Техническое обеспечение вычислительных систем

Тема 4.1

ЭВМ и периферийные устройства

Организация процессора и памяти, выполнение команд, прерывания, ввод-вывод, параллельные системы.

Функциональная и структурная организация процессора

Классическая архитектура фон Неймана: единая память команд и данных, программа хранится в памяти, команды выполняются последовательно. Состав процессора:

• Устройство управления (УУ) — выбирает команды, дешифрует их и вырабатывает управляющие сигналы для всех блоков;
• Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — выполняет арифметические и логические операции;
• Регистры — сверхбыстрая память внутри процессора: аккумулятор/регистры общего назначения, счётчик команд PC, регистр команды IR, указатель стека SP, регистр флагов;
• Кэш-память, блок вычислений с плавающей точкой, устройство сопряжения с шиной.

Назначение основных регистров:

Устройство управления реализуется двумя способами. Аппаратное (жёсткая логика) — управляющие сигналы вырабатывает комбинационная схема: максимально быстро, но менять систему команд нельзя (типично для RISC). Микропрограммное — каждая команда исполняется как последовательность микрокоманд из специальной памяти микропрограмм: гибко, легко реализовать сложные команды и даже исправлять ошибки обновлением микрокода, но медленнее (типично для CISC). Это и есть материальная основа деления CISC/RISC: сложные многотактные команды с микропрограммным УУ против компактного набора простых однотактных команд с жёсткой логикой (подробнее — в теме 4.3).

Представление информации в ЭВМ

Всё в памяти — двоичные коды; интерпретация (число, команда, символ, пиксел) задаётся программой.

Организация внутренней памяти

Память строится иерархией «быстрее — меньше — дороже»:

Кэш хранит копии активно используемых блоков ОЗУ; работает благодаря локальности обращений (временно́й и пространственной). При промахе блок подгружается из следующего уровня.

SRAM против DRAM. Ячейка статической памяти (SRAM) — триггер из шести транзисторов: хранит бит, пока есть питание, читается за единицы тактов, но дорога и объёмна — из неё строят кэш. Ячейка динамической (DRAM) — один транзистор и конденсатор: в разы плотнее и дешевле, но заряд стекает, поэтому каждые несколько миллисекунд контроллер обязан перезаписывать (регенерировать) все строки, а чтение разрушает заряд и требует восстановления — отсюда и бо́льшее время доступа. ПЗУ хранит неизменяемые данные (начальный загрузчик), флеш-память — энергонезависимая перезаписываемая (BIOS/UEFI, SSD).

Организация кэша. Обмен с кэшем идёт блоками (строками) по 32–64 байта. Куда класть блок ОЗУ — три схемы отображения:

• прямое отображение — каждому адресу соответствует ровно одна строка кэша (по младшим битам номера блока): простое и быстрое сравнение одного тега, но два «конфликтующих» адреса вытесняют друг друга;
• полностью ассоциативное — блок может лечь в любую строку: конфликтов нет, но нужно параллельно сравнивать все теги — дорого;
• наборно-ассоциативное — компромисс и практический стандарт: адрес указывает на набор из 4–16 строк, внутри набора — ассоциативный поиск.

При заполненном наборе строку выбирает политика замещения (обычно LRU — вытесняется дольше всех не использовавшаяся). Политика записи: сквозная (write-through) — запись сразу и в кэш, и в ОЗУ (просто, но каждый раз занята шина); обратная (write-back) — запись только в кэш с пометкой строки «грязной», в ОЗУ — лишь при вытеснении (быстрее, так работают современные ЦП). Эффективность характеризует доля попаданий: среднее время доступа t = t_кэш + (1 − p)·t_ОЗУ — уже при p = 95 % медленная память почти «исчезает».

Стадии выполнения команды. Конвейер

Основные стадии цикла: выборка команды (по адресу из счётчика команд) → декодирование → выборка операндов → выполнение в АЛУ → запись результата. Конвейеризация совмещает стадии разных команд: пока одна выполняется, следующая декодируется, а третья выбирается — в идеале одна команда завершается каждый такт. Конвейер тормозят конфликты: структурные, по данным, по управлению (переходы — отсюда предсказание ветвлений).

Три вида конвейерных конфликтов (хазардов) и способы борьбы:

• Структурные — двум стадиям одновременно нужен один ресурс (например, память для выборки команды и чтения данных). Решение — дублирование ресурсов: раздельные кэши команд и данных (гарвардская организация на уровне L1), многопортовые регистровые файлы.
• По данным — команда использует результат предыдущей, который ещё не записан. Решения: обходной тракт (форвардинг) — результат передаётся с выхода АЛУ прямо на вход следующей команды, минуя запись в регистр; переупорядочивание команд компилятором или самим процессором (внеочередное исполнение); в крайнем случае — «пузырь» (такт простоя).
• По управлению — до вычисления условного перехода неизвестно, какие команды выбирать дальше. Решение — предсказание переходов: аппаратура запоминает историю каждого перехода и заранее выбирает наиболее вероятную ветвь; при ошибке конвейер сбрасывается (десятки потерянных тактов — потому точность предсказателей доведена до 95–99 %).

Развитие идеи — суперскалярность: несколько параллельных конвейеров запускают за такт две и более команды; вместе с внеочередным исполнением и предсказанием это основной источник производительности современных ЦП на одном ядре.

Прерывания

Цикл обработки: устройство выставляет запрос → контроллер прерываний определяет приоритет → процессор завершает текущую команду, сохраняет контекст (счётчик команд, флаги) в стеке → по номеру прерывания из таблицы векторов берётся адрес обработчика → выполняется обработчик → команда возврата восстанавливает контекст. Приоритеты и маскирование позволяют упорядочивать одновременные запросы.

Дополнительные различения, которые спрашивают отдельно:

• Маскируемые и немаскируемые. Маскируемые прерывания можно временно запретить сбросом флага разрешения (на время критических участков); немаскируемое (NMI) игнорировать нельзя — оно зарезервировано за катастрофами: сбой питания, ошибка памяти.
• Векторные и опросные. В векторной системе источник (или контроллер) сам сообщает номер — адрес обработчика берётся из таблицы векторов за одно обращение. В опросной процессор, получив общий сигнал, программно опрашивает устройства «ты просил?» — проще аппаратура, дольше реакция.
• Вложенные прерывания. Если во время обработчика приходит запрос с бо́льшим приоритетом, он прерывает и обработчик (контексты складываются в стек как матрёшка); запросы с меньшим приоритетом ждут. Так гарантируется реакция на срочное событие даже «внутри» несрочного.
• Контроллер прерываний (классический пример — каскад двух микросхем 8259 в IBM PC, сегодня — APIC) собирает запросы линий IRQ, маскирует, выстраивает по приоритетам и передаёт процессору один запрос с номером вектора.

Организация ввода-вывода

• Программный опрос — процессор циклически проверяет готовность устройства: просто, но процессорное время тратится на ожидание;
• По прерываниям — устройство само сигнализирует о готовности: процессор свободен между событиями;
• Прямой доступ к памяти (ПДП/DMA) — контроллер ПДП пересылает блоки данных между устройством и памятью без участия процессора; процессор лишь запускает обмен и получает прерывание по завершении. Применяется для дисков, сети, видео.

Два способа адресации устройств: изолированный ввод-вывод — отдельное адресное пространство портов и специальные команды IN/OUT (x86); отображённый на память — регистры устройств встроены в общее адресное пространство, обращение обычными командами чтения/записи (ARM, микроконтроллеры) — проще система команд, но часть адресов памяти занята устройствами.

Логическое развитие ПДП в больших машинах — каналы (процессоры) ввода-вывода: специализированные процессоры со своей системой команд, которые самостоятельно исполняют целые канальные программы обмена (цепочки пересылок с преобразованием), полностью разгружая центральный процессор; идея пришла из мейнфреймов IBM и живёт в современных контроллерах-«умных» адаптерах (сетевые карты с разгрузкой TCP, NVMe-контроллеры с очередями команд).

Видеосистема ЭВМ

Видеоадаптер = видеопамять + графический процессор. В видеопамяти живёт кадровый буфер — по ячейке на каждый пиксел экрана; RAMDAC/цифровой интерфейс (HDMI, DisplayPort) выводит его на монитор с частотой обновления. GPU — массово-параллельная архитектура (тысячи простых ядер): задачи растеризации однотипны и независимы по пикселам, поэтому идеально параллелятся — по классификации Флинна это SIMD. Тот же параллелизм сделал GPU главным вычислителем для нейросетей.

Развёртка и вывод изображения. Растровый принцип: изображение — прямоугольная матрица пикселов, контроллер видеовывода построчно «сканирует» кадровый буфер с частотой обновления (60–144 Гц) и формирует поток пикселов для монитора. Характеристики режима: разрешение, глубина цвета (8 бит на канал × RGB = 24/32 бита — 16,7 млн оттенков), частота кадров. Для аналоговых мониторов цифро-аналоговое преобразование выполнял RAMDAC (VGA); цифровые интерфейсы передают пикселы без преобразования: DVI → HDMI (плюс звук) → DisplayPort (пакетная передача, несколько мониторов). Исторический контраст — векторные дисплеи, где луч рисовал линии по координатам: сегодня победил растр, а «векторность» осталась в описании графики (шрифты, SVG), растеризуемой перед выводом.

Внешние запоминающие устройства

HDD: пакет магнитных пластин, головки на общем приводе; данные лежат на концентрических дорожках, разбитых на секторы (512 Б / 4 КБ); дорожки одного радиуса на всех пластинах — цилиндр. Время доступа складывается из подвода головки (seek), ожидания поворота диска и передачи.

SSD: флеш-память NAND, контроллер с трансляцией адресов; особенности — ограниченный ресурс перезаписи ячеек (контроллер выравнивает износ), запись только в стёртые блоки (команда TRIM сообщает, что блоки свободны). Ленты — архивное хранение с минимальной ценой за терабайт, последовательный доступ. Надёжность массивов повышают RAID:

Существует и RAID 6 — двойная распределённая чётность: ёмкость n−2, но массив переживает отказ двух любых дисков. Он вытесняет RAID 5 на больших дисках: восстановление многотерабайтного диска идёт часами, и вероятность второго отказа (или ошибки чтения) за это время уже нельзя игнорировать. В серьёзных массивах держат диск горячего резерва (hot spare) — перестроение начинается автоматически, без ожидания замены.

Параллельные и многопроцессорные системы

Классификация Флинна по потокам команд/данных: SISD (классическая ЭВМ), SIMD (одна команда над многими данными — векторные машины, GPU), MISD (практически не используется), MIMD (независимые процессоры — многопроцессорные и многомашинные системы).

• Многопроцессорные — несколько процессоров с общей памятью (SMP, многоядерные ЦП); взаимодействие через общую память, проблема когерентности кэшей.
• Многомашинные — узлы со своей памятью, связанные сетью (кластеры, MPP-суперкомпьютеры); взаимодействие передачей сообщений (MPI).

Внутри систем с общей памятью различают UMA (единое время доступа к любой ячейке — классический SMP) и NUMA (память распределена по процессорным узлам: «своя» быстрее «чужой» — все современные многосокетные серверы). Проблема когерентности кэшей: одна переменная скопирована в кэши разных ядер — запись в одном должна стать видимой остальным; решается аппаратными протоколами слежения (например, MESI: каждая строка кэша находится в состоянии Modified/Exclusive/Shared/Invalid, и записи рассылают уведомления-инвалидации).

Тема 4.2

Сети и телекоммуникации

Каналы, методы доступа, топологии, протоколы, беспроводные сети, сервисы, проектирование.

Каналы передачи данных

• Проводные: витая пара (Ethernet до 10 Гбит/с, ~100 м), коаксиальный кабель (исторически), волоконно-оптические линии — свет в кварцевом волокне: огромная полоса, километры без регенерации, нечувствительность к помехам (магистрали);
• Беспроводные: радиоканалы (Wi-Fi, сотовые сети), спутниковые.
• Характеристики канала: пропускная способность (бит/с), задержка, достоверность (вероятность ошибки), помехозащищённость.

Подробнее о средах: витая пара — скрутка двух проводов компенсирует наводки (помеха наводится на оба провода одинаково и вычитается приёмником), категории 5e/6/6A определяют полосу и скорость (1–10 Гбит/с до 100 м); экранированные варианты (STP/FTP) — для цехов. Оптоволокно: многомодовое (толстая сердцевина ~50 мкм, светодиодные передатчики, сотни метров — внутри зданий) и одномодовое (сердцевина ~9 мкм, лазер, один луч без межмодовой дисперсии — десятки километров, магистрали). Затухание сигнала измеряют в децибелах на километр; у одномодового волокна оно минимально.

Теоретические пределы скорости канала связывают полосу пропускания F (Гц) и скорость C (бит/с):

Способы коммутации

Как соединить абонентов через сеть узлов — три принципа:

• Коммутация каналов — на время сеанса выделяется сквозной физический путь (классическая телефония): гарантированная полоса и постоянная задержка, но канал простаивает в паузах, а установление соединения занимает время.
• Коммутация сообщений — сообщение целиком передаётся от узла к узлу с промежуточным хранением (телеграф, электронная почта): не нужен сквозной канал, но большие задержки и требования к памяти узлов.
• Коммутация пакетов — сообщение режется на небольшие пакеты, каждый маршрутизируется независимо и узлы пересылают их «на лету»: канал делится между всеми потоками статистически, отказы обходятся перемаршрутизацией — принцип, на котором построены все современные сети, включая Интернет. Плата — переменная задержка (джиттер) и возможная потеря/переупорядочение пакетов, которые исправляет транспортный уровень.

Топологии локальных сетей

Сводное сравнение (включая топологии без демо):

Методы доступа к среде

• CSMA/CD (классический Ethernet): слушай перед передачей; при столкновении (коллизии) — прекратить, выждать случайную паузу. В современных коммутируемых сетях коллизий нет.
• CSMA/CA (Wi-Fi): предотвращение коллизий — случайная отсрочка до передачи, подтверждения кадров.
• Маркерный доступ (Token Ring): передаёт только владелец циркулирующего маркера — детерминированное время доступа.

Алгоритм CSMA/CD по шагам: 1) слушать канал (carrier sense); 2) тишина — передавать, продолжая слушать; 3) обнаружена коллизия — прекратить, послать короткий сигнал «затор» (jam), чтобы её заметили все; 4) выждать случайную паузу по алгоритму двоичной экспоненциальной отсрочки — интервал выбора паузы удваивается после каждой повторной коллизии (окно 0–1, 0–3, 0–7… слотов); 5) повторить попытку. Ограничение метода: коллизия должна успеть добежать до передатчика, пока тот ещё передаёт, — отсюда минимальная длина кадра (64 байта) и предел диаметра коллизионного домена.

В радиоэфире передатчик «глушит» собственный приёмник и коллизию не услышит — поэтому Wi-Fi применяет CSMA/CA (предотвращение): случайная отсрочка до передачи даже при свободном канале, обязательное подтверждение ACK каждого кадра (нет ACK — считаем, что была коллизия), опционально обмен RTS/CTS для борьбы с проблемой «скрытого узла» (две станции не слышат друг друга, но обе слышны точке доступа).

Случайные против детерминированных: случайные методы (CSMA) просты и эффективны при низкой загрузке, но время доступа — величина вероятностная и при перегрузке растёт лавинообразно; детерминированные (маркер, циклический опрос) гарантируют максимальное время ожидания, что критично для промышленных сетей и систем реального времени, ценой накладных расходов при простое.

Сетевые протоколы: модель OSI и TCP/IP

В стеке TCP/IP уровней четыре: канальный (OSI 1–2) → межсетевой IP (OSI 3) → транспортный (OSI 4) → прикладной (OSI 5–7). Адресация по уровням: MAC-адрес (48 бит, «зашит» в адаптер, действует в пределах сегмента) → IP-адрес (логический, глобальная маршрутизация) → порт (16 бит, идентифицирует процесс на узле: 80 — HTTP, 25 — SMTP, 53 — DNS).

Стек TCP/IP: канальный уровень (Ethernet, Wi-Fi) → сетевой IP (адресация и маршрутизация, негарантированная доставка) → транспортный: TCP (соединение, гарантия доставки и порядка, управление потоком) и UDP (без гарантий, минимальные накладные расходы — потоковое видео, DNS) → прикладной (HTTP, SMTP, FTP, DNS).

Как TCP обеспечивает надёжность. Каждый байт потока нумеруется; приёмник подтверждает полученное (ACK-номер — «жду байт с этого номера»), потерянные сегменты передатчик повторяет по тайм-ауту или по трём повторным подтверждениям. Скользящее окно решает две задачи сразу: управление потоком (приёмник объявляет, сколько ещё готов принять, — передатчик не заваливает медленного) и эффективность (не ждать подтверждения каждого сегмента, а держать «в полёте» целое окно). Управление перегрузкой — отдельный механизм: окно перегрузки растёт, пока сеть доставляет (медленный старт, затем линейный рост), и резко сокращается при потерях — так миллионы TCP-потоков самобалансируются, не зная друг о друге.

Классы и специальные адреса. Исторически IPv4-адреса делились по первым битам на классы: A (0…127, маска /8 — 16,7 млн хостов), B (128…191, /16 — 65 534 хоста), C (192…223, /24 — 254 хоста), D — групповая рассылка, E — резерв. Классовая схема расточительна (организации нужен «средний» размер — а классов всего три), поэтому её сменила бесклассовая адресация CIDR с маской произвольной длины — она и показана в примере выше. Зарезервированы частные диапазоны, не маршрутизируемые в Интернете: 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16; loopback 127.0.0.1.

Служебные протоколы вокруг IP:

• ARP — узнаёт MAC-адрес по IP внутри сегмента: широковещательный вопрос «у кого адрес 192.168.4.7?» — владелец отвечает своим MAC; результат кэшируется. Без ARP кадр просто некому адресовать.
• ICMP — служебные сообщения IP: «узел недостижим», «время жизни истекло». На нём построены ping (эхо-запрос/ответ) и traceroute (пакеты с растущим TTL: каждый маршрутизатор по пути «выдаёт себя» ICMP-ответом).
• DHCP — автоматическая выдача узлу адреса, маски, шлюза и DNS при подключении (аренда на срок с продлением).
• NAT — трансляция адресов на границе частной сети: множество внутренних адресов выходит в Интернет через один публичный, маршрутизатор подменяет адреса/порты и ведёт таблицу соответствий. Побочно скрывает внутреннюю структуру сети; именно NAT позволил IPv4 дожить до массового IPv6 (128-битные адреса, автоконфигурация, отказ от NAT).

Межсетевое взаимодействие — объединение сетей разных технологий: повторитель/концентратор (физический уровень), мост/коммутатор (канальный, по MAC-адресам), маршрутизатор (сетевой, по IP-адресам, выбор маршрута), шлюз (согласование разных стеков протоколов, верхние уровни).

Беспроводные сети и телекоммуникации

• Wi-Fi (IEEE 802.11) — локальные сети: точки доступа, диапазоны 2,4/5/6 ГГц, защита WPA2/WPA3;
• Bluetooth — персональные сети малого радиуса (профили: гарнитура, передача файлов, BLE для датчиков); сотовые 4G/5G — глобальная мобильная связь;
• Телекоммуникационные системы — первичные сети (волоконно-оптические магистрали SDH/DWDM), сети доступа, коммутация каналов и пакетов.

Поколения Wi-Fi, которые полезно знать по именам:

Диапазон 2,4 ГГц дальше «пробивает» стены, но зашумлён (микроволновки, Bluetooth, соседи) и содержит лишь три непересекающихся канала; 5/6 ГГц — быстрее и чище, но радиус меньше. Bluetooth использует те же 2,4 ГГц со скачкообразной сменой частот (устойчивость к помехам); версия BLE жертвует скоростью ради лет работы датчика от батарейки. Сотовые поколения: 2G — цифровой голос и SMS, 3G — мобильные данные, 4G/LTE — полностью пакетная IP-сеть (десятки–сотни Мбит/с), 5G — гигабиты, миллисекундные задержки и массовый Интернет вещей.

Безопасность беспроводных сетей — критична: радиоэфир «слышат» все в радиусе действия, подключиться можно не заходя в здание. Эволюция защиты Wi-Fi: открытые сети (трафик виден любому) → WEP (первый стандарт, взламывается за минуты — не использовать) → WPA/WPA2 (шифрование AES-CCMP, общий пароль PSK для дома) → WPA3 (защита от офлайн-подбора пароля). На предприятиях — режим WPA2/WPA3-Enterprise: каждый пользователь аутентифицируется индивидуально по стандарту 802.1X/EAP через сервер RADIUS — украденный пароль одного сотрудника отзывается, не трогая остальных. Дополнительно: гостевые сети в отдельном VLAN, скрытие и сегментация SSID.

Программные платформы беспроводных решений: стек протоколов 802.11 в ОС и прошивках точек доступа, контроллеры беспроводных сетей (централизованное управление сотнями точек), Bluetooth-стеки с профилями, платформы Интернета вещей — лёгкий протокол обмена MQTT (издатель–подписчик через брокера) поверх Wi-Fi/сотовой связи, энергоэффективные mesh-сети датчиков (ZigBee, Thread).

Сетевые сервисы: DNS (имена → адреса), DHCP (автоконфигурация адресов), электронная почта (SMTP/POP3/IMAP), WWW (HTTP/HTTPS), передача файлов (FTP), удалённый доступ (SSH), каталоги (LDAP).

Проектирование вычислительных сетей

Этапы: анализ требований (число узлов, трафик, сервисы, рост) → выбор топологии и технологий → структурированная кабельная система (СКС) → логическое проектирование: план IP-адресации (подсети, маски), сегментация VLAN → выбор активного оборудования (коммутаторы, маршрутизаторы) → защита (межсетевые экраны, резервирование каналов) → документирование.

Структурированная кабельная система (СКС) — универсальная кабельная инфраструктура здания, проектируемая один раз «под всё» (данные, телефония, видео) независимо от конкретных технологий. Подсистемы: горизонтальная — от розетки рабочего места до этажного кросса (витая пара, лимит 90 м + 10 м на шнуры); магистраль здания — между этажными и главным кроссом (оптика); магистраль комплекса — между зданиями. Правила: избыточность розеток (порты закладываются с запасом), документирование и маркировка каждой линии, сертификационные измерения после монтажа.

Типовая логическая структура сети предприятия — три яруса: доступ (коммутаторы рабочих мест) → распределение (агрегация этажей, политика, VLAN-маршрутизация) → ядро (быстрая коммутация магистралей, резервирование). VLAN делит один физический коммутатор на изолированные логические сети (бухгалтерия отдельно от гостевого Wi-Fi); связь между VLAN — только через маршрутизатор/L3-коммутатор, где и применяются правила доступа.

Распределённая обработка информации

Архитектуры распределённой среды — от простого к сложному:

• Файл-сервер — сервер хранит только файлы, вся обработка на клиентах; сеть забивается передачей целых файлов.
• Клиент–сервер (двухзвенная) — сервер БД выполняет запросы, клиент шлёт SQL и получает только результат; логика делится между «толстым» клиентом и сервером.
• Трёхзвенная / многозвенная — между клиентом и БД появляется сервер приложений с бизнес-логикой: тонкие клиенты (браузер), централизованное обновление логики, масштабирование среднего звена. Развитие — микросервисы: приложение как набор независимых сетевых служб.
• Кластер — группа машин, работающих как один узел (высокая доступность, балансировка нагрузки); грид — объединение разнородных удалённых ресурсов под общую вычислительную задачу; облачные технологии — ресурсы как услуга по требованию: IaaS (виртуальные машины), PaaS (платформа), SaaS (готовое приложение), с оплатой по потреблению и эластичным масштабированием.

Ключевые механизмы: сетевое взаимодействие через RPC/веб-сервисы (HTTP/REST), репликация данных между узлами, балансировка нагрузки; плата за распределённость — задержки сети, частичные отказы и сложность согласованности данных.

Тема 4.3

Микропроцессорные средства и системы

Классификация, архитектура микропроцессорной системы, интеллектуальные реле, промышленные контроллеры — по методичке Васильева и Милованова «Промышленные контроллеры Twido».

Классификация микропроцессорных средств

• Микропроцессоры общего назначения — максимальная производительность, внешняя память (ЦП компьютеров);
• Микроконтроллеры — процессор + память + периферия (порты, таймеры, АЦП) на одном кристалле — встраиваемые системы управления (классика — семейство MCS-51);
• Сигнальные процессоры (DSP) — обработка сигналов в реальном времени (умножение с накоплением за такт);
• ПЛИС — программируемая логика, аппаратная реализация алгоритмов;
• Секционные (разрядно-модульные) процессоры — исторически, для построения спецЭВМ.

Современное пополнение классификации — система на кристалле (SoC): на одном чипе процессорные ядра общего назначения, графика, память, контроллеры связи и специализированные ускорители (процессоры смартфонов, одноплатники вроде Raspberry Pi). Выбор средства — инженерный компромисс: микроконтроллер — когда нужны цена, энергоэффективность и жёсткое реальное время; DSP — потоковая математика над сигналом; ПЛИС — параллельная логика с наносекундной реакцией и нестандартные интерфейсы; SoC/микропроцессор — когда нужна полноценная ОС и богатое ПО.

Архитектура микропроцессорной системы

• Шина адреса задаёт ячейку/устройство (ширина определяет объём адресуемой памяти), шина данных переносит данные, шина управления — сигналы чтения/записи, запросы прерываний, ПДП.
• Архитектура фон Неймана — общая память программ и данных; гарвардская — раздельные памяти и шины (типична для микроконтроллеров: программа во флеш, данные в ОЗУ).
• CISC — сложная система команд; RISC — сокращённый набор простых команд, выполняемых за такт (микроконтроллеры, ARM).

Цикл обращения к магистрали — элементарная транзакция «процессор ↔ память/устройство». Цикл чтения: процессор выставляет адрес на шину адреса → активирует сигнал чтения (RD) на шине управления → адресуемое устройство выставляет данные на шину данных → процессор фиксирует их и снимает сигналы. Цикл записи симметричен: адрес и данные выставляет процессор, устройство фиксирует по сигналу записи (WR). В синхронной шине всё привязано к тактам общего генератора; в асинхронной обмен квитируется парой сигналов «готов/принял» — работает с устройствами любой скорости. Медленное устройство может растягивать цикл сигналом готовности (wait states). Поскольку магистраль общая, одновременно ей владеет один задатчик: споры процессора и контроллера ПДП решает арбитр шины.

Интеллектуальное реле

Отличие от ПЛК: меньше точек ввода-вывода, нет развитых коммуникаций и модульного расширения, ниже цена.

Промышленные программируемые контроллеры (ПЛК)

Устройство (на примере Schneider Twido из методички): процессорный модуль (компактный или модульный), блок питания, модули дискретного и аналогового ввода-вывода, коммуникационные интерфейсы (Modbus, Ethernet); среда программирования TwidoSuite.

Цикл сканирования ПЛК повторяется непрерывно:

Память и режимы работы ПЛК. Программа хранится в энергонезависимой памяти (флеш/EEPROM), рабочие данные — в ОЗУ; отмеченные области данных (счётчики наработки, рецепты) сохраняются при отключении питания батарейкой или переносом во флеш. Режимы: RUN — циклическое исполнение, STOP — программа остановлена, выходы в безопасном состоянии (загрузка программы, наладка); онлайн-мониторинг позволяет наблюдать значения переменных прямо в исполняющейся лестничной диаграмме. Критерии выбора ПЛК в проекте: число и типы точек ввода-вывода (с запасом на развитие), время цикла, поддерживаемые сети, условия эксплуатации (температура, вибрации), необходимость резервирования, инструментальная среда.

Языки программирования ПЛК по стандарту МЭК 61131-3:

• графические: LD — лестничные (релейные) диаграммы, FBD — функциональные блоки, SFC — последовательные функциональные схемы (этапы и переходы);
• текстовые: IL — список инструкций (ассемблероподобный, используется в Twido), ST — структурированный текст (паскалеподобный).

|--[ %I0.0 ]----( TON %TM0, 2s )--|
|--[ %TM0.Q ]----(  %Q0.0  )-----|

LD  %I0.0       (загрузить состояние кнопки)
IN  %TM0        (запустить таймер задержки)
LD  %TM0.Q      (выход таймера)
ST  %Q0.0       (записать в выход-лампу)

timer(IN := I0_0, PT := T#2s);
Q0_0 := timer.Q;

Адресация переменных Twido/M221 (встречается в билетах): %I0.x — дискретные входы, %Q0.x — дискретные выходы, %Mi — внутренние (маркерные) биты, %MWi — внутренние слова памяти (16 бит), %TMi — таймеры (выход таймера — бит %TMi.Q, уставка — %TMi.P), %Ci — счётчики; %IWi/%QWi — аналоговые (словные) входы/выходы. Пример из билета: «показать на выходах %Q0.0–%Q0.7 состояние первых 8 бит слова %MW3» — в цикле копируются биты слова в выходы (в LD — восемь ступеней с контактом бита %MW3:Xi и катушкой %Q0.i).

Промышленные сети

Назначение: связать контроллеры, датчики, исполнительные механизмы и операторские станции в единую систему управления. Требования, отличающие их от офисного Ethernet: детерминизм — гарантированное время доставки (команда клапану не может «подождать, пока сеть освободится»), помехозащищённость в цеху (двигатели, сварка, частотные приводы), работа на длинных линиях, промышленное исполнение разъёмов.

Физическая организация. Классическая полевая шина строится на RS-485: экранированная витая пара, дифференциальный сигнал (передаётся разность напряжений двух проводов — синфазная помеха наводится на оба и вычитается), шинная топология с терминаторами на концах, до 32 устройств на сегменте, сотни метров без повторителей; часто добавляется гальваническая развязка узлов. Уровнем ниже датчики подключают токовой петлёй 4–20 мА (ток не искажается длиной линии, обрыв виден как 0 мА).

Основные протоколы:

• Modbus RTU — ведущий/ведомый (master–slave) поверх RS-485: мастер по очереди опрашивает ведомых по адресам, данные — «регистры» и «катушки»; предельно прост, поддерживается всем (в том числе Twido и M221). Modbus TCP — те же регистры поверх Ethernet.
• Profibus DP — быстрая полевая шина (до 12 Мбит/с) для децентрализованной периферии; циклический детерминированный обмен.
• CAN — шина с арбитражем по приоритету: все слышат всех, при одновременной передаче побеждает кадр с меньшим идентификатором без потери времени; помехоустойчива, родом из автомобилей, в промышленности — CANopen.
• Промышленный Ethernet — PROFINET, EtherCAT, Ethernet/IP: привычная среда, но с механизмами реального времени (выделенные такты, обработка кадра «на лету» в EtherCAT); вытесняет классические шины, стирая границу с офисной сетью.

Место МПС в иерархии автоматизации. Снизу вверх: полевой уровень — датчики и исполнительные механизмы (токовая петля, полевые шины) → уровень управления — ПЛК и интеллектуальные реле (циклы миллисекунды) → диспетчерский уровень — SCADA-серверы и операторские станции (секунды, архивы, тревоги) → уровни MES и ERP (производственное и корпоративное планирование). Чем выше уровень, тем больше данных и слабее требования реального времени — поэтому внизу царят детерминированные полевые шины, а наверху обычный Ethernet и базы данных; стыкует их OPC UA (подробнее — в теме 4.2 о распределённой обработке).