Говоря о контроллере устройства можно утверждать что он
Контроллеры — это устройства управления в электронике и вычислительной технике. Контроллер: определение, схема, устройство и виды
Контроллеры – это устройства, позволяющие производить обработку цифровых сигналов. Буквально несколько десятилетий назад все логические системы строились на основе электромеханических реле. Они до сих применяются, но в большинстве сфер были вытеснены микроконтроллерами. Наибольшее распространение контроллеры получили в промышленности, именно в системах управления и автоматизации. Впервые на рынке электроники появилось устройство MODICON производства Bedford Associates в 1960-х годах.
Аналогичные устройства, разработанные другими компаниями, стали известны как ПЛК. А если точнее, то это программируемые логические контроллеры. Их работа зависит от программы, которую записывают при помощи персонального компьютера через специальный интерфейс. Именно благодаря использованию устройств на контроллерах получилось заменить большое количество электромеханических реле логическими элементами.
Особенности ПЛК
Для того чтобы понять, что такое контроллер, необходимо разобраться с его устройством и назначением. У программируемого элемента несколько входов – с их помощью происходит контролирование состояния выключателей и датчиков. И есть выходные клеммы, которые подают сигналы различного уровня на электроклапаны, контакторы, электроприводы, реле и другие исполнительные устройства.
Программирование ПЛК очень простое, потому что язык, на котором это делается, очень схож с логикой работы электромагнитных реле. Если инженер-электрик или обычный монтер умеет читать схемы релейных систем, то он без особых трудностей сможет выполнить программирование контроллеров. Это займет немного времени, все зависит от количества логических элементов и функций.
Нужно отметить, что, в зависимости от модели ПЛК, подключение к ним источников сигналов и особенности программирования будут незначительно отличаться. Но суть процедуры настройки остается неизменной.
Подключение элементов к ПЛК
В корпусе контроллера есть оптический изолятор – простой светодиод. С его помощью происходит связь входной клеммы и общей. При подаче напряжения на ПЛК загорается светодиод – именно по нему можно судить о том, что устройство работает. На выходе происходит генерация сигнала при помощи компьютерной схемотехники – активируется устройство переключения. В качестве переключающего устройства могут использоваться электромагнитные реле, транзисторы, силовые ключи, тиристоры. Выходы обозначаются буквой Y. На каждом выходе устанавливается светодиод, сигнализирующий о том, что устройство работает.
Как происходит программирование
Контроллеры – это устройства, позволяющие обрабатывать электрический сигнал и преобразовывать его. На сегодняшний день в ПЛК ставится логика при помощи компьютерной программы. Именно она определяет, на каких выходных клеммах будет присутствовать напряжение при определенных условиях на входных клеммах. Отчасти эта логика схожа с той, которая применяется в релейной схемотехнике. Но в ней нет никаких реле, переключателей, контактов. Написание и просмотр программы происходит при помощи компьютера, который соединяется с портом программирования.
Логика простой программы
Допустим, у нас есть контроллер, лампа и выключатель. Контроллер подключается к источнику питания, со входом соединяется выключатель, а на выходе ставится лампа. При нажатии кнопки должна загораться лампа. Вариант простейшей программы для ПЛК:
Все действия, которые производятся с контроллерами, удобнее всего рассматривать на примере электромагнитных реле. Так нагляднее видна работа устройства.
Зачем нужен компьютер
При помощи компьютера происходит создание логической связи между входными и выходными клеммами. Программное обеспечение, с помощью которого осуществляется составление логики, позволяет направить в контроллер виртуальный сигнал и проследить, как он будет действовать при определенных условиях. После того как будет заложена логика внутрь ПЛК, компьютер отключается и контроллер работает самостоятельно. Все команды, которые ему были заданы на этапе программирования, он сможет выполнять без сторонней помощи.
Универсальность ПЛК
Чтобы понять всю силу и универсальность программируемых компонентов, необходимо рассмотреть несколько типов программ. Контроллер – это программируемый элемент, поэтому без вторичной настройки подключенных к нему элементов можно изменить все заданные команды. Допустим, вам нужно изменить программу, рассмотренную выше – при замыкании кнопки должна тухнуть лампа, а при размыкании загораться.
Для выполнения такой команды нужно просто поменять местами типы команд, которые были ранее. При нажатии на кнопку должно подаваться напряжение на вход ПЛК, а мнимое реле, которое находится в нем, имеет нормально-замкнутые контакты. Поэтому при подаче напряжения контакты размыкаются и лампа тухнет. Но когда в схеме контроллера пропадает сигнал, мнимое реле замыкает контакты и лампа загорается.
Преимущества контроллеров
Одно из преимуществ контроллеров – это возможность реализации в программном обеспечении логического контроля. Причем, в отличие от релейного оборудования, выходной сигнал может использоваться столько раз, сколько требуется для автоматизации. При помощи контроллера для систем автоматизации можно спроектировать систему запуска и останова электродвигателя. Чтобы построить аналогичную систему на электромеханических элементах, нужно использовать три реле.
При использовании контроллера на две входные клеммы подключаются кнопки. На выходе устанавливается электрический двигатель. Логика выглядит таким образом:
Причем все процессы, которые происходят в контроллерной системе, могут дублироваться для удаленного мониторинга. Именно с помощью такого свойства реализуется удаленное управление системами. Теперь вы знаете, что такое контроллеры и каковы их ключевые особенности. Программирование устройств может осилить любой человек, который разбирается в компьютерной и релейной технике.
Устройство и принцип работы контроллеров
Контроллеры представляют собой микропроцессорные устройства, выполняющие определенные действия по заложенной в них программе. По сути, контроллеры мало чем отличаются от микро-ЭВМ (компьютеров) и имеют одинаковые с ними основные узлы. Контроллеры, как и большинство существующих на сегодняшний день ЭВМ, построены по архитектуре фон Неймана: они содержат процессор (блок управления + арифметико-логическое устройство), память и устройства ввода-вывода. На рис. 1.1 приведена общая структурная схема контроллера. Однако надо отметить, что конкретные модели контроллеров могут не вполне соответствовать приведенной схеме.
Рис. 1.1. Общая структурная схема программируемых
Рассмотрим основные элементы контроллеров, приведенные на рис. 1.1.
Процессор. Основная часть любой ЭВМ, его функция – выполнять команды, записанные в памяти. Тип процессора не является основной характеристикой контроллеров (в отличие от персональных компьютеров), поскольку обычно от контроллеров не требуется очень высокого быстродействия; часто тип процессора даже не указывается в документации к контроллеру. Однако в последнее время развиваются так называемые SCADA-системы (системы контроля управления и диспетчеризации), которые предъявляют новые требования к контроллерам, в частности, поддержку современных сетевых технологий (Ethernet) и многозадачность. Поэтому в современных контроллерах могут применятся достаточно совершенные процессоры, например, Intel Pentium III и др. В то же время, в более простых контроллерах, работающих без связи с другими контроллерами и компьютерами, могут использоваться и более простые процессоры, например, Z80.
Память (ОЗУ и ПЗУ). Функция памяти – хранить программу и данные. Обычно контроллеры не имеют большого объема памяти, поскольку они работают под управлением упрощенных узкоспециализированных операционных систем с довольно скромными запросами. Программа контроллера также не занимает большого объема. Следовательно, контроллеры не имеют жестких дисков (в них нет никакой необходимости). Чтобы контроллер не «забывал» программу при выключении питания, память может быть энергонезависимой (EPROM, Erasable Programmable Read Only Memory), это альтернатива жестким дискам, более простая и дешевая, но с малой емкостью. Объем памяти не является важной характеристикой контроллера. Он может быть, например, несколько килобайт (у персональных компьютеров объем памяти составляет порядка сотен мегабайт, т.е. в сотни тысяч раз больше).
Клавиатурно-дисплейный модуль (КДМ). Предназначен для управления контроллером, ввода команд, программирования, мониторинга. Не особенно удобен для выполнения перечисленных функций, так как обычно контроллеры могут подключаться к компьютерам, выполняющим те же функции. Как правило, КДМ применяется для настройки контроллера «на месте», т.е. довольно нечасто. По этой причине КДМ обычно небольшой и простой.
Порты ввода-вывода. Они служат для преобразования двоичной информации в какие-либо физические сигналы (как правило, в дискретные электрические) и обратно. Порты являются неотъемлемой частью любого микропроцессорного устройства, а контроллере они выполняют функцию ввода данных и выдачи управляющих воздействий. Внешние устройства, как правило, не подключаются к шине контроллера напрямую, поскольку их уровни сигналов обычно не совпадают с уровнями сигналов шины контроллера (лог.0 – 0,2 В, лог.1 – 5 В). Кроме того, подключение устройств к шине без гальванической развязки небезопасно, так как любые виды помех (из-за наводок, пробоев изоляции, коротких замыканий и т.д.) поступали бы напрямую в контроллер, что приводило бы к его неустойчивой работе и даже к выходу из строя. Поэтому порты ввода-вывода обеспечивают, во-первых, необходимое преобразование уровней сигналов, и во-вторых, гальваническую развязку.
Дискретные входные сигналы, как правило, несут информацию о замыкании или размыкании какого-либо контакта (рис. 1.2).
Рис. 1.2. контроллер с двумя дискретными входами
и с двумя релейными выходами
Дискретные выходные сигналы представляют собой управляемые контроллером «ключи», способные замыкать или размыкать цепь (рис. 1.2). Дискретные выходы могут быть релейными или транзисторными. Транзисторные выходы обладают высоким быстродействием и бесшумностью. Релейные выходы достаточно медленные и срабатывают с характерными для реле громкими «щелчками», однако они могут коммутировать цепи с большим напряжением, например, 220 В.
Аналоговые входные сигналы несут изменяющуюся информацию в форме тока или напряжения. Аналоговый сигнал может принимать произвольное значение из определенного диапазона, например, от 0 до 12 В. Такой сигнал не может непосредственно восприниматься контроллером, поскольку контроллер оперирует дискретной (двоичной), а не аналоговой информацией. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой контроллеры оснащаются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). На каждый аналоговый вход контроллер содержит отдельный АЦП.
Аналоговые выходные сигналы формируются в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП), которые преобразуют двоичный цифровой код в аналоговый сигнал. Следует отметить, что АЦП и ЦАП могут и не находится непосредственно внутри контроллеров, а подключаться как дополнительные модули. АЦП и ЦАП рассматриваются в главе 3.
Шина контроллера связывает все его компоненты. Контроллеры содержат три основные шины. Шина данных используется для передачи данных между процессором и другими элементами. Адресная шина используется для передачи адреса в памяти (или порта ввода-вывода), по которому данные можно прочитать или сохранить. Шина управления используется для передачи сигналов управления из процессора другим элементам. Физически шины представляют собой группу проводящих дорожек на плате или проводов, по которым посылаются цифровые сигналы. Передача данных по шинам называется параллельной передачей. При последовательной передаче данных каждый бит по очереди передается по одному-единственному проводу. А при параллельной передаче данных, например при передаче двоичного числа 01101001 по шине передаются все восемь разрядов одновременно, и каждый разряд по своему отдельному проводу (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Параллельная (а) и последовательная (б) передачи данных
Интерфейс предназначен для связи контроллера с компьютером или другими элементами автоматизированной системы. Под интерфейсом понимают унифицированное аппаратно-программное устройство для передачи информации. То есть два разных устройства, обладающих одним интерфейсом, можно подключить друг к другу для обмена информацией. Унификация интерфейсов обеспечивает совместимость подключаемых устройств. Контроллеры могут обладать различными интерфейсами. Обычно контроллеры подключаются через интерфейс к ПЭВМ (рис. 1.1) для программирования и/или мониторинга работы, но могут подключаться также и к другим устройствам и даже к компьютерным сетям. Очевидно, что ПЭВМ, к которой производится подключение, должна обладать соответствующим интерфейсом. Основные типы интерфейсов рассмотрены в главе 4.
Говоря о контроллере устройства можно утверждать что он
Успешно изучив материал, вы будете знать :
что такое устройства ввода-вывода;
что такое прерывание;
что такое виртуальная память.
После изучения данной темы Вы будете уметь :
определять тип устройства ввода-вывода;
различать процессы и потоки;
определять допустимый объем виртуальной памяти.
После изучения материала Вы будете обладать навыками :
классификации устройств ввода-вывода по различным критериям;
диагностики компонентов аппаратных платформ на предмет выявления и устранения конфликтов.
Драйвер устройства 
Обработчик прерываний
Виртуальная память
Страничная организация памяти
Одним из важнейших понятий операционных систем является понятие процесса.
Процесс — программа, которая в данный момент выполняется вычислительной машиной.
Задача планирования процессов заключается в отслеживании их состояния и использования ими вычислительных ресурсов. Как уже упоминалось в теме 1, вычислительный ресурс в каждый конкретный момент времени может быть задействован только одним процессом. Если несколько процессов должны использовать один и тот же ресурс, то они используют его по очереди. Очередность использования определяется приоритетом процесса. Чем выше приоритет процесса, тем чаще он будет получать доступ к требуемым ресурсам.
Каждый процесс представлен как минимум одним потоком.
Поток — последовательность исполняемых команд.
В рамках одного и того же процесса может выполняться несколько разных потоков. Использование нескольких потоков позволяет сократить время исполнения программы. Такой подход удобен, если этапы решения задачи, для которой создавалась программа, можно выполнять параллельно. Потоки обладают некоторыми свойствами процессов. В отличие от процессов, потоки существуют в одном и том же адресном пространстве и могут одновременно работать с выделенными процессу ресурсами.
Устройства ввода-вывода делятся на две категории — блочные и символьные.
Блочные устройства — оперируют блоками данных, размер которых варьируется в зависимости от устройства. Каждый блок в блочном устройстве имеет собственный адрес. Примером блочного устройства может служить любой накопитель. Одним из наиболее важных свойств блочного устройства является возможность независимого доступа к блокам данных.
Символьные устройства — оперируют потоками данных, не имеющими структуры или адреса. Большинство устройств являются символьными.
Устройство ввода-вывода обычно состоит из двух частей — само устройство и его контроллер. Контроллер осуществляет управление работой устройства на физическом уровне. Контроллер выполняется в виде набора микросхем и либо совмещен с устройством, либо установлен на системной плате. Если контроллер установлен на системной плате, то обычно он позволяет работать с двумя и более устройствами данного типа. Примером такого контроллера может служить контроллер накопителей на жестких магнитных дисках, который позволяет работать одновременно с двумя НЖМД. Задачей контроллера является преобразование потока битов в блок байтов. Считываемые биты накапливаются в памяти контроллера, которая называется буфером данных, и затем в виде блоков байтов передаются в оперативную память. Каждый контроллер, помимо буфера, имеет также несколько регистров, посредством которых процессор может управлять работой контроллера.
Первый способ заключается в том, что каждому регистру назначается уникальный номер порта ввода-вывода. При таком способе адресное пространство оперативной памяти не пересекается с адресным пространством устройств ввода-вывода.
Второй способ заключается в выделении каждому регистру отдельного сегмента оперативной памяти. Преимущество второго способа в том, что для программирования работы устройств не нужно прибегать к машинным языкам, а также в том, что при таком подходе для защиты от несанкционированного доступа к устройствам достаточно исключить часть адресного пространства устройств ввода-вывода из блока адресов памяти, доступных пользователям. Недостаток этого подхода в том, что для его реализации необходимо использование более сложной аппаратуры. Повышение сложности аппаратуры обуславливается тем фактором, что некоторые приемы, используемые для ускорения работы с памятью, могут привести к катастрофическим последствиям при использовании их с устройствами ввода-вывода.
Прерывание — это сигнал процессору о том, что ему необходимо прервать выполнение текущего процесса и вызвать обработчик прерывания.
Обработчик прерывания — это программа, которую процессор должен выполнить при возникновении прерывания. Обработчик прерывания является частью драйвера устройства. Драйвер устройства обеспечивает взаимодействие устройства с операционной системой. В состав операционной системы включен набор стандартных драйверов для поддержки различного оборудования, которое может быть подключено к компьютеру. Если подключаемое устройство обладает какими-либо функциями, которые недоступны операционной системе при использовании стандартного драйвера для данного типа оборудования, то такое устройство, как правило, снабжено собственным драйвером, который устанавливается при первом использовании устройства.
Виртуальная память (swap) — такой метод работы с памятью, когда в оперативной памяти хранятся только те части программы, которые используются в конкретный момент времени.
Процесс — это программа, выполняемая на процессоре, плюс обрабатываемые данные.
Каждый процесс состоит как минимум из одного потока.
Задача, решаемая многопоточным процессом, решается быстрее, чем однопоточным.
Устройства ввода-вывода бывают символьные и блочные. Блочное устройство позволяет работать одновременно с несколькими блоками данных.
Для работы с устройствами ввода-вывода используются механизм прямого доступа к памяти и прерывания.
Драйвер устройства необходим операционной системе для того, чтобы осуществлять взаимодействие с данным видом устройств.
Механизм виртуальной памяти позволяет выполнять программы, которые требуют больше физической памяти, чем есть на компьютере.
Верно ли утверждение, что процессы, в отличие от потоков, выполняются в од-ном и том же адресном пространстве?
В чем разница между процессом и потоком?
Каков принцип работы блочного устройства ввода-вывода?
Каков принцип работы символьного устройства ввода-вывода?
В чем заключается задача контроллера устройства?
Почему механизм прямого доступа к памяти повышает производительность компьютера?
Является ли обработчик прерывания частью драйвера устройства?
Каким образом можно выполнить программу, размер которой превышает объем доступной физической памяти?
Задания для самостоятельной работы
Выполните задания к теме 2 в тетради-практикуме.
Контроллеры устройств
Устройства ввода-вывода обычно состоят из механической части и электронной части.
Электронный компонент устройства называется контроллером устройства или адаптером. В персональных компьютерах он часто принимает форму печатной платы, вставляемой в слот расширения. Плата контроллера обычно снабжается разъемом, к которому может быть подключен кабель, ведущий к самому устройству. Многие контроллеры способны управлять двумя, четырьмя или даже восемью идентичными устройствами. Если интерфейс между контроллером и устройством является стандартным, то есть официальным стандартом ANSI, IEEE или ISO, либо фактическим стандартом, тогда различные компании могут выпускать отдельно контроллеры и устройства, удовлетворяющие данному интерфейсу. Так, многие компании производят жесткие диски, соответствующие интерфейсу IDE или SCSI.
Интерфейс между устройством и контроллером является интерфейсом очень низкого уровня. Например, какой-нибудь жесткий диск может быть отформатирован по 256 секторов на дорожку, с размером секторов по 512 байт. В действительности с диска в контроллер поступает последовательный поток битов, начинающийся с заголовка сектора (преамбулы), за которым следует 4096 бит в секторе, и, наконец, контрольная сумма, также называемая кодом исправления ошибок (ЕСС, Error-Correcting Code). Заголовок сектора записывается на диск во время форматирования. Он содержит номера цилиндра и сектора, размер сектора, информацию синхронизации и т. п.
Работа контроллера заключается в конвертировании последовательного потока битов в блок байтов и выполнение коррекции ошибок, если это необходимо. Обычно байтовый блок собирается бит за битом в буфере контроллера. Затем проверяется контрольная сумма блока, и если она совпадает с указанной в заголовке сектора, блок объявляется считанным без ошибок, после чего он копируется в оперативную память.
Контроллер монитора (видеоадаптер) также работает как бит-последовательное устройство, на таком же низком уровне. Он считывает в памяти байты, содержащие символы, которые следует отобразить, и формирует сигналы, используемые для модуляции луча электронной трубки, заставляющие ее выводить изображение на экран. Видеоадаптер также формирует сигналы, управляющие горизонтальным и вертикальным возвратом электронного луча. Если бы не контроллер, программисту пришлось бы управлять перемещениями аналогового электронного луча. В действительности же операционная система всего лишь инициализирует контроллер, задавая небольшое число параметров, таких как количество символов или пикселей в строке и число строк на экране, а всю тяжелую работу по управлению передвижениями электронного луча по экрану выполняет контроллер.