Основные технические характеристики контроллеров и программно-технических комплексов

 

Современный рынок контроллеров и программно-технических комплексов весьма разнообразен. Выбор наиболее приемлемого варианта автоматизации представляет собой многокритериальную задачу, решением которой является компромисс между стоимостью, техническим уровнем, надежностью, комфортностью, затратами на сервисное обслуживание, полнотой программного обеспечения и многим другим [3,12].

Поэтому важно выделить основные характеристики и свойства комплексов контроллеров и ПТК, на основании которых можно сделать выбор при построении систем управления.

В качестве таких характеристик предлагается выделить пять обобщенных показателей [12]:

· характеристика процессора;

· характеристика каналов ввода-вывода, поддерживаемых контроллерами;

· коммуникационные возможности;

· условия эксплуатации;

· программное обеспечение.

Рассмотрим эти показатели.

 

Характеристика процессора

Здесь имеется в виду [12]:

· тип, разрядность основной процессорной платы и рабочая частота;

· поддержка математики с плавающей запятой, позволяющая выполнять эффективную обработку данных;

· наличие функции ПИД-регулирования;

· наличие и объем различных видов памяти: ОЗУ (RAM), ПЗУ (ROM), СППЗУ (EPROM), ЭСППЗУ (EEPROM), флэш (Flash).

 

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или RAM (Random Access Memory – память с произвольным доступом) представляет собой тип памяти, которая позволяет чтение и запись в любую ячейку без предварительного поиска. В контроллерах этот тип памяти используется для хранения программ и значений технологических параметров (данных).

ОЗУ теряет информацию при отключении питания, однако существуют «энергонезависимые» модули ОЗУ, содержащие встроенный источник автономного питания.

По принципу действия ОЗУ делятся на статические (на триггерах) и динамические (на ёмкостных ячейках с регенерацией).

Статическая память (SRAM) используется для кэширования данных в процессоре и накопителях, динамическая (DRAM) составляет основной массив памяти.

 

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) или ROM (Read Only Memory – память только для чтения) устроена в виде адресуемого массива ячеек (матрицы), каждая ячейка которого может кодировать единицу информации. Данные на ROM записывались при ее изготовлении путём нанесения на матрице алюминиевых соединительных дорожек литографическим способом. Наличие или отсутствие в соответствующем месте такой дорожки кодировало «0» или «1».

В контроллерах память типа ПЗУ используется для хранения программ пользователя. Данный тип памяти не получил широкого распространения в связи с тем, что современное программное обеспечение зачастую имеет много недоработок и часто требует обновления, в то время как производственный цикл изготовления памяти достаточно длителен (4-8 недель).

Преимущества:

· низкая стоимость готовой запрограммированной микросхемы (при больших объёмах производства);

· высокая скорость доступа к ячейке памяти;

· высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям.

Недостатки:

· невозможность записывать и модифицировать данные после изготовления;

· сложный производственный цикл.

 

EPROM (СППЗУ), EEPROM (ЭСППЗУ) и Flash (флэш) относятся к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти (английский эквивалент – “nonvolatile read-write memory” или NVRWM).

Различные источники по-разному расшифровывают аббревиатуру EPROM – как Erasable Programmable ROM или как Electrically Programmable ROM (стираемые программируемые ПЗУ или электрически программируемые ПЗУ). В EPROM перед записью необходимо произвести стирание (для получения возможности перезаписывать содержимое памяти). Стирание ячеек EPROM выполняется сразу для всей микросхемы посредством облучения чипа ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами в течение нескольких минут.

В EPROM стирание приводит все биты стираемой области в одно состояние (обычно во все единицы, реже – во все нули). Запись на EPROM осуществляется на программаторах.

Большим достоинством такой памяти является возможность перезаписывать содержимое микросхемы.

Недостатки:

· небольшое количество циклов перезаписи;

· невозможность модификации части хранимых данных;

· высокая вероятность «недотереть» (что в конечном итоге приведет к сбоям) или передержать микросхему под ультрафиолетовым светом, что может уменьшить срок службы микросхемы и даже привести к её полной негодности.

 

EEPROM (E²PROM или Electronically EPROM) – электрически стираемая память (ЭСППЗУ) была разработана в 1979 году в компании Intel.

Главной отличительной особенностью EEPROM (в т. ч. и Flash) от ранее рассмотренных типов энергонезависимой памяти является возможность перепрограммирования при подключении к стандартной системной шине микропроцессорного устройства. В EEPROM появилась возможность производить стирание отдельной ячейки при помощи электрического тока. Для EEPROM стирание каждой ячейки выполняется автоматически при записи в нее новой информации, т.е. можно изменить данные в любой ячейке, не затрагивая остальные. Процедура стирания обычно существенно длительнее процедуры записи.

Преимущества EEPROM по сравнению с EPROM: увеличенный ресурс работы, проще в обращении; недостаток – высокая стоимость. В контроллерах этот тип памяти используется как для хранения программ, так и для хранения данных.

 

Flash (полное название – Flash Erase EEPROM) впервые была разработана компанией Toshiba в 1984 году, и уже на следующий год было начато производство 256 Кбит микросхем flash-памяти в промышленных масштабах. В 1988 году компания Intel разработала собственный вариант флэш-памяти.

Во флэш-памяти используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-транзистора. Технологически флэш-память родственна как EPROM, так и EEPROM. Основное отличие флэш-памяти от EEPROM заключается в том, что стирание содержимого ячеек выполняется либо для всей микросхемы, либо для определённого блока (кластера, кадра или страницы). Обычный размер такого блока составляет 256 или 512 байт, однако в некоторых видах флэш-памяти объём блока может достигать 256 Кб. Следует заметить, что существуют микросхемы, позволяющие работать с блоками разных размеров (для оптимизации быстродействия). Стирать можно как блок, так и содержимое всей микросхемы сразу. Таким образом, в общем случае, для того, чтобы изменить один байт, сначала в буфер считывается весь блок, где содержится подлежащий изменению байт, стирается содержимое блока, изменяется значение байта в буфере, после чего производится запись измененного в буфере блока. Такая схема существенно снижает скорость записи небольших объёмов данных в произвольные области памяти, однако значительно увеличивает быстродействие при последовательной записи данных большими порциями.

Преимущества флэш-памяти по сравнению с EEPROM:

· более высокая скорость записи при последовательном доступе за счёт того, что стирание информации во флэш производится блоками;

· себестоимость производства флэш-памяти ниже за счёт более простой организации.

Недостаток – медленная запись в произвольные участки памяти.

Поскольку речь идет о памяти процессора, который является основным компонентом управляющего контроллера, предпочтительными типами памяти являются динамическая ОЗУ (RAM), которая обладает наибольшим быстродействием, и прогрессирующая флэш-память, которая обладает достаточно высокой скоростью доступа, энергонезависима и имеет невысокую стоимость.