Файл: Конспек лекций (основной).doc

4.4. Применение эвм в качестве контроллера и системы сбора данных.

Все отмеченные преимущества микропроцессорных систем, обладающих возможностью функциональной перестройки программным путем, их привлекательная дешевизна, универсальность по сравнению с системами с "жесткой" неизменяемой структурой, традиционно применяемых для задач управления различными процессами и объектами обусловили широкое внедрение микропроцессорных систем и в эту сферу. По назначению среди систем управления можно выделить класс устройств, называемых контроллерами. Контроллер представляет собой микропроцессорную систему, адаптированную к задачам управления объектом. Контроллер содержит в своей структуре те же узлы, что и ЭВМ, но отличие состоит в более развитых внешних устройствах ввода-вывода, представляющих собой средства сопряжения с объектом и требующих большого количества каналов ввода-вывода (или портов). Выделим ряд отличительных особенностей, которыми должна обладать ЭВМ для осуществления функций контроллера:

• наличие ограниченного набора четко сформулированных задач, иными словами, при проектировании контроллеров учитывается их функциональное назначение осуществлять конкретные задачи управления;

• работа в реальном масштабе времени, т.е. обеспечение минимального времени реакции на изменение внешних условий;

• наличие развитой системы внешних устройств ввода-вывода, связанное с большим разнообразием характеристик датчиков, исполнительных механизмов и их количеством;

• решение основных функциональных задач и выработка управляющих воздействий;

• высокие требования по надежности и живучести, связанные с продолжительностью работы и сложными условиями эксплуатации;

• обеспечение автоматического режима работы или режима с участием человека;

• реализация функций диагностирования и тестирования как самого контроллера, так и состояния объекта управления.

Для ЭВМ в качестве контроллера не предъявляются, как правило, жесткие требования к объему используемой оперативной памяти, нежели для ЭВМ в обычном ее назначении. Объясняется это тем, что контроллер - устройство хотя и универсальное, но свойство универсальности проявляется исключительно в области управления. На контроллер не возлагаются требования к работе под управлением операционной системы, использованию системных программ разработки и отладки программного обеспечения и другие, характерные для ЭВМ более высокой организации. Кроме того, объем обрабатываемой входной информации не так велик и ограничен поставленной задачей в каждом конкретном случае, поскольку контроллер является в основном устройством местного управления. Для этих целей достаточно использования памяти небольшого объема.

Контроллеры могут проектироваться как самостоятельные устройства, и как элементы в составе иерархической структуры, на высшем уровне которой располагается ЭВМ более высокой организации. Примером может служить ПЭВМ, процессорный модуль которой управляет всеми операциями на высшем уровне, а интерпретацию его команд для отдельных устройств осуществляют местные контроллеры. Этим достигается распределение функций между процессорным модулем и контроллерами, освобождая первый от выполнения лишней работы, обеспечивая наибольшее быстродействие системы.

В качестве другого примера использования ЭВМ можно привести систему сбора данных. Подобные задачи сбора данных часто возникают в контрольно-измерительных системах. Так, например, с помощью системы сбора данных можно осуществлять опрос множества аналоговых каналов, формирующих аналоговые сигналы, отражающие те или иные характеристики технологического процесса. В такой системе в качестве устройств ввода могут использоваться коммутаторы аналоговых сигналов и аналого-цифровые преобразователи. В связи с большим количеством входных данных, предварительной их обработкой и преобразования к виду, необходимому для дальнейших действий, высокой динамичностью изменения входной информации для ЭВМ в качестве систем сбора данных предъявляются жесткие требования к объемам памяти, разрядности и быстродействию. Оперативная память таких систем должна быть большой емкости для хранения больших массивов данных. МП должен обладать возможностью адресоваться к большому количеству ячеек памяти, для чего необходима высокая разрядность шины адреса ЭВМ. Для обеспечения высокой точности предварительной обработки данных используемая ЭВМ должна иметь высокую разрядность шины данных для минимизации погрешности округления при вычислениях. И наконец система должна иметь высокое быстродействие для сбора и обработки быстропротекающих процессов, характерных особенно для аналоговых сигналов.

Система сбора данных может являться промежуточным звеном в цепи движения информации от ее источника к потребителю, когда те разнесены в пространстве. В этом случае ЭВМ системы сбора данных содержит энергонезависимую память необходимого объема, данные в которую могут как записываться, так и считываться неограниченное количество раз по аналогии с ОЗУ с той лишь разницей, что в энергонезависимой памяти данные с отключением источника питания не пропадают. С помощью такой системы опрашивается состояние объекта, находящегося на удалении. Данные, характеризующие его состояние, запоминаются в энергонезависимой памяти, при необходимости осуществляется предварительная их обработка, а затем переносятся в мощную ЭВМ, где обрабатываются дальше.

4.5. Мультимикропроцессорные системы и коллективы вычислителей.

В настоящее время характерен переход в области информационных систем от однопроцессорных управляющих и вычислительных систем к мультимикропроцессорным. Архитектура мультимикропроцессорных систем образуется соединением в одну систему большого числа микропроцессоров. Такой переход обусловлен необходимостью создания высокопроизводительных микропроцессорных систем с быстродействием в сотни миллионов операций в секунду, например в системах распознавания образов или обработки аналоговых сигналов. Особенно недостаточное быстродействие накладывает существенные ограничения при построении приборов для измерения и управления высокодинамичными процессами. Микропроцессоры в мультимикропроцессорных системах могут быть одинаковыми и универсальными, а могут быть специализированными на выполнение определенных функций. Типичным примером такой системы может служить персональный компьютер IBM класса AT и выше, содержащий в своей структуре центральный процессор и математический сопроцессор. В такой системе функции управления ресурсами и оборудованием системы, задаваемых программой работы и выполнения математических операций над числами с плавающей запятой разделены. Реализация первой возлагается на центральный процессор, а второй - на специализированный математический сопроцессор, благодаря чему время выполнения некоторых программ может быть сокращено в несколько раз.

Особенно полезна мультимикропроцессорная организация при построении измерительных устройств с использованием специализированных сигнальных процессоров. В этом случае функции системы разделяются между центральным универсальным процессором или их группой и сигнальным процессором. Центральный процессор может выполнять, например, функции управления портами, обеспечивать индикацию результатов измерения на жидкокристаллическом индикаторе, обеспечивать связь с памятью системы, осуществлять загрузку рабочей программы и т.п. Специализированный сигнальный процессор берет на себя задачу цифровой обработки сигналов и имеет своеобразную архитектуру, позволяющую осуществлять распараллеливание операций по этой обработке. Так, например сигнальные процессоры серии ADSP-21хх фирмы Analog Devises имеют в своей структуре встроенную память данных, разделенную на две области, называемыми буферами. Пока первый буфер накапливает данные, поступающие с внешних устройств ввода, например с аналого-цифрового преобразователя, сигнальный процессор производит параллельно с этим обработку данных, запомненных ранее в другом буфере. Кроме того, сигнальные процессоры имеют набор специализированных команд, позволяющих реализовывать следующие алгоритмы: спектральный анализ, корреляционный анализ, цифровую фильтрацию, статистический анализ, выполнять различные математические операции над сигналами. Все эти особенности сигнальных процессоров, интегрируемых в мультимикропроцессорные системы, позволяют решать сложные задачи контроля, измерения и управления быстропротекающих процессов в реальном масштабе времени. В настоящее время подобные комплексы уже применяются в разных отраслях промышленности как переносные виброанализаторы, в метрологии как измерительные системы, службами безопасности для обнаружения внештатных подключений к телефонным линиям и прослушивающих устройств в исследуемом объеме, в геофизике, при транспортировке спецгрузов, в медицинской диагностике и т.д.

В общем случае при выборе из известных структур мультимикропроцессорных систем - с общим запоминающим устройством, с местным запоминающим устройством, шинной, конвейерной, радиальной, кольцевой, пирамидальной иерархической, с регулярным объединением через коммутаторы, с регулярным объединением через память, с соединением узлов системы по полному графу (когда все узлы связаны между собой) - следует исходить из внутренней структуры классов задач. Это означает, что выбираемая структура мультимикропроцессорной системы должна быть адекватна внутренней структуре решаемой задачи. Например, выбор структуры может определяться: количеством распараллеливаний операций по обработке информации, способами обмена данными между отдельными участками алгоритма, оптимальностью построения потоков данных и потоков команд в возможной программной реализации алгоритма и т.д. Если структура мультимикропроцессорных систем образуется соединением в одну систему большого числа микропроцессоров, запоминающих устройств и устройств ввода-вывода, иначе говоря большого числа ЭВМ, то такая структура будет называться мультимашинной или коллективом вычислителей. Ряд типичных структур мультимикропроцессорных систем приведен на рис.4.3. (окружностями на схеме изображены отдельные микропроцессорные системы): а - шинная; б - конвейерная; в - радиальная; г - кольцевая; д - пирамидальная иерархическая. Каждая микропроцессорная система, входящая в структуру, может управляться как самостоятельной программой обработки, так и общей для всей системы.

Перспективной при построении данного класса систем является универсальная коммутационная структура, которая позволяет программным путем образовывать любые прямые каналы связи между входами и выходами отдельных процессоров, входящих в систему, а также между процессорами и отдельными секторами памяти или устройствами ввода-вывода, обеспечивая возможность реализации любой из приведенных на рис.4.3 структур. Среди других тенденций при построении мультимикропроцессорных систем можно отметить переход от сосредоточенной памяти к распределенной для всей системы, обеспечивающей прямой параллельный доступ для всех процессоров системы.