Konspekt_lektsionnykh_zanyaty_MKvSU

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 RISCархитектурах 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

41

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.

42

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).

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.

Тема лекции 6: ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СОСТАВ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ МПС.

Содержание темы: Коммутаторы, концентраторы, интеграторы.

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

Контрольные вопросы:

1.Какое оборудование применяется для связи персонального компьютера и технологического оборудования.

2.Какие существуют протоколы передачи информации.

3.На каких скоростях производится обмен информации. От чего зависит скорость передачи?

4.Опишите основные характеристики AS – интерфейса.

5.Какие принципы построения AS сетей существуют.

6.Какой диапазон тока при передачи информации.

Тема лекции 7: ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ.

Содержание темы: Основные понятия промышленных сетей и их топологии. Модель 7-уровней OSI-системы. Hart-протокол. Сеть Profibus. Сеть

Foundation Fieldbus H1 и H2. Сеть ModBus. Сеть Profinet. Обзор других промышленных сетей

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

44

Контрольные вопросы:

1.Основные понятия, характеризующие локальные вычислительные сети

(ЛВС).

2.Компоненты ЛВС.

3.Топология ЛВС.

4.Основные протоколы, используемые в ЛВС.

5.Базовые характеристики глобальных вычислительных сетей.

Тема лекции 8: ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МПС.

Содержание темы: Программирование PLC в соответствии с требованиями МЭК-61131. Операционные системы PLC.

Прикладное программное обеспечение ПТК. Частью ПТК является его прикладное программное обеспечение, которое подразделяется на следующие части:

программное обеспечение контроллеров: непроцедурные специализированные технологические языки реализации логических последовательностей операций и математических зависимостей; конфигуратор

ибиблиотека программных модулей для компоновки алгоритмов контроля и регулирования (модули математических и логических функций, первичной переработки информации, регулирования и др.). Конкретными особенностями являются свойства и простота использования технологических языков; удобства работы с конфигуратором (в частности, табличный или графический его вид), полнота библиотеки для него и наличие в ней модулей современных совершенных алгоритмов (advance control) типа самонастройки регуляторов, адаптации параметров управления, базы знаний по диагностике; наименования языков высокого уровня, на которых следует составлять пользовательские программы, реализуемые в контроллерах;

программное обеспечение пультов операторов (характеристики SCADAпрограммы). Отличия конкретных SCADA-программ: мощность графического редактора и используемой библиотеки графических объектов для проектирования дисплейных кадров; особенности реализации текущих и исторических трендов измеряемых величин; параметры используемой СУБД; особенности переработки измерительной информации на пульте оператора и включения в его работу различных пользовательских программ;

включаемые в ПТК по желанию пользователей пакеты прикладных программ как общего назначения (статистическая обработка информации, многосвязное регулирование, экспертная система поддержки принятия управленческих решений и т.п.), так и объектного назначения (рациональное (иногда, оптимальное) управление типовыми агрегатами в отдельных отраслях промышленности). Наличие их, перечень и свойства отличают одно ПТК от другого;

прилагаемые к ПТК программы САПР, позволяющие автоматизировать разработку документации к системе, составление блок-схем реализуемых в системе алгоритмов, схем расположения и взаимосвязей аппаратуры ПТК и т.д.

Полнота, простота, удобство использования имеющихся инструментов создания прикладного программного обеспечения; возможность их применения

45

технологическим персоналом, не являющимся программистами; наличие в прилагаемых программах совершенных алгоритмов управления и разнообразных пакетов обработки информации - все это определяет важнейшие показатели проектирования и эксплуатации системы автоматизации: время разработки системы и необходимую квалификацию разработчиков, эффективность эксплуатации системы и комфортность работы с ней операторов и обслуживающего персонала, возможности и легкость расширения и модернизации системы.

Специалисты всех отраслей производства сегодня недовольны растущими затратами на разработку и сопровождение программного обеспечения (ПО). Это неудивительно, так как уровень автоматизации возрастает, и на этапе инвестиций в центре внимания все больше оказываются аппаратные средства.

До недавнего времени наименование ПЛК было широко известно во всем мире , как синоним программируемых логических контроллеров. Сегодня под именем ПЛК вы представляете полностью интегрированные системы автоматизации (Totally Integrated Automation).

Полностью интегрированные системы представляют качественно новый метод унификации систем автоматизации мирового производства и технологии, в котором аппаратные и программные средства управления сливаются в единую систему.

В основу построения таких систем положены следующие принципы:

•В области обработки данных: данные вводятся один раз, после чего становятся доступны на всех уровнях управления. Ошибки в передаче данных и их несовместимости остаются в прошлом.

•В области конфигурирования и программирования: все компоненты и системы конфигурации, программируются, запускаются, тестируются и обслуживаются использованием простых стандартных блоков, встроенных в систему разработки. Все операции выполнятся с использованием единого интерфейса и единых инструментальных средств.

•В области связи: вопрос будет связываться и схема решается простым использованием таблиц соединений. Соединения могут быть легко модифицированы в любое время в любом месте. Различные сетевые решения конфигурируются просто и единообразно.

Totally Integrated Automation объединяет:

•Системы автоматизации.

•Станции распределенного ввода.

•Промышленное программное обеспечение.

•Программаторы.

•Промышленные компьютеры .

•Системы компьютерного управления.

•Человеко -машинный интерфейс.

•Мощные средства связи.

•Системы управления процессами.

Язык программирования для всех устройств семейства ПЛК получил название фирмы производителя того или иного ПЛК. Он встроен во все

46

программаторы и удивительно гибок при составлении соответствующей программы. Кто предпочитает вербальное описание функций управления и программирует с использованием команд, тот просто выбирает тип представления «Список команд» (AWL). Сокращенные обозначения команд просты и легко запоминаются. Для кого ближе логическое представление функций станков и процессов, тот программирует используя «Функциональный план» (FUP). Каждая функция управления имеет здесь свой графический логический символ. А тип представления «Контактный план» (КОР) используют все те, кто хорошо разбирается в электрических схемах. Эти схемы можно легко преобразовать в «контактные планы». Всего пара программ- и Вы уже работаете с программаторами быстрее, чем рисуете электрические схемы от руки. Разумеется, и последующие изменения не будут вызывать никаких проблем.

Такими же гибкими, как типы представления, являются и операционные системы. Многие из тех задач, которые решают программируемые контроллеры, уже когда-то встречались. Так зачем же каждый раз заново изобретать колесо? Если Вы используете систему ПЛК, то просто обратитесь к обширной библиотеке программ и найдите конкретное решение, которое Вам требуется,- проверенное и готовое к применению.

Например, программы стандартных функций, которые можно использовать вместо того, чтобы писать собственную подпрограмму. Или программыдрайверы для сопряжения с компьютером и субсистемами.

Или факультативный пакет “Редактор AWL/Пакетный компилятор”. В нем содержится редактор для символьного AWL-программирования и компилятор, который преобразует составленные списки команд в рабочую программу.

Или Prodave, инструментальное программное средство для обмена данными параметров процесса между системой управления и программатором или персональным компьютером.

Или пакет программ СОМ, который позволяет мгновенно задать параметры для модулей интеллектуальной периферии или коммуникационных процессоров.

Или Скадапрограммный пакет для графического проектирования и программирования систем управления технологическими процессами.

Об используемых аппаратных средствах Вы узнаете на следующих страницах.

Литература: 1осн.[1, 2, 3];2доп. [8]

Контрольные вопросы

1.Какая команда задаёт направление передачи, источник и приёмник информации. Какая команда обеспечивает передачу данных между микропроцессором и периферийным устройством.

2.Какая команда задает адрес ячейки памяти ОЗУ.

3.Какая команда задаёт операцию, источник данных и адрес загрузки результата.

Какое устройство, предназначено для хранения и обработки двоичного кода.

47

Тема лекции 9: АППАРАТУРА ДЛЯ ОТЛАДКИ МПС.

Содержание темы: Обзор программаторов на основе PC. Обзор промышленных программаторов. Обзор операторских панелей. Обзор программных пакетов по отладке МС.

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

Контрольные вопросы:

7.Какое оборудование применяется для связи персонального компьютера и технологического оборудования.

8.Какие существуют протоколы передачи информации.

9.На каких скоростях производится обмен информации. От чего зависит скорость передачи?

10.Опишите основные характеристики AS – интерфейса.

11.Какие принципы построения AS сетей существуют.

12.Какой диапазон тока при передачи информации.

Тема лекции 10: МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МПС.

Содержание темы: Построение распределенных систем МП. Примеры. Построение резервируемых МПС. Организация систем ПАЗ.

Программируемый контроллер для решения логических задач.

Ряд задач, решаемых АСУ ТП, таких, как пуск и остановка агрегатов, распознавание аварийных ситуаций, защита, управление мнемонической схемой, позиционное регулирование, являются типичными логическими задачами. В общем виде эти задачи описываются системой логических (булевых) уравнений вида yj = fj (x1, …, xn, t), j = 1, 2, …, m, где x1, …, xn – двоичные значения входных переменных (состояния датчиков двухпозиционных сигналов «0» или «1»); t – двоичная переменная, принимающая значение «1» при выполнении некоторого временного условия, например заданной задержки времени после появления какого-либо сигнала; y1, …, ym – двоичные значения выходных сигналов.

Для решения систем булевых функций может быть использована любая универсальная ЭВМ, однако система команд таких машин, рассчитанная на выполнение в основном арифметических операций, плохо приспособлена для логической обработки. В результате программные логические устройства, построенные на базе универсальных ЭВМ, получаются медленнодействующими и сложными. При большом объеме обрабатываемой информации возникают трудности при составлении программ. Эти обстоятельства и обусловили появление нового типа устройств, рассчитанных на обработку двухпозиционных сигналов с системой команд, ориентированной на решение логических задач, - программируемых логических контроллеров ПЛК.

Функциональная схема ПЛК (рис. 1) содержит: коммутатор входных двухпозиционных сигналов (КДС); оперативную память (ОП); блок реализации временных задержек (Т); блок логической обработки (БЛ); распределитель

48

выходных двухпозиционных сигналов (РДС); постоянную память (ПП); двоичный счетчик адресов постоянной памяти (СЧ); блок формирования управляющих строб-сигналов (БУ).

Узлы, изображенные на функциональной схеме ПЛК, связаны между собой магистралями, по которым передаются коды адресов и коды выполняемых логических операций (магистраль М1), код двухпозиционного сигнала (М2), стробы сигналов управления (М3).

КДС по М1 получает код адреса входного двухпозиционного сигнала ДПС и выдает код его состояния на М2.

ОП служит для хранения ДПС в процессе выполнения программы обработки. ОП может выполнять две операции: запись ДПС по заданному на М1 адресу или считывание ДПС по адресу, переданному по М1. ДПС в ОП поступает по М2 и выдает из ОП также по М2.

Т является многоканальным блоком временных задержек и может выполнять две операции: запуск и сброс счета времени по заданному на М1 адресу и опрос состояния задержки по заданному на М1 адресу.

БЛ выполняет четыре логические операции с ДПС, поступающими в этот блок по М2 из КДС, ОП или Т; результаты логической обработки хранятся в ячейке результата БЛ и могут быть выданы из нее на М2. Вид выполняемой логической операции задается кодом операции, поступающим в БЛ по магистрали М1.

РДС используется для выдачи ДПС, поступающего по М2, на один из выходных каналов ПЛК. Адрес выходного канала задается кодом, передаваемым в РДС по магистрали М1.

ПП служит для хранения кодов команд, составляющих программу вычислений. ПП выдает коды на М1 в соответствии с адресом, который формируется СЧ.

БУ обеспечивает все узлы ПЛК строб-сигналами, необходимыми для синхронной работы узлов в процессе выполнения программы.

При работе ПЛК СЧ циклически выдает натуральные последовательности двоичных кодов (00 … 00, 00 … 01, …, 11 … 11), каждый из которых является адресом слова ПП. Таким образом, за один цикл работы СЧ производится последовательная выборка и исполнение всех команд программы, записанной в ПП.

Для формирования какого-либо выходного управляющего сигнала выполняется несколько команд программы. В их число входят команды приема в БЛ входных ДПС-аргументов, необходимых для вычисления значения логической функции, команды вычисления значения выходной функции и команды выдачи этого значения по определенному адресу в РДС.

Программирование с использованием приведенной выше простейшей системы команд не вызывает трудности и не требует специальной подготовки. Во многих случаях последовательность команд в программе соответствует логическим операциям в записи булевой формулы. Как правило, любая подпрограмма вычислений начинается с установки нуля в БЛ. Далее в БЛ последовательно принимаются входные аргументы с соответствующей

49

побитовой логической обработкой. Такая работа продолжается либо до тех пор, пока значение функции не будет вычислено, либо пока не встретится операция, которая не может быть выполнена с помощью последовательно записанных команд побитовой обработки. В этом случае для дальнейших вычислений используется оперативная память.

7.2 Программно-задающее устройство (ПрЗУ) предназначено для выработки напряжения постоянного тока по заданной технологической программе, представляемой кусочно-линейной функцией времени. ПрЗУ может быть использовано в качестве программного задатчика в локальных и распределенных системах управления.

Ввод технологической программы и программы управления выходными реле устройства осуществляется с помощью клавиатуры, расположенной на пульте оператора. Цифровые и сигнальные индикаторы на пульте позволяют осуществлять контроль вводимых и текущих параметров программы. Сохранность введенной программы при отключении питания сети обеспечивается за счет резервного источника питания ОЗУ устройства.

Схемотехническая реализация ПрЗУ выполнена с применением программируемых средств, т. е. функционирование ПрЗУ определяется как аппаратной, так и программной частью. При выбранной аппаратной части программная часть задает последовательность выполнения команд для достижения функционального назначения ПрЗУ.

Аппаратная часть ПрЗУ представлена в виде функциональной схемы на рис. 1. Функционально и конструктивно ПрЗУ состоит из пяти устройств: модуля контроллера, панели пульта, платы таймера, платы ЦАП, модуля распределителя (коммутатора). Обмен информацией между устройствами осуществляется по шинам связи, которые образуются портами А, В, С параллельных адаптеров модуля контроллера. Обменом информацией между устройствами ПрЗУ управляет модуль контроллера, который определяет источник и приемник информации и направление передачи информации на основе программы работы ПрЗУ, записанной в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Рассмотрим принцип работы ПрЗУ.

Рисунок 1 - Функциональная схема микропроцессорного программнозадающего устройства

Модуль контроллера (в дальнейшем модуль) является центральным устройством блока. В состав модуля входят (рис. 2) центральный процессор (ЦП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), блок приоритетного прерывания (БППр), параллельный адаптер (ПА), дешифратор (ДШ), регистр (Рег) слова состояния, генератор (Г) фазовых сигналов. Адресная шина ЦП соединена с адресными входами ПЗУ, ОЗУ, ПА, ДШ. Шина данных ЦП соединена через Рег слова

50