 |
новые пропорции старого дуализма
|
|
|
|
Известен классический дуализм Эйнштейна.: Е = МС2. Он подразумевает взаимосвязь (дуализм) пространства и времени.
В цифровой схемотехнике также имеет место дуализм, который можно сформулировать так:
любой алгоритм, реализованный аппаратным путем – логическими схемами с жесткими связями – может быть реализован программным способом – на микро-ЭВМ, и наоборот.
Возможность реализации алгоритмов аппаратным путем – логическими схемами с жесткими связями, или программным способом – на микро-ЭВМ, была названа Э.Клингманом в своей известной книге (Microprocessor Systems Design. - Prentice Hall, 1977) "новым дуализмом". С тех пор словосочетания "микропроцессорные системы", "цифровые устройства" стали широко известными «крылатыми» выражениями. Однако, не всегда за этими названиями присутствуют собственно микропроцессоры. Не везде необходимы те особенности, которые присущи МП. До недавнего времени мы применяли логические схемы с проводными связями, так называемую "жесткую логику". Она не была такой "суперинтегральной", как современные микросхемы, но успешно и надежно выполняла свои функции. Можно утверждать, что появление МП по крайней мере на десять лет приостановило развитие таких логических интегральных схем.
Что же принесло это десятилетие активного развития микропроцессорных систем? Как ни странно это звучит, но де-факто мы вновь возвращаемся к цифровым и логическим схемам. Утверждение о полном удовлетворении микропроцессорами всех запросов и потребностей разработчиков оказалось недолговечным. Стали возникать трудности с разработкой и совместимостью программного обеспечения, проблемы с синхронизацией и помехоустойчивостью, неожиданные и непредсказуемые сбои в работе, другие затруднения. В результате незаметно, но уверенно, в ряде применений, мы вернулись к логическим схемам, но по инерции продолжаем называть такие системы микропроцессорными. На наш взгляд более правильным будет термин "цифровые системы управления" или "цифровые логические автоматы", объединяющий в себе как программируемые процессорные системы, так и автоматы с жесткой цифровой логикой.
|
|
|
Микропроцессоры являются многофункциональными перепрограммируемыми элементами. Этим можно объяснить их широкую область применения. Однако, МП-системы имеют ограниченное быстродействие, обусловленное последовательным принципом их работы. В тоже время существует второй путь реализации цифровых систем – на основе схем с жесткими (проводными) логическими связями. Эти схемы жесткой логики имеют высокое быстродействие, исчисляемое единицами наносекунд на один вентиль, т.е. практически немедленно реализуют свой алгоритм. В связи с тем, что в настоящее время появились перепрограммируемые логические схемы (ППЗУ, ПЛМ, БМК), то схемы "жесткой логики", так же как и МП-системы, стали перепрограммируемыми, гибкими и многофункциональными.
Таким образом, к настоящему времени сформировались два пути реализации современных систем управления: программируемые микропроцессорные системы и цифровые автоматы жесткой логики.
Первые опыты создания цифровых систем заключались в реализации цифровыми средствами традиционных аналоговых алгоритмов управления. Это было вполне оправдано, так как за счет интегрального исполнения элементной базы повышало надежность, а за счет возможности перепрограммирования улучшало гибкость систем.
Но уже наступило время для новых, цифровых алгоритмов, которые не встречались и не могли быть реализованы ранее. Их новизна состоит в том, прежде всего в комплексе удовлетворяются все возможные требования объекта управления, выполнить которые до сих пор было нельзя или затруднительно. Другие отличия продиктованы особенностями работы самой ЦСУ. Это дискретизация и квантование сигнала по уровню и во времени, задержки на проведение необходимых вычислений, а также особенности практического программирования при ограниченном объеме памяти встраиваемых цифровых средств автоматизации.
|
|
|
Применение интегральных цифровых схем придает системам управления целый ряд желаемых свойств. Однако, следует однозначно разграничить области применения ЦСУ с жесткой логикой и программируемых микропроцессорных. Имеющийся опыт, подтверждаемый необходимыми расчетами, позволяет утверждать, что логические схемы жесткой логики отличаются высоким быстродействием, а микропроцессоры – гибкостью и возможностью перепрограммирования. Конечно, оба эти направления цифровой электроники развиваются – микропроцессоры работают быстрее, а современные логические схемы стали обладать свойством многофункциональности. Однако ограничения, связанные с абсолютно разными принципами работы этих элементов, остаются. Поэтому, например, в системах фазового управления электроприводами, в преобразователях частоты переменного тока и инверторах, эффективнее будут работать цифровые и логические схемы, которые выполнят предъявляемые в этих случаях требования высокого быстродействия. Если же от ЦСУ требуется "интеллектуальность", например, реализация кибернетических принципов управления, самоорганизация системы; поиск алгоритмов управления, оптимальных для конкретных текущих условий с учетом многих эксплуатационных параметров и режимов работы; если поставлена задача автоматизированного определения структуры системы, программы ее работы и динамических характеристик; если сформулировано условие взаимосвязанной работы нескольких ЦСУ при их автоматической координации и иерархии – во всех этих случаях целесообразно применять микропроцессорные системы.
Необходимо отметить, что в перспективе ситуация все больше будет изменяться в направлении аппаратной реализации требуемых алгоритмов. Причем, теперь такая схемотехника переходит внутрь полупроводникового кристалла интегральной схемы, в область микронных элементов и их соединений. Появление СБИС с уровнем интеграции до 1 млн. транзисторов, обсуждение возможностей создания суперинтегральных схем – до 1 млрд. транзисторов, позволяет реализовать в одной микросхеме не узел или устройство, а законченную систему. В большинстве случаев она разрабатывается специально и не должна быть перепрограммируемой. Исключение здесь составляют однокристальные микро-ЭВМ, у них сохраняются все достоинства микропроцессорных систем. Подавляющее же число производимых СБИС – это заказные, специализированные или полузаказные схемы. Причем, хотя последние из названных, например, базовые кристаллы с матрицами нескоммутированных элементов, и относят к частично программируемым схемам, изменение алгоритмов их функционирования осуществляется другим соединением логических вентилей, то есть схемотехническим путем.
|
|
|
В перспективе, пропорции применения логических и МП систем все больше будут изменяться в направлении аппаратной реализации требуемых алгоритмов (рисунок 6.22), причем теперь такая цифровая схемотехника переходит вглубь кристалла, в область микронных элементов и их соединений. Появление СБИС с уровнем интеграции в один миллион транзисторов, создание суперинтегральных схем (до 1 миллиарда транзисторов) позволяет реализовать в одном полупроводниковом кристалле не узел или устройство, а законченную систему.
Рис.6.22. Объёмы применения микропроцессорных (МП)
и логических схем (ЛС)
Таким образом, известный дуализм "аппаратные – программные средства" остается актуальным. По-прежнему схемотехника и математическое обеспечение существуют совместно, дополняют и взаимозаменяют друг друга, не исключая до конца одно другим. В непродолжительной пока истории становления цифровой микроэлектроники уже можно выделить спокойный отрезок плавного и уверенного роста объема применения логических схем, резкий подъем микропроцессоров и их стабилизацию, наконец, формирующийся рывок наверх у СБИС-логики (рисунок 6.22). Динамика изменения этих пропорций такова: до середины семидесятых годов в схемотехнике преобладали дискретные элементы, в следующее десятилетие - микропроцессорные БИС, с середины девяностых годов – СБИС, в двухтысячных годах ожидаются суперинтегральные схемы, причем преимущественно на основе перепрограммируемой жесткой логики.
|
|
|
Литература
1. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника. Лабораторный практикум на ПК. СПб: Корона-принт. – 2002.
2. Завадский В.А., Михайлов С.А. Элементная база судовой электронной аппаратуры. – Одесса: Издатинформ ОНМА. – 2010, 312 с.
3. Конечные автоматы судовых энергетических установок / В.Н.Васильев, А.Н.Пипченко, А.А.Виницкий, С.А.Михайлов. – К.: Вища школа. – 1985, 160 с.
4. Лачин В.И., Савёлов Н.С. Электроника. Учебное пособие. 9-е издание. Ростов Н\Д: Феникс. – 2009, 703с.
5. Малахов В.П. Схемотехника аналоговых устройств. Учебник для вузов. Одесса: Астро-Принт. – 2000.
6. Михайлов С.А. Проектирование матричных сверхбольших интегральных схем. – К.: Тэхника. – 1991, 144 с.
7. Михайлов С.А. Цифровые устройства и микропроцессоры для морской электроники. – Одесса: Издатинформ ОНМА. – 2004, 176 с.
8. Многофункциональные цифровые элементы в системах судовой автоматики. – М.: ЦБНТИ ММФ. – 1982, 120 с.
9. Прянишников В.Я. Электроника. Курс лекций. СПб.: Корона-принт. – 2000, 416 с.
10. Скаржепа В.А., Сенько В.И. Электроника и микросхемотехника. Часть 1. К.: Вища школа. – 1989, 431с.
11. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. Часть 2. К.: Вища школа. – 1989, 239с.
12. Скаржепа В.А., Сенько В.И. Электроника и микросхемотехника. Часть 3. К.: Вища школа. – 1989, 233с.
13. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства / В.И.Бойко, А.Н.Гуржий, В.Я.Жуйков, А.А.Зори, В.М.Спивак – СПб.: БХВ-Петербург – 2004.
14. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2 томах. - М: Мир, 1983.
|
|
|
