4.7. Цифровые системы управления и регулирования

В системах прямого цифрового управления и распределенных системах управления используются микро-ЭВМ и контроллеры. Системы управления с использованием ЭВМ и контроллеров обладают высоким быстродействием, расширенными функциональными возможностями и быстротой перестройки алгоритма управления. Алгоритм управления в таких системах реализуется программными средствами, что делает такие системы универсальными.

4.7.1. Принципы организации эвм

Для построения систем управления используются ЭВМ, микропроцессоры и микроконтроллеры различной архитектуры. Вместе с тем, все они имеют общие функциональные элементы. Под архитектурой микро-ЭВМ и микропроцессоров понимается совокупность аппаратных и программных средств, доступных пользователю. Архитектура определяет принципы организации вычислительной системы и не отражает такие проблемы, как управление и передача данных внутри самого процессора.

ЭВМ содержит четыре основных компонента (рис. 4.51): процессор, память, внешние устройства ввода/вывода и шину (канал ЭВМ).

Процессор предназначен для выполнения арифметическо-логических операций над числами и управления работой ЭВМ. Он содержит устройство управления (УУ), арифметическо-логическое устройство (АЛУ) и группу регистров.

Устройство управления осуществляет управление работой всех элементов процессора и процессом обмена информацией с другими блоками ЭВМ.

АЛУ предназначено для выполнения арифметическо-логических операций над двоичными числами.

Регистры предназначены для хранения двоичных чисел и выполнения других важных функций. По функциональному назначению можно выделить следующие регистры.

Регистр команд (РК) предназначен для временного запоминания кода текущей команды, которая дешифрируется в устройстве управления для реализации действий, соответствующих этой команде. Регистр не доступен пользователю.

Регистр счетчик команд (СК) (Programm Counter - PC) предназначен для формирования адреса следующей команды, т. е. адреса (номера) ячейки памяти, содержащей код следующей команды. После считывания команды из указанной им ячейки памяти и перемещения ее в регистр команд содержимое счетчика команд автоматически увеличивается и становится равным адресу следующей по порядку команды. Содержимое ячейки памяти, адрес которой в данный момент находится в счетчике команд, всегда интерпретируется процессором как код команды.

Регистр-указатель стека (УС) (Stack Pointer -SP) предназначен для организации в оперативной памяти ЭВМ аппаратно управляемого стека - памяти магазинного типа, доступ к ячейкам которой осуществляется через указатель стека. Стек используется для реализации механизмов работы с подпрограммами и обслуживания внешних и внутренних прерываний.

Регистры общего назначения (РОН) используются процессором как временная быстродействующая память для входных и выходных операндов АЛУ и для реализации различных методов адресации операндов, т. е. способов указания местонахождения операндов. Число разрядов РОН обычно совпадает с разрядностью АЛУ. Заметим, что некоторые процессоры имеют несколько наборов РОН. Выбор набора определяется содержимым определенных разрядов регистра состояния процессора.

Регистр состояния (RS) предназначен для отражения текущего состояния процессора и для установки режима его работы. В определенных разрядах этого регистра индицируется состояние результата выполнения процессором текущей операции (команды). Это разряды-признаки (флаги): нулевого результата (Z), отрицательного результата (N) и т.д.

Кроме того, современные процессоры имеют ряд дополнительных регистров для реализации более сложных методов адресации операндов и управления процессором.

Канал ЭВМ, связывающий ее компоненты, обычно имеет шинную организацию. Шина - общая для всех компонент группа линий одного функционального назначения. Шина ЭВМ функционально делится на три шины: адреса, данных и управления. Шина адреса при обмене данными содержит номер (адрес) ячейки памяти или регистра внешнего устройства, с которым производится обмен информацией. Шина данных предназначена для передачи данных при обмене. Шина управления содержит линии передачи сигналов управления обменом данных. В некоторых ЭВМ шины адреса и данных могут быть совмещены. В этом случае разделение адреса и данных осуществляется их мультиплексированием во времени. Разрядность шин и система сигналов в них определяется процессором и в свою очередь определяет устройство интерфейсов. Заметим, что ЭВМ может иметь несколько шин различающихся функциональным назначением, скоростью обмена данными и протоколом обмена.

Память – оперативное (ОЗУ) или постоянное (ПЗУ) запоминающее устройство, состоящee из последовательного набора запоминающих ячеек предназначенных для запоминания двоичного числа или кода команды. Типичной для ЭВМ является байтовая организация памяти, когда данные или команды занимают ячейки по 8 разрядов-битов (по одному байту) и каждой такой байтовой ячейке присвоен свой адрес в адресном пространстве ЭВМ - множестве всех возможных адресов, определяемом размером физической памяти и разрядностью адреса. При байтовой организации памяти информационные единицы (коды, числа, команды), имеющие более 8 разрядов (16, 32) размещаются в соответствующем количестве последовательных байтовых ячеек. Адрес ячейки памяти также представляет собой двоичное число. Обращение (чтение/запись) в любой момент времени возможно только к одной, любой ячейке, путем установки ее адреса на адресном входе памяти (в регистре адреса памяти). Память с таким способом обращения к ее запоминающим ячейкам называется памятью с произвольным доступом. Записываемые или считываемые данные через шину данных канала поступают соответственно из процессора в ячейку для записи или из ячейки в процессор при чтении памяти. В ЭВМ, имеющей, как правило, фон-неймановскую архитектуру используется общая память для хранения данных и кодов команд в двоичной форме. Коды команд (инструкции) и данные (операнды) записанные в ячейках памяти не имеют отличительных признаков и могут быть выявлены только из контекста программы. Не все адресное пространство функционально однородно. Отдельные области имеют специфическое функциональное назначение, устанавливаемое аппаратно или программно (операционной системой).

ЭВМ может содержать и внешние запоминающие устройства (ВЗУ): накопитель на гибких и жестких магнитных дисках, CD-ROM.

Каждый тип ЭВМ имеет свою архитектуру: свой набор регистров, имеющий свои имена, свои разрядность и назначение, систему команд и методов адресации и свое функциональное распределение адресного пространства. Занесение кодов и данных в память осуществляется аппаратными (оператором с пульта, ПЗУ) или программными (с внешних запоминающих устройств) средствами.

Периферийные устройства (объекты управления) подключаются к ЭВМ с помощью согласующих устройств ввода/вывода (УВВ) – интерфейсов. Устройства ввода/вывода преобразуют систему сигналов канала ЭВМ в систему управляющих сигналов для объекта управления (периферийного устройства). В качестве периферийных устройств могут выступать накопители на магнитных дисках, дисплеи, печатающие устройства, датчики и исполнительные механизмы технологического оборудования.