Числовое программное управление (ЧПУ)

Необходимость смены изделий потребовала перенастройки технологического оборудования и дальнейшего совершенствования систем управления и привода. Около 1950 г. появились системы числового программного управления (ЧПУ, NC – numeric control). В них первоначально использовались электронные устройства более простые, чем ЭВМ того времени. Эти устройства основывались на подсчете числа импульсов, которые генерировались датчиками и отрабатывались шаговыми электродвигателями. Однако позже, благодаря успехам микроэлектроники, были разработаны дешевые, надежные и быстродействующие микро-ЭВМ, называемые «программируемыми логическими контроллерами» (Programmable Logic Controller - PLC). Есть еще один вариант специальной управляющей ЭВМ - Digital Signal Processor (DSL). Они были применены для управления производственным оборудованием, в том числе и в NC, в настоящее время в оборудовании используется CNC – computer numerical control. Используются также и старые станки NC, с бумажной перфолентой в качестве носителя исходной информации, так как они имеют высокую цену и часто вполне пригодны. Здесь с моральным старением приходится мириться. Однако нередко на этих станках заменяют старую систему управления на новую современную. В новом оборудовании СNC применяются все существующие компьютерные технологии, в том числе промышленные компьютерные сети по стандарту Ethernet, CAN, Profibus и т.д. Современные системы автоматического управления используют модульный принцип построения. Элементы систем, как и элементы ПК, выполняются в виде стандартных модулей, которые можно быстро соединить разъемами и кабелями. Датчики, исполнительные и другие элементы рассматриваются как периферийное оборудование управляющих ЭВМ. Модульный принцип распространяется и на программное обеспечение (в том числе plugins). Оборудование с ЧПУ (CNC) позволило быстро перестраиваться на новые изделия, благодаря во многом универсальности ЭВМ, и тем самым снизить стоимость изделий, выпускаемых малыми партиями. При выпуске единичных или нескольких изделий автоматизация, как правило, нерентабельна, это касается, например, изготовления экспериментальных образцов при выполнении НИОКР (научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы – Research and Development – R&D). В этом случае обычно применяется ручная работа и универсальные станки.

Билет 10

1. О многоядерности как концепции, различия между ядрами одной микроархитектуры, ревизии ЦП

Многоя́дерный проце́ссор — центральный процессор, содержащий два и более вычислительных ядра на одном процессорномкристалле или в одном корпусе.

Архитектура многоядерных систем Многоядерные процессоры можно классифицировать по наличию поддержки когерентности кеш-памяти между ядрами. Бывают процессоры с такой поддержкой и без нее.

Способ связи между ядрами:

Разделяемая шина

Сеть (Mesh) на каналах точка-точка

Сеть с коммутатором

Общая кеш-память

Кеш-память: Во всех существующих на сегодня многоядерных процессорах кеш-памятью 1-го уровня обладает каждое ядро в отдельности, а кеш-память 2-го уровня существует в нескольких вариантах:

Разделяемая — расположена на одном кристалле с ядрами и доступна каждому из них в полном объёме. Используется в процессорах семейств Intel Core.

индивидуальная — отдельные кеши равного объёма, интегрированные в каждое из ядер. Обмен данными из кешей 2-го уровня между ядрами осуществляется через контроллер памяти — интегрированный (Athlon 64 X2, Turion X2, Phenom) или внешний (использовался в Pentium D, в дальнейшем Intel отказалась от такого подхода).

Производительность

В приложениях, оптимизированных под многопоточность, наблюдается прирост производительности на многоядерном процессоре. Однако, если приложение не оптимизировано, то оно не будет получать практически никакой выгоды от дополнительных ядер, а может даже выполняться медленнее, чем на процессоре с меньшим количеством ядер, но большей тактовой частотой. Это в основном приложения, разработанные до появления многоядерных процессоров, либо приложения, в принципе не использующие многопоточность. Большинство операционных систем позволяют выполнять несколько приложений одновременно. При этом получается выигрыш в производительности даже если приложения однопоточные.

Наращивание количества ядер

На сегодня основными производителями процессоров — Intel и AMD дальнейшее увеличение числа ядер процессоров признано как одно из приоритетных направлений увеличения производительности. В 2011 году освоено производство 8-ядерных процессоров для домашних компьютеров,[1] и 16-ядерных для серверных систем. Имеются экспериментальные разработки процессоров с большим количеством ядер (более 20). Некоторые из таких процессоров уже нашли применение в специфических устройствах Многоядерность сродни использованию нескольких отдельных процессоров в одном компьютере. Только находятся они в одном кристалле и не полностью независимы (например, использование общей кэш-памяти). При использовании уже имеющегося программного обеспечения, созданного для работы только с одним ядром, это даёт определённый плюс. Так, можно запустить одновременно две ресурсоёмкие задачи без какого-либо дискомфорта. А вот ускорение одного процесса – задача для таких систем непосильная. Таким образом, мы получаем практически тот же самый одноядерный процессор с небольшим бонусом в виде возможности использования нескольких требовательных программ одновременно. Различия между ядрами одной микроархитектуры

«Процессорное ядро» (как правило, для краткости его называют просто «ядро») — это конкретное воплощение [микро]архитектуры (т.е. «архитектуры в аппаратном смысле этого слова»), являющееся стандартом для целой серии процессоров. Например, NetBurst — это микроархитектура, которая лежит в основе многих сегодняшних процессоров Intel: Celeron, Pentium 4, Xeon. Микроархитектура задает общие принципы: длинный конвейер, использование определенной разновидности кэша кода первого уровня (Trace cache), прочие «глобальные» особенности. Ядро — более конкретное воплощение. Например, процессоры микроархитектуры NetBurst с шиной 400 МГц, кэшем второго уровня 256 килобайт, и без поддержки Hyper-Threading — это более-менее полное описание ядра Willamette. А вот ядро Northwood имеет кэш второго уровня уже 512 килобайт, хотя также основано на NetBurst. Ядро AMD Thunderbird основано на микроархитектуре K7, но не поддерживает набор команд SSE, а вот ядро Palomino — уже поддерживает. Таким образом, можно сказать что «ядро» – это конкретное воплощение определенной микроархитектуры «в кремнии», обладающее (в отличие от самой микроархитектуры) определенным набором строго обусловленных характеристик. Микроархитектура — аморфна, она описывает общие принципы построения процессора. Ядро — конкретно, это микроархитектура, «обросшая» всевозможными параметрами и характеристиками. Чрезвычайно редки случаи, когда процессоры сменяли микроархитектуру, сохраняя название. И, наоборот, практически любое наименование процессора хотя бы несколько раз за время своего существования «меняло» ядро. Например, общее название серии процессоров AMD — «Athlon XP» — это одна микроархитектура (K7), но целых четыре ядра (Palomino, Thoroughbred, Barton, Thorton). Разные ядра, построенные на одной микроархитектуре, могут иметь, в том числе разное быстродействие.

Ревизия — одна из модификаций ядра, крайне незначительно отличающаяся от предыдущей, почему и не заслуживает звания «нового ядра». Как правило, из выпусков очередной ревизии производители процессоров не делают большого события, это происходит «в рабочем порядке». Так что даже если вы покупаете один и тот же процессор, с полностью аналогичным названием и характеристиками, но с интервалом где-то в полгода — вполне возможно, фактически он будет уже немного другой. Выпуск новой ревизии, как правило, связан с какими-то мелкими усовершенствованиями. Например, удалось чуть-чуть снизить энергопотребление, или понизить напряжение питания, или еще что-то оптимизировать, или была устранена пара мелких ошибок. С точки зрения производительности мы не помним ни одного примера, когда бы одна ревизия ядра отличалась от другой настолько существенно, чтобы об этом имело смысл говорить. Хотя чисто теоретически возможен и такой вариант — например, подвергся оптимизации один из блоков процессора, ответственный за исполнение нескольких команд. Подводя итог, можно сказать что «заморачиваться» ревизиями процессоров чаще всего не стоит: в очень редких случаях изменение ревизии вносит какие-то кардинальные изменения в процессор. Достаточно просто знать, что есть такая штука — исключительно для общего развития.

2. Система ПИД

Пример системы управления с отрицательной обратной связью. Рассмотрим пример такой системы из области теплотехники, скажем, небольшой лабораторный электронагреватель. Его можно получить из стабилизатора напряжения по рис.27, если увеличить максимальное выходное напряжение до 30 В, а в цепь обратной связи включить преобразователь температуры в электрическое напряжение, который называется обычно “датчиком температуры”. Коэффициент передачи такого датчика в данном примере Кос=0,05 В/ 0С. Структурная схема системы на рис.28 будет иметь классический вид рис.13. В отличие от предыдущего примера здесь в контур управления дополнительно включены: камера нагревания и датчик температуры, имеющие коэффициент передачи, зависящий от времени, что в общем виде называется передаточной функцией [9]. Эта функция учитывает инерционность указанных элементов. Напряжение с выхода датчика подадим на инвертирующий вход 9 операционного усилителя, а на прямой вход 10 подадим напряжение U1, изображающее заданную температуру, например 500С. Заданное значение управляемого параметра называют “уставка”. Тогда U1=Кос∙ 50=2,5В. Коэффициент усиления примем К=20. Непосредственное нагревание камеры нагревателя создает резистор нагрузки Rн = 10 ом, по которому протекает ток Iн. Этот резистор можно считать исполнительным элементом.

Рисунок 28. Нагреватель с САУ

Первоначальную температуру нагревателя в выключенном состоянии примем 200С. При включении нагревателя значение рассогласования ε = U1 – Uос = 2,5В –200∙ 0,05 В/ 0 = 1,5 В. Напряжение на резисторе нагревателя Uн = ε ∙ К = 1,5В ∙ 20 = 30В, ток через него Iн = 30В/10ом = 3 А. Выделяемая мощность Р = 30В ∙ 3А = 90 Вт, которая идет на нагревание камеры нагревателя. Ее температура начинает расти, соответственно растет напряжение на выходе датчика температуры, рассогласование начинает падать, напряжение Uн на резисторе Rн тоже начинает падать. В квадрат раз падает мощность на Rн, Рн = Uн2/Rн, скорость нагревания уменьшается. Этот процесс показан на графике справа как кривая 1. При заданной температуре 500С потери энергии в нагревателе вследствие ухода в окружающую среду составляют около = 0,4 Вт. Для получения такой мощности на Rн = 10 ом требуется напряжение U = = 2В. Этому соответствует рассогласование ε = 2В/К=2В/20=0,1В, тогда напряжение обратной связи Uос=U1- ε = 2,5В – 0,1В = 2,4В. Этому соответствует температура нагревателя 2,4В/Кос = 2,4/0,05 = 480С. Таким образом рост температуры остановится на 480С, произойдет недогрев, неточность системы составит 20С (4%). Нетрудно увидеть, что повышение коэффициента усиления в 2 раза с К=20 до К=40 повысит точность системы в 2 раза, получим неточность 10С (2%). Эту постоянную неточность можно снизить еще, если интегрировать рассогласование в установившемся режиме и затем использовать этот интеграл. Нечто аналогичное мы бы делали при ручном управлении, добавляя к заданной температуре 10С, то есть устанавливая заданную температуру не 500С, а 510С. Нам может захотеться ускорить процесс нагревания. Например, если бы нагреватель продолжал, как сначала, выделять 90 Вт, то график пошел бы по кривой 2, что значительно быстрее. Но как остановить процесс нагревания? Если выключить нагреватель в момент достижения заданной температуры, то некоторое время он будет продолжать негревание камеры, так как температура внутри него Тн гораздо больше, чем в камере Тк. В противном случае теплоэнергия не переходила бы от него в камеру. Однако в этом случае происходит перегрев камеры. Это может оказаться недопустимым с точки зрения проводимого химического процесса в камере. Кривая 1 соответствует варианту очень осторожного нагревания, который дает именно отрицательная обратная связь и постоянство коэффициента К (пропорциональность). Для повышения скорости работы нагревателя и точности работы системы управления учитывают величину скорости изменения рассогласования, то есть дифференцируют рассогласование по времени. Здесь необходимо учитывать влияние такого фактора, как инерционность объекта управления, обусловленную тем, что: