Управляющие вычислительные комплексы серии ПС-Микро

Иванов Александр Иванович

Принципы построения мультипроцессорных управляющих вычислительных комплексов ПС-Микро

Сущность принципа построения мультипроцессорных УВК с перестраиваемой структурой на основе однотипных микропроцессорных элементов сводится к объединению однотипных процессоров в мультипроцессоры, как через системные, так и через достаточно мощные локальные магистрали и интерфейсы внешних устройств. При этом могут создаваться многомерные решетки с периферийными процессорами в узлах, объединенных между собой и с устройствами связи с объектом магистралями различного назначения. Такая организация связей открывает широкие возможности динамической реконфигурации и адаптации системы с целью обеспечения отказоустойчивости, высокого быстродействия, гибкости и многофункциональности.

Научная новизна определяется ориентацией на задачи комплексного анализа, синтеза и оценки эффективности достаточно нового класса средств — мультипроцессорных УВК с перестраиваемой структурой:

на основании методов кластерного анализа разработана классификация мультипроцессоров по основным признакам с учетом способов обработки информации в скалярной и векторной форме, способов организации связей;
разработаны математические модели мультипроцессорных систем на основе интегральных и локальных критериев оценки эффективности вариантов;
разработаны методы микро- и макроструктурного анализа и синтеза мультипроцессорных УВК и их модификаций, основанные на принципах декомпозиции.

Проведенные исследования базируются на использовании разработанных в ИПУ математических моделей структур и процессов, характерных для мультипроцессоров в целом. Для описания и анализа этих моделей использованы методы и средства кластерного анализа, теории графов, теории Марковских процессов, теории массового обслуживания. Основные положения подтверждены машинными экспериментами, физическим моделированием и проверкой на макетных образцах УВК.

Применённые методы макро- и микроструктурного анализа и синтеза могут быть использованы:

при решении ряда задач, связанных с разработкой новых мультипроцессорных УВК различных типов;
при выявлении областей целесообразного применения систем;
при исследовании степени аппаратурной избыточности и регулярности;
при определении количества уровней управления и границ расширения системы.

На базе проведенных теоретических исследований разработаны методические материалы и даны практические рекомендации по реализации элементов и построению мультипроцессорных УВК, которые уже используются при проектировании АСУ ТПна базе УВК семейства ПС-Микро.

Базовые модели ПС-Микро

В процессе выполнения научно-инженерных работ определена номенклатура и разработаны единые логические, конструктивные и функциональные принципы построения унифицированного ряда программно-аппаратных средств ПС-Микро.

Спроектированный и изготовленный набор модулей с полным комплектом конструкторской документации позволяет создавать образцы профессиональных персональных ЭВМ и управляющих вычислительных комплексов.

Результаты исследований показали целесообразность создания следующих базовых моделей изделий на основе ряда ПС-Микро.

Мультипроцессорная профессиональная персональная ЭВМ, встраиваемая в тумбу стола, предназначенная для автоматизации подготовки программ, для проведения научных, технических и экономических расчетов, для лабораторных экспериментов, моделирования и оптимизации сложных процессов, для биомедицинских исследований (Модель ПС-Микро-01).
Мультипроцессорный управляющий вычислительный комплекс в стоечном пылеводозащищенном исполнении для построения отказоустойчивых автоматизированных систем централизованного управления сложными технологическими процессами (Модель ПС-Микро-02).
Мультипроцессорный контроллер в защищенном приборном исполнении, предназначенный для построения отказоустойчивых систем управления рассредоточенными объектами, необслуживаемыми техническими средствами, комплексами в судостроении, в станкоинструментальной и нефтеперерабатывающей промышленности (Модель ПС-Микро-03).
Мультипроцессорный интеллектуальный блок сопряжения персональных ЭВМ с техническим и измерительным оборудованием, имеющий приборное исполнение и предназначенный для буферизации и предварительной обработки информации, обеспечения сетевого обмена данными между различными абонентами (Модель ПС-Микро-04).
Сервисная портативная микро-ЭВМ инженера-ремонтника (микросистемный тестер), предназначенная для контроля, диагностики и простейшей отладки средств ПС-Микро в условиях эксплуатации. (Модель ПС-Микро-05).

Техническая документация на ряд ПС-Микро передана для внедрения в НПО «Элва», г. Тбилиси; НПО «Электромеханика», г. Пенза, НПО «Промавтоматика», г. Грозный, НПО «Аврора», г. Ленинград. Анализ проработанных вариантов структурных схем устройств показал целесообразность использования ряда ПС-Микро для построения проблемно-ориентированных технических средств.

Профессиональная персональная ЭВМ ПС-Микро-01

На основе разработанных методов макроструктурного и микроструктурного анализа и синтеза спроектированный и изготовленный набор модулей с полным комплектом конструкторской документации позволил создать макетные образцы профессиональной персональной ЭВМ (ППЭВМ) ПС-Микро-01 с мультипроцессором ввода-вывода.

ПС-Микро-01 предназначена для построения проблемно-ориентированных технических средств для САПР со встроенным графическим дисплеем, с речевым терминалом с дисками, имеющими большой объём памяти, с подключением к локальной вычислительной сети (ЛВС). Различные модификации базовой модели ППЭВМ ПС-Микро-01 могут быть использованы в САПР конструкторской документации, в САПР программного обеспечения, в терминалах АРМов.

Мультипроцессорный управляющий вычислительный комплекс ПС-Микро-02

Мультипроцессорный управляющий вычислительный комплекс (УВК) ПС-Микро-02 предназначен для построения отказоустойчивых автоматизированных систем управления сложными технологическими процессами и агрегатами с большим объёмом одновременно обрабатываемой информации: в станкоинструментальной промышленности (в комплексах литья под давлением цветных металлов, в роботах и манипуляторах, в гибких автоматизированных производствах), в нефтеперерабатывающей промышленности.

В состав УВК ПС-Микро-02 входят:

мультипроцессор ввода-вывода, содержащий рабочие и контрольно-диагностические процессоры, полупроводниковую память и интерфейсы ввода-вывода;
устройства связи с объектом, содержащие блоки аналого-цифрового преобразования, блоки цифро-аналогово преобразования, блоки дискретного ввода-вывода, таймеры, блоки числоимпульсного преобразования;
блоки мощных ключей для управления исполнительными механизмами;
пульт оператора.

Отличительными особенностями УВК ПС-Микро-02 являются:

высокая надежность и живучесть за счет однородной организации мультипроцессора, введения избыточности, возможности резервирования и программно-аппаратной перестройки структуры, общедоступности внешних ресурсов, ослабления взаимосвязи между компонентами системы;
высокое быстродействие за счет распараллеливания обработки информации, уменьшения обмена с верхним иерархическим уровнем, сокращения времени реакции системы;
высокая экономическая эффективность за счет существенного снижения затрат на стадиях изготовления и эксплуатации мультимикропроцессорной системы, широкого использования БИС, совмещения использования ресурсов, отсутствия дорогостоящих внешних устройств, сокращения объёмов ЗИПа;
гибкость и многофункциональность за счет однородной, процессорно-независимой, открытой для модернизации архитектуры, за счет широкой номенклатуры интерфейсов, устройств связи с объектами управления;
удобство монтажа и эксплуатации УВК за счет контрольно-диагностического обеспечения и высокой степени унификации, обеспечивающих легкость наладки и ремонта, сокращения объёма необходимой контрольно-измерительной и сервисной аппаратуры.

УВК ПС-Микро-02 рассчитан на работу в тяжёлых цеховых условиях с повышенной запыленностью, с высоким уровнем помех. Эти качества обеспечиваются использованием специальных конструкций, системой сетевых фильтров и распределенных источников питания, применением ПЗУ, энергонезависимых К-МОП ОЗУ. УВК предназначен для эксплуатации в непосредственной близости от объекта управления, с минимальной протяжённостью дорогостоящих кабельных линий связи.

Программное обеспечение содержит мультипроцессорную операционную систему реального времени, драйверы внешних устройств, библиотеки и пакеты прикладных программ, тестовую подсистему, средства отладки.

Использование мультипроцессорного УВК ПС-Микро-02 позволяет существенно увеличить производительность труда на объекте управления, снизить потери от брака, упростить эксплуатацию автоматизированной системы в целом.

В 1983 г. УВК ПС-Микро-02 демонстрировался на Международной выставке «Автоматизация-83» и был отмечен дипломом I степени.

Мультипроцессорный программируемый контроллер ПС-Микро-03

Контроллер ПС-Микро-03 предназначен для сбора информации и выдачи управляющих воздействий в распределенных автоматизированных системах управления оборонной, судостроительной, станкоинструментальной, нефтеперерабатывающей, агропромышленной и других отраслях народного хозяйства.

Может применяться в отказоустойчивых необслуживаемых системах и в труднодоступных местах со сложными условиями эксплуатации.

Позволяет существенно увеличить производительность труда на объекте управления, упростить эксплуатацию автоматизированной системы в целом.

В состав программируемого контроллера ПС-Микро-03 входят:

мультипроцессор ввода-вывода, содержащий рабочие процессоры, полупроводниковую память и интерфейсы ввода-вывода;
устройства связи с объектом, содержащие блоки аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, блоки дискретного ввода-вывода, таймеры, блоки числоимпульсного преобразования, блоки мощных ключей для управления исполнительными механизмами.

Количество блоков аналогового и дискретного ввода-вывода определяется по спецификации заказчика.

Контроллер ПС-Микро-03 выполнен в соответствии с международными стандартами с использованием новейших отечественных и зарубежных компонентов. Архитектура ПС-Микро-03 отвечает мировому уровню устройств данного класса.

Особенностями ПС-Микро-03 являются:

высокая надежность и живучесть за счет однородной организации мультипроцессора, введения избыточности, возможности резервирования и программно-аппаратной перестройки структуры, общедоступности внешних ресурсов, ослабления взаимосвязи между компонентами системы;
высокое быстродействие за счет распараллеливания обработки информации, уменьшения обмена с верхним иерархическим уровнем, сокращения времени реакции системы;
гибкость и многофункциональность за счет однородной, процессорно-независимой, открытой для модернизации архитектуры, за счет широкой номенклатуры интерфейсов и устройств связи с объектами управления;
удобство монтажа и эксплуатации за счет развитой системы контрольно-диагностического обеспечения и высокой степени унификации блоков.

Контроллер ПС-Микро-03 экспонировался в 1989 г на Международной выставке «Автоматизация-89». Разработчики системы были награждены медалью и дипломом I степени.

Устройство сопряжения интеллектуальноеПС-Микро-04

Устройство ПС-Микро-04, предназначенное для связи персональной ЭВМ с объектами управления, измерений, моделирования; построено по блочно-модульному принципу, с использованием современной мультимикропроцессорной архитектуры и новейших СБИС.

Устройство ПС-Микро-04 имеет встроенный процессор, ОЗУ/ПЗУ, каналы связи, собственный источник питания. Подключаемые к процессору на свободные места блоки дискретного и аналогового ввода/вывода позволяют использовать устройство в самых разнообразных сферах.

ПС-Микро-04 ориентировано на применение на промышленных предприятиях, в заводских лабораториях, в научно-исследовательских учреждениях в качестве простейших контроллеров, управляемых непосредственно с ЭВМ, дня поддержки локальных вычислительных сетей, для управления сложными приборами и инструментальными комплексами.

Устройство ПС-Микро-04 позволяет обеспечивать предварительную обработку входной информации для ЭВМ, осуществлять управление объектами в реальном масштабе времени при поддержке резидентной операционной системы, реализовывать требуемые протоколы обмена с ЭВМ, выполнять функции интеллектуальных концентраторов и устройств связи с объектом управления.

ПС-Микро-04 имеет процессорно-независимую архитектуру, возможность использования мультипроцессинга для повышения быстродействия, надежности или многофункциональности, насыщено средствами программно-аппаратной диагностики.

Выполнено с учетом международных стандартов на интерфейсы, на конструкцию. Программно совместимо с IBM-архитектурами.

Не имеет аналогов в отечественной промышленности.

Статья помещена в музей 16.06.2010 г.