Для группового управления технологическим оборудованием применяют мини-ЭВМ (УЧПУ типа DNС) и управляющие вычислительные комплексы (УВК). В настоящее время используют мини-ЭВМ СМ-3, СМ-4 универсальные вычислительные комплексы СМ1801, СМ1803 ит. д. Перечисленные мини-ЭВМ имеют развитую оперативную и перепрограммируемую память. УВК от обычных универсальных ЭВМ отличаются тем, что они предназначены для совместной работы со всевозможным технологическим оборудованием, которое, как правило, не относится к средствам вычислительной техники. Благодаря этому УВК сочетает в себе свойства как обычных вычислительных машин, так и технических средств, в которых применяется принцип цифровой обработки информации, ее отображения и использования в цифровом управлении (числовое программное управление).

УВК выпускают в виде устройств, пригодных для непосредственного встраивания в требуемое технологическое оборудование или производственный комплекс. Для этого служат развитые устройства связи с объектом управления (УСО). Эти устройства выполняют как стандартные интерфейсы. Программное обеспечение УВК специально ориентируют на решение широкого класса задач управления и организации управления.

Одной из важнейших задач группового управления является способ организации связей между отдельными устройствами УВК, включая и управляемый объект.

До недавнего времени архитектура и структура УВК базировалась главным образом на вычислительных системах с автономными ЭВМ, что вызывало трудности в организации внешних интерфейсов. В настоящее время распространенным системным интерфейсом автономных ЭВМ стал магистральный интерфейс «общая шина», обеспечивающий унификацию связей всех устройств УВК с центральным процессором через единую магистраль ввод-вывод.

С развитием микропроцессорной техники появилась возможность создания однокристальных и одноплатных микроЭВМ, объединенных в микропроцессорные системы. Модульный принцип построения функциональных блоков УСО позволил унифицировать их конструкции с одноплатными микроЭВМ, что привело к объединению процессорных модулей и модулей связи с объектом в один модуль. Таким образом, отпала необходимость в автономной управляющей ЭВМ и в значительной мере упростились задачи внешнего интерфейса на основе магистрально-модульного принципа построения системных связей УВК.

Программное обеспечение микропроцессорных УВК существенно отличается от программных средств универсальных вычислительных машин большой и средней производительности. Основным преимуществом микропроцессорных систем является возможность их встраивания в технологическое оборудование. Однако с точки зрения разработки и использования программного обеспечения встраиваемые вычислительные системы слишком ограничены по количеству периферийного оборудования, производительности и объему памяти. Программное обеспечение УВК характеризуется следующими особенностями:

• ограниченным составом резидентных программных средств;
• отсутствием развитого периферийного оборудования;
• преимущественным применением символических языков программирования относительно низкого уровня вследствие необходимости экономии памяти на организацию обслуживающей программы;
• ориентацией программных средств на задачи управления, контроля и измерений;
• ограниченными сервисными возможностями программных средств.

Благодаря этому разработка программного обеспечения для УВК выделена в специфический раздел проектирования управляющих комплексов.

Создание программных средств ведут с использованием дополнительной аппаратуры — больших и средних вычислительных машин или прототипов микропроцессорных ЭВМ. В первом случае программное обеспечение является кроссовым. Поэтому все разрабатываемые сейчас микроЭВМ имеют кроссовые программные средства, реализуемые на ЭВМ серии ЕС или СМ. Кроссовое программное обеспечение позволяет использовать широкий набор сервисных возможностей больших и средних ЭВМ. Во втором случае программные средства являются вспомогательными или инструментальными, поскольку разработка их ведется с применением эмуляций аппаратуры отлаживаемых микропроцессорных систем.

Операционная система (ОС) для вычислительных машин и УВК — это ядро их программного обеспечения, на базе которого пользователь разрабатывает прикладные программы. Основные функции ОС, следующие: хранение информации обо всех аппаратных ресурсах ЭВМ, их состоянии и порядке информационного обмена; обеспечение связи с внешними ЗУ и устройствами ввода-вывода, а также реализация протоколов обслуживания этих устройств (протокол обмена); обеспечение реакции на внешние сообщения, которые служат сигналом для выполнения отдельных задач.

По функциональному назначению различают следующие ОС:

• однопользовательские и многопользовательские для разработки и отладки программного обеспечения;
• прикладные или «встроенные» оперативные системы реального времени (ОС РВ);
• информационно-поисковые, которые используются для организации и ведения банков данных, каталогов, карточек и т. д.;
• ОС, предназначенные для организации сетевой обработки информации, распределяющие информацию по адресам, выполняют коммутацию информации в сети, а также преобразуют информацию в соответствии с необходимыми кодами и протоколами.

Для систем управления различными процессами, в том числе и производственными участками, все более широкое применение находят прикладные или встроенные ОС РВ. Основная функция этих ОС — обеспечение эффективного управления общими ресурсами для многих пользователей либо программ, когда управление выполняется одним центральным процессором. Сложность и степень совершенства ОС определяют числом и разнообразием типов физических ресурсов, которыми она может управлять, а также качеством алгоритмов, реализуемых при управлении.

Одним из самых важных ресурсов при управлении является время. При работе в условиях реального масштаба времени центральному процессору необходимо реализовать несколько задач, а для объекта управления эти задачи решаются как бы одновременно. Кроме того, выполнение задач в УВК или микро-ЭВМ сопряжено с внешними сообщениями, которые, как правило, носят случайный характер (возмущающее воздействие, отклонение от задания и т. д.).

Основой ОС является средство управления многозадачным режимом планирующих задач. Остальные средства ОС строят на базе этого ядра и реализуют специфические требования конкретного приложения. Вокруг планирования строятся очереди исполнения, и их программы-администраторы дли управления различными физическими ресурсами, на которые может быть рассчитана ОС. Как правило, создаются очереди задач с приоритетами, которые готовы к выполнению на центральном процессоре, и очереди задач, ожидающих доступа к устройствам ввода-вывода.

В простых ОС РВ реализуется циклический алгоритм выбора задач, и каждая задача в цикле выполняется в течение какого-то кванта времени, задаваемого таймерными устройствами. В более сложных оперативных системах алгоритм реализуется с организацией нескольких очередей в соответствии с приоритетами задач. Приоритеты могут быть фиксированными, или система допускает их смену в ходе работы.

В ряде случаев прерывание УП за счет задержки в обслуживании задач высокого приоритета может привести к аварийным ситуациям, поэтому в ОС должна быть предусмотрена приостановка текущей задачи для выполнения задачи более высокого приоритета.

В современных ОС предусматривается возможность нахождения задач в нескольких логических состояниях в зависимости от их подготовленности к решению (условия признака готовности).

В ходе выполнения нескольких задач могут возникнуть конфликтные ситуации, когда требуется одновременный доступ к одному и тому же ресурсу. Обычно они реализуются с помощью мониторов, семафоров и «почтовых ящиков». Механизм монитора допускает в каждый конкретный момент времени доступ к ресурсам только одной задачи. Сигнал семафора обеспечивает постановку в очередь задач, которым необходим занятый ресурс. Для передачи более длинных сообщений в ОС РВ используются «почтовые ящики», которые представляют собой семафоры с дополнительной буферной памятью. Если одной из задач требуются данные из другой задачи, то они могут быть получены непосредственно через «почтовый ящик». Кроме основного ядра ОС РВ для пользователя создаются средства упрощения написания программ. Это программы — редактор, компилятор (программа, транслирующая запись информации на проблемно ориентированном языке в машинные коды).

В качестве универсальных вычислительных комплексов применяют мини-ЭВМ СМ-4. В такой мини-ЭВМ для организации интерфейса используется Q-шина, что позволяет гибко обрабатывать содержимое регистров периферийных устройств набором тех же команд, что и в самой мини-ЭВМ. В мини-ЭВМ предусмотрено большое разнообразие способов адресации, что позволяет гибко обрабатывать разнообразные структуры данных и пользоваться разнообразными форматами, а также использовать разнообразные формы команд (одноадресная, двухадресная, безадресная, автоинкрементная и автодекрементная адресация). В мини-ЭВМ СМ-4 для вызова подпрограмм и обработки прерываний введен указатель стека, а также использована многоуровневая система приоритетных прерываний.

Центральный процессор связан с памятью и периферийными устройствами общей шиной, которая содержит 16-битную шину данных, 18-битную шину адреса и шину управления, в которых элементом адресации является байт. Управление общей шиной в этой мини-ЭВМ разрешается не только процессору, но и некоторым периферийным устройствам (ведущее — устройство, которое управляет шиной, ведомое — устройство, которому передается информация).

Связи между устройствами осуществляются в асинхронном режиме с квитированием (присвоение пакету информации адресного символа для удобства обращения при асинхронном обмене), что дает возможность устройствам обмениваться информацией с различным быстродействием. ЭВМ имеет устройство расширения памяти (диспетчер памяти), которое преобразует 16-битный виртуальный адрес (который может появиться), определенный командой, в 18-битный физический адрес (автоинкрементная адресация), что позволяет увеличить объем программируемой памяти.

На рис. 113, а показана структурная схема базового процессора мини-ЭВМ, который подключен к общей шине с помощью трех магистральных шин (ША, ШД, ШУ) (для удобства обмена имеются буферные регистры (РА, РК) адреса и команды). Процессор в качестве подсистемы содержит набор быстродействующих операционных регистров накопителей (РОН).

В мини-ЭВМ функции оперативного программного счетчика (ПС) выполняет регистр (R7), который содержит адреса следующей команды. Регистр R6 используется как управляющий счетчик (УС) (заполняется как стек со старшего разряда, а опрашивается с младшего разряда). Стек используется автоматически при вызове подпрограмм, обработке прерываний. Регистр словосостояния (РСС) хранит переданное слово (команду) из ОЗУ на исполнение. Когда процессор прерывает свою работу, регистр УС, работающий как стек, хранит состояние регистра РСС и ПС, т. е. данные, полученные до прерывания работы процессора. В состав базового процессора мини-ЭВМ входит также арифметико-логическое устройство (АЛУ).

Буферные регистры (БР1, БР2) используют при обмене информацией с другими устройствами как «почтовый ящик».

На рис. 113, б показано 16-разрядное пространство слова мини-ЭВМ, где в 0—3 м разрядах формируются признаки результатов С, V, Z, N Признак слежения Т в 4-м разряде может быть установлен или сброшен программно. Если признак Т установлен, то производится внутреннее прерывание. Установка данных признаков удобна при отладке УП (проверка контрольных точек). Биты 5,7 в команде позволяют назначить один из восьми приоритетов, причем уровень 7 запрещает периферийным устройствам прерывать текущую программу. Прерывание может произойти по внепроцессорному запросу С более высоким приоритетом, чем у процессора. Биты 12, 13 указывают состояние предыдущего режима, 14, 15 определяют режим работы процессора.

УВК в зависимости от комплексной обеспеченности техническим программным средством имеют ряд модификаций: УВК типа СМ-1800 (1801—1803), микросредства управляющей вычислительной техники (МСУВТ) серии В7 и т. д. В состав УВК серии В7 входят следующие устройства:

• одноплатная микро-ЭВМ с центральным процессором;
• специальный процессор для расширения математических функций;
• плата расширения памяти и средств ввода-вывода;
• внешние устройства;
• интерфейс внешних устройств, интерфейс связи с объектом управления.

Одноплатная микро-ЭВМ, структурная схема которой показана на рис. 114, включает в себя центральный процессор на базе БИС (ЦП); запоминающие устройства (ОЗУ, ПЗУ); интерфейс ввода-вывода, который состоит из двух частей интерфейса с последовательным обменом (селекторный) и интерфейса с параллельным обменом (мультиплексный); интервальный таймер, программный контроллер прерываний; контроллер управления машинной магистралью, который обеспечивает управление обменом между микро-ЭВМ и другими устройствами.

Для индивидуального управления отдельными объектами или технологическими модулями в групповом управлении применяют универсальные УЧПУ с развитым набором типовых периферийных модулей для оперативного вмешательства в управление отдельными объектами управления или перевода их па автономное управление в режиме наладки и проверки.

На рис. 115 дана структурная схема универсального УЧПУ типа CNC, которое включает в себя:

• центральный микропроцессор (МП);
• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
• интерфейс связи с кассетной внешней памятью (КВП);
• интерфейс связи с ЭВМ высшего ранга (МЭВМ);
• модули ввода-вывода (MBB);
• модуль связи с дисковой операционной системой (ДОС);
• модуль связи с приводами (ЦАП);
• модуль программного обеспечения (ПО);
• блок индикации (БИ);
• узел связи с вычислителем (УС);
• клавишный пульт для загрузки УП и оперативного вмешательства в работу системы управления (КП);
• фотосчитывающее устройство для загрузки УП с перфолент (ФСУ).

УЧПУ имеет общую магистральную шину (ОШ). Таким образом, универсальные УЧПУ с локальной системой управления могут объединяться в общую систему управления от ЭВМ более высокого уровня, которая работает в многопрограммном (мультиплексном) режиме.