Микропроцессоры и эвм в системах управления
Решение сложных задач требует быстродействующего процессора, емкого оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), емких магнитных дисков и т.д., что обусловило огромную стоимость таких ЭВМ.
При вынужденной остановке выполнения текущей программы во избежание простоя дорогостоящей техники автоматически запускается следующая в очереди программа, так что процессор работает непрерывно, и в ЭВМ одновременно выполняется множество программ, запускаемых пользователями с многочисленных терминалов. Конкретная программа может быть прервана и отложена. При этом время выполнения конкретных программ является непредсказуемым.
Основная черта использования этих ЭВМ – отсутствие прямой связи с внешним миром, когда не требуется мгновенной реакции на внешние обстоятельства.
Внешняя ЭВМ
среда
ЭВМ, предназначены для управления ( УЭВМ ) сложными техническими объектами, функционирующими в реальном мире, когда человек является в основном наблюдателем.
Объект
Внешняя управле- ЭВМ
ния
среда
При изменении условий существования объекта требуется оперативное управление. При возникновении непредвиденных ситуаций необходима значительная мощность ЭВМ для своевременной выработки и выдачи управляющего воздействия на объект управления во избежание аварий.
Задержка обработки сигнала от объекта должна быть минимальной, поэтому типичным является выполнение одной управляющей программы, а основным состоянием УЭВМ является ожидание сигналов от объекта или моментов выдачи управляющих воздействий.
Структура типичной эвм
Большинство современны ЭВМ построены на основе первых УЭВМ ( мини ЭВМ). Основой ЭВМ является магистраль для обмена данными между отдельными устройствами или модулями ЭВМ ( шина является совокупностью проводов или дорожек на печатной плате, к которым подключены блоки ЭВМ). При передаче данных шина занята, и все модули нуждаются в обмене данными, должны ждать ее освобождения, что делает шину узким местом, во многом определяющим быстродействие ЭВМ.
ЦП
сумматор
регистр ЗУ
шинный
интерфейс ОЗУ ПЗУ
шина
контроллер контроллер контроллер контроллер
контроллер контроллер контроллер контроллер
Мозг ЭВМ – ЦП – предназначен для обработки данных. Процессор состоит из следующих основных частей:
а) оперативного устройства, или сумматора, или арифметическо-логического устройства (АЛЧ) – автомата по выполнению команд программы типа арифметических команд сложения или умножения двух чисел и логических команд сравнения двух чисел и др.;
б) регистров и внутренней памяти процессора для промежуточного хранения исходных данных и результатов работы сумматора;
в) устройства шинного интерфейса, предназначенного для чтения из памяти по ширине команд программы и исходных данных и записи в оперативную память результатов.
Процессор последовательно считывает из памяти команды программы и выполняет их. Последующие команды пользуются результатами выполнения предыдущих команд\
Возможны команды условного перехода, когда выполняется сравнение содержимого ячеек памяти, и в зависимости от результата сравнения осуществляется переход не к следующему по порядку команде, а к команде, хранящейся по адресу, указанному в команде перехода. Команды этого типа позволяют реализовать сложную логику обработки данных. Из технических соображений центральный процессор проектируют так, чтобы он обрабатывал одновременно число бит ( двоичных разрядов ), равное «2».
Важнейшим модулем ЭВМ является ОЗУ, в которое записываются и считываются команды и данные программы по адресам.
Современное полупроводниковое ОЗУ – микросхема, состоящая из большого количества триггеров, каждый из которых способен хранить 1 бит ( 0 или 1), и механизма адресации для доступа к этим данным по заданному адресу. Обмен с ОЗУ осуществляется обычно байтами, 1 байт = 8 бит – число бит, достаточное для кодирования 256 символов.
Объем ОЗУ современных ЭВМ исчисляется мегабайтами, или миллионами байтов. Тексты хранятся в ОЗУ в виде последовательностей символов. Под целые числа отводится по 2 …4 байта, под дробные числа – по 4 … 8 байтов. При выключении ЭВМ микросхема ОЗУ обесточивается, и вся информация, записанная в ОЗУ, теряется.
Наряду с ОЗУ в ЭВМ имеется и ПЗУ, работающее только на чтение. Информация в ПЗУ записывается с использованием сложного оборудования в заводских условиях, изменить или стереть ее сложно, при выключении питания данные сохраняются. ПЗУ используется для хранения неизменных данных.
Адреса ОЗУ и ПЗУ составляют единое адресное пространство, и обращение к ним происходит с использованием общих команд. Соотношение размеров ОЗУ и ПЗУ определяется назначением ЭВМ.
Шину, процессор и ЗУ называют центром ЭВМ, так как именно они составляют базу, на которой строится ЭВМ и которая определяет ее возможность.
Остальные модули ( дисплей, накопитель на магнитном диске, принтер) соединяются с шиной при помощи контроллеров – блоков сопряжения.
Для подключения к ЭВМ любого из многообразных внешних устройств, выпускаемых промышленностью или изготавливаемых для системы управления индивидуально, достаточно изготовить контроллер – несложный блок преобразования данных и команд из стандарта, принятого для обмена по шине ЭВМ, в форме данного устройства. Часто контроллер выполняет функцию управления сложным внешним устройством типа мощного принтера, диска или дисплея и в этом случае представляет собой специализированную микроЭВМ со своим процессором, ОЗУ и ПЗУ.
Использование шин в ЭВМ обеспечивает гибкость структуры и позволяет компоновать ее из необходимых для конкретного применения модулей.
Важнейшим из внешних устройств является накопитель на магнитном диске, предназначенный для хранения больших объемов информации ( программ и данных). Стоимость хранения единицы информации на диске значительно ниже, чем в ЗУ, и при выключении ЭВМ информация на диске сохраняется. Емкость дисков исчисляется гигабайтами ( миллиардами байтов).
Современный микропроцессор состоит из многих миллионов транзисторов, имеет площадь порядка несколько см2 и способен выполнить несколько сотен миллионов операций в секунду.