Глава 2. Аппаратная реализация осрв.

1.Аппаратурная среда.

1. Типы компьютеров, применяемых в срв;

• “Обычные” компьютеры;

• Промышленные компьютеры;

• Встраиваемые системы.

2. “Обычные” компьютеры

Из названия следует, что это компьютеры, которые по своему логическому устройству совпадают с настольными (офисными) вычислительными системами.

Различия в аппаратном устройстве незначительны:

• процессор, память размещают на съемной плате для обеспечения минимального времени простоя в случае технической неполадки,

• корпус компьютера должен обеспечивать защиту от пыли и механических повреждений,

• мониторы имеют светочувствительное покрытие.

По экономическим причинам среди процессоров доминирует семейство Intel 80Х86.

“Обычные” компьютеры не управляют оборудованием, а, в основном, предназначены для визуализации состояния оборудования или служат терминалами для взаимодействия с ним. “Обычные” компьютеры размещают в пунктах наблюдения и управления, различных диспетчерских.

В качестве операционных систем используются “обычные” ОС с дополнительными программными комплексами, адаптирующими их к требованиям реального времени.

3. Промышленные компьютеры

Область применения промышленных компьютеров достаточно широка и охватывает почти все сферы промышленного производства. Назначение промышленных компьютеров - управление технологическим процессом, оборудованием, объектом. Поэтому, противопоставляя офисным системам, их ещё называют “компьютерами в рабочих спецовках”.

Главной чертой промышленных компьютеров является устойчивость к воздействию агрессивной внешней среды. Офисные компьютеры не могут работать в условиях влажности, радиации, экстремальных температурах. К промышленным компьютерам предъявляются повышенные требования: вибростойкость, ударопрочность, пыле-влагонепроницаемость, диапазон рабочих температур, габариты, позволяющие их монтировать в стандартные стойки или встраивать в технологическое оборудование. Иногда требуется искро- и взрывобезопасность, стойкость к радиационным и магнитным полям. Для обеспечения бесперебойной работы компьютеров в таких условиях применяются прочные шасси и корпуса, сами платы размещают на виброударостойкой подвеске и закрепляют. Для борьбы с пылью создают внутри корпуса избыточное давление очищенного воздуха, а всасывающие вентиляторы снабжаются сменными фильтрами. Для защиты от брызг применяется специальная брызгозащита по лицевой панели. Клавиатуры выполняются по пленочной технологии, исключающих возможность попадания различных жидкостей внутрь.

Исходя из назначения и условий работы, имеются большие отличия в логическом и аппаратном устройстве, следовательно, и в программном обеспечении.

Обычно в составе промышленных компьютеров отсутствуют дисковые накопители, мышь, стандартная клавиатура, вентиляторы. Эти устройства не удовлетворяют предъявляемым к СРВ требованиям по надежности, устойчивости к внешней среде, габаритам и времени готовности после включения питания.

А то, что осталось от стандартной конфигурации компьютера (процессор, память, программируемые таймеры), размещают на одной плате. У большинства промышленных компьютеров отсутствует материнская плата. Процессорная плата наравне с периферийными вставляется в стандартный слот на объединительной пассивной кросс-плате. Такое решение было принято в целях ускорения ремонта. Модульная конструкция позволяет производить замену плат за несколько минут.

Другой конструктивной особенностью является большое количество слотов расширения, которое может достигать 20, поскольку промышленным компьютерам часто приходится взаимодействовать с большим количеством датчиков и исполнительных механизмов. На плате находится также контроллер и разъем шины, через которую компьютер управляет внешними устройствами.

Объединительная плата помещается в специальный корпус (крейт), в котором разведены разъемы шины и установлен блок питания. В тот же корпус вставляются платы АЦП и/или ЦАП, через которые осуществляется ввод/вывод управляющей информации, платы управления электромоторами и т.п. В корпус могут быть вставлены такие же или другие промышленные компьютеры, образуя многопроцессорную систему.

Для повышения надежности в компьютеры дополнительно установлен сторожевой таймер, в задачу которого входит перезапуск системы через несколько минут в случае зависания программы путем генерации сигнала RESET или IRQ15. Также прибегают к хранению параметров SETUP в энергонезависимой памяти, что позволяет обходиться без специальных батареек. Некоторые фирмы для особо ответственных приложений выпускают отказоустойчивые компьютеры с дублирование важнейших узлов и возможностью их замены во время работы.

Среди процессоров промышленных компьютеров доминируют процессоры семейств: PowerPC (Motorola-IBM), Motorola 68ХХ(Motorola), Sparc (Sun), Intel80Х86, Intel80Х96 (Intel), ARM(ARM).

Несмотря на то, что СРВ гарантируют своевременную обработку событий, при выборе процессора его тактовая частота и, следовательно, высокая производительность, вовсе не являются критерием. Определяющие факторы при выборе процессора:

• получение требуемой производительности при наименьшей тактовой частоте;

• наименьшее время переключения контекста;

• наименьшее время реакции на прерывание.

В СРВ актуальной становится такая характеристика работы процессора, как наименьшая рассеиваемая мощность. Именно она обеспечивает отказоустойчивость системы, так как малый нагрев процессора позволяет обойтись без охлаждающего вентилятора, который является ненадежным механическим устройством.

Будет справедливо отметить, что рост плотности рассеиваемой процессором мощности становится главным препятствием на пути повышения производительности вычислительных систем во всех сферах применения. "Закон Мура" подтверждается с 1965 года в виде удвоения числа транзисторов на единицу площади каждые два года. Схемы потребляют энергию почти исключительно в моменты переключения. Следовательно, чем больше транзисторов содержит процессор, и чем выше тактовая частота, тем выше и потребляемая мощность, причем работа переключения (произведение потребляемой логическим элементом мощности на длительность такта) при переходе к меньшим топологическим нормам уменьшается медленнее, чем растет число транзисторов в процессоре. Если эта тенденция сохранится, процессоры Intel скоро будут выделять больше тепла на квадратный сантиметр, чем поверхность Солнца. [1].

В СРВ, как в системах обработки событий, большое значение имеет организация работы подсистемы прерываний - наличие большого количества уровней прерываний (IRQ levels). В промышленных компьютерах используется 4 вида памяти:

• ПЗУ, где обычно размещена ОСРВ;

• ОЗУ, куда загружается код и данные ОСРВ; обычно организована на базе динамической памяти;

• статическое ОЗУ (то же, что и ОЗУ, но питается от имеющейся на плате батарейки), где размещаются критически важные данные, которые не должны пропадать при выключении питания; типичное время сохранения данных - 5 лет;

• флеш-память (электрически программируемое ПЗУ), которое играет роль диска для ОСРВ.

В настоящее время промышленные компьютеры широко представлены на рынке автоматизации, их можно разделить на две группы:

1. Промышленные ноутбуки

Промышленные ноутбуки по внешнему виду напоминают обычные ноутбуки. Отличие состоит в более сильной защите от воздействий внешней среды. Они имеют пыле- и влагонепроницаемый корпус, вибро- и ударопрочность в соответствии с военными стандартами, диапазон рабочих температур составляет от -20 до 50°С. Компьютеры такого класса обычно представлены на рынке фирмой Getac и находят применение в промышленности, для снятия данных с необслуживаемых станций, в полевых лабораториях.

2. Интегрированные промышленные компьютеры

В эту группу объединяют 3 типа компьютеров:

• рабочие станции

• панельные компьютеры

• модульные компьютеры (или промышленные компьютерные контроллеры).