Аналого-цифровая вычислительная система на базе персональной электронной вычислительной машины и аналоговых процессоров АП-4.

Содержание
Введение
Глава 1. Аналитический раздел
1.1 Архитектура АЦВС
1.2 Структура АЦВС
1.3 Программное обеспечение АЦВС
1.4 Обобщенная структура трансляторов
Глава 2. Технологический раздел
2.1 Система команд аналоговой части
2.1.1 Общая структура и классификация команд АВМ и устройства преобразования и сопряжения
2.1.2 Команды управления режимами АВМ, интеграторов и параллельной логики
2.1.3 Команды адресации, установки коэффициентов и работы с цифровым вольтметром
2.1.4 Команды связи аналоговой и цифровой частей по управлению
2.1.5 Команды опроса состояния АВМ
2.1.6 Команды управления и опроса стояки преобразователей
2.1.7 Команды аналого- цифрового преобразования
2.1.8 Команды цифро- аналогового преобразования
2.1.9 Команды гибридных часов
2.2 Основные принципы построения системы автоматизации и формулирование требований к транслятору
2.2.1 Требования к программному обеспечению систем автоматизации программирования АЦВС
2.2.2 Краткая характеристика входных языков
2.2.3 Обобщенный алгоритм функционирования систем автоматизации аналого- цифрового программирования
2.3 Разработка решений по автоматизации программирования
Глава 3. Конструкторский раздел
3.1 Реализация алгоритмов транслятора
3.2 Описание системы автоматизации
Глава 4. Эксплуатационный раздел
4.1 Алгоритм функционирования транслятора
4.2 Внедрение системы автоматизации программирования
Заключение
Библиографический списо

Аналого-цифровая вычислительная система на базе персональной электронной вычислительной машины и аналоговых процессоров АП-4.

Разряды 08 - 15 команды служат для указания адреса обращения, причем разряды 12 - 15 определяют номер опера­ционного блока, а разряды 08 - 11 - номер канала внутри блока.
2.1.7 Команды аналого- цифрового преобразования
1. Чтение. Код команды в двоичном формате, номер блока, номер канала 0001 0110.
Команда осуществляет преобразование и считывание резуль­тата в ячейку 164724. После исполнения команды схема выбор­ки-запоминания заданного канала переходит в режим выборки.
2. Останов. Код команды 0, номер блока 0107.
Команда переводит централизовано управляемые схемы вы­борки запоминания на входе АЦП в режим запоминания.
3. Исходное состояние. Код команды 0, номер блока 0027. Команда переводит централизовано управляемые схемы вы­борки-запоминания в режим выборки.
4. Ввести полный адрес.Код команды 0, номер блока 7425. Команда производит подключение дополнительного комму­татора, что позволяет увеличить общее число каналов АЦ- преобразования. Дополнительные коммутаторы (до семи комму­таторов) подключаются через последний пятнадцатый канал основного коммутатора. Поэтому на канал 15 в этом случае не должно подаваться никакого напряжения. Адрес дополни­тельного коммутатора задается в разрядах 15 - 12 ячейки 164722.
5. Записать условие 1. Код команды 0, номер блока 0065. Разряды сопровождающего слова, установленные в единицу в ячейке 164722, определяют условия работы блока АЦП.
15 разряд указывает на необходимость автоматического увеличения адреса канала преобразования на единицу. В зави­симости от разряда 13 увеличение происходит по модулю 16 или по модулю 8;
14 разряд должен оставаться всегда в нулевом состоянии. Единичное состояние используется в других применениях стой­ки преобразователей;
13 разряд определяет диапазон изменения адресов каналов АЦП. Эта возможность реализована ввиду того, что в каждом блоке АЦП имеется только 8 каналов (с нулевого по седьмой), включающих усилители выборки запоминания. Единичное состояние разряда приводит к переходу на нулевой адрес кана­ла после канала 7, а нулевое - после канала 15;
12 разряд определяет момент перехода усилителей выборки-запоминания в режим запоминания. При единичном состоянии момент перехода в хранение совпадает с окончанием очеред­ного шага гибридных часов (с моментом, когда часы досчи­тывают до нуля). При нулевом состоянии переход в хранение происходит по команде "Останов", но только в том случае, когда установлен разряд 11;
11 разряд задает режим группового управления усилителями выборки-запоминания;
10 разряд должен находиться в нулевом состоянии;
9 разряд определяет порядок считывания информации с двух блоков АЦП при их совместной работе. С того блока, где 9 разряд установлен в единицу, информация считывается в первую очередь;
8 разряд, находясь в нулевом состоянии, задает индивиду­альную работу двух блоков АЦП, а в единичном - совмест­ную работу двух блоков;
При совместной работе двух блоков АЦП преобразование ведется одновременно двумя блоками по одноименным ка­налам. Чтобы реализовать такую возможность, необходима следующая последовательность команд: "Ввести основной адрес" первого из опрашиваемых блоков с обязательным наличием разряда 3 в коде команды "Читать" со второго из оп­рашиваемых блоков столько раз, сколько необходимо опросить каналов. Во всех командах "Читать", кроме последней, необ­ходимо наличие 3 разряда в коде команды. По каждой команде "Читать" заполняется ячейка 164724. Чтобы избежать аварий­ного прерывания число команд "Читать" должно быть четным,
7 - 0 разряды определяют индивидуально управляемые каналы АЦ-преобразования. Разряд 0 отвечает за нулевой канал преобразования, разряд 1 - за первый и т.д. На индивидуаль­но управляемые каналы, условия, определяемые разрядами 12 и 11, не действуют.
6. Записать условие 2. Код команды 0, номер блока 0465. В слове сопровождения, расположенном в ячейке 164722, едини­ца в разряде 15 определяет, что точность преобразования вслед­ствие более высокой скорости его будет ограничена 8 разрядами (включая знак). При нулевом положении разряда 15 преобра­зование ведется с разрешающей способностью 14 двоичных разрядов.
2.1.8 Команды цифро- аналогового преобразования
1. Записать число. Код команды в двоичном формате 0,
номер блока, номер канала 0010 0101.
По команде "Записать число" производится запись информации в буферный регистр ЦАП. Код преобразуемой информации подготавливается в ячейке 164722.
2. Исполнить. Код команды 0, номер блока 0067.
С помощью этой команды осуществляется перезапись буфер­ных регистров в исполнительные, что равнозначно преобразо­ванию цифровой величины в аналоговую.
3. Записать условие. Код команды 0, номер блока 0065.
Разряды слова сопровождения, располагающегося в ячейке 164722, определяют режим работы блока ЦАП.
15 - 13 разряды ячейки слова сопровождения аналогичны по смыслу разрядам 15 - 13 команды "Записать условие 1" блоков АЦП. Изменение адреса до 7 в случае ЦАП объясняет­ся тем, что только первые 8 каналов каждого блока (от 0- го до 7- го) имеют индивидуальное управление от параллельной логики. Сигналы параллельной логики могут задавать момент перезаписи буферных регистров ЦАП в исполнительные.
12 разряд определяет момент перезаписи буферных регист­ров централизовано управляемых каналов ЦАП в исполни­тельные. При единичном состоянии этого разряда момент пе­резаписи совпадает с окончанием очередного шага гибридных часов. При нулевом состоянии перезаписи происходит по коман­де "Исполнить", но только в том случае, когда установлен разряд 11;
11 разряд - признак группового управления ЦАП;
10 разряд - признак, определяющий одновременную за­пись в буферные и исполнительные регистры;
9 - 8разряды не задействованы;
7 - 0 разряды аналогичны команде "Записать условие 1" блока АЦП.
2.1.9 Команды гибридных часов
1. Записать число в счетчик реального времени. Код команды 010045.
Сопровождающее слово в ячейке 164722 задает квант времени для гибридных часов.
2. Записать число в регистр интервала. Код команды 010445. Сопровождающее слово в ячейке 164722 определяет тактовую частоту работы счетчика реального времени. Частота задается в разрядах 0 - 7 сопровождающего слова. При работе счетчика без регистра интервала (см. далее команду "Записать условие") на его вход подается тактовая частота 1МГц. Запись каждого разряда, начиная с нулевого, в регистр интервала уменьшает вдвое частоту на входе счетчика реального времени. Таким образом, при использовании регистра интервала частота на входе счетчика реального времени может быть в диапазоне от 4 до 500 кГц.
3. Записать число в регистр упреждения. Код команды 011045.
Сопровождающее слово в ячейке 164722 определяет за ка­кое время до поступления сигнала от счетчика реального вре­мени поступит сигнал упреждения в регистр требований (см. команду "Читать регистр требований").
4. Пуск часов. Код команды 010047.
5. Останов часов. Код команды 010107.
6. Исходное положение. Код команды 010027.
По этой команде регистры интервала, упреждения и счетчик реального времени устанавливаются вновь в состояние, задан­ное последней командой типа "Записать число" для каждого из этих регистров.
7. Чтение счетчика реального времени. Код команды 010026. После исполнения команды в ячейку 164724 записывается те­кущее состояние счетчика реального времени.
8. Записать условие. Код команды 010065. Сопровождающее слово в ячейке 164722 определяет условия работы блока гибридных часов (реального времени). Разряды 15 - 13 не задействованы.
12 разряд устанавливает, работают ли гибридные часы от собственного тактового генератора (в единичном состоянии) или от тактового генератора системы, расположенного в пульте общего управления;
11 разряд, установленный в единичное состояние, определя­ет, что счетчик реального времени работает совместно с реги­стром интервала;
10 разряд задает тестовый режим работы часов, при кото­ром каждая команда "Пуск" вычитает от кванта времени, уста­новленного в счетчик реального времени, единицу;
9 - 7 разряды являются масками на прохождение сигналов от гибридных часов в регистр требований. Разряд 9 маскирует прерывание реального времени от гибридных часов, разряд 8 маскирует прохождение упреждающего сигнала гибридных часов, разряд 7 маскирует аварийное прерывание в случае, ес­ли цифровая программа не уложилась в реальное время. Это аварийное прерывание возникает каждый раз, когда счетчик реального времени досчитал до нуля, а цифровая программа к этому времени не послала новой команды "Записать число в счетчик реального времени". Несмотря на аварийное прерыва­ние, после нуля в счетчик реального времени записывается квант времени, установленный предыдущей командой "Записать чис­ло в счетчик реального времени".
5 разряд запрещает управление гибридными часами по ко­мандам управления интеграторами. При нулевом 5 разряде управление часами осуществляется как собственными коман­дами "Пуск", "Останов", "Исходное состояние", так и коман­дами управления режимами интеграторов. Все остальные раз­ряды не используются.
2.2 Основные принципы построения системы автоматизации и формулирование требований к транслятору
2.2.1 Требования к программному обеспечению систем автоматизации программирования АЦВС
Автоматизация программирования АЦВС- это комплекс мероприятий, обеспечивающих применение средств цифровой вычислительной техники для программирования аналого- цифрового вычислительного процесса. Системы автоматизации программирования АЦВС обеспечивают:
а) удобство ввода информации о задаче, что достигается:
- простым для изучения входным языком системы, близким к естественной форме записи уравнений, методов исследования и прочих сведений о задаче;
- гибкостью входного языка для квалифицированного пользователя благодаря возможности использования операторов универсального языка программирования, развитой системы макроопераций, обширной системной библиотеки;
- автоматическим анализом объема введенной пользователем исходной информации и организацией, в случае необходимости, запроса дополнительных данных;
- автоматическим преобразованием вводимых пользователем систем дифференциальных уравнений произвольного вида к каноническому.
б) единство (с позиций пользователя) всего процесса автоматизированного программирования- от ввода программы на входном языке системы и до ее выполнения, что достигается:
- аппаратными и программными средствами автоматической загрузки аналогового и параллельного логического процессоров от цифровых процессоров;
- унификацией (с позиции пользователя) процессов компиляции, загрузки и выполнения для всех процессоров системы;
- разделением задачи на аналоговую и цифровую части автоматически либо по указанию пользователя;
- возможностью организации по указанию пользователя ряда способов вычислительного процесса, включая чисто цифровое моделирование без изменения исходной программы;
- развитой подсистемой автоматизации программирования аналогового и параллельного логического процессоров, учитывающей конкретное конструктивное их исполнение.
в) интерактивный доступ пользователя к процессу моделирования для модификации параметров и структурной схемы, что достигается:
- аппаратными и программными средствами для автоматической коммутации схемы моделирования, установки коэффициентов передачи, начальных условий, управления элементами параллельной логики и т.п.;
- применением аналого- цифровых (гибридных) интерпретирующих языков высокого уровня;
- развитой системой прерываний;
- интерактивной организацией процесса отладки аналого- цифровых программ;
- вводом буквенных обозначений коэффициентов и функций в исходных уравнениях, их численные значения или формулы для расчета в таком случае задаются пользователем отдельно и могут заменяться без изменения всех остальных данных, что особенно важно при проведении многовариантных расчетов.
г) удобные формы представления выходной информации, что достигается:
- применением средств трансляции результатов программирования в наглядную форму (схема моделирования), в компактную форму (строчная, табличная запись) или в форму цифровых кодов, предназначенных для автоматической загрузки аналоговой части АЦВС (коды управления коммутационной системой, автоматическими потенциометрами, элементами параллельного логического процессора и т.п.);
- программами формирования диагностических таблиц;
- программами вывода результатов моделирования;
- программами управления устройствами визуализации цифровой и аналоговой информации.
д) возможность расширения системы, что достигается:
- модульной структурой программного обеспечения;
- применением открытых библиотек прикладных программ;
- использованием общего для всей системы поля данных, организацией оверлейных структур;
- использованием макросов во входном языке (расширение языков для индивидуальных задач производится добавлением новых макросов).
Обобщенная структура программного обеспечения системы автоматизации аналого- цифрового программирования содержит:
- средства ввода информации в систему, включающие входной язык системы, обычно состоящий из ряда подъязыков, и трансляторы с этих языков;
- средства предварительной обработки информации, включающие программы преобразования исходной системы уравнений, распределения вычислительной нагрузки между процессорами, организации специальных массивов в т.п.;
- средства автоматизации программирования аналогового процессора, а именно: программу синтеза схемы моделирования (структуры соединения аналоговых и логических операционных элементов между собой и с каналами связи), программы определения экстремальных значений переменных, расчета масштабов, коэффициентов передачи, начальных условий, программы «привязки» схем моделирования к конструктивным особенностям конкретной аналоговой части АЦВС, программы оптимизации схем и масштабов по ряду критериев (точности, надежности, объему оборудования и т.д.), а также программы аппроксимации и интерполяции нелинейных функций и расчета параметров для настройки нелинейных блоков;
- средства вывода результатов автоматизированного программирования, обеспечивающие получение листингов о схеме моделирования и ее параметрах и формирование массивов информации для управления от ЦВМ коммутационной системой аналоговой части АЦВС, управления автоматически устанавливаемыми коэффициентами передачи, автоматическим набором нелинейных функций, установкой состояний элементов параллельного логического процессора и т.д.
Все программные средства системы работают под управлением операционной системой, обрабатывающей инструкции пользователя.
2.2.2 Краткая характеристика входных языков
Существуют две концепции построения входных языков для систем автоматизации аналогового и аналого- цифрового программирования. Первая концепция, базирующаяся на известных универсальных языках программирования цифровых процессоров и состоящая в развитии и дополнении исходных вариантов языков необходимыми операторами системного взаимодействия аналоговой и цифровой частей АЦВС.
В рамках этой концепции разработаны компилирующие и интерпретирующие языки программирования АЦВС. Первые явились результатом дополнения исходных цифровых компилирующих языков, например, Фортран, Алгол, вторые- результатом расширения интерпретирующих языков, например, Бейсик, Фокал, DOI.
Трансляция исходной программы, записанной на интерпретирующем языке, выполняется последовательно, т.е. после написания каждой строки программы проверяется ее синтаксис и при отсутствии ошибок срока немедленно выполняется. Следовательно, в интерпретирующих языках специальной фазы трансляции не существует, а ЦВМ реагирует непосредственно на задание программы. В компилирующих языках трансляция всей программы производится после ее написания.
Основные преимущества интерпретирующих языков перед компилирующими- простота их усвоения пользователями и возможность оперативно, в диалоговом режиме, контролировать вычисления в обеих частях АЦВС, что особенно удобно при отладке аналого- цифровых и аналоговых задач, недостатки- необходимость большего объема памяти и меньшее быстродействие.
Концепция, предполагающая определение специальных операторов моделирования и образование таки образом специализированных языков высокого уровня для автоматизации программирования АЦВС. Такие языки используют макросы, в которых определены отношения между входными и выходными переменными. Специальные операторы моделирования представляются инструкциями, близкими к естественному языку исследователя, например, конструкциями «объект», «параметры», «начальные условия» и т.п. Концепция предусматривает расширение специализированного языка для индивидуальных задач посредством добавления новых макросов.
Существенно, что специализированный язык допускает использование операторов универсального языка программирования и сводится к нему после предварительной трансляции.
Таблица 1. Языки программирования АЦВС, являющиеся развитием языков программирования ЦВМ
Гибридный язык
Базовый цифровой язык
Тип
Гибас
Бейсик
Интерпретирующий
HOI
DOI
Интерпретирующий
Diwa Hybrid
Фокал
Интерпретирующий
Гибридный Фортран
Фортран
Компилирующий
RT- Фортран
Фортран
Компилирующий
Гибридный Алгол
Алгол
Компилирующий
Гибридный Ассемблер
Ассемблер
Компилирующий
2.2.3 Обобщенный алгоритм функционирования систем автоматизации аналого- цифрового программирования
В алгоритме функционирования системы выделяется ряд характерных этапов (рис. 7).
Этап 1. Обработка входной информации на ЦВМ с разделением задачи на управляющую и моделирующую части. На этом этапе производится расшифровка входной информации о моделирующем объекте, методах и программе его исследования, выполняются преобразования уравнений к удобному для программирования виду, определяется, достаточен ли введенный набор данных, а также производится разделение вычислительной нагрузки между процессорами.
Рисунок 7. Обобщенный алгоритм аналого- цифрового программирования АЦВС
Управляющая часть может состоять из двух разделов: последовательного, реализуемого на цифровом процессоре, и параллельного, воспроизводимого параллельным логическим процессором. Моделирующая часть содержит два раздела, реализуемых на цифровом и аналоговом процессорах. Разделение задачи на части может быть либо указано явно пользователем, либо производиться автоматически.
Этап 2. Аналого- цифровая компиляция. Компиляция- это процесс получения из программы, написанной на входном языке системы, программы на языке более низкого уровня. Аналого- цифровая компиляция производится двумя компиляторами. Компилятор последовательного процессора обрабатывает написанную на входном языке системы часть задачи, решение которой возлагается на цифровую часть АЦВС. Результатом его работы является цифровой файл на универсальном языке программирования. Полученная программа подвергается повторной компиляции с универсального языка на машинный язык с помощью компилятора, входящего в состав операционной системы ЦВМ.
Компилятор параллельных процессоров обрабатывает вторую часть программы на входном языке, решение которой будет производиться на аналоговой части АЦВС. Этот компилятор готовит файл для аналогового и параллельного логического процессоров на одном из языков программирования АВМ, например, на языке структурных схем, языке строчной записи и т.д. В частности он выполняет функции автоматизированного программирования аналоговой части АЦВС с помощью ЦВМ. Если параллельные процессоры оборудованы системой автоматической коммутации, то компилятор организует коммутационный файл, который на этапе загрузки позволяет осуществить автоматическую коммутацию схемы моделирования.
Этап 3. Загрузка АЦВС. Загрузка цифровой и аналоговой частей вычислительной системы, на этом этапе в оперативную память цифровой части АЦВС загружается программа, готовая для непосредственного исполнения. Загрузка параллельных процессоров включает ряд операций, подготавливающих аналоговый и параллельный логический процессор к непосредственному выполнению задачи, а именно- управление коммутационной системой, обеспечивающей автоматическое соединение блоков аналогового процессора и элементов параллельной логики, автоматическую установку коэффициентов и начальных условий, автоматический набор нелинейных функций и статическое тестирование.