Электронные промышленные устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина» Кафедра электроники и микропроцессорных систем

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по курсу

«Электронные промышленные устройства»

Проверил: Терехов В.Г.

Иваново 2017



1. Поясните достоинства и недостатки централизованных и распределенных систем?

Централизованные системы.

1) Централизованная система может состоять из различных частей (ком частей (компонентов). Однако эти части, как и классы в объектно-ориентированной программе, не являются автономными; в любой момент времени система обладает над ними полным контролем. Части системы вступают в работу в момент ее запуска, и если система отключается или удаляется, то все ее части также будут отключены или удалены.

2) Централизованные системы зачастую бывают довольно однородными.

При их конструировании используются, как правило, одна и та же технология.

Очень часто для разработки всех компонентов используется один и тот же язык программирования и компилятор. Компилятор генерирует машинный од одного типа, и во всех компонентах используется одинаковое представление данных. Затем компоненты статически или динамически загружаются одним и тем же загрузчиком или компоновщиком. Эффективное взаимодействие частей системы может быть организовано с помощью примитивов языка программирования, таких как вызовы процедур или методов.

3) Некоторые централизованные системы являются многопользовательскими. Хорошим примером служат приложения баз данных. База данных, ее формы и отчеты представляют собой разделяемые ресурсы. Все пользователи совместно используют одну и ту е систему, и временами она может испытывать перегрузку.

4) Централизованная система может быть построена так, что в ней будет выполняться единственный процесс. Ее можно сконструировать доже как однопоточную, и проектировщики могут строить централизованные системы, которые не являются одновременно выполняемыми программами.

5) В централизованной системе есть только одна точка управления (point of control)

Распределенные системы.

1) Распределенным системам присуща более высокая степень модульности. Они содержат множество компонентов, которые также могут быть разбиты на части. Эти компоненты являются автономными, в любой момент времени они имеют полный контроль над своими частями. При этом не существует главного компонента, который бы управлял всеми остальными компонентами распределенной системы, чтобы распределенная система выглядела как интегрированное вычислительное средство, для компонентов должны быть определены интерфейсы, при помощи которых они могли бы взаимодействовать друг с другом.

2) Компоненты распределенной системы не обязательно должны быть однородными. Неоднородность обусловливается, например, потребностью в интеграции компонентов унаследованной аппаратурой платформы, такой же мэйнфрейм IBM, со вновь написанными компонентами, предназначенными для запуска на рабочей станции с операционной системой Unix или машине с Windows NT. При этом могут быть написаны на разных языках программирования: программы для мэйнфрейма часто пишутся на языке ассемблера, RPC, [удаленные вызовы процедур - RPC, обеспечивают вызов процедур за пределами хостов, с RPC началась разработка объектно-ориентированного промежуточного слоя, к которому относятся различные реализации CORBA, удаленный вызов методов (RMI) в системе JAVA, а также Microsoft COM] или Коболе, тогда как новые компоненты пишутся на языке Visual Basic, JAVA или C++. Исходный текст компонентов может быть откомпилирован в неоднородный машинный код. В этом машинном коде могут использоваться разные форматы представления данных. [Мэйнфреймы IBM используют расположение целых чисел, начиная со старших разрядов, и кодировку символов EBCDIC, тогда как большинство рабочих станций с операционной системой Unix используют расположение целых чисел, начиная с младших разрядов и 7 битную кодировку ASCII или 8битную кодировку ISO].

3) Распределенная система может содержать компоненты, используемые только одним пользователем (они также известны как неразделяемые), т.е. могут использоваться в монопольном режиме. Фактически, это одно из основных достоинств распределенных систем. Если компонент перегружен слишком большим количеством пользователей или заявок от других компонентов, то в распределенную систему можно добавить другой компонент, способный предоставлять те же услуги. И разделить между ними нагрузку. Кроме того, компоненты могут размещаться так, чтобы они были локальными для пользователей и других компонентов, с которыми взаимодействуют. Эта локальность поддерживает общую производительность распределенной системы, поскольку локальные связи в общем случае более эффективны, чем связи между удаленными друг от друга компонентами.

4) Вследствие автономности компонентов в распределенных системах компоненты работают одновременно. В общем случае число процессов в системе равно количеству компонентов. Кроме того, компоненты часто являются многопоточными; при каждом запуске они могут создавать новый поток, обслуживающий пользователя или дугой компонент. Таким образом, занятый обслуживанием компонент не блокируется и доступен для следующих заявок. В дополнение к этому процессы распределенной системы обычно выполняются не на одном процессоре. Следовательно, взаимодействие процессов включает связь по сети с другими машинами.

5) В отличие от централизованных систем распределенные системы имеют более одной точки отказа. Система может выйти из строя из-за отказа какого-либо компонента. Она может отказать при неисправности сети, а также когда нагрузка на компонент столь высока, что она не может откликаться в приемлемом временном интервале. Следовательно, в распределенной системе возможны такие ситуации, когда одни ее части полностью работоспособны, тога как другие части, зависящие от недоступных в данный момент компонентов, не могут нормально функционировать.

2. Приведите классификацию датчиков перемещения по характеру движения, структуре и параметрам выходного сигнала датчиков перемещения?

Классификация датчиков перемещения

По выходному сигналу датчики перемещения можно разделить на аналоговые и цифровые, измеряющие абсолютное и относительное положение (Рис. 1). Аналоговые датчики, например, потенциометрические или индукционные подключаются к компьютеру через АЦП. Цифровые датчики абсолютного перемещения (Рис. 2) выдают цифровой код положения объекта, им не требуется операции определения начала отчета для калибровки датчика, например, после смещения объекта при выключенном датчике. Недостатками датчиков абсолютного перемещения по сравнению с датчиками относительного перемещения является высокая стоимость кодовых линеек и относительно невысокое отношение диапазона перемещения к разрешающей способности.



Рис. 1 Классификация датчиков перемещения

Рис. 2 Принцип действия датчика абсолютного перемещения [1]. Линейка с кодовыми отверстиями пропускает свет на фотоприемники. Диапазон перемещения датчика равен произведению разрешающей способности (ширины минимального отверстия решетки) на 2n, где n - количество разрядов кодовой решетки или количество фотоприемников. Например, для измерения перемещения в 1000 дискрет требуется 10разрядная решетка

Датчики относительного перемещения (Рис. 3) включают периодическую структуру, считывающий блок из двух оптопар, формирователь импульсов (Рис. 4) и реверсивный счетчик для подсчета импульсов формирователя, генерируемых при перемещении считывающего блока относительно периодической структуры. Счетчик должен устанавливаться в начальное состояние при срабатывании датчика начального положения.



Рис. 3 Работа датчика относительного перемещения. Оптопары считывающего блока должны располагаться на расстоянии кратном периоду структуры со сдвигом в четверть периода. Это необходимо для определения направления перемещения

На (Рис. 3) показан считыватель, использующий отражение от периодической поверхности. Существуют считыватели работающие на просвет, в которых оси источника и приемника излучения совпадают.

Рис. 4 Выходные импульсы считывателя периодической структуры, перемещаемой равномерно в прямом и обратных направления



Суммируемые импульсы (“+”) формируются положительным фронтом сигнала А при низком уровне сигнала B или отрицательным фронтом сигнала А при высоком уровне сигнала B. Вычитаемые импульсы (“”) формируются отрицательным фронтом сигнала А и при низком уровне сигнала B или положительным фронтом сигнала А при высоком уровне сигнала B

Измеряемое перемещение импульсных датчиков (Рис. 4) пропорционально разности сумм положительных и отрицательных импульсов. Разрешение считывателя равно половине периода структуры, 2 импульсам за период. Частота импульсов пропорциональна скорости движения считывателя относительно периодической структуры. Импульсы отсутствуют, когда считыватель находится в покое.

Функция выделения импульсов с удвоенным разрешением (четыре импульса за период) выглядит следующим образом.

датчик перемещение преобразователь цифровой

Рис. 5 Электрическая схема датчика относительных перемещений с разрешением половина периода периодической структуры



Сигналы (Sin и Cos) фотодиодов преобразуются в меандры (сигналы прямоугольной формы) на компараторах микросхемы MAX 478. Одновибраторы 564 AG3 формируют импульсы, запускаемые подъемом/спадом меандра B, которые, пройдя логический блок схемы, поступают (в зависимости от фазового сдвига меандров (см. Рис. 4)) на положительный или отрицательный вход 8 разрядного реверсивного счетчика (микросхемы SN74AL). Сброс счетчика выполняется сигналом R от контроллера. Счетчик может выполнить начальную установку входного кода D по сигналу PE низкого уровня. Выходной код счетчика показывает относительное перемещение периодической структуры в диапазоне от 0 до 255 полупериодов А и В сигналов. Применение периодических структур, формирующих синусоидальные выходные сигналы на выходе считывателя, позволяет повысить разрешающую способность датчика положения. В таких датчиках положение внутри периода вычисляется через arctg отношения амплитуд Sin и Cos сигналов считывателя.

Рис. 6 Взаимодействие основных компонентов магнитного датчика положения

По такому же принципу устроены магнитные датчики угловых смещений (Рис. 6), у которых период структуры равен полному обороту входного вала.



3. Особенности трансформаторного дифференциального датчика перемещений цилиндрической конструкции?

Принцип действия трансформаторных датчиков основан на изменении коэффициента взаимоиндукции обмоток при перемещении якоря. Они относятся к электромагнитным датчикам генераторного типа. ; Магнитные системы трансформаторных датчиков такие же, как и у рассмотренных в предыдущем параграфе индуктивных датчиков. Отличие заключается лишь в том, что добавляется еще обмотка, с которой и снимается выходной сигнал. Благодаря этому в трансформаторных датчиках отсутствует непосредственная электрическая связь между цепью питания и измерительной цепью. Существует связь лишь за счет магнитного поля (трансформаторная связь), что позволяет выбором числа витков выходной обмотки получить любой уровень выходного напряжения.

Рис. 7

На рис., а показана схема дифференциально-трансформаторного датчика с общим сердечником 1 и подвижным якорем 2, перемещающимися в горизонтальном направлении.

Сердечник Шобразной формы набирается из тонких (толщиной 0,5 или 0,35 мм) листов электротехнической стали. На среднем сердечнике размещена первичная обмотка w1 на двух крайних-- вторичные обмотки w2, которые включены .встречно. Первичная обмотка w1 включается на напряжение переменного тока и создает магнитный поток Ф. Этот поток проходит через средний стержень и разветвляется в правый и левый сердечники пропорционально магнитным проводимостям зазоров под этими стержнями.

Магнитная проводимость воздушного зазора пропорциональна площади зазора s и обратно пропорциональна его длине

При перемещении якоря в горизонтальном направлении (рис.) изменяется не длина зазора, а его площадь s. При симметричном расположении якоря относительно сердечника магнитная проводимость зазора под левым стержнем сердечника (О]) равна проводимости под правым стержнем (Ga). Следовательно, одинаковы и магнитные потоки в стержнях, и соответствующие им ЭДС во вторичных обмотках: E1=E2.

Выходной сигнал датчика формируется в виде разности этих ЭДС, которая в данном случае равна нулю. При смещении сердечника под одним стержнем площадь зазора и соответствующая магнитная проводимость возрастают, а под другим -- уменьшаются. Например, при перемещении якоря влево G1>G2 и через левый стержень проходит больший магнитный поток, чем через правый. Соответственно ЭДС вторичной обмотки на левом стержне становится больше ЭДС вторичной обмотки правого стержня: E,1>E2. Выходной сигнал датчика

UВых=Е1Е2.



При изменении направления смещения якоря относительно среднего положения фаза выходного сигнала меняется на 180°. Статическая характеристика дифференциально-трансформаторного датчика показана па рис.

Рис. 8

Дифференциальный трансформаторный датчик плунжерного типа показан на рис.. На общем изоляционном каркасе размещены три катушечные обмотки: первичная w1 и две вторичные w2' и w2". Обе вторичные обмотки одинаковы, имеют одно и тоже число витков, намотаны проводом одного и того же диаметра. Внутри катушек перемещается цилиндрический сердечник (плунжер) из ферромагнитного материала. Обмотка w включена на напряжение переменного тока. Выходное напряжение снимается со встречно включенных обмоток w2' и w2". При нейтральном (среднем) положении сердечника наведенные во вторичных обмотках ЭДС равны {Е2'--Е2") и выходное напряжение

U= Е2'Е2"=0

При смещении сердечника от среднего положения равенство ЭДС нарушается и появляется выходное напряжение. Например, при перемещении сердечника вверх возрастает Е2' и убывает Е2". При перемещении сердечника вниз фаза выходного сигнала изменяется на 180°. Статическая характеристика имеет такой же вид, как и для других конструкций дифференциально-трансформаторных датчиков (см. рис.). Дифференциально-трансформаторный датчик плунжерного типа может быть выполнен с разделительной трубкой (см, рис), т. е. позволяет получить выходной сигнал о перемещении из зоны, где могут быть высокая температура, высокое давление или вакуум, вредные пары или излучение и т. п.

Дифференциально-трансформаторные датчики могут работать в широком диапазоне перемещений: от малых долей миллиметра до десятков сантиметров. Они имеют высокую чувствительность, точность и надежность. Для питания датчиков обычно используется сеть с промышленной частотой 50 Гц, но можно использовать и источники повышенной частоты (до 10 кГц), что позволяет повысить чувствительность и коэффициент преобразования.

4. Магнитоупругие датчики

Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на магнитоупругом эффекте -- физическом явлении, проявляющемся в виде изменения магнитной проницаемости ферромагнитного материала в зависимости от механических напряжений в нем. Магнитоупругие датчики используются для измерения силовых параметров: усилий, давлений, крутящих и изгибающих моментов, механических напряжений и т. п.



Рис. 9

конструктивно магнитоупругие датчики представляют магнитопровод с одной или несколькими обмотками. Магнитное сопротивление сердечника

,

где l и 5 -- длина и площадь сечения сердечника. Если к сердечнику приложено механическое усилие F, то магнитная проницаемость р изменится. Следовательно, изменятся и магнитное сопротивление сердечника, и индуктивность обмотки на сердечнике. Как видим, есть аналогия с индуктивными датчиками. В индуктивных датчиках также происходит изменение магнитного сопротивления, но за счет длины или сечения воздушного зазора. В магнитоупругих датчиках зазор не нужен, сердечники могут быть замкнутыми.

Так же как и индуктивные датчики, магнитоупругие датчики могут быть использованы в виде одинарных, трансформаторных, дифференциально-трансформаторных

Зависимость магнитной проницаемости от механических напряжений имеет нелинейный характер. Связано это как с нелинейностью кривой намагничивания, так и с нелинейной зависимостью деформаций от усилия. Нелинейность магнитоупругого эффекта выражена очень сильно. Например, в слабых магнитных полях магнитная проницаемость под действием механических напряжений возрастает, а в сильных полях -- уменьшается. Однако при определенных значениях напряженности магнитного поля Нк линейной зависимость изменения магнитной проницаемости . сердечника от относительной деформации или нормального механического напряжения в зоне линейных деформаций. Наиболее заметен магнитоупругий эффект в пермаллоевых (железокобальтовых и железоникелевых) сплавах. На рис. показана зависимость относительной магнитной проницаемости от изменения механического напряжения . Относительная деформация в зоне упругих деформаций связана с механическим напряжением а через модуль упругости Е:

она может достигать значений 200--300. Зависимость индуктивности от механического напряжения в для магнитоупругого датчика по рис., а показана на рис..

В магнитоупругих датчиках, используемых в тензометрах, магнитопровод имеет отверстия, в которые наматываются обмотки. На рис. показан магнитоупругий датчик с взаимно перпендикулярными обмотками. Первичная обмотка, проходящая через отверстия 1 и 2, при отсутствии механической нагрузки (F=0) создает магнитный поток Ф0, не сцепленный с витками вторичной обмотки, проходящей через отверстия 3 и 4.

Под действием усилия F в основном изменяется магнитная проницаемость в направлении сжатия, что вызывает поворот вектора магнитной индукции на угол а и одновременно изменение магнитного потока ФF. Этот поток уже пересекает плоскость вторичной обмотки, на выходе которой появляется ЭДС Е2.

Если до приложения усилия магнитный материал был изотропен (имел одинаковые магнитные свойства во всех направлениях), то при наличии усилия материал становится анизотропным. Угол поворота а вектора магнитной индукции достигает 10--12°.

К достоинствам магнитоупругих датчиков следует отнести высокую чувствительность и возможность измерения больших усилий (до нескольких тысяч тонн). В то же время магнитоупругие датчики имеют и следующие серьезные недостатки: 1) наличие температурной погрешности, вызванной влиянием температуры окружающей среды на магнитные свойства сердечника; 2) наличие погрешности, вызванной влиянием гистерезиса (как магнитного, так и механического, связанного с остаточной деформацией); 3) наличие погрешности, вызванной колебаниями напряжения питания.

Рис. 10

Следует отметить, что в магнитоупругих датчиках имеет место и еще одно физическое явление -- магнитострикционный эффект. Его действие обратно магнитоупругому эффекту: ферромагнитное тело, помещенное в магнитное поле, изменяет свои геометрические размеры, т. е. в нем появляются механические деформации. В переменном магнитном поле и деформации будут переменными. А так как знак деформации не зависит от направления магнитного поля, то частота колебаний деформации будет в два раза выше частоты переменного тока. На этом принципе работают, например, магиитострикционные излучатели ультразвуковых колебаний.



5. Индукционные датчики

Индукционные датчики предназначены для преобразования скорости линейных и угловых перемещений в ЭДС. Они относятся к датчикам генераторного типа. Принцип действия индуктивных датчиков основан на законе электромагнитной индукции. Выходным сигналом индукционных датчиков является ЭДС, которая пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего витки катушки. Это изменение происходит за счет перемещения катушки в постоянном магнитном поле или за счет вращения ферромагнитного индуктора относительно неподвижной катушки.

Основным отличием индукционных датчиков от индуктивных является то, что в них используется постоянное магнитное поле, а не переменное (питание индуктивных датчиков осуществляется от сети переменного тока). Постоянное магнитное поле в индукционных датчиках создается двумя способами: постоянными магнитами или катушкой, обтекаемой постоянным током.

Рис. 11

На рис., а показана схема датчика с обмоткой ш2, размещенной в воздушном зазоре, в котором постоянный магнитный поток Ф создается катушкой с включенной на постоянное напряжение . При перемещении катушки в магнитном поле в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения: где k -- коэффициент пропорциональности, зависящий

Е =

от числа витков w2 и конструктивных параметров датчика.

На рис., б показан датчик, в котором постоянный магнитный поток создается с помощью постоянного магнита с полюсными наконечниками. ЭДС, индуцируемая во вращающейся катушке, пропорциональна скорости вращения й:

В обоих этих датчиках катушки подвижны, поэтому для отвода от них выходного сигнала (ЭДС) необходимы гибкие токоподводы или контактные кольца со щетками.

Индукционный датчик может быть выполнен и другой конструкции: с неподвижной катушкой и вращающимся постоянным магнитом (рис.). Надежность при этом повышается за счет отсутствия скользящего контакта.

Рис. 12



Возможен и другой способ повышения надежности датчика по схеме рис.: и катушка, и постоянный магнит неподвижны, а в зазоре между ними вращается ферромагнитное кольцо с вырезами (рис.) или иной элемент, имеющий существенно разную магнитную проводимость по взаимно перпендикулярным осям. По вращении изменяется поток, пронизывающий плоскость катушки.

В датчиках (рис.) в качестве выходного сигнала можно использовать частоту ЭДС. Принцип их действия по существу такой же, как у синхронных генераторов. Для измерения частоты вращения используются и специальные электрические машины малой мощности -- тахогенераторы.

Тахогенератор постоянного тока (рис.) имеет обмотку возбуждения, создающую при питании постоянным током магнитный поток Ф. При вращении якоря в нем создается ЭДС, пропорциональная частоте вращения n:

E=kФn,

где k -- постоянная, определяемая конструкцией.

Напомним, что частота вращения п обычно выражается в об/мин и связана со скоростью вращения выражением

С помощью коллектора и щеток выходной сигнал подается на нагрузку в виде выпрямленного напряжения.

Тахогенератор переменного тока (рис.) имеет на статоре две обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 90 эл. град. Одна обмотка включается в сеть переменного тока. При вращении ротора, выполненного в виде тонкостенного электропроводящего цилиндра, в другой обмотке наводится переменная ЭДС, которая пропорциональна частоте вращения п. Для повышения температурной стабильности в качестве материала полого ротора используется константан.

Тахогенераторы обладают высокой чувствительностью и мощностью выходного сигнала. Общим недостатком всех генераторных датчиков является зависимость выходного сигнала от сопротивления нагрузки.

6. Фазовые цифровые преобразователи перемещений с косвенным преобразованием

Как известно, все цифровые преобразователи перемещений (ЦПП) можно разделить на три основные группы: с непосредственным предобразованием линейного (или углового) перемещения в код, с косвенным преобразованием и с комбинированным преобразованием [1, 5, 7, 22, 23, 36, 42, 43].

ВЦПП первой группы операции преобразования подвергается само механическое перемещение. В преобразователях второй группы измеряемое перемещение сначала представляется в виде удобного аналогово параметра а затем преобразуется в цифровой эквивалент. Третья группа (промежуточный вариант) -- это сочетание первых двуx.

Остановимся более подробно на второй группе ЦПП с промежуточным преобразованием в аналоговый параметр, т. е. на преобразователях типа перемещение--параметр--код, которые обладают линейно характеристикой управления, высокой разрешающей способностью и достаточным быстродействием надежностью Основными перспективными промежуточными параметрами в этих ЦПП являются фаза и амплитуда переменного напряжения. Высокая помехоустойчивость фазового параметра [7, II, 13, 17, 23, 36, 42] является положительным фактором при значительном (несколько десятков метров) удалении первичного преобразователя на контролируемом объекте от отсчетной части (электронной схемы). Кроме того, фазовые измерительные системы в настоящее время обладают наиболее высокой точностью [17, 42]. К достоинствам ЦПП с промежуточным преобразованием в фазовый сдвиг относятся: простота осуществления многоканального преобразования и соединения первичного преобразователя перемещений с электронной схемой; высокий уровень унификации и технологичности; возможность изготовления в условиях неспециализированных предприятия из серийно выпускаемых деталей.

В практике построения ЦПП разового типа большое значение имеет второй этап преобразования фаза --код, который, в значительней степени, влияет на точность. Существующие преобразователи фаза--код (ПФК) кроме отмеченного уже использования в составе фазовых ЦПП имеют и_ самостоятельное значение. Они применяются в информационно измерительной тexнике например при измерении и контроле фазы (цифровые фазометры), В системах автоматического и программного управления в качестве датчиков обратной. связи и т. д. Преобразователи фаза -- код классифицируются по различным признакам [5, 17, 22, 23, 31, 36, 42], основными из которых можно считать следующие: структуру построения, принцип преобразования и метод измерения кодового сигнала. Классификационная схема, представленная в табл. 5.1, включает в себя наиболее известные схемы преобразователей фаза -- код.

Рис. 12



По структуре построения преобразователи фаза -- код разделяются на ПФК прямого преобразования и компенсационные. Последние основаны на уравновешивании фазового сдвига (или напряжения, пропорционального фазовому сдвигу) и относятся, как правило, к схемам следящего типа, обладающим, высокой помехоустойчивостью и точностью. К недостаткам ПФК компенсационного типа относятся наличие динамической погрешности и определенная сложность практической реализации схемы [11, 17, 22, 36, 60]. Более подробно преобразователи этого класса будут рассмотрены в следующей главе.

ПФК прямого измерения относятся. к преобразователям циклического типа и могут быть разделены на три основные группы промежуточным преобразованием в напряжение (или частоту), с времяимпульсным преобразованием. И с преобразованием частоты.

Среди преобразователей фаза -- код ПФК прямого измерения нашли наиболее широко^ применение, так как при достаточно высокой точности. Они обладают s общем случае более простой для практической реализации схемой по сравнению с ПФК компенсационного типа. Рассмотрим более подробно каждую из трех групп ПФК прямого преобразования.

7. В чем отличительные признаки управляющих вычислительных систем?

Под Вычислительной системой (ВС) будем понимать совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т. д.

Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС.

Наличие нескольких вычислителей в системе позволяет совершенно по-новому решать проблемы надежности, достоверности результатов обработки, резервирования, централизации хранения и обработки данных, децентрализации управления и т. д.

Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС:

- возможность работы в разных режимах;

- модульность структуры технических и программных средств, что позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительные системы без коренных их переделок;

- унификация и стандартизация технических и программных решений;

- иерархия в организации управления процессами;

- способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации.

Структура ВС - это совокупность компенсируемых элементов и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные ЭВМ и процессоры.

Существует большое количество Признаков, по которым классифицируют вычислительные системы:

- по целевому назначению и выполняемым функциям,

- по типам и числу ЭВМ или процессоров,

- по архитектуре системы,

- режимам работы,

- методам управления элементами системы,

- степени разобщенности элементов вычислительной системы и др.

Однако основными из них являются признаки Структурной и функциональной организации вычислительной системы.

По назначению вычислительные системы делят на: универсальные и специализированные.

· Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач.

· Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач.

Специализация ВС может устанавливаться различными средствами:

- во-первых, сама структура системы может быть ориентирована на определенные виды обработки информации;

- во-вторых, специализация ВС может закладываться включением в их состав специального оборудования и специальных пакетов обслуживания техники.

По типу вычислительные системы различаются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные Системы (ММС) появились исторически первыми.

Каждая ЭВМ, входящая в систему, сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС. Любая другая подключаемая ЭВМ комплекса рассматривается как специальное периферийное оборудование. В зависимости от территориальной разобщенности ЭВМ и используемых средств сопряжения обеспечивается различная оперативность их информационного взаимодействия.

Многопроцессорные вычислительные системы (МПС) строятся при комплексировании нескольких процессоров. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечиваются под управлением единой общей операционной системы. По сравнению с ММС здесь достигается наивысшая оперативность взаимодействия вычислителей процессоров.

Однако МПС имеют и существенные Недостатки. Они в первую очередь связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве общих процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров обращаются с операциями типа “чтение” и “запись” к одним и тем же областям памяти. Помимо процессоров к ООП подключаются все каналы (процессоры ввода вывода), средства измерения времени и т. д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП. От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения МПС. Это решение обеспечивается аппаратурно программными средствами.

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), Неоднородные -- разнотипных. В Однородных системах значительно упрощаются разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств. В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы. Упрощается обслуживание систем, облегчаются модернизация и их развитие. Вместе с тем существуют и Неоднородные ВС, в которых компенсируемые элементы очень сильно отличаются по своим техническим и функциональным характеристикам. Обычно это связано с необходимостью параллельного выполнения многофункциональной обработки.

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы Совмещенного (сосредоточенного) и Распределенного (разобщенного) типов. Обычно такое деление касается только ММС. Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа.

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В Централизованных ВС за это отвечает главная, или диспетчерская, ЭВМ (процессор). Ее задачей являются распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован или эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС. В Децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ интерес к децентрализованным системам постоянно растет.

В системах Со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса исходя из сложившейся ситуации.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с Жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

По режиму работы ВС различают системы, работающие В Оперативном и Неоперативном временных режимах. Первые, как правило, используют режим реального масштаба времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных.



8. Приведите преимущества мультипроцессорных и многомашинных систем. В чем различие между мультипроцессорными и многомашинными системами?

Различие понятий многомашинной и многопроцессорной ВС поясняет рис. Многомашинная ВС (ММС) содержит несколько ЭВМ, каждая из которых имеет свою ОП и работает под управлением своей операционной системы, а также средства обмена информацией между машинами. Реализация обмена информацией происходит, в конечном счете, путем взаимодействия операционных систем машин между собой. Это ухудшает динамические характеристики процессов межмашинного обмена данными. Применение многомашинных систем позволяет повысить надежность вычислительных комплексов. При отказе в одной машине обработку данных может продолжать другая машина комплекса. Однако можно заметить, что при этом оборудование комплекса недостаточно эффективно используется для этой цели. Достаточно в системе, изображенной на рис. в каждой ЭВМ выйти из строя по одному устройству (даже разных типов), как вся система становится неработоспособной.

Рис. 13



Этих недостатков лишены многопроцессорные системы (МПС). В таких системах (рис.) процессоры обретают статус рядовых агрегатов вычислительной системы, которые подобно другим агрегатам, таким, как модули памяти, каналы, периферийные устройства, включаются в состав системы в нужном количестве.

Вычислительная система называется многопроцессорной, если она содержит несколько процессоров, работающих с общей ОП (общее поле оперативной памяти) и управляется одной общей операционной системой. Часто в МПС организуется общее поле внешней памяти.

Под общим полем понимается равнодоступность устройств. Так, общее поле памяти означает, что все модули ОП доступны всем процессорам и каналам ввода-вывода (или всем периферийным устройствам в случае наличия общего интерфейса); общее поле ВЗУ означает, что образующие его устройства доступны любому процессору и каналу.

В МПС по сравнению с ММС достигается более быстрый обмен информацией между процессорами и поэтому может быть получена более высокая производительность, более быстрая реакция на ситуации, возникающие внутри системы и в ее внешней среде, и более высокие надежность и живучесть, так как система сохраняет работоспособность, пока работоспособны хотя бы по одному модулю каждого типа устройств.

Многопроцессорные системы представляют собой основной путь построения ВС сверхвысокой производительности. При создании таких ВС возникает много сложных проблем, к которым в первую очередь следует отнести распараллеливание вычислительного процесса (программ) для эффективной загрузки процессоров системы, преодоление конфликтов при попытках нескольких процессоров использовать один и тот же ресурс системы (например, некоторый модуль памяти) и уменьшение влияния конфликтов на производительность системы, осуществление быстродействующих экономичных по аппаратурным затратам межмодульных связей. Указанные вопросы необходимо учитывать при выборе структуры МПС.

На основе многопроцессорности и модульного принципа построения других устройств системы возможно создание отказоустойчивых систем, или, другими словами, систем повышенной живучести.

Однако построение многомашинных систем из серийно выпускаемых ЭВМ с их стандартными операционными системами значительно проще, чем построение МПС, требующих преодоления определенных трудностей, возникающих при реализации общего поля памяти, и, главное, трудоемкой разработки специальной операционной системы.

Многомашинные и многопроцессорные системы могут быть однородными и неоднородными. Однородные системы содержат однотипные ЭВМ или процессоры. Неоднородные ММС состоят из ЭВМ различного типа, а в неоднородных МПС используются различные специализированные процессоры, например процессоры для операций с плавающей запятой, для обработки десятичных чисел, процессор, реализующий функции операционной системы, процессор для матричных задач и др.

Многопроцессорные системы и ММС могут иметь одноуровневую или иерархическую (многоуровневую) структуру. Обычно менее мощная машина (машина-сателлит) берет на себя ввод информации с различных терминалов и ее предварительную обработку, разгружая от этих сравнительно простых процедур основную, более мощную ЭВМ, чем достигается увеличение общей производительности (пропускной способности) комплекса. В качестве машина-теллитов используют малые или микро-ЭВМ.

Важной структурной особенностью рассматриваемых ВС является способ организации связей между устройствами (модулями) системы. Он непосредственно влияет на быстроту обмена информацией между модулями, а следовательно, на производительность системы, быстроту ее реакции на поступающие запросы, приспособленность к изменениям конфигурации и, наконец, размеры аппаратурных затрат на осуществление межмодульных связей. В частности, от организации межмодульных связей зависят частота возникновения конфликтов при обращении процессоров к одним и тем же ресурсам (в первую очередь модулям памяти) и потери производительности из-за конфликтов.

Используются следующие способы организации межмодульных (межустройственных) связей:

· регулярные связи между модулями;

· многоуровневые связи, соответствующие иерархии интерфейсов ЭВМ;

· многовходовые модули (в частности, модули памяти);

· коммутатор межмодульных связей

· общая шина

Принципы организации МПС и ММС существенно отличаются в зависимости от их назначения. Поэтому целесообразно различать:

· ВС, ориентированные в первую очередь на достижение сверхвысокой производительности;

· ВС, ориентированные в первую очередь на повышение надежности и живучести.

9. Сравните интерфейсы ОШ, МПИ, СМ85. Сделайте выводы, в каком направлении идет развитие этой линии интерфейсов?

Системный интерфейс ОШ, принятый в УВК СМ3, СМ4, преобразуется с помощью блоков элементов контроллера во внутренний интерфейс устройства (ВИ), который представляет собой физически 66 линий с однонаправленной передачей данных. Большинство линий ВИ являются магистральными, т. е. такими, к которым может быть подключено более двух блоков УКБ200. Кроме магистральных имеются радиальные линии, связывающие только два блока.

ПНК и ПКН имеют гальваническую развязку всех каналов от заземления УВК, при этом допускается помеха общего вида с напряжением не более 100 В.

Контроллер обеспечивает два режима работы устройства с вычислительным комплексом -- программный обмен информацией и прямой доступ в память (ПДП). Предусмотрен автономный режим работы УКБ200 для независимой проверки устройства.

В режиме программного обмена все передачи данных по ОШ происходят под управлением центрального процессора, и контроллер выполняет функцию мультиплексора, подключающего к ОШ блок, выбранный процессором по линиям адреса ОШ. Каждый из блоков может вызвать прерывание программы процессора. С этой целью всем блокам присвоен определенный уровень приоритета и вектор прерывания. Контроллер позволяет изменить расстановку блоков по уровням и подуровням приоритета. Контроллер обеспечивает подключение к УВК через интерфейс ОШ и адресацию 18ти регистров и 8ми векторов прерывания.

Режим прямого доступа в память предусматривает обмен информацией на ОШ между оперативным запоминающим устройством и одним из следующих блоков: ПНК, ПКН, ВЧВС, ТМ. Канал прямого доступа в память обеспечивает одновременную работу двух блоков преобразования информации и содержит четыре адресуемых регистра для задания уровней работы.

MPI расшифровывается как Message Passing Interface Интерфейс с передачей сообщений, т.е. конкретному стандарту присвоено название всего представляемого им класса программного инструментария. В его состав входят, как правило, два обязательных компонента:

· библиотека программирования для языков Си, Си++ и Фортран,

· загрузчик исполняемых файлов.

Кроме того, может присутствовать справочная система (manual pages для Юникса), командные файлы для облегчения компиляции/компоновки программ и все такое прочее. В стандарте отсутствует все лишнее, например, нет средств автоматического переноса и построения копий исполняемого файла в сети. Это нужно, если MPI-приложение предстоит выполнять сетью машин но это можно выполнить и утилитами Юникса. В стандарте нет никаких средств автоматической декомпозиции, нет отладчика (правда, есть функции хронометража и предусмотрена возможность профилирования). То есть это система межпроцессовой связи в чистом (можно даже сказать в голом) виде, и не более того.

Для MPI принято писать программу, содержащую код всех ветвей сразу. MPI-загрузчиком запускается указываемое количество экземпляров программы. Каждый экземпляр определяет свой порядковый номер в запущенном коллективе, и в зависимости от этого номера и размера коллектива выполняет ту или иную ветку алгоритма. Такая модель параллелизма называется Single program/Multiple data ( SPMD ), и является частным случаем модели Multiple instruction/Multiple data( MIMD ). Каждая ветвь имеет пространство данных, полностью изолированное от других ветвей. Обмениваются данными ветви только в виде сообщений MPI.

Все ветви запускаются загрузчиком одновременно как процессы Юникса. Количество ветвей фиксировано в ходе работы порождение новых ветвей невозможно. Если MPI-приложение запускается в сети, запускаемый файл приложения должен быть построен на каждой машине.

Ниже, в следующих трех разделах, будут вкратце рассмотрены некоторые функциональные возможности MPI, причем упор будет сделан не на том, что они делают (все аналоги MPI так или иначе делает то же самое), а на том, как они это делают, какие нетривиальные решения были найдены для выполнения типовых действий.

Хотя с теоретической точки зрения ветвям для организации обмена данными достаточно всего двух операций (прием и передача), на практике все обстоит гораздо сложнее. Одними только коммуникациями "точка-точка" (т.е. такими, в которых ровно один передающий процесс и ровно один принимающий) занимается порядка 40 функций. Пользуясь ими, программист имеет возможность выбрать:

· Способ зацепления процессов в случае неодновременного вызова двумя процессами парных функций приема и передачи могут быть произведены:

o Автоматический выбор одного из трех нижеприведенных вариантов;

o Буферизация на передающей стороне функция передачи заводит временный буфер, копирует в него сообщение и возвращает управление вызвавшему процессу. Содержимое буфера будет передано в фоновом режиме;

o Ожидание на приемной стороне,

o завершение с кодом ошибки на передающей стороне;

o Ожидание на передающей стороне,

o завершение с кодом ошибки на приемной стороне.

· Способ взаимодействия коммуникационного модуля MPI с вызывающим процессом:

o Блокирующий управление вызывающему процессу возвращается только после того, как данные приняты или переданы (или скопированы во временный буфер);

o Неблокирующий управление возвращается немедленно (т.е. процесс блокируется до завершения операции), и фактическая приемо-передача происходит в фоне. Функция неблокирующего приема имеет дополнительный параметр типа "квитанция". Процесс не имеет права производить какие-либо действия с буфером сообщения, пока квитанция не будет "погашена";

o Персистентный в отдельные функции выделены:

§ создание "канала" для приема/передачи сообщения,

§ инициация приема/передачи,

§ закрытие канала.

Такой способ эффективен, к примеру, если приемопередача происходит внутри цикла, а создание/закрытие канала вынесены за его границы.

2 простейшие (но и самые медленные) функции MPI_Recv и MPI_Send выполняют блокирующую приемо-передачу с автоматическим выбором зацепления (кстати сказать, все функции приема совместимы со всеми функциями передачи).

Таким образом, MPI весьма разветвленный инструментарий. Приведу цитату из раннего себя: "То, что в конкурирующих пакетах типа PVM реализовано одним единственным способом, в MPI может быть сделано несколькими, про которые говорится: способ А прост в использовании, но не очень эффективен; способ Б сложнее, но эффективнее; а способ В сложнее и эффективнее при определенных условиях".



Список использованных источников

1.Коровин, Б.Г. Системы программного управления промышленными установками и робототехническими комплексами: учеб. пособие для вузов / Б.Г. Коровин, Г.И. Прокофьев, Л.Н. Рассудов. -- Л.: Энергоатомиздат.

2.Домрачев, В.Г. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений: справочное пособие / В.Г. Домрачев, В.Р. Матвеевский, Ю.С. Смирнов. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

Размещено на Allbest.ru