ИУС_РК2

данных (десятки байт и более) производительность процессора в этих режимах является недостаточной.

Скорость передачи данных в режиме программного ввода-вывода ограничивается только процессором. Поэтому для передачи данных между устройствами внешней памяти и ОЗУ разработан специальный метод передачи данных без участия процессора, получившего название прямого доступа к памяти (Direct Memory Access, DMA). Аппаратные средства реализации канала ПДП называются контроллером прямого доступа к памяти (КПДП).

DMA-контроллер содержит несколько регистров, доступных центральному процессору для чтения и записи. Обычно эти регистры задают порт (или канал), который должен быть использован; направление переноса данных (чтение/запись); единицу переноса (побайтно/пословно); число байтов, которое следует перенести; адрес.

Необходимо отметить, что контроллер ПДП используется не только для передачи данных между ПУ и памятью, но и из памяти в память, и из ПУ в ПУ.

В идеальном случае режим ПДП совершенно не должен влиять на действия процессора, но для этого потребуется сложный и дорогой тракт в основную память вычислительной системы. Поэтому в большинстве систем используется временное разделение (мультиплексирование) общей системной шины между процессором и КПДП.

Разработано две разновидности ПДП: режим без пропусков тактов микропроцессора и режим с пропуском тактов микропроцессора.

В первом режиме реализации прямой доступ осуществляется без участия процессора (параллельно микропроцессору). Для этого используются те интервалы машинных циклов, в течение которых микропроцессор не обращается к основной памяти. Процессор (или дополнительная схема) идентифицирует эти интервалы для КПДП специальным сигналом, означающим доступность системной шины. Производительность процессора в этом режиме не уменьшается, но для каждого типа процессора потребуется свой контроллер ПДП. С другой стороны, сами передачи будут носить нерегулярный характер ввиду отсутствия у некоторых команд этих интервалов, что приведет к уменьшению скорости передачи данных в режиме ПДП.

Во втором способе реализации КПДП полностью "захватывает" системную шину на время передачи, при этом процессор отключается от системной шины и переходит в режим холостого хода. Таким образом, передачи ПДП осуществляются путем пропуска тактов процессора в выполняемой программе. При выполнении передач ПДП содержимое внутренних регистров процессора не модифицируются, поэтому его не нужно запоминать в памяти, а затем восстанавливать, как при обработке прерываний. Выполнение программы осуществляется сразу после окончания ПДП. Тем не менее, в условиях интенсивных передач ПДП эффективная производительность процессора уменьшается.

Обычно блоками ПДП снабжаются сравнительно мощные модели микроконтроллеров. В основном ПДП используется для взаимодействия памяти с устройствами ввода-вывода, которые могут создать большой поток данных: сетевыми контроллерами, UART, ЦАП и АЦП.

Как правило, блок ПДП программисты встроенных систем, особенно начинающие, стараются обходить стороной, считая его излишне сложным. На самом деле,

использование ПДП не является более сложным, чем, например, использование системы прерываний, а эффект от применения ПДП может разгрузить центральный процессор и увеличить производительность контроллера.

1.2.9Средства понижения энергопотребления

Практически все современные микроконтроллеры имеют встроенные средства понижения энергопотребления, позволяющие отключать не используемые в данный момент блоки, понижать тактовую частоту процессора и переходить в различные режимы сна.

Что, по сути, дает применение ОС РВ во ВВС? Во-первых, это средство распределения ресурсов между прикладными процессами и средство организации этих процессов. Во-вторых, это отлаженный (то есть с минимальным количеством ошибок) программный код с полезной функциональностью. В-третьих, ОС РВ, как правило, является архитектурой с заведомо известными плюсами и минусами. В-четвертых, это средство для организации связи с достаточно большой номенклатурой аппаратных средств (различных контроллеров, периферийных устройств). Самостоятельная поддержка множества протоколов обмена, различных процессоров и контроллеров, как правило, оказывается нерентабельной для большинства компаний, создающих ВВС, что также определяет использование готовых ОС РВ.

Какие минусы может принести использование ОС РВ во ВВС? Естественно, большинство ОС РВ, присутствующие на рынке, разрабатывалась как относительно универсальные системы. Универсальность, как правило, означает избыточность функций и, следовательно, необходимость в дополнительных аппаратных ресурсах для поддержки этих функций. При использовании в проекте готовой ОС РВ существует возможность получения закрытой системы, то есть системы со скрытой внутренней структурой. Против использования такого "черного ящика" есть много аргументов. Самым сильным из них является невозможность проверки системы (например, при сертификации) на отсутствие серьезных ошибок и разного рода неучтенного, "шпионского" программного кода.

Впоследнее время популярен способ проектирования систем на базе шаблонов. Так

вчастности, в HW/SW CoDesign проектах используют заготовки ОС РВ (планировщики, переключатели процессов и другие). Эти шаблоны используются на этапе архитектурного проектирования. В результате на выходе системы проектирования разработчик получает монолитный код. Такой подход лишен большинства недостатков, присущих использованию универсальных (или покупных) ОС РВ.

Итак, основными причинами, заставляющими применять ОС РВ в составе программного обеспечения ВВС, будем считать:

•Необходимость использования готовой, надежной и предсказуемой платформы (выделение из множества программ стандартной составляющей, поддерживающей унификацию, стандартизацию, модульность);

•Необходимость обеспечения параллельного функционирования прикладных процессов; Необходимость обеспечения защиты процессов друг от друга; Необходимость

в готовых драйверах периферийных устройств, вычислительной сети [40].

3.1.4Программируемые логические контроллеры

Программируемый логический контроллер (ПЛК, PLC) - контроллер, программируемый конечным пользователем, а не профессионалом в области программирования. ПЛК обычно выпускаются в виде наборов модулей - конструкторов, из которых пользователь сам строит систему. В состав ПЛК входит, как правило, процессорный модуль и несколько модулей ввода-вывода.

i/o

t

Рисунок 59. Цикл ПЛК

В начале цикла исполняется ввод-вывод. Происходит обмен между различными устройствами по сети, получение информации с датчиков и вывод информации на исполнительные устройства. После этого происходит исполнение алгоритмов управления. Через некоторое время цикл повторяется снова. Особенность такого решения состоит в том, что обмен с устройствами ввода-вывода происходит через строго определенные промежутки времени. Что это нам дает? А дает нам это гарантированное время реакции системы, т.е. мы получаем систему реального времени достаточно простым и надежным способом. Естественно, у любого метода есть свои недостатки. К недостаткам такого подхода можно отнести достаточно большое время простоя центрального процессора. Для того, чтобы цикл ПЛК был постоянным необходимо, чтобы суммарное время ввода-вывода и время выполнения алгоритмов управления было всегда меньше периода цикла.

3.1.4.6Области применения ПЛК

ПЛК хорошо приспособлены для широкого диапазона задач автоматики. Очень часто, это автоматизация промышленных процессов на производстве, где цена разработки и поддержки автоматических систем оказывается гораздо выше суммарной стоимости самих систем автоматики, и, там где требуются изменения в системах в течении периода их эксплуатации. ПЛК содержат устройства ввода/вывода совместимые с промышленными регуляторами и приводами, поэтому практически не требуют электротехнического проектирования, а большинство задач укладывается в описание требуемых наборов операций в нотации релейной логики или диаграмм состояний. ПЛК могут быть легко перенастроены на выполнение различных задач. Их цена, как правило, оказывается ниже в сравнении со заказными контроллерами. Хотя, в случае систем массового потребления, применение специализированных управляющих систем является более целесообразным, т.к. позволяет оптимально выбрать элементарную базу и сократить бесполезную избыточность.

3.1.4.7Сравнение с микроконтроллерами

Решения на базе микроконтроллеров будут эффективней, в сравнении с ПЛК, там, где выпускаются сотни или тысячи устройств (повышенная цена разработки окупается за счет большого объема продаж) и там, где конечному пользователю не потребуется изменять алгоритмы управления. Примером могут служить системы автомобильной автоматики, миллионы устройств выпускаются ежегодно и только их производители занимаются программированием контроллеров. Также ПЛК могут оказаться неприменимыми в тех областях, где предъявляются повышенные требования к

вычислительным ресурсам. В управлении химическим производством часто требуется реализация сложных алгоритмов управления, с которыми не справляются даже самые производительные ПЛК. Высокая скорость и точность вычислений требуется в бортовых системах авиации и военной техники.

3.2 Языки программирования

3.2.1Основные определения

Язык - система знаков, сопряженная с правилами их связывания и служащая коммуникативным целям. Язык - средство, позволяющее передавать человеческие мысли и образы. Формальный язык позволяет однозначно воспринимать описание, неформальный допускает неоднозначности.

Язык программирования - язык, позволяющий выразить человеческие мысли и образы в формальном виде, однозначно воспринимаемом вычислительным устройством

врамках конкретной модели вычислений.

Ксоставным частям языка можно отнести: лексику, синтаксис и семантику.

Лексика - описание элементов языка (его элементарных конструкций). Например,

лексемами языка Си являются: for, if, int, char, while,+, -,...

Синтаксис - совокупность правил написания языковых элементов (лексем).

Семантика - смысловое наполнение языковых конструкций, связь между элементами языка и их значением.

Существуют языки, в которых лексемы и синтаксис очень близки, а семантика - различна. Обычно так происходит, если в основе языков лежат различные модели вычислений.

Существует несколько подходов к определению семантики языков программирования. Наиболее широко распространены разновидности следующих трёх:

операционного, денотационного (математического) и деривационного (аксиоматического). При описании семантики в рамках операционного подхода обычно исполнение конструкций языка программирования интерпретируется с помощью некоторой воображаемой (абстрактной) ЭВМ. Деривационная семантика описывает последствия выполнения конструкций языка с помощью языка логики и задания пред- и постусловий. Денотационная семантика оперирует понятиями, типичными для математики - множества, соответствия, а также суждения, утверждения и др.

Статическая типизация - приём, широко используемый в языках программирования, при котором переменная, параметр подпрограммы, возвращаемое значение функции связывается с типом в момент объявления и тип не может быть изменён позже (переменная или параметр будут принимать, а функция - возвращать значения только этого типа). Примеры статически типизированных языков - Ада, Си++, Паскаль.

Динамическая типизация - приём, широко используемый в языках программирования и языках спецификации, при котором переменная связывается с

типом в момент присваивания значения, а не в момент объявления переменной. Таким образом, в различных участках программы одна и та же переменная может принимать значения разных типов. Примеры языков, где есть динамическая типизация - Smalltalk Python, Ruby, PHP, Perl, JavaScript, Object Pascal, Lisp, xBase.

3.2.2 Классификация языков

Языки можно классифицировать по следующим критериям:

•Место в жизненном цикле проектирования (язык программирования, язык спецификации);

•Степень формальности (формальный язык, неформальный язык);

•Используемая модель вычислений;

•Полнота по Тьюрингу;

•Способ реализации (интерпретатор или компилятор);

•Способ типизации (динамическая или статическая);

•Тип используемой семантики (операционная,денотационная деривационная).

3.2.3Языки спецификации и программирования

Программирование ВВС представляет собой сложный многоуровневый процесс, в котором языковые средства играют ключевую роль. В зависимости от этапа и характера использования языки принято делить на языки специфицирования (этап проектирования) и языки программирования (этап реализации), однако существует мнение, что любой формальный язык, в принципе, можно использовать на любом из этих этапов. В отличие от ВС общего назначения, в ВВС на этапе создания языкового описания некоторого объекта зачастую невозможно сказать, в каком виде этот объект будет реализован - как традиционная программа для программируемого процессора, как конфигурация ПЛИС или как специализированный аппаратный блок. Исходя из такой особенности применения языков при проектировании ВВС, наиболее общим и удобным следует считать взгляд на языки с позиции использования их для специфицирования средств ВВС для различных целей и на разных уровнях представления. Именно такой подход к классификации языков был предложен в, что естественным образом следует из концепции многоязыкового проектирования ВВС. Ниже мы рассмотрим языки, используемые при создании ВВС, именно с этих позиций. Основное внимание будет уделено средствам, используемым для проектирования на системном уровне.

Языки используются во время одного из самых важных шагов проектирования системы: на этапе спецификации системы. Существует множество языков спецификации. Каждый из них имеет свои преимущества, но превосходит другие только в пределах ограниченной прикладной области. Отбор языка - вообще компромисс между несколькими критериями, такими как выразительная мощь языка, возможности автоматизации, обеспеченные моделью, лежащей в основе языка, и наличие инструментальных средств и методов, поддерживающих язык. В ряде случаев полезно использовать несколько языков для спецификации различных модулей одного проекта. Многоязычные решения требуются для проектирования гетерогенных систем, где различные части принадлежат разным прикладным категориям, например, управление/данные или непрерывный/дискретный.

Все инструментальные средства проектирования системы используют языки в

качестве входных данных. Они обычно используют промежуточную форму, чтобы выполнить обработку и преобразование начальной спецификации. В основе языкового представления лежат модели вычисления, суть которых была представлена в предыдущем разделе. Модели вычислений могут быть ориентированы на данные или на управление. В обоих случаях, они могут быть синхронными или асинхронными.

3.2.4Полнота по Тьюрингу

Втеории вычислимости исполнитель (множество вычисляющих элементов) называется тьюринг-полным, если на нём можно реализовать любую вычислимую функцию. Другими словами, для каждой вычислимой функции существует вычисляющий её элемент (например, машина Тьюринга) или программа для исполнителя, а все функции, вычисляемые множеством вычислителей, являются вычислимыми функциями (возможно, при некотором кодировании входных и выходных данных). Название пошло от Алана Тьюринга, который придумал абстрактный вычислитель - машину Тьюринга и дал определение множества функций, вычислимых посредством машин Тьюринга. Большинство широко используемых языков программирования - тьюринг-полные. Это касается как императивных языков, таких как Паскаль, так и функциональных (Haskell) и языков логического программирования (Prolog). Полными по Тьюрингу являются также грамматики общего вида. Примерами неполных по Тьюрингу формализмов являются конечные автоматы, примитивно рекурсивные функции, контекстно-свободные и регулярные грамматики.

3.2.5Модель вычислений

Модель вычислений, вычислительная модель (model of computation, MOC) - набор законов взаимодействия элементов вычислительной системы.

Модель вычислений - набор правил организации вычислительного процесса, в рамках которых возможен его формальный анализ.

Модель вычислений - набор формальных правил, в рамках которых организована взаимосвязь и поведение множества составляющих атомарных частей модели некоторой вычислительной системы.

2 Теория вычислимости - это раздел современной математики и теории вычислений, возникший в результате изучения понятий вычислимости и невычислимости. Изначально теория была посвящена вычислимым и невычислимым функциям и сравнению различных моделей вычислений. Сейчас поле исследования теории вычислимости расширилось - появляются новые определения понятия вычислимости и идёт слияние с математической логикой,

где вместо вычислимости и невычислимости идёт речь о доказуемости и недоказуемости (выводимости и невыводимости) утверждений в рамках каких-либо теорий.

Модель вычислений - строго определенная парадигма (набор правил), описывающая протекание вычислительного процесса, способы обмена данными, взаимодействия между отдельными функциональными элементами.

Модель вычислений - недвусмысленный формализм для представления спецификаций проекта и проектных решений.

Модель вычислений - математическая модель, демонстрирующая пользователю вычислительные возможности вычислителя и правила их использования.

Теория вычислимости и теория сложности вычислений трактует модель вычисления не только как определение множества допустимых операций, использованных для вычисления, но также и относительных издержек их применения.