМ, в памяти хранятся как информация, которую надо обработать, так закодированные операции, которые надо выполнить. Сама обработка выполняется цифровыми логическими схемами, синхронизация которых и распределение порядка работы осуществляется блоком выполнения. Он также координирует работу устройств ввода-вывода, арифметико-логического и памяти. Изменяя эту структурную схему, получают различные типы машинной архитектуры.

АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций над операндами. АЛУ классифицируются следующим образом:

1. По способу действий над операндами. Бывают АЛУ последовательного и параллельного действия. В последовательных АЛУ действия над операндами производятся последовательно разряд, за разрядом начиная с младшего. В параллельных АЛУ все разряды операндов обрабатываются одновременно.

2. По виду обрабатываемых чисел АЛУ могут производить операции над двоичными числами с фиксированной или плавающей запятой и над двоично-десятичными числами.

3. По организации действий над операндами различают блочные и многофункциональные АЛУ. В блочных АЛУ одни блоки предназначены для действий над двоично-десятичными числами, другие для действий над числами с фиксированной запятой, третьи с плавающей запятой. В многофункциональных АЛУ одни и те же блоки обрабатывают числа с фиксированной запятой, плавающей запятой и двоично-десятичные числа.

По структуре АЛУ бывают с непосредственными связями и многосвязными. В многосвязных АЛУ входы и выходы регистров приемников и источников информации подсоединяются к одной шине. Распределение входных и выходных сигналов происходит под действием управляющих сигналов. В АЛУ с непосредственной связью вход регистра приемника связан с выходом регистра источника операндов и регистра, в котором происходит обработка.

Типичная структура микропроцессорного устройства. Центральное место в этой структуре занимает микропроцессор, который подобно процессору обычных ЭВМ непосредственно выполняет логические и арифметические операции над данными, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему.

Представленная структура отражает магистрально-модульный принцип организации микропроцессорных устройств и систем.

Межмодульные связи и обмен информацией между модулями осуществляется посредством коллективных шин, к которым имеют доступ все основные модули системы. В каждый данный момент времени возможен обмен информацией только между двумя модулями системы. Обмен информацией производится путем разделения во времени модулями системы коллективных шин.

Для микропроцессоров характерна трех шинная структура, содержащая шину адреса – ША, двунаправленную шину данных – ШД, шину управления – ШУ. Шина адреса используется для передачи адресов памяти и адресов регистров устройств, подключенных к системному интерфейсу. Шина данных используется для обмена информацией между устройствами, шина управления — для передачи управляющих сигналов. Каждое функциональное устройство, подключенное к системному интерфейсу, рассматривается процессором как совокупность адресуемых регистров, разделяемых на регистры управления и состояния и регистры данных.

Литература:1осн.[ 13-37, 92–103], 20 доп.[36–45]

Контрольные вопросы

1. Основные понятия и определения.

2. Этапы развития МП и МП-систем.

3. Назовите основные компоненты, достоинства и недостатки различных архитектур МП.

4. Для чего нужен оператор?

5. Что показывает операнд?

6. Назначение АЛУ (арифметико-логическое устройство).

7. Что такое дешифратор команд?

8. Каковы функции блока управления?

9. Каковы функции блока управления?

10. Для микропроцессоров характерна трехшинная структура, что она содержит.

11. Что представляет собой программа для магазинного процессора.

12. Что такое шина данных?

Тема лекции 4: Кэш-память.

Содержание темы: Кэш, принцип локальности, методы отображения, проблемы непротиворечивости в многоядерных системах, уровни и топологий кэш-памяти.

 

Программируемые контроллеры, начальные сведения. Контроллер это мозг любой автоматической машины, обеспечивающий ее логику работы. Например - контроллер системы впрыска топлива автомобилей, контроллер управления лифтом, автоматом сборки часов, стиральной машиной и т.д. Естественно чем сложнее логика работы машины, тем «умнее» должен быть контроллер. Технически контроллеры реализуются по-разному. Это может быть механическое устройство, пневматический или гидравлический автомат, релейная или электронная схема, или даже компьютерная программа. Часто, контроллер встроен в конкретную машину и обладает жесткой логикой работы, заложенной при изготовлении. Проектирование таких контроллеров окупается только для изделий выпускаемых значительным тиражом. При создании машин занятых в сфере промышленного производства, как правило, приходится иметь дело не более чем с единицами однотипных устройств. Кроме того, очень существенной здесь является возможность быстрой перенастройки оборудования на выпуск другой продукции. Для уникальных проектов, мелкосерийных изделий и опытных образцов также желательно иметь универсальный свободно программируемый контроллер. Идея создания программируемых логических контроллеров (ПЛК) родилась практически сразу с появлением микропроцессора. ПЛК представляет собой вычислительную машину, имеющую некоторое множество входов и множество выходов. Контроллер отслеживает изменение входов и вырабатывает программно определенное воздействие на выходах. Обладая памятью, ПЛК способен реагировать по-разному, в зависимости от предыстории. Такая модель соответствует широко известным конечным автоматам. Однако возможности управления по времени, развитые вычислительные способности, включая цифровую обработку сигналов, поднимают ПЛК на более высокий уровень.

 

Рисунок 1- Схемотичное изображение контроллера.

 

ПЛК ориентированы на длительную работу в условиях промышленной среды. Это обуславливает определенную специфику схемотехнических решений и конструктивного исполнения. Хороший ПЛК обладает мощной, совместимой и интуитивно понятной системой программирования, удобен в монтаже и обслуживании, обладает высокой ремонтопригодностью, имеет развитые средства самодиагностики и контроля правильности выполнения прикладных задач, средства интеграции в единую систему, надежен и неприхотлив. Как и для любой ответственной техники, важна организация службы сервиса изготовителя. Необходимо иметь реальную возможность получения бесплатных консультаций и оперативной помощи непосредственно от разработчиков ПЛК, а не «авторизованных» «специалистов».

Что такое дискретные входы? Один дискретный вход ПЛК способен принимать один бинарный электрический сигнал, описываемый двумя состояниями – включен или выключен. На уровне программы это один бит информации - ИСТИНА или ЛОЖЬ. Кнопки, выключатели, контакты реле, датчики обнаружения предметов и множество приборов с выходом типа «сухой контакт» или «открытый коллектор» непосредственно могут быть подключены к дискретным входам ПЛК. Некоторые первичные приборы систем промышленной автоматики имеют более 2-х состояний. Для их подключения используют несколько дискретных входов. Дискретные входы применимы, если можно выделить несколько определяющих значений непрерывной физической величины или хода процесса. Системное программное обеспечение ПЛК включает драйвер, автоматически считывающий физические значения входов в оперативную память. Благодаря этому, прикладному программисту нет необходимости разбираться с внутренним устройством контроллера. С точки зрения прикладного программиста дискретные входы это наборы бит, доступные для чтения. Все дискретные входы (общего исполнения) контроллеров обычно рассчитаны на прием стандартных сигналов с уровнем 24В постоянного тока. Типовое значение тока одного дискретного входа (при входном напряжении 24В) составляет около 10мА. Для питания внешних датчиков нужен отдельный источник питания. В состав ПЛК источник питания внешнего оборудования не входит. В простейшем случае, для подключения нормально разомкнутого контакта, дискретный вход и сам контакт необходимо подключить последовательно к источнику питания 24В. Все современные датчики, базирующиеся на разнообразных физических явлениях (емкостные, индуктивные, ультразвуковые, оптические и т.д.), как правило, поставляются со встроенными первичными преобразователями и не требуют дополнительного согласования при подключении к дискретным входам ПЛК. Несмотря на внешнюю простоту дискретного входа, его схемотехническое решение и элементная база постоянно совершенствуются.

Мощное вычислительное ядро современных ПЛК делает их очень похожими на компьютеры. Однако ПЛК это не «железо», а технология. Она включает специфическую аппаратную архитектуру, принцип циклической работы и специализированные языки программирования. Программирование ПЛК осуществляется людьми, хорошо знающими прикладную область, но не обязанными быть специалистами в математике. Существуют программы имитирующие работу ПЛК на компьютере. В этом случае, удается совместить на одной машине контроллер, средства программирования и визуализации. Недостатком такого решения является значительное время восстановления при сбоях и повреждениях. Перезагрузка операционной системы (ОС) и запуск прикладной задачи может занимать несколько минут. Переустановка и настройка ОС, драйверов оборудования и прикладных программ требует значительного времени и высокой квалификации обслуживающего персонала. Системное программное обеспечение ПЛК расположено в постоянной памяти в адресном пространстве центрального процессора и всегда готово к работе. По включению питания, ПЛК готов взять на себя управление системой уже через несколько миллисекунд. В целом, в силу дешевизны, надежности и простоты применения, ПЛК доминируют на нижнем уровне систем промышленной автоматики. Они обеспечивают непосредственное управление оборудованием на переднем крае производства.

В первую очередь контроллеры ориентированы на решение задач промышленного производства.

4.2 Классификация микропроцессорных ПТК. Все выпускаемые универсальные микропроцессорные ПТК подразделяются на классы, каждый из которых выполняет определенный набор функций. Рассмотрим ПТК, начиная с простейшего класса, минимального по функциям и объему автоматизируемого объекта, и, кончая классом, который может охватывать задачи планирования и технического управления на всем предприятии:

1. Контроллер на базе ПК

2. Локальный ПЛК

3. Сетевой комплекс контроллеров

4. РСУ малого масштаба

5. Полномасштабные РСУ

Приведенная классификация помогает охватить всю гамму современных микропроцессорных ПТК и выделить основные черты и отличия отдельных классов этих средств. Однако эта классификация носит приближенный характер. Четких границ между классами ПТК не существует, а в последние годы они тем более размываются, так как открытость и стандартность отдельных компонентов таких комплексов позволяет компоновать их из разных средств, соединять различными типовыми сетями и создавать систему управления из отдельных компонентов, выпускаемых разными фирмами и относящихся к разным классам.

Контроллеры обычно рассчитаны на десятки входов/выходов от датчиков и ИМ; их вычислительная мощность невелика; они реализуют простейшие типовые функции обработки измерительной информации, логического управления, регулирования. Контроллеры, предназначенные для целей противоаварийной защиты, должны иметь специальный сертификат, подтверждающий их высокую надежность и живучесть. Зарубежные фирмы, работающие в этом секторе рынка:

· General Electric Fanuc Automation с контроллерами сер. 90 Micro;

· Rockwell Automation с контроллерами сер. Micrologic 1000;

· Schneider Automation с контроллерами сер. TSX Nano;

· Siemens с контроллерами сер. С7-620.

4.3 Мировые тенденции развития микропроцессорных ПТК

При выборе конкретного ПТК, обобщенная схема которого представлена, необходимо знать общие тенденции развития ПТК, чтобы не приобрести морально устаревший комплекс. Если выбранный ПТК удовлетворяет всем сегодняшним требованиям по автоматизации конкретного объекта, но он недостаточно современен, то это может в дальнейшем при его эксплуатации (а срок службы приобретаемого комплекса должен быть >10 лет) привести к нежелательным последствиям.

4.4 Принципы выбора программируемого логического контроллера. Наличие различных ПЛК ставит следующий вопрос: как выбрать из этого обилия необходимый именно вам контроллер? Большинству потребителей требуется не превосходство одной какой-то характеристики, а некая интегральная оценка, позволяющая сравнить ПЛК по совокупности характеристик и свойств.

Один из самых важных параметров ПЛК быстродействие в каталогах фирм указывается в совершенно разных вариантах. Могут фигурировать время выполнения бинарных команд, время опроса 1К дискретных входов, время выполнения смешанных команд и т.д.

Цены самый интригующий фактор. Кто-то приводит их в американских долларах, кто-то в немецких марках, при этом курс иностранной валюты очень разный и всегда завышенный.

Учитывая специфику устройств, критерии оценки можно разделить на три группы:

· технические характеристики;

· эксплуатационные характеристики;

· потребительские свойства.

При этом критериями выбора считать потребительские свойства, т.е. соотношение показателей затраты/производительность/надежность, а технические и эксплуатационные характеристики ограничениями для процедуры выбора. Кроме того, необходимо разделить характеристики на прямые - для которых положительным результатом является её увеличение (на рисунке обозначены - "*") и обратные - для которых положительным результатом является её уменьшение (на рисунке обозначены - "**"). Так как характеристики между собой конфликтны, т.е. улучшение одной характеристики почти всегда приводит к ухудшению другой, необходимо для каждой характеристики K_i определить весовой коэффициент a_i, учитывающий степень влияния данной характеристики на полезность устройства. Терминология и состав критериев оценки ПЛК приведены в соответствии с основными положениями квалиметрии и стандартами качества (ГОСТ 15467-79). Выбор аппаратуры производится в четыре этапа:

· определение соответствия технических характеристик предъявленным требованиям;

· определение соответствия эксплуатационных характеристик предъявленным требованиям;

· оценка потребительских свойств выбираемой аппаратуры;

· ранжирование изделий.

4.5 Структура ПТК. Она определяется средствами и характеристиками взаимосвязи отдельных компонентов комплекса (контроллеров, пультов оператора, удаленных блоков ввода/вывода), т.е. его сетевыми возможностями. Гибкость и разнообразие возможных структур ПТК зависит от числа имеющихся сетевых уровней, возможных типов связи на каждом уровне сети (шина, звезда, кольцо), параметре в сети каждого уровня: возможных типов кабеля, максимально возможных расстояний, максимального числа узлов (компонентов комплекса), подключаемых к каждой сети, скорости передачи информации при разных типах кабеля, методе доступа компонентов к сети (случайный по времени доставки сообщений или гарантирующий время их доставки). Указанные свойства ПТК характеризуют: возможность распределения аппаратуры в производственных цехах; объем производства, который может быть охвачен системой автоматизации, реализованной на данном ПТК; предельную динамику передачи оперативной информации через любую из имеющихся сетей, возможность переноса блоков ввода/вывода непосредственно к датчикам и исполнительным механизмам, что позволяет существенно сэкономить затраты на кабель и уменьшить помехи из-за передачи низковольтных аналоговых сигналов на большие расстояния. Для компенсации аварийных ситуаций, требующих согласованной во времени работы ряда контроллеров, важно обеспечение требуемого времени передачи приоритетных сигналов по сети. Наличие информационной сети для передачи больших массивов информации между пультами операторов и между ними и сервером корпоративной сети предприятия, а также характеристики этой сети (включая ее протоколы) позволяют судить о возможностях связей рассматриваемой системы автоматизации с другими более высокими уровнями управления производства.

4. 6 Характеристики контроллеров. Свойства и параметры основного компонента ПТК - контроллера - существенно различаются у разных производителей. Если выделить важнейшие для пользователей показатели, то это будут: тип основной вычислительной платы, разрядность, рабочая частота, наличие и объем различных видов памяти: ОЗУ, энергонезависимой, ПЗУ (небезынтересно также знать каков объем памяти, предназначенный для программ пользователя), операционная система контроллера, максимальное число различных входов и выходов (аналоговых, дискретных, импульсных), которые можно подключить к контроллеру. Важным обстоятельством является наличие в конкретном ПТК ряда модификаций контроллеров, отличающихся друг от друга мощностью, памятью, условиями работы, резервируемостью и различными другими параметрами; при этом, естественно, каждая из модификаций может использоваться в единой сетевой структуре.

Знание вышеуказанных характеристик позволяет наилучшим образом согласовать требования к системе автоматизации с возможностями контроллеров; не допустить как применения излишне мощной аппаратуры (а, следовательно, и более дорогой), так и применения контроллеров, которые по ряду параметров не будут полностью удовлетворять заданным условиям работы. Естественно, что наличие ряда модификаций позволит более гибко и экономно подойти к выбору контроллеров для разных участков автоматизируемого объекта.

4.7 Динамика работы ПТК. Важными для многих применений являются динамические параметры ПТК, определяющие возможное быстродействие разрабатываемых цепей контроля и управления. Отдельными показателями динамики являются:

· минимальный цикл опроса датчиков и минимальное время реакции на аварийные сигналы при их обработке в цепях аварийной защиты: внутри одного контроллера, при передаче управляющих сигналов через системную сеть, при прохождении сигнала через пульт оператора;

· минимальный цикл смены динамических данных в кадре на пульте оператора и смены самих кадров, а также минимальное время реакции на команду оператора с пульта;

· минимальное время перезапуска как всей системы, так и только отдельных контроллеров после перерывов питания.

Указанные показатели имеют тем более важное значение, чем более быстро протекают технологические процессы в автоматизируемом объекте.

Литература:1осн.[ 13-37, 92–103], 2 осн.[48-81,52–55]

Контрольные вопросы

1. Дайте определение ПЛК

2. Основные элементы ПЛК

3. Классификация ПЛК.

4. Логическая, физическая и программная структура ПЛК.

Тема лекции 5: Системы ввода / вывода.

Содержание темы: Правила подключения к микропроцессору, программируемый последовательный и параллельный систем передачи информации. Таймеры.

Периферийные Устройства МП-Систем. Состав периферийных устройств МП-систем представлен на рисунке 1. Вся наиболее существенная номенклатура ПУ условно разделена на две группы: группа устройств ввода — вывода информации общего назначения и группа специализированных уст­ройств.

Устройства ввода — вывода (УВВ) общего назначения используются не только в микропроцессорных системах управления, но и в системах обработки информации с ЭВМ, в вычислительных системах. К ним относятся стандартные для вычислительных систем устройства ввода информации (клавишные устройства, телетайп, системы ввода с перфолент, магнитных лент и дисков), устройства вывода информации в виде печатающих устройств (телетайп, электрические печатающие машинки — ЭПМ), АЦПУ, последовательные построчные печатающие устройства (ПППУ), устройства отображения информации (дисплеи на ЭЛТ, цифровые семисегментные световые индикаторы). Специализированные устройства характерны в основном для АСУ ТП, так как включают в себя устройства связи МП с технологическими объектами управления и оперативным персоналом.

Рисунок 1 – Состав периферийных устройств МП-системы

Основные типы периферийных устройств. В состав современных ЭВМ входят многочисленные и разнообразные по выполняемым функциям, принципам действия и характеристикам периферийные устройства, которые по назначению можно разделить на две группы:

1) внешние запоминающие устройства, предназначенные для хранения больших объемов информации;

2) устройства ввода-вывода, обеспечивающие связь машины с внешней средой путем ввода и вывода информации из ЭВМ, ее регистрации и отображения.

Устройство ввода позволяет вводить в машину данные и программы. Устройства вывода служат для вывода из ЭВМ результатов обработки данных, в том числе для их регистрации и отображения.

Типы устройств ввода информации:

1) Ручного ввода: клавиатура пульта управления.

2) Полуавтоматического ввода: клавиатура дисплея, ручной манипулятор "мышь", световое перо, сканер, планшет, джойстик, устройство ввода с перфолент, устройство ввода с магнитных носителей.

3) Автоматического ввода: читающие автоматы, речевые анализаторы, устройства ввода с каналов связи, аналого-цифровой преобразователи, телетайпы.

Типы устройств вывода информации:

1) Устройства фиксации на машинных носителях: перфораторы, устройства записи на магнитные носители.

2) Устройства регистрации: знакогенерирующие (АЦПУ) и графические (графопостроители).

3) Устройства наглядного отображения: дисплеи и индикаторы.

4) Устройства передачи: кодирующие устройства, цифро-аналоговые преобразователи, модемы, телетайпы.

Основные характеристики внешних запоминающих устройств. Одной из основных характеристик ВЗУ является общий объем хранимой информации, или емкость ВЗУ, обычно измеряемая в байтах. Из-за большого различия быстродействия оперативной памяти и ВЗУ обращения к внешней памяти вызывают потери производительности ЭВМ. Поэтому быстродействие ВЗУ является показателем не менее важным, чем его емкость. Обращение к ВЗУ в общем случае предполагает последовательное выполнение двух процессов:

1) доступа к ВЗУ - установки головок на участок носителя, с которого требуется считать или на который нужно записать информацию;

2) считывания и передачи информации из ВЗУ в оперативную память или передачи информации из памяти в ВЗУ и записи ее на носитель.

Методы адресации. Важным вопросом построения любой системы команд является оптимальное кодирование команд. Оно определяется количеством регистров и применяемых методов адресации, а также сложностью аппаратуры, необходимой для декодирования. Именно поэтому в современных RISC-архитектурах используются достаточно простые методы адресации, позволяющие резко упростить декодирование команд. Более сложные и редко встречающиеся в реальных программах методы адресации реализуются с помощью дополнительных команд, что, вообще говоря, приводит к увеличению размера программного кода. Для адресации применяются следующие основные способы и их модификации.

· Прямая адресация. При этом способе адресации адресная часть команды определяет исполнительный адрес операнда в памяти. Такая адресация является простой, однако невыгодной из-за необходимости достаточно длинного командного слова.

· Относительная адресация. При относительной адресации обеспечивается разрядность адресной части команды, так как адресная часть представляет собой относительный адрес по отношению к содержимому определенного регистра процесса. В качестве такого регистра чаще всего выступает счетчик команд. Часть адреса команды, которая при такой адресации называется смещением, прибавляется к содержимому счетчика команд; в результате образуется исполнительный (действительный) адрес операнда. То есть адресная часть команды соответствует разности адресов операнда и базового, задаваемых содержимым счетчика команд.

· Индексная адресация - подобна прямой адресации, однако, в адресной части команды содержится только часть адреса. Другие разряды необходимые для адресации, расположены в одном или нескольких регистрах, которые являются составной частью АЛУ. Эти регистры называются индексными. Как правило, они содержат адресную часть команды, относящуюся к самым младшим двоичным разрядам исполнительного адреса.

· Регистровая индексация – это по существу, индексная адресация без возможности суммирования (или совмещения) адресной части команды, то есть адреса в памяти определяются содержимым некоторых регистров АЛУ.

· Косвенная адресация - косвенная адресация выполняется как прямая адресация, однако слово, полученное из памяти представляет собой не операнд, а адрес требуемого операнда.

· Косвенная регистровая адресация, представляет собой комбинацию регистровой и относительной адресаций. Команда задает адрес регистра и смещение. Адрес ячейки памяти определяется содержимым выбранного регистра и смещения. Данный способ обеспечивает возможность применения небольшого числа разрядов в адресной части команды.

Адресация по указателю - является вариантом комбинации регистровой и косвенной адресаций, смотри рисунок 4. После каждой операции, содержимое индексного регистра увеличивается на 1. При таком способе адресации одна и та же команда обращения к памяти может использоваться для адресации всех слов исполнительной команды. Адрес в командном слове является косвенным, и в рассматриваемом случае адрес 0100 определяет содержимое, равное 1001. К этому содержимому добавляется значение, хранимое в индексном регистре, то есть 10, в результате чего образуется исполнительный адрес 1011. После завершенной операции содержимое индексного регистра увеличивается на 1, то есть становится равным 11, и следующие исполнительный адрес будет 1100.

Последующее содержимое индексного регистра получится нулевым. Это значение содержимого регистра может быть использовано для образования цикла.

· Страничная адресация - это определенная разновидность относительной адресации. Здесь учитывается то обстоятельство, что большинство слов, выбираемых из памяти, сосредоточено в одной и той же части памяти. Поэтому память с точки зрения адресации, разделена на несколько частей, которые называют страницами.

· Непосредственная адресация - в разрядах адресной части команды содержится непосредственно операнд. Непосредственная адресация удобна при записи постоянных величин в регистр.

· Автоинкрементная адресация - помимо основного действия (косвенного обращения к ячейке памяти), при использовании этого метода, происходит еще изменение адреса этого обращения. В данном случае увеличивается указатель адреса ячейки памяти, к которой мы обращаемся, то есть содержимое регистра, служащего указателем адреса. Данное увеличение происходит автоматически, без какой-либо команды. Записывается эта адресация как (Rn)+. То, что знак + стоит после имени регистра, намекает на порядок выполнения команды: сначала происходит операция с ячейкой, на которую указывает адрес помещенный в регистр Rn, а потом уже содержимое регистра увеличивается на 2 (если оператор работает со словом, то переход к адресу следующего слова), или на 1 (если оператор работает с байтом, переход к адресу следующего байта). Данный способ адресации применяется для работы с массивами и при использовании стека (например, при использовании подпрограмм).

Типы команд. Команды можно разбить в соответствии с адресом, содержащимся в команде, на следующие типы:

1. Команды обращения к памяти. Операция, указанная в команде, относится к содержимому определенного места в ОЗУ, то есть команда задает адрес ячейки памяти в ОЗУ.

2. Команды обращения к регистру. Для выполняемой операции не требуется адресация ОЗУ. Операция выполняется под одним операндом, который содержится в регистре.

3. Команды обращения к УВВ. Эти команды обеспечивают передачу данных между микропроцессором и периферийными устройствами.

Кроме того, команды классифицируют на группы по типу операций, которые должны выполняться:

· Команды пересылки данных. К данной группе относятся команды пересылки информации из ОЗУ в аккумулятор и соответственно другие рабочие регистры АЛУ. Эти команды должны задавать направление передачи, источник и приемник информации;

· Арифметические и логические команды. Это операции, выполняемые над двумя операндами. Такие команды должны задавать операцию, источник данных и адрес загрузки результата операции. Один операнд содержится в ОЗУ, другой в аккумуляторе. После завершения операции содержимое источника остается неизменным, а в аккумуляторе хранится результат выполненной операции.

· Команды управления. Данные команды реализуют механизм ветвления программы. Команда управления может проверять результат вычислений в определенной точке программы, в которой происходит ветвление.

· Системные команды – системные вызовы, команды управления виртуальной памятью и т.д..

· Операции с плавающей точкой. Данные операции выполняют сложение, вычитание, умножение и деления над вещественными числами.

· Десятичные операции – десятичное “+”, “-“, "*”, “/”, преобразование форматов и т.д.

Далее см. в книге.

3.5 Блокировка генерации адреса.В случае, если одна команда использует какой-либо регистр в качестве операнда – приемника, а следующая за ней (по конвейеру, а не по тексту программы) команда использует этот же регистр для адресации, то возникает блокировка генерации адреса (Address Generation Interlock-AGI) на стадии (D 2). Действительно, когда первая команда находится на стадии (ЕХ), вторая находится на стадии (D2) и хочет вычислить линейный адрес, но это невозможно, так как первая команда еще не получила результат. В этом случае на стадии (D2) вводится дополнительный такт. Вторая команда приступит к генерации адреса, когда первая перейдет на стадию (WB).

D2	EX	WB	Конв1
D2	EX	WB	Конв2
D1	D2	EX	WB	Конв1
D1	D2	D2	EX	WB	Конв2
	D1	D1	D2	EX	Mex	Wm/M2

Для динамического предсказания ветвлений используется устройство, называемое Branch Target Buffer – ВТВ. Оно представляет собой кэш – память, в которой хранится информация о сделанных ранее переходах. Когда команда выбирается памяти, ее адрес транслируется через ВТВ и ВТВ выдает устройству предвыборки адрес следующей команды.

ВТВ работает по такому принципу:

· если адрес команды отсутствует в ВТВ, то предвыборка продолжается дальше со следующего адреса;

· если адрес команды находится в ВТВ и переход предсказывается как сделанный, то это требует одного лишнего такта;

ВТВ хранит 4 – битную историю переходов

Литература: 1осн.[1, 2, 3];2доп. [8]

Контрольные вопросы

1. Функции команды обращения к памяти.

2. Функции команды обращения к устройствам ввода-вывода.

3. Функции арифметических и логических команд.

4. Программно-управляемая передача информации.

5. Что такое арифметико-логическое устройство (АЛУ).

6. Что показывает единица измерения МГц?

7. Назначение устройства управления и синхронизации.

8. Какие сигналы относятся к внешним сигналам прерывания.

9. Что такое мультиплексор.