Особенности работы бортовой цифровой вычислительной машины в системе управления полетом
Особенности построения БЦВМ и некоторые вопросы программирования изложены в работах [1, 14].
В последние годы ведутся работы по созданию цифровых датчиков и исполнительных механизмов, однако они не нашли еще широкого применения в системах управления полетом. Некоторые сведения о зарубежных системах воздушных сигналов и сервомеханизмах с цифровым управлением приведены в книге [9].
Обычно датчики выдают, а исполнительные механизмы принимают сигналы в аналоговой форме. Для связи этих устройств с БЦВМ используется специальное устройство ввода — вывода (УВВ), которое вместе с цифровым вычислительным устройством (ЦВУ) и образует БЦВМ. На входе УВВ имеется многоканальный коммутатор. Информацию, поступающую от параллельно работающих датчиков, коммутатор преобразует в — последовательную форму. Многоканальный коммутатор принимает ряд одновременно действующих непрерывных сигналов и выдает на единственную выходную шину последовательность импульсов. Амплитуда каждого импульса пропорциональна величине сигнала, поступающего с определенного датчика информации. Коммутатор соединяет выходы аналоговых датчиков с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Собственно АЦП — это устройство, преобразующее упомянутый импульс в двоично-кодированный сигнал.
Наиболее распространена в ЦВМ двоичная система счисления, в которой числа удобно представляют набором электрических или магнитных элементов с двумя устойчивыми состояниями. Кроме того, па подобных элементах при использовании двоичной системы счисления очень просто реализуются арифметические и логические операции. Если в десятичной системе счисления любое число может быть представлено цифрами 0,1 …9, то в двоичной системе используются только цифры 0 и 1. Запись любого целого числа в двоичной системе счисления обозначает представление этого числа в виде суммы степеней основания 2 с коэффициентами 0 или 1. Эти коэффициенты и являются цифрами в записи числа.
В современных БЦВМ приняты две формы записи чисел." При і а пней чисел в форме с фиксированной запятой запятая всегда считается расположенной после определенного разряда. Например, если она фиксируется после знакового разряда, то все числа имеют модуль, меньший 1.
В машинах с плавающей запятой запятая может располагаться после любого разряда.
При операциях над числами с фиксированной запятой могут появиться промежуточные числа с модулем, равным или большим 1. В этом случае произойдет переполнение разрядной сетки БЦВМ и результат исказится. Чтобы избежать этого, производится масштабирование всех чисел. Масштабирование достаточно трудоемкая операция. Для правильного масштабирования необходимо заранее. шать максимальные значения всех входных, выходных и промежу — Iочных величин, участвующих в вычислениях. При работе в режиме с плавающей запятой забота о масштабах отпадает, однако при ном происходит некоторое замедление работы БЦВМ
После завершения преобразования аналогового сигнала в цифровой код полученное число должно быть считано в ЦВУ. Так как ЦВУ принимает информацию в моменты времени, задаваемые тактовым генератором, то необходимо предусмотреть возможность фиксировать сигнал с выхода с АЦП до момента, когда ЦВУ смола г принять информацию. Эту задачу выполняет цифровой фикса — I >р, который передает численные значения сигналов датчиков дате в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Кроме ОЗУ, н которой хранятся текущие значения входных и выходных величии и результаты промежуточных вычислений, в состав ЦВУ вхо — и! долговременное запоминающее устройство (ДЗУ). В ДЗУ хшн ни тс я рабочая программа вычисления соответствующих алгоритмов, •ч іпкже цифровые значения различных исходных данных, коэффициентов и т. п.
Любое запоминающее устройство разбито на ряд элементов, на — ьнпсмьіх ячейками памяти. Все ячейки занумерованы и находятся і определенных местах (позициях). Номер ячейки, в которой запи — ип команда, называется адресом. Каждая ячейка памяти может
0 щржать определенную группу данных (слово). Для того, чтобы піп пі или получить данные из определенных ячеек, необходимо
пь их адреса. Когда новая информация входит в определенную ічиіку, она автоматически замещает предыдущую. Однако, когда информация берется из указанной ячейки, та первоначальная информация остается без изменения. Емкость памяти запоминающе! и устройства определяется количеством слов, которое оно мо-
1 і і хранить.
В ■•осімв ЦВУ входят арифметическое устройство, которое выпи пин і нее арифметические и некоторые другие операции над чис-
ми или символами, и устройство управления, задачей которого чи шеи и pm шифровка команд, поступающих в вычислительное устриц і їй і, синхронизация и управление всеми устройствами БЦВМ.
!•’ іраичяіощсе устройство содержит главный тактовый генера — іпр и спя і а иные с ним схемы синхронизации, а также переключающие схемы, распределяющие поток информации между различными частями системы.
ЦВУ могут быть последовательного и параллельного действия, Во-первых информация передается последовательно во времени по единственному каналу; во-вторых все числа одновременно передаются по нескольким каналам. На выполнение какой-либо операции в устройстве последовательного действия времени затрачивается больше.
Устройство параллельного действия лишено этого недостатка, но требует более сложной аппаратуры. Во многих ЦВМ принят комбинированный, последовательно-параллельный принцип действия.
Как отмечалось ранее, в ДЗУ в закодированной форме хранится рабочая программа, предписывающая последовательное выполнение тех или иных команд на языке данной вычислительной машины. Каждая команда содержит информацию об одной элементарной операции и представляет собой цифровой код. Команда состоит из двух частей: операции и операнда.
Операция дает вычислительной машине указание, какие функции она должна выполнять: сложить, вычесть, умножить, разделить, написать и т. п. Операнд определяет адрес команд: указывает откуда взять число для выполнения операции и куда направить результат операции. В зависимости от количества адресов, записанных в одной команде, вычислительные машины делятся на одно-, двух — н трехадресные. Команда одноадресных вычислительных машин содержит код операции и один адрес. По этому адресу выбирается один из операндов, второй операнд находится в специальном регистре арифметического устройства. Результат операции сохраняется в этом регистре. В тех случаях, когда результат предыдущей операции используется в следующей операции, его не нужно записывать в ОЗУ.
В двухадресных вычислительных машинах команда помимо кода операции содержит два адреса: откуда берется один и откуда берется второй операнд. Как и в одноадресных машинах, результат операции сохраняется в сумматоре арифметического устройства и может участвовать в следующей операции.
Команда трехадресных вычислительных машин содержит код операции и три адреса. По двум адресам выбираются операнды, а по третьему записывается результат. В трехадресных вычислительных машинах все промежуточные результаты записываются в ОЗУ.
Принцип распределения памяти, выделения рабочих ячеек и размещения команд одинаков как для одноадресной, так и для двух — и трехадресных машин.
Команды программы из ДЗУ выдаются для выполнения поочередно в заранее заданном порядке. Числа, извлеченные из памяти в соответствии с адресами команды, поступают в арифметическое устройство, в котором над ними проделывается операция, определяемая кодом.
Результаты вычислений передаются из ЦВУ в устройство выво — | информации, преобразующего цифровой сигнал в аналоговую форму. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) вырабатывает выходной аналоговый сигнал, пропорциональный выходному цифровому сигналу ЦВУ. Как правило, ЦАП содержит аналоговый фиксатор— устройство, запоминающее на некоторый период постоянную величину в аналоговой форме.
Сигнал с выхода ЦАП поступает на различные индикаторы и исполнительные устройства, в том числе на рулевые агрегаты самолета.
В ряде случаев информация с БЦВМ может также использоваться непосредственно в цифровой форме для индикации или приведения в действие цифровых исполнительных устройств.
Таким образом, работа БЦВМ заключается в последовательном выполнении ряда арифметических и логических операций по заданной программе. Рабочая программа БЦВМ для решения задач на — внгации и управления составляется заранее и храниться в ДЗУ машины. Перед полетом в машину вводятся конкретные сведения, in носящиеся к данному полету. Эти данные включают пункты отправления и назначения, промежуточные пункты по курсу, углы наклона глиссады в заданных аэропортах и т. д. Рабочая программа предусматривает решение каждой частной задачи и определяет последовательность решения различных задач. При этом учитыва — егея время счета и периодичность повторного решения каждой за — ■1 чп. Например, задача угловой стабилизации самолета может решаться с частотой 15… 20 Гц, в то время как задача управления входом самолета на посадку — с частотой 1…2 Гц.
Программа современных БЦВМ достигают многих сотен тысяч і /вів. Необходимость вычисления большого числа алгоритмов в ре — <iлыюм масштабе времени с учетом возможности вмешательства в работу системы автоматического управления полетом со стороны ікнпажа усложняет программирование. Составление рабочих про — рам м для БЦВМ требует большого искусства со стороны програм — мтт. ч Разработка и отладка программы представляет собой і ру доемкую операцию, поэтому естественно стремление автомати — шроиать эти процессы, используя моделирование на универсальных машинах [14, 28]. Существенное значение в связи с этим приобрети і переход от составления программ на внутреннем языке БЦВМ і использованию программирования на языках высокого уровня. Использование средств автоматизации процессов программировании, мних как составление схем, кодирование, контроль и модели — ром nine, помимо повышения производительности труда и избавлении гірш раммистов от рутинной работы, приведет к снижению числа ошибок в готовых программах.
‘І Х І ижепия электроники последних лет (и в первую очередь понилення микропроцессорных элементов) сделали возможными пользование на борту весьма сложных по структуре БЦВМ и подновили почву для внедрения многопроцессорных и многомашин — iiu боргових вычислительных систем.