Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Особенности использования шин



В реальных системах на роль ведущего вправе одновременно претендовать сразу несколько из подключенных к шине устройств, однако управлять шиной в каждый момент времени может только одно из них. Чтобы исключить конфликты, шина должна предусматривать определенные механизмы арбитража запросов и правила предоставления шины одному из запросивших устройств. Решение обычно принимается на основе приоритетов претендентов [7].

Каждому потенциальному ведущему присваивается определенный уровень приоритета, который может оставаться неизменным (статический или фиксированный приоритет) либо изменяться по какому-либо алгоритму (динамический приоритет).

Основной недостаток статических приоритетов в том, что устройства, имеющие высокий приоритет, в состоянии полностью блокировать доступ к шине устройств с низким уровнем приоритета. Системы с динамическими приоритетами дают шанс каждому из запросивших устройств рано или поздно получить право на управление шиной, то есть в таких системах реализуется принцип равнодоступности.

Наибольшее распространение получили следующие алгоритмы динамического изменения приоритетов:

— Простая циклическая смена приоритетов. Здесь после каждого цикла арбитража все приоритеты понижаются на один уровень, при этом устройство, имевшее ранее низший уровень приоритета, получает наивысший приоритет.

— Циклическая смена приоритетов с учетом последнего запроса. Здесь все возможные запросы упорядочиваются в виде циклического списка. После обработки очередного запроса обслуженному ведущему назначается низший уровень приоритета. Следующее в списке устройство получает наивысший приоритет, а остальным устройствам приоритеты назначаются в убывающем порядке, согласно их следованию в циклическом списке.

— Смена приоритетов по случайному закону. В этом случае после очередного цикла арбитража с помощью генератора псевдослучайных чисел каждому ведущему присваивается случайное значение уровня приоритета.

— Схема равных приоритетов, где при поступлении к арбитру нескольких запросов каждый из них имеет равные шансы на обслуживание. Возможный конфликт разрешается арбитром. Такая схема принята в асинхронных системах.

— Алгоритм наиболее давнего использования, где после каждого цикла арбитража наивысший приоритет присваивается ведущему, который дольше, чем другие, не использовал шину.

Арбитраж запросов на управление шиной может быть организован по централизованной или децентрализованной схеме. Выбор конкретной схемы зависит от требований к производительности и стоимостных ограничений.

При централизованном арбитраже в системе имеется специальное устройство — центральный арбитр — ответственное за предоставление доступа к шине только одному из запросивших ведущих. Это устройство, называемое иногда центральным контроллером шины, может быть самостоятельным модулем или частью центрального процессора. Наличие на шине только одного арбитра означает, что в централизованной схеме имеется единственная точка отказа. В зависимости от того, каким образом ведущие устройства подключены к центральному арбитру, возможные схемы централизованного арбитража можно подразделить на параллельные и последовательные. В параллельном варианте центральный арбитр связан с каждым потенциальным ведущим индивидуальными двухпроводными трактами. Поскольку запросы к центральному арбитру могут поступать независимо и параллельно, данный вид арбитража называют централизованным параллельным арбитражем или централизованным арбитражем независимых запросов. Второй вид централизованного арбитража известен как централизованный последовательный арбитраж. В последовательных схемах для выделения запроса с наивысшим приоритетом используется один из сигналов, поочередно проходящий через цепочку ведущих, чем и объясняется другое название — цепочечный или гирляндный арбитраж.

При децентрализованном или распределенном арбитраже единый арбитр отсутствует. Вместо этого каждый ведущий содержит блок управления доступом к шине, и при совместном использовании шины такие блоки взаимодействуют друг с другом, разделяя между собой ответственность за доступ к шине. По сравнению с централизованной схемой децентрализованный арбитраж менее чувствителен к отказам претендующих на шину устройств.

Выбор управляющей ЭВМ

В качестве управляющих ЭВМ могут использоваться как универсальные ЭВМ (например, PC-подобные в промышленном исполнении, специализированные управляющие ЭВМ), так и промышленные контроллеры, а также встраиваемые системы, выполненные на базе однокристальных микроконтроллеров (однокристальные ЭВМ [2]) или цифровых сигнальных процессоров (реже используются программируемые логические матрицы).

К достоинствам управляющих ЭВМ на базе универсальных ВМ можно отнести следующее: возможность использования стандартных языков программирования ЭВМ; доступность программного обеспечения; высокие вычислительные мощности подобных систем. К недостаткам следует отнести отсутствие в таких ЭВМ разветвленных средств ввода/вывода. Здесь будет необходимо подключать разработанные для данной ЭВМ модули расширения. Такие решения могут оказаться достаточно дорогими в реализации.

К достоинствам промышленных контроллеров следует отнести наличие для них готовых блоков всевозможных интерфейсов и устройств ввода/вывода, а также простых конструктивных решений для сборки таких систем. К недостаткам подобных систем следует отнести необходимость приобретения специализированного программного обеспечения, а также невысокое быстродействие таких систем при использовании специализированных языков программирования (так как в них уже прошита операционная среда для поддержки языков программирования).

К достоинствам управляющих ЭВМ на базе однокристальных микроконтроллеров следует отнести, в первую очередь, невысокую стоимость подобных систем, высокое быстродействие при решении задач управления, наличие большого количества встроенных устройств и интерфейсов. К недостаткам можно отнести необходимость приобретения специализированного программного обеспечения, а также необходимость разработки электроники связи их с объектами управления.

Промышленные ЭВМ

Для примера можно рассмотреть одноплатные ЭВМ фирмы Avalue Techtologies Inc. (Тайвань) серий ETX, ETX Express, COM Express. Они имеют следующие характеристики:

— компактность с полной функциональностью ПК в форматах 3.5” — (146 x 101мм), 5.25” — (203 x 146 мм), Mini-ATX (170 x 170 мм), ATX — (234 х 140 мм);

— экономия 60% времени и затрат на разработку;

— снижение рисков разработки;

— гибкая и масштабируемая производительность;

— поддержка современных интерфейсов: LVDS, SATA-II, 8-бит GPIO, 1 Гигабит LAN, 4PCI, PCI Express x16;

— рабочий диапазон температур: 0…60ºС, промышленный диапазон по запросу.

Также этой же фирмой выпускаются одноплатные компьютеры малого формата 3.25”, 5.25”, EPIC со следующими характеристиками:

— компактность: 3.5” — (146 x 101мм), 5.25” — (203 x 146 мм), EPIC — (165 x 115 мм), PC/104 (96 х 90мм);

— процессор от высокопроизводительного Intel® Core 2 Duo до экономичного AMD Geode;

— поддержка интерфейсов: 2 канала 24-разряда LVDS, DVI, VGA, TFT, 16-бит GPIO, 1 Гб LAN, SATA-II, CF I/II, USB 2.0;

— рабочий диапазон температур: 0…60ºС, промышленный диапазон по запросу.

На такие компьютеры могут устанавливаться любые существующие в настоящее время операционные системы и соответствующее программное обеспечение. К ним могут подключаться либо стандартные, либо разработанные в промышленном исполнении периферийные устройства. Например, компактные терминалы этой же фирмы типа MTP-1702, MTP-1502 имеют следующие характеристики:

— встроенный Intel® Celeron® M 600 МГц процессор;

— 15”/17” TFT ЖК дисплей;

— небьющийся сенсорный экран (резистивный);

— степень защиты передней панели: IP65;

— стандартное крепление VESA (75мм);

— чтение смарт-карт;

— 4 порта USB;

— не требуется вентилятор для охлаждения;

— антибактериальный пластиковый корпус;

— размеры: MTP-1502: 442 x 349 x 70 мм;

— размеры: MTP-1702: 457 x 374 x 75 мм.

Промышленные контроллеры

В России наибольшее распостранение в настоящее время получили промышленные контроллеры европейских (Siemens, Schneider Electric и т.п.) и японских фирм (Omron и т.п.). В качестве примера рассмотрим характеристики контроллера S7-300 фирмы Siemens на примере процессора CPU 312 [14]:

— пакет для программирования STEP 7, v5.1+SP4,

— встроенная ОЗУ 16 кбт, наружная не поддерживается,

— загрузочная память наружная до 4 Мбт,

— времена обработки:

битовых операций — минимум 0,2 мкс,

операций со словами — минимум 0,4 мкс,

арифметики с фиксированной точкой — минимум 5 мкс,

арифметики с плавающей запятой — минимум 6 мкс,

— счетчиков максимум 128,

— таймеров максимум 128,

— диапазон времени таймеров 10 мс — 9990 с.,

— функциональных блоков максимум 512,

— встроенные часы реального времени,

— цифровых каналов максимум 256,

— аналоговых каналов максимум 64,

— защита программы пользователя,

— встроенный интерфейс RS-485.

Достаточно широкое распостранение получили также контроллеры, выполненные на базе IBM-совместимых процессоров. В этом случае в такой контроллер, как правило, “зашивается” одна из операционных систем реального времени (например, QNX) и при программировании контроллеров используется один из универсальных языков программирования (С и подобные языки). Как правило, промышленные контроллеры содержат большое число коммуникационных портов, которые позволяют создавать не только локальные системы автоматизации, но и строить на их базе сети, включающие в себя как ЭВМ уровня АСУ предприятия, так и сети на базе промышленных контроллеров. Для примера можно рассмотреть сеть, показанную в документации фирмы “Промконтроллер” (на базе контроллеров P06) [9]:

Рисунок 4.1. Распределенная система на базе промышленных контроллеров

IBM-совместимый процессорный модуль Р06 имеет следующие технические характеристики:

— центральный процессор – INTEL XScale® IXP420 266/533 МГц;

— системное ОЗУ SDRAM РС133 МГц — 32/64 Мбайт;

— Flash-память для хранения СПО и прикладных программ — 16/32 Мбайт;

— энергонезависимое статическое ОЗУ — 1 Мбайт с питанием от резервной батареи;

— астрономический таймер-календарь с питанием от резервной батареи;

— сторожевой таймер WatchDog;

— два последовательных интерфейса Ethernet IEEE 802.3 10/100 Мбит;

— 2 или 6 последовательных интерфейсов UART: СОМ1, СОМ2 или COM1…COM6;

— схема контроля напряжения питания и разряда резервной батареи;

— перемычки и светодиодные индикаторы конфигурации и состояния;

— электропитание процессорного модуля Р06 осуществляется от источника постоянного тока номинальным напряжением 24 В, допустимый входной диапазон напряжения питания 15…30 В;

— максимальная потребляемая мощность процессорного модуля не превышает 4,5 или 8,5 Вт в зависимости от исполнения;

— испытательное напряжение гальванической развязки между внутренними цепями модуля и сигналом “заземление” разъема питания модуля — 500 В;

— испытательное напряжение гальванической развязки между контактами разъема последовательного коммуникационного интерфейса СОМ2 и внутренними цепями модуля — 500 В;

— испытательное напряжение гальванической развязки между контактами разъемов последовательных коммуникационных интерфейсов СОМ3...СОМ5 и внутренними цепями модуля — 500 В;

— испытательное напряжение гальванической развязки между контактами разъема интерфейса LAN1 и внутренними цепями модуля — 500 В;

— испытательное напряжение гальванической развязки между контактами разъема интерфейса LAN2 и внутренними цепями модуля — 500 В;

— процессорный модуль Р06 устойчив к воздействию следующих климатических и механических факторов: рабочая температура окружающего воздуха от плюс 5 до плюс 55°С или от минус 40 до плюс 55°С; относительная влажность окружающего воздуха от 10 до 95% при температуре плюс 35°С; атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа; вибрация для частот от 5 до 9 Гц с амплитудой смещения 3,5 мм; вибрация для частот от 9 до 150 Гц с ускорением 10 м/с2;

— габаритные размеры модуля — не более 159×97×59 мм.

Микроконтроллеры

Однокристальные микро-ЭВМ со своей архитектурой выпускают практически все ведущие фирмы в области микроэлектроники. Разрядность таких микроконтроллеров варьируется от 8 до 32 бит (реже используются другие разрядности), быстродействие — от единиц до сотен и более миллионов операций в секунду, память программ — от единиц и долей кбт до десятков Мбт, размер встроенного ОЗУ — от единиц байт до десятков Мбт. То есть задача выбора такого устройства представляет собой довольно нетривиальную задачу. Часто в качестве основного критерия выступают в этом случае доступность этого микроконтроллера, доступность программного обеспечения для него, а также и “модность” этого микроконтроллера. Рассмотрим характеристики нескольких микроконтроллеров разных фирм.

► Основные характеристики 8-миразрядного микроконтроллера с RISC-архитектурой ATMega8535 фирмы Atmel (серия AVR) [8]:

— общее количество команд — 130,

— 32 8-разрядных рабочих регистра,

— производительность — до 16 миллионов операций в секунду при тактовой частоте 16 МГц (среднее быстродействие 5 MIPS),

— встроенный двухтактовый перемножитель,

— 8 кбт Flash-памяти программ,

— 512 байт перепрограммируемой памяти данных,

— 512 байт ОЗУ,

— два 8-разрядных таймера с предделителем,

— один 16-разрядный таймер с предделителем,

— 4 канала ШИМ,

— 10-битный АЦП с коммутатором на 8 каналов,

— программируемый последовательный универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик (USART),

— встроенные аппаратные последовательные интерфейсы SPI и I2C,

— программируемый сторожевой таймер,

— встроенный аналоговый компаратор,

— внутренний RC-генератор,

— встроенный драйвер управления питанием,

— 32 программируемых линии ввода-вывода,

— напряжение питания в зависимости от типа от 2,7В до 5,5В,

— режимы микропотребления,

— внутренние и наружные источники прерываний,

— возможность защиты программ и данных от наружного считывания.

Данная серия содержит микроконтроллеры с памятью программ до 128 кбт, быстродействием до 7 MIPS, с общим числом линий ввода-вывода до 84.

► Основные характеристики 32-разрядного микроконтроллера с RISC-архитектурой µPD70F3707(3706) фирмы NEC (серия V850):

— объем флэш-памяти программ 256 кбт (для контроллера 3706 — 128кбт),

— объем ОЗУ 12 кбт,

— количество 32-разрядных РОН — 32,

— объем адресуемой памяти программ 64 Мбт,

— частота тактового генератора — до 5 МГц с возможностью умножения частоты внутри контроллера на 4 (частота до 20 МГц),

— минимальное время выполнения инструкции 50 нс (среднее быстродействие 27 MIPS),

— количество линий ввода-вывода — 84,

— четыре 16-разрядных таймера-счетчика типа P,

— два 16-разрядных таймера-счетчика типа Q,

— один 16-разрядный таймер временных интервалов типа M,

— один сторожевой таймер 2,

— один часовой таймер,

— 10-разрядный АЦП с коммутатором на 16 каналов,

— три канала UART,

— два канала последовательного трехпроводного интерфейса CSIB,

— четыре контроллера прямого доступа в память,

— встроенная функция внутрисхемной отладки программ,

— встроенный монитор питания со сбросом микроконтроллера,

— векторов прерывания наружных — 12, внутренних — 43,

— напряжение питания контроллера — от 3,5В до 5,5В,

— рабочий диапазон температур — от -40 до +85°С.

Данная серия (V850) содержит микроконтроллеры с памятью программ до 640 кбт, быстродействием до 100 MIPS, с общим числом линий ввода-вывода до 200. Данные контроллеры являются прямыми конкурентами микроконтроллеров на базе ядра ARM7.

► Рассмотрим контроллеры фирмы Atmel на базе ядра ARM7 [10]. Они построены на базе ядра ARM7TDMI. Аббревиатура TDMI означает следующее:

– T (Thumb architecture extension) – наличие 16-битного набора команд THUMB;

– D (core has Debug extension) – наличие аппаратного доступа к ядру для отладки;

– M (core has enhanced Multiplier) – наличие аппаратного умножителя;

– I (core has embedded ICE macrocell) – наличие встроенного модуля для подключения внутрисхемного эмулятора.

Ядра с обозначением TDMI поддерживают два набора команд – 32-битный набор ARM и 16-битный набор THUMB, являющийся подмножеством набора ARM. В ряде приложений использование набора команд THUMB приводит к уменьшению размера кода и более быстрому выполнению последнего. Сравнительная таблица микроконтроллеров приведена на рис. 4.2.

Рисунок 4.2. Сравнительная таблица параметров контроллеров на базе ядра ARM7

Примечания: SPI – последовательный трехпроводный интерфейс; TWI – последовательный двухпроводный интерфейс (с поддержкой режима I2C); USART – универсальный синхронно-асинхронный последовательный интерфейс; SSC – последовательный трехпроводный интерфейс (с поддержкой режима I2S).

Контроллеры поддерживают также работу с сетью Ethernet 10/100.

► Рассмотрим контроллеры фирмы Atmel на базе ядра ARM9 [11]. Они построены на базе ядра ARM9TDMI. Ядро ARM9TDMI является развитием ARM7ТDMI и совместимо с ним на уровне исходных кодов. В отличие от микросхем ARM7, контроллеры на ядре ARM9, как правило, имеют на кристалле кэш-память команд и данных, что повышает общую производительность процессора. Корпорация ATMEL выпускает ряд моделей таких микроконтроллеров (см. табл. на рис.4.3).

Рисунок 4.3. Сравнительная таблица параметров контроллеров на базе ядра ARM9

“Родоначальником” семейства ARM9 у ATMEL является микроконтроллер AT91RM9200, построенный на ядре ARM920ТDMI. При тактовой частоте 180 МГц эти контроллеры имеют производительность примерно 200 MIPS. Все микросхемы имеют раздельное питание ядра и периферийных модулей 1,8 и 3,3 В соответственно. Причём напряжение питания ядра можно изменять в диапазоне 1,65…1,95 В, управляя таким образом потребляемой мощностью и тактовой частотой ядра контроллера. Такое сочетание параметров позволяет применять микроконтроллеры ARM9 в самых разных приложениях, в том числе для построения низкопотребляющих систем, работающих в режиме реального времени. Все микроконтроллеры Atmel семейства ARM9 содержат модуль управления памятью (MMU, Memory Management Unit). Этот модуль необходим для полноценной работы операционных систем класса Linux или Windows. Контроллеры поддерживают также работу с сетью Ethernet 10/100. Контроллеры могут поддерживать внешнюю интерфейсную шину (EBI) – поддержка памяти SDRAM, Burst Flash, CompactFlash, SmartMedia и NAND Flash. Поскольку при выполнении команд используется кэш-память, то при управлении в реальном времени могут возникать задержки реакции системы на прерывания (впрочем, весьма небольшие).


Поделиться:



Последнее изменение этой страницы: 2019-04-19; Просмотров: 310; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.051 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь