Ббк 30ф Тараканов А. В. Особенности управляющих вычислительных машин

---

УДК 004. 2 
ББК 30ф 
Тараканов А.В. 
ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЯЮЩИХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН 
Tarakanov A.V. 
SINGULARITIES OF CONTROLLING COMPUTERS 
 
Ключевые 
слова: 
управляющая 
вычислительная 
машина, 
архитектура 
вычислительной машины, режим реального времени. 
Key words: controlling computer; device of a controlling computer; real-time mode. 
 
Аннотация 
В данной статье рассмотрены особенности применения и аппаратной организации 
управляющих вычислительных машин. 
Abstract 
Singularities of using and organization of hardware in controlling computers are given in 
the article. 
 
Современные системы управления, как правило, характеризуются значительной 
сложностью, обширным количеством элементов и высокой интенсивностью протекающих 
в них информационных процессов. Организация систем управления технологическими 
процессами невозможна без комплексной автоматизации на базе средств вычислительной 
техники - управляющих вычислительных машин, позволяющих реализовывать сложные 
алгоритмы, требующие выполнения большого количества действий за ограниченное 
время, и оперативного анализа текущего состояния объекта управления. 
За годы от начала работ по созданию и применению средств вычислительной 
техники для управления технологическими процессами и производствами до настоящего 
времени накоплен большой опыт как в области разработки соответствующей техники, так 
и в области наиболее эффективного ее применения в различных системах управления. 
К настоящему времени к управляющим вычислительным средствам можно отнести 
такие устройства, как: микроконтроллеры, микропроцессорные регуляторы, програм-
мируемые логические контроллеры, ЭВМ в промышленном исполнении, а также ЭВМ 
общего назначения. Все эти устройства решают свой определенный класс задач 
управления. 
Микроконтроллеры решают относительно простые задачи управления, когда 
необходимо обработать информацию, принятую от нескольких датчиков, а требования к 
скорости обработки информации не слишком высоки. Микроконтроллеры применяются 
довольно широко в качестве встраиваемых систем, начиная от управления бытовой 
техникой и заканчивая управлением отдельными технологическими объектами (станками, 
машинами и т.п.) на производстве. 
Для 
решения 
более 
сложных 
производственных 
задач 
применяются 
программируемые логические контроллеры (ПЛК). Современные ПЛК - это универсаль-
ный мощный инструмент для решения задач управления технологическими процессами.
В отличие от микроконтроллеров, ПЛК, как правило, обладают гораздо большей 
вычислительной мощностью, большим количеством выполняемых функций, большей 
нагрузочной способностью. ПЛК изготавливают как самостоятельное устройство в 
отдельном корпусе, имеющем модульную структуру. Спектр задач, решаемых ПЛК, 
весьма разнообразен, это задачи: логического управления, регулирования, контроля и 
диагностики состояния объекта управления, связь с ПЛК или ЭВМ верхнего уровня 

---

управления и др. При помощи ПЛК на производстве управляют как отдельным 
оборудованием (станок, машина, агрегат и т.п.), так и цехами, линиями, отдельными 
технологическими процессами, вплоть до всего производства (в рамках задач, решаемых 
АСУ ТП). 
Микропроцессорные регуляторы - это отдельный класс управляющих устройств, 
осуществляющих лишь регулированием каких-либо технологических параметров. 
Регулирование в таких устройствах может осуществляться как по одному, так и по 
нескольким каналам с применением различных законов регулирования. 
ЭВМ в промышленном исполнении - это машина, имеющая некоторые сходства с 
ЭВМ общего назначения, за исключением специального исполнения (влаго-, пыле-, 
взрывозащищенный корпус со специализированными внешними разъемами; возможность 
работы во вредных производственных условиях - высокий уровень вибрации, высокая 
температура и загазованность окружающей среды, высокий уровень электромагнитных 
помех от силового оборудования), а в отдельных случаях совершенно иной структуры и 
архитектуры. ЭВМ в промышленном исполнении используются для решения широкого 
спектра задач управления технологическими процессами (логическое управление, 
регулирование, связь с другими ПЛК и ЭВМ, работа в качестве ЭВМ верхнего уровня 
управления). Они работают, как правило, в непосредственной близости от 
технологического оборудования в жестких промышленных условиях, когда работа других 
средств вычислительной техники просто невозможна. 
ЭВМ общего назначения также применяется в системах управления. Они, как 
правило, выступают в качестве ЭВМ верхнего уровня управления, автоматизированных 
рабочих мест операторов, а также используются для решения задач управления в рамках 
корпоративных информационных систем. Задачи, решаемые ЭВМ общего назначения в 
системах управления, достаточно сложны и обширны, поэтому это требует применения 
ЭВМ, обладающих соответствующими характеристиками. При работе в составе 
корпоративной информационной системы ЭВМ общего назначения может участвовать в 
решении целого ряда задач, таких, например, как: планирование материалов для 
производства и управление запасами, управление складами, планирование продаж и 
производства, управление спросом, управление финансами, планирование потребностей в 
мощностях, контроль входа-выхода, планирование ресурсов распределения и ресурсов для 
проведения технологического обслуживания и выполнение ремонтов, управление 
реализацией долгосрочных проектов, взаимодействие с поставщиками и заказчиками и др. 
Как показывает практика, задачи по управлению технологическими процессами, 
решаемые современными управляющими вычислительными машинами, на 80% 
представляют собой задачи логического управления, 10-15% - задачи регулирования и
5-10% - задачи управления с применением сложных специфических алгоритмов. 
Общеизвестно, что любое автоматическое управление строится на основе анализа 
информации о состоянии объекта управления и идентификации его параметров, 
сопоставлении полученной информации с критериями управления и формировании по 
результатам сопоставления необходимых управляющих воздействий. Для выполнения 
всех этих действий, как правило, отводится определенное время, которое может быть 
различным для разных объектов управления и может составлять от долей секунды до 
нескольких минут. Если система управления успевает выполнить вышеуказанный 
перечень действий в отведенный временной интервал, то тогда говорят, что система 
работает в «режиме реального времени». 
Различают два режима реального времени: мягкого реального времени и жесткого 
реального времени. Системы управления технологическими процессами, как правило, 

---

подчиняются законам жесткого реального времени, когда строгое соблюдение временных 
ограничений необходимо, потому что в противном случае возникает риск потери 
управления над объектом. 
Работа в режиме реального времени накладывает дополнительные требования, 
предъявляемые к скорости обработки информации в управляющих вычислительных 
машинах. Немаловажное влияние на скоростные характеристики управляющей 
вычислительной машины накладывает ее архитектура. 
Архитектура вычислительной машины определяет ее концептуальную структуру, 
способы и методы осуществления обработки информации, принципы взаимодействия 
аппаратных и программных средств. К настоящему времени наибольшее распространение 
получили две архитектуры: принстонская (архитектура фон Неймана) и гарвардская. 
Общеизвестно, что разработкой архитектуры вычислительной машины в 30-х годах 
занимались Гарвардский и Принстонский университеты по поручению правительства 
США. В итоге предпочтение было отдано разработке Принстонского университета. 
Принстонская архитектура или архитектура фон Неймана основана на принципах, 
сформулированных в 1946 году и опубликованных в статье Артура Беркса, Германа 
Голдстайна и Джона фон Неймана - «Предварительное рассмотрение логического 
конструирования электронного вычислительного устройства». Впоследствии эти 
принципы получили название «принципы фон Неймана». 
На основании данных принципов была предложена архитектура ЭВМ, в которой 
выделяют такие основные узлы, как: центральный процессор, память ЭВМ, блок интер-
фейса с памятью и дешифратор команд. 
Рисунок 1 - Принстонская архитектура ЭВМ 
Принстонская архитектура реализует совместное хранение программ и данных в 
одной памяти, что значительно упрощает конструкцию ЭВМ, и предполагает наличие в 
составе ЭВМ одной общей шины данных и команд. 

---

Рисунок 2 - Архитектура ЭВМ с общей шиной 
Архитектура с общей шиной распространена достаточно широко и применяется в 
основном в машинах общего назначения. Такое применение архитектуры с общей шиной 
обусловлено еѐ простотой, т.к. она не требует от процессора одновременного 
обслуживания двух шин, а также контроля обмена по этим шинам. Наличие единой 
памяти команд и данных упрощает работу программиста и позволяет гибко распределять 
еѐ между программными кодами и данными. Возможность перераспределения памяти в 
ЭВМ с принстонской архитектурой и еѐ достаточно большой объем позволяют решать 
самые сложные задачи. При использовании общей шины команд и данных процессор 
вынужден принимать и передавать данные по этой шине, а также принимать команды из 
памяти. Одновременная пересылка кодов программы и данных по шине происходить не 
может, поэтому она производится поочередно. Современные процессоры имеют средства 
совмещения во времени выполнения команд и организации циклов обмена по системной 
шине. Применение кэш-памяти и конвейерных технологий позволяет ускорить процесс 
взаимодействия со сравнительно более медленной оперативной памятью. Совершен-
ствование структуры процессоров и повышение тактовой частоты дают возможность 
сократить время выполнения команд, однако дальнейшее увеличение быстродействия 
ЭВМ возможно только при одновременной пересылке данных и чтении команд, т.е. при 
переходе к архитектуре с двумя шинами - гарвардской архитектуре. 
Гарвардская архитектура ЭВМ, предложенная Говардом Эйкеном в конце 30-х 
годов, практически не использовалась вплоть до конца 70-х годов прошлого века. 
Концепция гарвардской архитектуры исходит из того, что для выполнения типичной 
операции от ЭВМ требуется несколько действий: выборка двух операндов из памяти, 
выборка команды из памяти, исполнение команды, сохранение результатов в памяти. 
Поэтому было предложено физически разделить линии передачи команд и данных для 
одновременной пересылки и обработки команд и данных, с целью повышения общего 
быстродействия. 

---

Рисунок 3 - Гарвардская архитектура ЭВМ 
Обмен процессора информацией с каждым из двух типов памяти происходит по 
отдельным шинам - шине данных и шине команд. 
Рисунок 4 - Архитектура ЭВМ с двумя шинами 
Архитектура с двумя шинами (гарвардская архитектура) применяется в основном в 
однокристальных ЭВМ - микроконтроллерах. Такое применение обусловлено тем, что 
управляющие программы реализуют сложные алгоритмы и требуют достаточно большого 
объема памяти, а данных в памяти надо хранить не слишком много. Код программы может 
быть размещен только в памяти команд, а данные помещаются только в памяти данных. 
Такая узкая специализация ограничивает круг решаемых задач и не позволяет осуществлять 
гибкое распределение памяти. Память программ, как правило, больше памяти данных, при 
этом каждая память имеет свое собственное распределение адресного пространства. 
Архитектура с двумя шинами сложнее, она предполагает работу процессора не зависимо 
параллельно во времени с двумя потоками - команд и данных. Именно поэтому структура 
шин, количество разрядов в шине, порядок обмена информацией выбирается оптимально для 
определенного класса задач, решаемых каждой шиной. Таким образом, применение 
двухшинной архитектуры при прочих равных условиях позволяет увеличить быстродействие 
ЭВМ, не-смотря на усложнение структуры процессора и дополнительные затраты на 
аппаратуру. Гораздо легче организовать двухшинную архитектуру внутри одной 
микросхемы, когда существенно уменьшаются еѐ недостатки. Поэтому данная архитектура 
нашла свое применение в микроконтроллерах, т.е. там, где не требуется решение, слишком 
сложных задач, но крайне необходимо максимальное быстродействие при заданной тактовой 
частоте. 
В дальнейшем на основе вышеописанных архитектур был разработан ряд других. 
Так, например, была предложена модифицированная гарвардская архитектура, основной 
идее которой стало использование общей шины данных и адреса для всех внешних 
данных, а внутри процессора использование шины данных, шины команд и двух шин 
адреса. Использование раздельных шин совместно с кэш-памятью получило название 
расширенной гарвардской архитектуры (Super Harvard Architecture - SHARC). Эти 
архитектуры нашли свое применение в цифровых сигнальных процессорах (DSP). 
Кроме модификации отдельных архитектур, также существуют и гибридные 
модификации, сочетающие в себе достоинства как гарвардской, так и принстонской 
архитектур. Так некоторые современные процессоры обладают раздельной кэш-памятью 
первого уровня (отдельно для команд и данных), что позволяет за один такт получать 
команду и данные. Такая организация процессорного ядра формально является 
гарвардской, но с программной точки зрения остается принстонской, что упрощает 
разработку программ. Кроме того, в данных процессорах используется одна шина для 
передачи данных и команд, что делает эту архитектуру ещѐ более близкой к принстонской 
при сохранении плюсов гарвардской архитектуры. Таким образом, для решения задач 
управления применяются вычислительные машины с архитектурой, наиболее подходящей 
для решения конкретного класса задач. 

---

Данная статья не претендует на исчерпывающее рассмотрение всех особенностей 
разработки и применения управляющих вычислительных машин, а только лишь 
показывает часть в разрезе аппаратных особенностей. В дальнейшем необходимо 
рассмотреть еще такие вопросы, как: алгоритмы системного программного обеспечения, 
применяемого в управляющих вычислительных машинах, а также вопросы организации 
системы прерываний. Наиболее полное рассмотрение всех этих вопросов позволит 
выработать рекомендации по оптимальному выбору и применению управляющих 
вычислительных машин для решения конкретных задач управления. 
Библиографический список 
1. Строганов Р.П. Управляющие машины и их применение. - М.: Высшая школа, 
1986. - 240 с.: ил. 
2. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. - М.: Энерго-
атомиздат, 1985. – 552 с.: ил.