Принцип работы компьютера

Прямое управление роботами 2-го и 3-го поколений и автоматизированными линиями от ЭВМ — важнейшая и определяющая тенденция автоматизации в электронной промышленности. Современные средства вычислительной техники имеют широкие функциональные возможности и практически осуществляют не только информационно-вычислительные, но и управляющие функции (на них приходится более 90% машинного времени). Поэтому в последнее время вместо названия «ЭВМ» применяют название «компьютер». Функциональная схема современной управляющей ЭВМ приведена на рис. 3.6. Она включает следующие узлы:

запоминающие устройства (ЗУ);

арифметическо-логическое устройство (АЛУ);

управляющее устройство (УУ);

устройства ввода и вывода информации (УВВ).

Для работы ЭВМ в нее необходимо ввести информацию двоякого рода; программу, указывающую последовательность операций, которую должна выполнить ЭВМ; исходные данные (числовые или информативные), которые машина должна обработать для решения конкретных задач и выдачи конечного результата.

Для хранения всей этой информации компьютер имеет запоминающее устройство, а также устройства ввода и вывода.

Запоминающее устройство (ЗУ) представляет собой набор перенумерованных ячеек памяти, где располагаются коды операторов и программ, исходные данные. В каждой ячейке может храниться машинное слово. В режиме записи на входы ЗУ подаются номер ячейки — адрес (число А) и запоминаемое число, например «а».

В режиме чтения на вход ЗУ сообщается номер ячейки — адрес (число А) — при этом на выходе ячейки появляется содержимое этой ячейки, т. е. число «а».

В ЗУ информацию можно вводить в разных вариантах: в виде числа, оператора или текста. В любом варианте они запоминаются в виде кодирующих наборов двоичных символов.

Применяются следующие разновидности ЗУ.

• 1. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — основная память компьютера, в котором хранится программа и исходные данные. ОЗУ имеется во всех компьютерах и определяет степень их гибкости и быстродействие в работе. В качестве ОЗУ могут применяться: магнитная память, состоящая из миниатюрных ферритовых колец (намагничивание колец в одном или другом направлении равнозначно запоминанию одного бита информации); полупроводниковая память, образуемая большим числом конденсаторов, находящихся на кристалле БИС (большой интегральной схеме); триггеры.

Число колец, конденсаторов или триггеров определяет емкость ОЗУ, измеряемую в килобайтах, т. е. в тысячах слов: 1 К = 1¹ = = 1024; 1 М (мегабайт) = 1000 К.

• 2. Перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ), в которое информация заносится самим пользователем.

• 3. Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) служит для хранения больших массивов информации и доступа к ним. В качестве ВЗУ могут применяться магнитные диски или ленты, на которых можно записать в 10— 1000 раз больше информации, чем в ОЗУ (однако доступ к этой информации требует значительного времени: нужный фрагмент из памяти ВЗУ необходимо сначала перевести в ОЗУ, и только затем его можно использовать для решения конкретной задачи).

Особо распространены для компьютеров так называемые гибкие магнитные диски (дискеты), которые внешне похожи на грампластинку малой толщины и диаметра и могут легко заменяться в компьютере. В последнее время появились оптические диски, на которых запись информации производится лазерным лучом — это позволяет записать значительно больший объем информации, чем на магнитный диск.

Арифметическологическое устройство (АЛУ) производит обработку информации. Оно работает как карманный калькулятор, который при введении в него числа (операнды) и кода операции немедленно выдает результат.

Управляющее устройство (УУ) обеспечивает взаимодействие и координацию всех узлов ЭВМ. Важнейшей функцией УУ является управление взаимодействием ОЗУ и АЛУ: УУ указывает ОЗУ, какие данные должны быть переданы АЛУ, включает АЛУ на использование нужной операции для обработки этих данных, а полученный результат помещает в ОЗУ.

Сочетание управляющего устройства (УУ) с арифметическо-логическим устройством (АЛУ) называется процессором.

Управляющее устройство (УУ) выполняет свои функции е помощью специальной программы, которую называют операционной системой (ОС).

Эта программа записана в ОЗУ и представляет собой набор правил, как должен работать компьютер в той или иной ситуации.

Система управления состоит из командного, алгоритмического и динамического уровней.

На командном уровне на специальном программирующем языке генерируются высокоуровневые управляющие сигналы — путем сравнения конкретного практического состояния процесса с хранимой в памяти моделью (эталоном) технологического процесса. Командный уровень включает следующие команды: управление движениями рабочего органа робота, управление устройствами слежения, средствами сигнализации и системой выполнения технологических операций, программного включения и выключения преобразователей и их приоритета.

Алгоритмический уровень реализует алгоритм управления (в полном соответствии с командами, полученными от командного уровня).

Динамический уровень непосредственно управляет движениями манипулятора робота по командам текущего алгоритма.

Например, при возникновении ситуации, отличной от модели, заложенной в памяти (например, сбой аппаратуры) АЛУ начинает работать с операционной системой (ОС), которая решает, что делать дальше. При этом АЛУ определяет команды, которые надо выполнить различным агрегатам компьютера (например, включить какое-то устройство ввода информации и т. д.) для продолжения работы.

Структурная схема уровней управления (рис. 3.7) содержит модель технологического процесса 1, командный уровень управления 2, модель робота и состояния технологического процесса алгоритмический уровень управления 4, модель состояния технологического процесса 5, динамический уровень управления б, непосредственное воздействие на робот 7, технологический процесс 8.

Командный и алгоритмический уровни управления, модели технологического процесса реализуются по программам, размещенным в ОЗУ; динамический уровень управления реализуется на аналоговых средствах.

ОЗУ, АЛУ и УУ образуют «мозг» компьютера. Устройства ввода и вывода информации (УВВ) применяются для обеспечения связи «мозга» компьютера с любым управляемым объектом (роботом, ГПМ, ГПС, ГАПом).

Специальное устройство, соединяющее устройство ввода (или вывода) информации с управляющим устройством (УУ), называется интерфейсом.

Интерфейс играет роль своеобразного «переводчика» с одного языка на другой. Примером интерфейса между электрическим процессом и компьютером, обрабатывающим этот процесс, является аналого-цифровой прибор (АЦП), преобразующий аналоговый сигнал в его цифровое значение.

В качестве устройств ввода информации могут применяться:

• 1. Пульт с алфавитно-цифровой клавиатурой, похожей на обычную пишущую машинку с 50 — 80 клавишами.

• 2. Устройства внешней памяти (ВЗУ), такие, как компакт-кассеты и магнитные диски для ввода информации.

• 3. Электронно-лучевые трубки, на экраны которых выводятся тексты, состоящие из слов и цифр.

• 4. Дисплей, который сочетает в себе алфавитно-цифровую клавиатуру пульта (ввод), экран электронно-лучевой трубки или экран на жидких кристаллах (вывод).

Для фиксации (вывода) информации в ЭВМ используются печатающие устройства, графопостроители (в системах автомата- зированного проектирования).

Для управления объектом (например, роботом, ГПС и т. д.) с помощью компьютера необходимо иметь возможность автоматически отрабатывать его команды. В этом случае интерфейс преобразует число, вычисленное компьютером, в величину определяющую положение управляемого органа, и выдает команду сервоприводу исполнительного механизма.

С появлением БИС (больших интегральных схем) они сами по себе стали осуществлять функции АЛУ и УУ, т. е. процессора машины.

МикроЭВМ — микропроцессор внешним обрамлением, позволяющим ему производить необходимые арифметико-логические операции и осуществлять связь с внешними устройствами: дисплеем, клавиатурой, внешней памятью, блоком формирования и принятия команд. Типовая укрупненная схема микропроцессорной системы управления промышленным роботом или технологическим оборудованием показана на рис. 3.8. Процессорный модуль ПМ, содержащий микропроцессор с необходимым обрамлением, подключен к общей шине, состоящей из шин адресов, данных и управления. По шине адресов передаются адреса ячеек памяти (устройств), к которым обращается микропроцессор, по шине данных — данные, которыми микропроцессор обменивается с другими устройствами, по шине команд — команды, организующие этот обмен и всю внутреннюю работу системы управления.

К общей шине подключены постоянные (ПЗУ) и оперативное (ОЗУ) запоминающие устройства и адаптеры интерфейса (АИ), позволяющие процессору вести обмен информацией с дисплеем Д, накопителем на гибком магнитном диске НГМД, манипулятором (М) и внешней средой. В памяти системы управления записана совокупность команд, определяющих ее проведение. Каждая команда хранится в одном или нескольких машинных словах и начинается с признака или кода команды, определяющего, что должен делать микропроцессор. Всего в зависимости от типа микропроцессора существует от 30 до 150 и более конкретных команд (арифметико-логические, пересылки и ввода-вывода, управления и ряд других). После команды указывается номер регистра микропроцессора, где записан адрес ячейки памяти, содержащей операнд.