8. Архитектуры микропроцессорных систем
8.1. Системы с централизованным, децентрализованным и комбинированным управлением

В МПС с централизованным управлением задача обработки входных сигналов Х1 ,..., Хn с целью формирования управляющих воздействий Y1 ,...,Ym решается микропроцессорным устройством (МПУ), включающим МП и элементы памяти, которые соединены каналами связи через цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), исполнительные устройства (ИУ) с объектом (или объектами) управления (ОУ). Обратная связь о состоянии ОУ обеспечивается сигналами от ОУ, поступающими на МПУ через аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
Общая структурная схема для этого случая показана на рис. 1. Если осуществляется управление одним, но сложным много-мерным объектом (роботом, прокатным станом, доменной печью, самолетом, космическим летательным аппаратом и т. п.), то такая система является связанной. Если же решается задача управления совокупностью независимых по управляемым параметрам одно-мерных объектов, то система является несвязанной.

Рис. 1.

В системах с децентрализованным управлением в каждый контур управления включается автономное МПУ. Структурная схема системы с децентрализованным управлением приведена на рис. 2, где МПУ размещены в непосредственной близости от объекта управления ОУ или встроены в него и функционально ориентированы на решение конкретных задач. В качестве МПУ широко применяется программируемые регулирующие микрокон-троллеры.
В децентрализованных системах МПУ могут вводиться для передачи ему функций диспетчера либо отсутствовать совсем. В этом случае реализуется комбинированное управление. В комби-нированных системах используется обе перечисленные структуры управления.

Рис. 2.

Выбор структуры управления в МПС, построенных на базе МПК БИС, зависит от многих взаимосвязанных факторов, важ-нейшими из которых являются стоимость и надежность систем, их живучесть, гибкость, способность работать в масштабе ре-ального времени.
Специфика конкретных задач управления показывает, что применение принципа децентрализованного (распределенного) управления при построении МПС в техническом и экономиче-ском плане имеют преимущества по сравнению с другими струк-турами МПС.

8.2. Системы с перестраиваемой структурой
Задачи, решаемые МПС, могут зависеть от характера вход-ных воздействий, поступающих в систему. Так, например, управ-ление роботом может осуществляться по разным алгоритмам в за-висимости от результата решения задачи распознавания представ-ленного роботу объекта. В этом и подобных случаях структура МПС оказывается переменной. В микропроцессорных системах она перестраивается программно.
Пример структурной схемы перестраиваемой МПС управ-ления роботом в общем виде показана на рис. 3.

Рис. 3

В состав системы входят: цифровой датчик визуальной ин-формации Д, информация с которого поступает в блок распознава-ния изображения БР, формирующий электрический логотип изо-бражения. Блок коммутации алгоритмов управления БК произво-дит выбор и обработку программы обслуживания сформирован-ного логотипа. С помощью сигналов формирователей управляю щих сигналов ФС1 ,..., ФСк блок коммутации выхода БКВ вы-дает на выход МПУ исполнительный сигнал, который через ЦАП подается на исполнительное устройство ИУ.
Осуществимость перестройки МПС, выполняемой в реаль-ном масштабе времени на программном уровне, является следст-вием применения в автоматических системах высокопроизводи-тельных МПС, на которые возлагаются задачи обработки больших потоков информации, связанной со статистическим экспресс - анализом случайных сигналов, их идентификацией, классифика-цией, распознаванием изображений и т. п. Это в конечном счете существенно улучшает показатели качества управления системой.

8.3. Системы с резервированием
Одним из путей увеличения отказоустойчивости МПС явля-ется резервирование. Резервирование подразделяется на аппара-турное, программное и информационное.

Табл. 1

Рис.4

Распространенными методами аппаратурного резервирова-ния являются методы, основанные на мажоритарной обработке и обработке с переключением каналов. При мажоритарной обработ-ке МПС состоит из п независимых каналов обработки информации (рис. 4) и остается в рабочем состоянии до тех пор, пока сохра-няют работоспособность t из п каналов. Например, в системе «2 из З» работоспособное состояние канала определяется из табл. 1, в которой значками «+» и «-» определено соответственно работо-способное и неработоспособное состояния канала.
В МПС с переключением каналов избыточные (резервные) каналы обработки информации включаются в работу только после выхода из строя основного или ранее замененного канала. В таких системах имеются дополнительные блоки опознавания (БО) неис-правных каналов и их переключения БП (рис.5).

Рис.5

8.4. Иерархические системы
Сложные объекты управления (самолеты, космические аппараты, прокатные станы, роторные конвейерные линии и т. п.) представляют собой совокупность взаимосвязанных многорежим-ных управляемых систем, объединенных единой системой управ-ления. Основополагающими принципами, определяющими струк-туру МПС управления подобными объектами, является иерархич-ность, независимость управления по уровням иерархии и инфор-мационная замкнутость. Обобщенная структура иерархической МПС показана на рис.6.
Особенность микроконтроллера проявляется в том, что на его выходе не используется мультиплексирование (число ЦАП равно числу выходных цепей контроллера). Такое построение кон-троллера связано с необходимостью запоминания каждого значе-ния управляющего сигнала после останова вычислительного про-цесса. Учитывая, что в распределенной МПС число выходных сигналов невелико, затраты на ЦАП оказываются относительно небольшими.

Рис.6

Преобразователи аналоговых сигналов в код позволяют со-прягать микроконтроллер с непрерывными и дискретными датчи-ками, с исполнительными механизмами пропорционального, пози-ционного, интегрирующего и другого действия, а также с различ-ными устройствами дискретного и логического управления .
В микроконтроллере может быть применен микропроцессор как с аппаратным, так и с микропрограммным принципом управ-ления. Аппаратное управление основано на внутреннем микропро-граммировании. При аппаратном управлении система команд мик-ропроцессора является фиксированной. Она реализована во внут-ренних жестких электрических связях в кристалле МП и не может быть изменена разработчиком системы. Микропрограммное управление основано на внешнем микропрограммировании (на-бор команд может быть нефиксированным и изменяться разработ-чиком системы).
Особенностью программного обеспечения микроконтроллера является то, что большая часть его памяти программируется на за-воде - изготовителе. В нем отсутствуют обычные средства ввода и отладки программ, а также модули сопряжения с ними. Указанные особенности позволяют упростить микроконтроллер и сделать рентабельным его применение для обработки сравнительно не-больших массивов информации.
Пульт оператора в микроконтроллере используется для уста-новки требуемой конфигурации регулирующего контура, выбора алгоритма управления, контроля значений технологических пере-менных, оперативного вмешательства в процесс управления и дру-гих целей. Программное обеспечение состоит из программ: дис-петчера (координирующего весь вычислительный процесс), рабо-чих, обслуживания пульта и диагностических. Для программиро-вания используется, как правило, десятичный код, набираемый на панели пульта.
Все алгоритмы микроконтроллера достаточно универсальны и в функциональном отношении эквивалентны типовым звеньям МПС управления объектом или типовой «связке» таких звеньев. Возможности микроконтроллера характеризуют, используя поня-тие виртуальной (кажущейся) структуры. Виртуальная структура описывает свойства контроллера в традиционных для МПС управ-ления понятиях, основными из которых являются каналы управле-ния, с системной точки зрения эквивалентные отдельному прибору или типовому сочетанию приборов непрерывной системы управ-ления, и конфигурация, определяющая систему связи каналов со входами и выходами контроллера, а также варианты взаимодейст-вия каналов.
По оценкам специалистов, существует ограниченное число (ориентировочно 20 - 25) алгоритмов, комбинация которых позво-ляет автоматизировать управление процессами и объектами прак-тически любой степени сложности. Эти алгоритмы, оформленные в виде библиотеки программ, хранятся в постоянной памяти и мо-гут быть использованы в любом заданном сочетании. Среди программируемых регулирующих микроконтроллеров особое ме-сто занимают однокристальные микроконтроллеры, выпускаемые серийно. По степени универсальности использования их подраз-деляют на специализированные, работающие по жесткой про-грамме, и широкого применения, программа действия которых за-носится во внешнее запоминающее устройство и может изменять-ся самим пользователем или по картам-заказам, составленным пользователем .
Примерами однокристальных перепрограммируемых микро-контроллеров являются контроллеры серии К145. Это цифровые структуры последовательного действия, использующие принцип многоуровневого программирования. Однокристальные микро-контроллеры адаптируются к внешним устройствам как по форма-ту управляющих команд, так и по временным характеристикам. Для реализации множества задач управления в таких контроллерах используется специальная система команд, обеспечивающая управление внешними устройствами и выполнение программы. Список команд позволяет организовать как разомкнутую систему управления объектами по жесткой программе, так и замкнутую с большой сетью внутри программных ветвлений в соответствии с условиями, задаваемыми по времени и состоянию датчиков.
На втором уровне иерархии находятся серийные микроЭВМ, которые обеспечивают управление группой функционально свя-занных объектов. На этом уровне, соответствующем локальному управлению, применяют серийные микроЭВМ многофункцио-нального назначения.
Третий уровень включает управляющие устройства, реализо-ванные на базе мини-ЭВМ, которые координируют работу группы локальных систем.
На четвертом уровне располагается центральная управляю-щая ЭВМ, которая является высшим координирующим органом в данной структуре.

8.5. Однопроцессорная МПС типа «Общая шина»
Однопроцессорная МПС содержит в своем составе один микропроцессор, один или несколько модулей памяти, систему связи с объектами управления или измерительными объектами, состоящую из устройств ввода-вывода, которые в общем виде но-сят название контроллеров ввода - вывода (КВВ), внешних уст-ройств, в качестве которых используются датчики и исполнитель-ные механизмы, и систему ввода - вывода, в которую входят УВВ и ВУ. Перечисленные компоненты МПС, типовая структурная схема которой представлена на рис.34, связаны с системной ма-гистралью посредством соответствующих интерфейсов. В свою очередь магистраль состоит из шины адресов, шины данных и управляющей шины.
Такая система на практике получила название «общая ши-на».
В большинстве случаев МПС используют магистрально - модульный принцип построения. Суть этого принципа заключа-ется в том, что отдельные блоки являются функционально закон-ченными модулями со своими встроенными схемами управления, выполненными в виде одного или нескольких кристаллов БИС или СБИС.

Рис. 7

Межмодульные связи и обмен информацией между моду-лями осуществляются посредством шин (магистралей), к которым имеют доступ все основные модули системы. В МПС в каждый данный момент времени возможен обмен информацией только между двумя модулями системы.
Ситуация, при которой три или более модуля требуют од-новременного доступа к одной магистрали, является недопусти-мой, так как она приводит к появлению конфликта. Поэтому обмен информацией в магистрально-модульных системах производится, как правило, путем разделения (арбитража) во времени управле-ния модулями системы магистралей.
Особенностью магистрально-модульного принципа по-строения МПС является необходимость информационно - логиче-ской совместимости модулей. При выполнении этого принципа достигается оптимальная межмодульная передача информации. Он реализуется путем использования единых способов представления информации, алгоритмов управления обменом, форматов команд управления обменом и способов синхронизации, то есть выполне-ния определенных электрических и конструктивных требований при построении интерфейсов.
При построении МПС наибольшее применение получила трехшинная структура, содержащая шину адреса ША, двунаправ-ленную шину данных ШД и шину управления ШУ. Как видно из рис.34, МПС предполагает наличие общего сопряжения (общего или единого интерфейса) для модулей памяти — постоянных и оперативных запоминающих устройств (ПЗУ и ОЗУ) и перифе-рийных устройств — внешних запоминающих устройств (ВЗУ) и УВВ.
Модуль памяти ОП (или основная память) МПС содержит постоянное запоминающее устройство ПЗУ и оперативное запо-минающее устройство ОЗУ. В большинстве системах ОП физиче-ски реализуется в виде многоуровневой иерархической системы. Верхние уровни памяти строятся на основе полупроводниковых ПЗУ и ОЗУ, а нижние - на основе магнитных ВЗУ.
Основная память является одним из важнейших компонентов любой МПС и предназначена для хранения программ и данных, используемых или генерируемых выполняющимися программами. Главная характеристика основной памяти - объем или емкость. В МПС используются две единицы измерения емкости основной памяти - байт и слово.
Байт - это последовательность из 8 бит, рассматриваемая как один элемент данных или памяти. Биты в байте нумеруются от 0 до 7 в порядке справа налево, причем бит 0 считает младшим, а бит 7 - старшим в байте (рис.8, а).
Каждый байт памяти имеет свой адрес. Так, например, в МП с 16 - разрядной ША адреса байтов могут иметь значения в диа-пазоне целых чисел от 0 до 216 - 1 (до 65535). Следовательно, об-щее число всех адресов - адресное пространство ОП, составляет 216 = 65 536 = 64К. Эта величина, указываемая в технических ха-рактеристиках, называется размером адресного пространства, вы-раженным числом адресов байт. Иногда ее называют также емко-стью ОП.

Рис. 8

Другая, более крупная единица измерения емкости ОП - слово, которое состоит из двух байт и рассматривается как один элемент. Из двух байт, составляющих слово (рис.35, б), младший имеет четный адрес, а старший (на единицу больший) - нечетный адрес. Адресом слова считается адрес младшего байта, входящего в слово. Следовательно, слово всегда имеет четный адрес.
Принцип четной адресации слов в МПС должен строго со-блюдаться программистом, так как при его нарушении многие ко-манды будут выполняться с ошибкой.
Чтобы дать более полное представление о МПС, помимо высокой производительности необходимо назвать и другие отли-чительные особенности. Прежде всего это необычные архитектурные решения, направленные на повышение производительности (работа с векторными операциями, организация быстрого обмена сообщениями между процессорами или организация глобальной памяти в многопроцессорных системах и др.).
Понятие архитектуры высокопроизводительной системы является достаточно широким, поскольку под архитектурой можно понимать и способ параллельной обработки данных, используе-мый в системе, и организацию памяти, и топологию связи между процессорами, и способ исполнения системой арифметических операций. Эти вопросы освещаются ниже.