Системы управления электрофизическими установками (аппаратные средства верхнего уровня) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера СО РАН

На правах рукописи

ТАРАРЫШКИН Сергей Васильевич

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ УСТАНОВКАМИ (АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ВЕРХНЕГО УРОВНЯ)

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорнтельная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК—1995

Работа выполнена в ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН"

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Пискунов — кандидат технических наук,

Георгин Сергеевич ГНЦ РФ "Институт ядерной физики

им.Г.И. Будкера СО РАН", г.Новоснбнр

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Аульченко — доктор технических наук,

Владимир Михайлович ГНЦ РФ "Институт ядерной физики

им.Г.И. Будкера СО РАН", г.Новосиби]

Вельтмандер — кандидат технических наук,

Петр Вильгельмовнч Новосибирский государственный

университет,г .Новосибирск.

Ведущая организация: Московский радиотехнический,

институт РАН, г. Москва.

Защита диссертации состоится о^Г" 1995 г. в

часов на заседании специализированного совета Д.002.24.02 при ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН".

Адрес: 630090, г. Новоснбнрск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ "ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН".

Автореферат разослан " а. 7 " ессу^^Г 1995 г.

/о ^иБ.В. Чириков

Ученый секретарь ^-му

специализированного совета академик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема модернизации систем управления большими экспериментальными физическими установками, к которым относятся в первую очередь ускорители заряженных частиц, является весьма многогранной и важной не только для существующих установок, но и для вновь создаваемых. Системы управления (СУ) ускорителями обладают рядом особенностей, выделяющих их из традиционных СУ, предназначенных для управления крупными промышленными и технологическими объектами. В первую очередь, это связано с экспериментальным характером как, собственно, экспериментов, проводимых с их помощью, но часто и самих ускорителен, являющихся объектом исследования. Поэтому характер жизненного цикла систем управления промышленных объектов и ускорителей существенно различен. Если в первом случае внесение изменений и модернизация СУ фактически заканчивается с завершением этана наладки и ввода в промышленную эксплуатацию, а далее требуется лишь текущее обслуживание и ремонт, то в СУ ускорителен процесс внесения изменений, добавления новых элементов, приспособление к требованиям новых экспериментов продолжается в течении всего времени жизни ускорителя. Таким образом, вторым важным моментом является значительное время жизни ускорителя, составляющее два-три десятилетия. Ясно, что за столь длительный срок технические и структурные решения, насколько хорошими бы они не были, неизбежно устаревают. Постоянные времени жизненного цикла, основных технологий, используемых и СУ, таких как электроника в целом, вычислительная техника, программирование и связь, существенно меньше указанного периода. Так, за время существования накопителя ВЭПП-3 с конца 60-х годов но настоящее время родился и успел умереть целый класс вычислительных машин, относящихся к разряду мшш, появилось и сменилось несколько поколений персональных компьютеров и рабочих станций, были разработаны концепции структурного программирования, открытых стандартов, получили широкое распространение высокоэффективные локальные сети, на 6-7 порядков возросла функциональная плотность электронных компонент. Из всего этого ясно, что модернизация СУ ускорителей - явление неизбежное. Вопрос состоит в стратегии и тактике такой модернизации. В этой связи третьим важным моментом является значительный размер и сложность установки и, соответственно, ее системы управления. Стоимость СУ ускорителя составляет от 5% до 10% стоимости всего комплекса на этапе его создания. Модернизация состоит из малых изменений, усовершенствований и

добавлений, выполняемых постоянно, и не затрагивающих структуры в целом, н этапов реконструкции, вносящих существенные изменения в структуру системы. В последнем случае, в связи с большой стоимостью, особенно важным является сохранение инвестиций в наиболее капиталоемкие компоненты системы, такие как управляющая и измерительная электроника нижнего уровня, а также программное обеспечение. Модернизация, как правило, выполняется без остановки эксплуатации комплекса и осуществляется персоналом, отвечающим за текущую работоспособность установки, что накладывает дополнительные ограничения на процесс внесения изменений.

Целью данной работы является:

- анализ (на примере комплекса ВЭПП-4) систем управления ускорителями в ИЯФ СО РАН, существовавших на момент лета. 1985 года и базировавшихся на использовании ЭВМ серии ОДРА-1300, разработка программно совместимой микроЭВМ Одренок и выработка концепции распределенной однородной системы управления на базе данной микроЭВМ;

- разработка структуры и создание необходимой аппаратуры для перехода от систем, строящихся по структурной схеме "базовая ЭВМ ОДРА - кластер микроЭВМ Одренок" к однородной схеме "базовая ЭВМ Одренок - кластер микроЭВМ Одренок" и связанные с этим работы по повышению функциональных возможностей микроЭВМ;

- внедрение результатов работы в системах управления ускорителями в ИЯФ СО РАН, ИАЭ им. Курчатова, распространение на системы автоматизации экспериментальных стендов и инженерные рабочие станции;

- анализ тенденции развития и выработка подходов к следующему этапу реконструкции систем управления ускорителями в ИЯФ.

Работа выполнялась в период с 1984 по 1995 годы.

Научная новизна.

1. Предложен эффективный вариант модернизации систем управления ускорителями в ИЯФ, базирующийся на применении программно совместимых с ЭВМ серии ОДРА-1300 микроЭВМ и состоящий в переходе к однородным распределенным системам с использованием в качестве центральной машины также микроЭВМ Одренок. Такой вариант исключил необходимость расширения (восстановления) парка ЭВМ Одра и позволил сохранить все наработанное программное обеспечение.

2. На основе анализа задач, решаемых ЭВМ в системах управления ускорителями, предложены варианты'расширения архитектуры микроЭВМ:

- реализована полная система команд "24-разрядных ЭВМ класса "универсальные" семейства СЩРА-1300 (1СЬ-1900);

- впервые реализовано ядро операционной системы реального времени на уровне микрокода;

- предложены и реализованы расширения системы команд операциями векторной арифметики, а также операциями, повышающими производительность ЭВМ при решении задач, характерных для систем управления.

3. Предложен и реализован оригинальный способ взаимодействия интеллектуальных крейт-контроллеров с базовой ЭВМ по линии связи, обеспечивающий дистанционную загрузку и рестарт, прямой доступ в оперативную память контроллера и полный дистанционный контроль его состояния. Разработаны соответствующие модули связи.

4. Предложен ряд оригинальных технических решений, разработаны методики и инструментальные средства для тестирования и наладки цифровых систем.

Реализация результатов работы, практическая ценность.

1. Предложенные структурные решения, мнкроЭВМ Одренок н другие разработанные с участием автора системные модули были положены в основу верхнего уровня систем управления следующими крупными ускорительными комплексами:

ВЭПП-4 - е+е~ колландер на энергию 2x6 ГэВ, состоящий из следующих основных подсистем:

- линейного ускорителя на энергию 55 МэВ с током 40 А;

- синхротрона Б-4 на энергию 350 МэВ;

- бустерного накопителя ВЭПП-3 на энергию 2,2 ГэВ;

- каналов транспортировки пучка;

- собственно накопителя ВЭПП-4.

Общее число мнкроЭВМ Одренок, непосредственно задействованных з системе управления - 12, общее количество крейтов с измерительной п трапляющей аппаратурой - 65.

ВЭПП-2М - е+е~ коллайдер на энергию 2x0.7 ГэВ. Кол-во мнкроЭВМ Одренок - 11, общее количество крейтов - 47.

"Сибирь-2" - специализированный источник СИ, Ее~ = '2.5 ГэВ.

Кол-во мнкроЭВМ Одренок - 7, общее количество крейтов - 35.

ТРАПП - протонный синхротрон на энергию 300 МэВ. Кол-во мн-:роЭВМ Одренок - 5, общее количество крейтов - 9.

2. На базе Одрят построены СУ следующих экспериментальных и 'естовых стендов, системы автоматизации небольших экспериментов:

- МАГНИКОН - источник ВЧ-мощности (F =7 ГГц, Р=20 МВт, Т= 1.3 мкс.);

- РОКК - источник рассеянных обратно комптоновских квантов (52000 МэВ);

- НЭП - специализированного накопителя электронов для проведения экспериментов рассеяния на внутренней мпшене;

- ДЕЙТРОН - для проведения экспериментов рассеяния на внутренней поляризованной мпшене;

- криогенного обеспечения детектора КЕДР;

- инжектора водородного прототипа..

Стенды:

-испытания СВЧ-геператоров для линейных ускорителей;

- измерений поля в "теплых" магнитах;

- импульсных магнитных измерений;

- магнитных испытаний сверхпроводящих змеек;

- проверки источников стабилизированого тока;

- измерений "теплых" и сверхпроводящих резонаторов;

- измерительные пнжекционного комплекса ВЭПП-5.

В составе экспериментальных станций СИ:

- фотохимических исследований;

- рентгенофлуоресцентного элементного анализа;

- дифракционного кино;

- макромолекулярной кристаллографии;

- EXAFS-спектроскопни.

3. Около 120 мнкроЭВМ Одренок использовались в различных лабораториях института в качестве персональных ЭВМ и инженерных рабочих станций. Такое применение позволило снять остроту нехватки персональных ЭВМ для научного и инженерного персонала. До сих пор, несмотря на широкое распространение IBM PC инженерные рабочие станции на базе Одренка широко используются для тестирования и наладки радиоэлектронного оборудования.

4. Предложенные технические решения позволили увеличить производительность микроЭВМ Одренок в 3-3.5 раза по сравнению с версией 1985 года.

Автор выносит на защиту следующие результаты работы:

1. Предложен и реализован вариант модернизации систем управления ускорителями в ИЯФ, позволивший перейти к однородной системе на базе разработанной мнкроЭВМ Одренок.

2. Отдельные архитектурные решения, такие как последовательна5 реализация принципа виртуальной машины при построении эмуляторо!

целевой архитектуры ЭВМ, позволяет перейти на новый технологический уровень н сохранить большую часть программного обеспечения, как одной из наиболее трудоемких компонент систем управления.

3. Отдельные элементы архитектуры, реализованные в микроЭВМ Одренок могут быть использованы при разработке новых поколений процессоров для систем управления, работающих в режиме реального времени.

4. Проведен анализ возможных вариантов дальнейшего развития систем управления ускорителями в ИЯФ и предложены варианты модернизации этих систем.

СТЕПЕНЬ ДОСТОВЕРНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались на семинарах в Институте ядерной физики СО РАН; пятом (Москва, 1977), восьмом (Дубна, 1983), девятом (Дубна, 1985) одиннадцатом (Дубна, 1989), двенадцатом (Москва, 1990) Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц; третьем (Ереван, 1985) и четвертом (Нор-Амберд, 1988) Всесоюзных семинарах но обработке физической информации; Всесоюзной конференции "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ" (Новосибирск, 1977); третьей школе-семинаре "Интерактивные системы" (Тбилиси, 1980); втором Всесоюзном симпозиуме по модульным информационно-измерительным системам (Москва, 1980); втором Всесоюзном семинаре по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях (Новосибирск, 1982); XIX Всесоюзной школе "Автоматизация научных нсследо-заннн" (Новосибирск, 1985); XIII международной конференции по ускорителям заряженных частиц (Новосибирск, 1987); VII Всесоюзном симно-шуме "Модульные информационно-вычислительные системы" (Новосибирск, 1989); международной конференции по системам управления для жсперименталыюн физики (Женева, 1990). По теме диссертации опублп-совапы 24 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 112 странных машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключе-шя, списка литературы и приложения. Текст содержит 14 рисунков, в писке цитируемой литературы - 70 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована атуалыюсть темы диссертации, сформу-шрованы цели и задачи исследования, приведены основные результаты

работы. Кроме этого, во введении содержится краткий литературный обзор по проблеме модернизации систем управления ускорителями в мире на примере ведущих физических центров, проведен анализ возникающих проблем, сформулированы критерии оценки вариантов модернизации.

В первой главе описывается структура систем управления ускорителями (на примере ВЭПП-4), существовавшая до 1985 года, приводятся основные характеристики микроЭВМ Одренок, обсуждаются другие варианты построения систем управления на основе неоднородной схемы совместимых ЭВМ "Электроннка-100/25 - Электроннка-60", дается обоснование предложенной структурной схеме построения СУ на основе варианта "базовый Одренок - кластер Одрят", формулируются требования на микроЭВМ и системные средства, обеспечивающие такой переход.

В ИЯФ СО РАН в качестве базовых ЭВМ узлов системы управления УПК ВЭПП-4 были выбраны "универсальные" ЭВМ семейства "Одра", как наиболее мощные из доступных в то время (1972—1976г.). Для подключения к ЭВМ "Одра" исполнительного оборудования системы управления были разработаны соответствующие аппаратные средства. К концу 70-х годов была создана инфраструктура системы управления, включающая в себя ЭВМ "Одра" в качестве управляющей машины, был создан комплект пультовой и исполнительной аппаратуры, подключаемый к ЭВМ посредством иерархической последовательной системы связи.

В свое время автор внес значительный вклад в создание и совершенствование оборудования для системы управления на ЭВМ "Одра". Был разработан "Регистр прерываний", имитатор "Диспетчера" для настройки блоков, проведен ряд разработок пультового оборудования:

- цифровых табло, буквенно-цифровых табло (БЦИ), подсоеднненнх к ЭВМ п отображающих крупным масштабом оперативную информацию о состоянии систем УНК;

- устройства преобразования угол - код ("Ручка"), связанного с ЭВМ и позволяющего производить плавную подстройку выбранных исполнительных элементов;

- блока оперативного выбора программ ("Меню"), служащего для инициации в ЭВМ исполнительных программ по одному нажатию на кнопку;

- "Ручного пульта управления"(РПУ).

В начале 80-х годов при расширении систем управления УНК стали появляться трудности, связанные с увеличением количества точек контроля и управления на установках и, как следствие, увеличением потока данных обмена с ЭВМ. Обеспечение работы систем управления в реальном времени проводилось по двум направлениям:

- путем увеличения количества подсистем управления, включающих в себя ЭВМ;

- изменением архитектуры системы: вводом дополнительных уровней предварительной обработки информации для уменьшения времени обмена данными с процессором.

Дальнейшее расширение парка ЭВМ "Одра" сдерживалось отсутствием площадей для их размещения и трудностями приобретения. Дополнительные уровни обработки информации разрабатывались сначала в виде автономных функциональных узлов (АФУ), выполненных в стандарте "Вишня", затем, при модернизации исполнительного оборудования и переходе на международный стандарт КАМАК, в виде крейтов под управлением программируемых крейт-контроллеров (ПКК). Необходимость подключения исполнительного оборудования в стандарте КАМАК к существовавшей системе связи и подключения старого исполнительного оборудования в стандарте "Вишня" к КАМАК-узлам потребовала :оздания соответствующих модулей - интерфейса связи и блока связи в :тандарте КАМАК. Разработка интеллектуального крейт-контроллера 'Одренок", программно совместимого с ЭВМ "Одра", ликвидировала трудности расширения систем управления. "Одрята" были хорошо ирн-:пособлены для работы и режиме реального времени.

Основные характеристики "Одренка":

- разрядность слова - '24 бит.;

- адресное пространство - 32 К слов с возможностью расширения до I М слов;

- быстродействие - около 200 тыс. оп/с.

Особенности архитектуры:

- наличие аппаратных средств поддержки мультнпрограммнровния, жлючающнх схему управления памятью, обеспечивающую поддержку >аботы программ в собственных математических адресах;

- наличие двух режимов (супервизор/задача);

- быстрое аппаратное сохранение н восстановление контекста при об-лужнваннн программных и внешних прерываний;

- развит механизм передачи программных прерываний в ядро ОС, по-воляющнн обеспечить полную совместимость с ЭВМ "Одра" на уровне [вончиых программ;

- расширение системы команд ЭВМ "Одра" (1СЬ-1900) операциями ;ля работы с КАМАКом.

Время, необходимое для осуществления обращения к нсполнптель-:ому модулю, составляет от единиц микросекунд (для модулей, стоящих

в крейте с "Одренком) до сотни мнк|юсекупд (для модулей в удаленных крейтах).

С 1983 года "Одренок" использовался в системе управления ВЭПП-З как интеллектуальный контроллер крепта, программа для которого готовилась па языке высокого уровня TRAN н загружалась с хост-машнны по последовательной линии связи через интерфейс У0С05. Для использования "Одренка" п])актнческп не потребовалось разрабатывать дополнительное матобеспечение. При реализации архитектуры системного уровня строго соблюдался принцип виртуальной машины, учитывалась возможность подготовки программ пользователем на инструментальной "Одре" с применением уже существующих средств на языке высокого уровня без привлечения программирования на ассемблере. Монитор-ная программа, работающая в хост-машине, предоставляла программам, работающим в "Одрепке", доступ к соответствующим ресурсам хост-машины: дисковой памяти, магнитофонам, принтерам, терминалам, а также некоторые возможности межпрограммного обмена с другими программами хост-машнны.

Одновременно с развитием систем управления, ( троящихся по схеме "базовая ЭВМ ОД l'A - мнкроЭВМ Одренок", в институте развивались системы управления на базе мнннЭВМ "Электроника 100/25" и .микроЭВМ "Электроппка-60". Использование ЭВМ семейства "Электроника"' было вызвано рядом причин:

- малой доступностью импортных ЭВМ ОДРА;

- наличием фирменного программного обеспечения;

- широким распространением ЭВМ серии "Электроника" в стране что в перспективе давало возможность обмена разработанными программами.

При построении систем на базе ЭВМ ''Электроника'' также была принята двухуровневая архитектура: ЭВМ "Электроника 100/25" па верхнем уровне и несколько ЭВМ "Электроника-ßO", обслуживающие группу крентов, - на нижнем. Однако, некоторые недостатки ограничили их использование в системах управления крупными установками. С использованием этих ЭВМ были созданы системы управления плазменным! установками института, система управления источником синхротрон ного излучения "СИБИРЬ-1" в ИАЭ им.Курчатова (сейчас эта систем; заменена на СУ на базе "Одрят").

Схема "базовая ЭВМ ОДРА - мнкроЭВМ Одренок" также обладал; рядом недостатков, связанных с ее неоднородностью и ограниченность!« ресурсов центральной ЭВМ. Это, в свою очередь, привело к необходимо стн оснащения "Одрят" дополнительным системным оборудованием: нн

терфейсом RS232, конроллерамн магнитных днскон и т.д. Для "Одренка." был разработан первый вариант операционной системы ODOS.

В 1985 году после пожара на ВЭПП-1, в котором исчезли почти все ЭВМ "Одра", перед нами встала, задача восстановления системы управления комплекса. При этом были возможны варианты:

- закупка новых ЭВМ "Одра" и восстановление ранее существовавшей системы;

- закупка более современных ЭВМ п восстановление только ранее существовавшей двухуровневой архитектуры;

- модернизация "Одрят", дооспашеппе их системными средствами и создание на этой основе однородной распределенной системы управления.

Производство и поддержка ЭВМ "Одра" прекращались, поэтому их закупка была делом трудным и неперспективным. Закупка более современных ЭВМ представляла собой самостоятельную проблему и, так как ICL-совместнмые современные машины на рынке отсутствовали, влекла необходимость создания значительного количества новых аппаратных п программных средств. Таким образом, вариант модернизации "Одрят", дооснащепня их системными средствами и создания па этой основе однородной распределенной системы управления оказался одним из самых приемлемых.

Разработка операционной системы "ODOS и системных КАМАК-блоков позволила рассматривать "Одренок" как полноценную микроЭВМ. Роль центральной ЭВМ стал выполнять "Одренок", снабженный дополнительными ресурсами: дисковой памятью, накопителями на магнитной лепте, связями с другими ЭВМ-иыми центрами и архивами. Периферийные "Одрята" подключались к центральному с помощью блока связи Б0633 п интерфейса У0()05. Непосредственно к блоку связи можно подключить до четырех периферийных "Одрят". В случае необходимости увеличения этого числа ветвление линии связи производится с помощью магистральных станции. Любой пз периферийных "Одрят". в свою очередь, может представлять собой локальным центр. Количество уровнен иерархии в принципе не ограничено.

Для построения на основе "Одрят" однородных распределенных систем управления требовалось ул\ чшить некоторые параметры "Одренка" .

- увеличить скорость обоработкп информации:

- объем оперативной памяти,

- увеличить эффективность механизмов обмена информацией с сп-ггемнымн устройствами.

Вторая глава посвящена вопросам улучшения параметров микроЭВМ для применения в предложенной схеме. Также приводятся данные н описания других системообразующих модулей, разработанных для распределенных систем управления. Описываются методики и средства, предназначенные для разработки, тестирования, наладки и текущей эксплуатации цифровых устройств повышенной сложности.

"Одренок" - интеллектуальный контроллер крейта КАМАК, микропрограммно реализующий систему команд пользовательского уровня ЭВМ серии "0дра-1300", дополненную командами взаимодействия с КАМАК-магнстралью. Разрядность- слова, формат команд, способы адресации операнда, количество регистров общего назначения определены ЭВМ-прототипом. Команды взаимодействия с магистралью КАМАК позволяют выполнить одиночный и групповой КАР, провести сканирование крейта по субадресам и номерам станций. Для обеспечения мультизадачного режима работы в "Одрепке" предусмотрены встроенные средства управления памятью и два режима работы процессора. Механизм обработки внешних и внутренних прерываний позволяет запускать рабочую программу, написанную на ТИЛИе, без операционной системы.

Интеллектуальный контроллер "Одренок" имел оперативную память 32К 24-х разрядных слов, частично реализованный набор операций с плавающей занятой, среднюю производительность на целой арифметике -около 200 тыс. операций в секунду.

Применение "Одренка" в СУ физических установок ИЯФ в качестве базовой управляющей машины, а также расширение сферы его использования на СУ эксперпменальнымн стендами и рабочие станции, требовало:

- повышения производительности процессора на задачах управления;

- повышения производительности процессора иа вычислительных задачах;

- увеличения эффективности при работе с аппаратурой в КАМАКе;

- увеличения оперативной памяти.

Еще в середине 80-х годов, в начале массового производства "Одренка", была заложена техническая возможность расширения объема ППЗУ микропрограмм до 2К слов, позволяющая производить замену микропрограммы во всех произведенных "Одрятах" по мере ее совершенствования. Модернизация микропрограммы была проведена по следующим направлениям:

1. Микропрограммно реализована полная система команд, включающая некоторые команды с плавающей запятой, исполнявшиеся ранее с

использованием механизма экстракодов, что сократило время их выполнения в 10 -100 раз. Реализация полной системы команд значительно повысила производительность "Одренка" на счетных задачах, улучшила время реакции операционной системы за счет выполнения трудоемких операций на микропрограммном уровне, уменьшила объем памяти, занимаемый операционной системой.

2. По результатам анализа профилей частот использования команд в задачах управления были выявлены команды, вносящие существенный вклад в общее время выполнения программы. Время исполнения таких команд было минимизировано, что потребовало дополнительно всего около 60 строк микропрограммного ПЗУ и позволило ускорить выполнение команд на 25% для LDX, ADX, STO, на 15% для NGX, SBX, на 35% для LDCH и DCII.

3. Дополнительно введен ряд инструкций, исполняемых по префиксации командой SMO. Однократным применением такой инструкции можно подвергнуть элементарной обработке массив целых чисел: произвести операцию с константой (команды "вектор" - "скаляр"), с другим массивом (команды "вектор" - "вектор"), найти сумму элементов массива, min, max. Также методом префиксации по SMO введены команды работы с восьмиразрядным бантом, позволившие увеличить эффективность взаимодействия с оборудованием, имеющим байтовый интерфейс.

4. Для расширения возможностей взаимодействия с магистралью КЛМАК создан механизм микропрограммной обработки LAM запросов, т.е. по существу реализовано ядро ОС реального времени на уровне микрокода. При использовании этого механизма появляется возможность быстрой (масштаба микросекунд) активизации или остановки процессов в зависимости от появления ожидаемых LAM пли состояния других процессов.

5. Разработана новая версия "Одренка" с расширенной до 256К слов оперативной памятью п ускоренным на 30% механизмом доступа в память.

В таблице приведены результаты времени выполнения известного оценочного теста - поиска простых чисел методом решета Эратосфена (целочисленные операции).

ЭВМ

ВРЕМЯ(с) ЯЗЫК

ПРИМЕЧАНИЕ

VAX-11/780 ОДРА-1305

2.3 F-77

8.5 TRAN

ОДРЕНОК

ОДРЕНОК-25СК

ОДРЕНОК-256К

4.2 2.8

8.5

TRAN 10 МГц СТАРАЯ МИКРОПРОГР. TRAN 10 МГц НОВАЯ МИКРОПРОГР. TRAN 15 МГц НОВАЯ МИКРОПРОГР.

Для построения распределенных систем управления на базе " Одренка.", были разработаны блок связи Б0634 н интерфейс У0605. Модуль У0605 представляет собой периферийное устройство иерархической системы связи и обеспечивает взаимодействие "Одренка" с хост-машиной:

-дистанционный прямой доступ в оперативную память;

- технический мониторинг состояния "Одренка" (дистанционный доступ ко всем регистрам и флагам процессора);

- межпрограммный обмен периферийного н центрального "Одрят".

Модуль Б0634 представляет собой устройство, формирующее сигналы

и поддерживающее протокол иерархической системы связи, позволяет использовать "Одренок" в качестве главной машины, а также обеспечивает подключение к нему оборудования, имеющего интерфейс иерархической последовательной системы связи. Модуль разработан с учетом использования в распределенных системах управления на базе '"Одренка" и имеет:

- четыре канала связи;

- буферную память 1К 6-ти разрядных слов;

- скорость обмена по магистрали КАМАК - более 300 тыс. 21-разрядных слов в сек.;

- программно изменяемую скорость передачи данных по последовательному каналу (от 240 кбит/сек. до 500 кбит/сек.)

В условиях развитых традиций самообеспечения разработка сложного специфического цифрового оборудования неизбежно сопровождается созданием приспособлений и программ, обеспечивающих возможность использования повой элементной базы, автоматизацию рутинных процессов преобразования кодов, верификацию ц проверку надежности оборудования. К таким средствам относятся разработанные актором:

- программаторы НИЗУ;

- копировщики ШГЗУ для мелкосерийного производства;

- устройства электротермотренировкп элементов;

- специальные стендовые устройства, для настройки и тестирования блоков в условиях мелкосерийного производства;

- программы для генерации таблиц НИЗУ нужного формата (преобразование форматов, развороты таблицы, инвертирование, перестановки разрядов данных и адресов и т.д.);

- утилиты для программаторов;

- тестовые программы.

Большинство из перечисленных средств широко используется разработчиками радиоэлектронного оборудования Института.

В третьей глапе приводятся основные сведения по структуре систем, построенных с применением предложенной схемы н использующих в своем составе микроЭВМ Одренок, даны примеры систем управления электрофизическими установками, построенных па базе разработанных автором системных модулей. Указаны особенности их применения, показана зависимость конфигураций систем от задач автоматизации.

Четвертая глава посвящена анализу проблем модернизации СУ ускорителен, построенных на основе микроЭВМ Одренок. Приводятся литературные данные о состоянии проблемы на сегодняшний день, описывается т.н. стандартная модель систем управления ускорителями, анализируются "'жесткие" и ''мягкие" варианты модернизации существующих СУ, даются соответствующие рекомендации.

Несмотря на проводившуюся модернизацию СУ. длительные сроки существования в конечном счете могут привести к существенному отставанию от научно-технического прогресса. В этой связи нужно рассмотреть вопрос использования повой появившейся техники в системах управления, построенных па основе микроЭВМ "Одренок". Из примеров, приведенных в гл.З видно, что на микроЭВМ "Одренок" возложены все задачи, решаемые системой управления: и работа, с исполнительным оборудованием, и проблемно-ориентированные задачи "ведения процесса", и поддержка операторского уровня. Из вариантов модернизации СУ в ИЯФ предпочтительными по стоимости кажутся варианты, не затрагивающие нижний уровень исполнительного оборудования. В связи с этим предлагаются способы развития операторского уровня, операюшнеся на широко распространенную (и поэтому менее дорогую) современную вычислительную технику (IBM PC, Ethernet) и системы программирования.

В заключении приводятся основные результаты работы:

1. Предложен эффективный вариант модернизации систем управления ускорителями в ИЯФ, базирующийся на. применении программно совместимых с ЭВМ серии ОДРА-1300 микроЭВМ и состоящий в переходе к однородным распределенным системам с использованием в качестве центральной машины также микроЭВМ Одренок. Такой вариант исключил

необходимость расширения (восстановления) парка ЭВМ Одра и позволил сохранить все наработанное программное обеспечение.

2. На основе анализа задач, решаемых ЭВМ в системах управления ускорителями, предложены варианты расширения архитектуры микроЭВМ:

- реализована полная система команд 24-разрядных ЭВМ класса "универсальные" семейства ОДРА-1300 (1СЬ-1900);

- впервые реализовано ядро операционной системы реального времени на уровне микрокода;

- предложены и реализованы расширения системы команд операциями векторной арифметики, а также операциями, повышающими производительность ЭВМ при решении задач, характерных для систем управления.

3. Предложен и реализован оригинальный способ взаимодействия интеллектуальных крепт-коитроллеров с базовой ЭВМ по линии связи, обеспечивающий дистанционную загрузку и рестарт, прямой доступ в оперативную память контроллера и полный дистанционный контроль его состояния. Разработаны соответствующие модули связи.

4. Предложен ряд оригинальных технических решений, разработаны методики и инструментальные средства для тестирования и наладки цифровых систем.

5. Предложенные структурные решения, мнкроЭВМ Одренок и другие разработанные с участием автора системные модули были положены в основу верхнего уровня систем управления следующими крупными ускорительными комплексами:

ВЭПП-4 - е+е~ коллайдер на энергию 2x6 ГэВ, состоящий из следующих основных подсистем:

- линейного ускорителя на энергию 55 МэВ с током 40 А;

- синхротрона Б-4 на энергию 350 МэВ;

- бустерного накопителя ВЭПП-3 на энергию 2,2 ГэВ;

- каналов транспортировки пучка;

- собственно накопителя ВЭПП-4.

Общее число мнкроЭВМ Одренок, непосредственно задействованных в системе управления - 12, общее количество крейтов с измерительной и управляющей аппаратурой - 65.

ВЭПП-2М - е+е~ коллайдер на энергию 2x0.7 ГэВ. Кол-во мнкроЭВМ Одренок - 11, общее количество крейтов - 47.

"Сибирь-2" - специализированный источник СИ, Ее~ = 2,5 ГэВ. Кол-во мнкроЭВМ Одренок - 7, общее количество крейтов - 35.

ТРАПП - протонный синхротрон на энергию 300 МэВ. Кол-во мн-кроЭВМ Одренок - 5, общее количество крейтов - 9.

6. 11а базе Одрят построены СУ следующих экспериментальных и тестовых стендов, системы автоматизации небольших экспериментов:

- МАГНИКОН - источник ВЧ-мощностн {F=l ГГц, Р=20 МВт,

мкс.);

- РОКК - источник рассеянных обратно комптоновскнх квантов (52000 МэВ);

- НЭП - специализированного накопителя электронов для проведения экспериментов рассеяния на внутренней мишене;

-ДЕЙТРОН - для проведения экспериментов рассеяния на внутренней поляризованной мишене;

- криогенного обеспечения детектора КЕДР;

- инжектора водородного прототипа.

Стенды:

- испытания СВЧ-генераторов для линейных ускорителей;

- измерений поля в "теплых" магнитах;

- импульсных магнитных измерений;

- магнитных испытаний сверхпроводящих змеек;

- проверки источников стабилпзпрованого тока;

- измерений "теплых" и сверхпроводящих резонаторов;

- измерительные инжекциопного комплекса ВЭПП-5.

В составе экспериментальных станций СИ:

- фотохимических исследований;

- рентгенофлуоресцентного элементного анализа;

- дифракционного кино;

- макромолекулярпоп кристаллографии;

- EXAFS-спектроскоппн.

7. Около 120 микроЭВМ Одренок использовались в различных лабораториях института в качестве персональных ЭВМ и инженерных рабочих станций. Такое применение позволило снять остроту нехватки персональных ЭВМ для научного и инженерного персонала. До спх пор, несмотря на широкое распространение IBM PC инженерные рабочие станции на базе Одренка широко используются для тестирования и наладки радиоэлектронного оборудования.

8. Предложенные технические решения позволили увеличить производительность микроЭВМ Одренок в 3-3.5 раза по сравнению с версией 1985 года.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Алешаев А.H., Батраков A.M., Белов С.Д. и др. Системы управления ускорителями в ИЯФ (состояние п перспективы). / Труды XIII международной конференции но ускорителям заряженных частнц.-Новоснбнрск, 1987, т.2, с.207-213.

2. Захваткин AI.II., Купер Э.А., Нифонтов В.И. и др. Аппаратура для организации интерактивного взаимодействия в автоматизированных системах управления. / В кн. "Интерактивные системы: Доклады и сообщения 3-й школы-семинара",- Тбилиси, 1980, т.2, с.236-240.

3. Нифонтов В.И., Пискунов Г.С., Пищенюк С.М., Тарарышкин C.B. Алфавитно-цифровой дисплей с сенсорной клавиатурой. - Новосибирск: ИЯФ, 1982.- 18с - (Препрпнт/ИЯФ СО АН СССР; 82-151).

4. ПискуновГ.С., Пищенюк С.М., Тарарышкин C.B. Устройство для ввода информации. / Авторское свидетельство 1104494 (СССР) опубл. Б.И. 1984, N27.

5. Аксенов Г.А., Орешков А.Д., Пискунов Г.С. и др. Программируемый крейт-контроллер. / Труды Всесоюзной конференции "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ" .Новосибирск, 1977, с.13-17.

6. Аксенов Г.А., Нифонтов В.И., Орешков А.Д. и др. Программируемые контроллеры в системах управления физическим экспериментом в ИЯФ СО АН СССР. / Второй Всесоюзный симпозиум по модульным информационно-измерительным системам,- Москва,

1980, с.89-93.

7. Казаков A.A., Киселев В.А., Купер Э.А. и др. Автономная система наблюдения пучков заряженных частиц на основе мнкроканальных датчиков. / Труды восьмого Всесоюзного совещания rio ускорителям заряженных частиц.-Дубна, 1983.

8. Батраков A.M., Голубенке Ю.И., Купер Э.А. и др. Системные модули для организации автоматизированной структуры с применением мини-ЭВМ и комплект измерительных устройств для аналоговой обработки информации. / Тезисы первого совещания по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях,- Душанбе, 1980, с.81-82.

9. Батраков A.M., Боровиков В.M., Голубепко Ю.И. и др. Системы управления ускорительно-накопительными комплексами ИЯФ СО АН СССР с применением мини-ЭВМ. / Труды 7-го Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц.- Дубна, 1981, с.298-301.

10. Купер Э.А., Левичев Б.В., Тарарышкип C.B. и др. Использование программируемых контроллеров в системах автоматического управления комплекса ВЭНП-4. / Тезисы докладов Второго Всесоюзного семинара по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях.- Новосибирск, 1982, с. 103.

11. Пискунов Г.С., Тарарышкип C.B. Двадцатнчетырехразрядная ЭВМ в стандарте КАМЛК. / Автометрия,- 1986, N4, с.32-38.

12. Нифонтов В.И., Ощепков 10.И., Тарарышкип C.B. Аппаратура для последовательной системы связи.- Новосибирск: ИЯФ, 1990.— 26с. (Препрпнт/ИЯФ СО АН СССР; 90-25).

13. Алешаев A.II., Белов С.Д., Левичев Б.В. и др. Высокопроизводительная 24-разрядная мнкроЭВМ с интегрированными на уровне архитектуры средствами взаимодействия с магистралью КАМАК. / Автоматизация научных исследований (Тезисы докладов XIX Всесоюзной школы).- Новосибирск, 1985, с.131.

14. Алешаев А.II., Белов С.Д., Левичев Б.В. и др. Применение 24-разрядной микро-ЭВМ для построения распределенной системы управления на комплексе ВЭПП-4. / Девятое Всесоюзное совещание по ускорителям заряженных частиц. Тезисы докладов.- Дубна, 1985, т.1. с.249-252.

15. Алешаев А.Н., Белов С.Д., Левичев Б.В. и др. Аспекты применения интеллектуального крейтконтроллера. в распределенных системах управления крупными электрофизическими установками в ИЯФ СО АН СССР. / Автоматизация научных исследований (Тезисы докладов XIX Всесоюзной школы).- Новосибирск, 1985, с.25.

16. Алешаев А.II., Белов С.Д., Левичев Б.В. и др. Аспекты применения и программное обеспечение 24-разрядной микроЭВМ, используемой в системах автоматизации физических экспериментов. / Обработка физической информации (Тезисы докладов III Всесоюзного семинара по обработке физической информации).- Ереван, 1985, с.24.

17. Алешаев A.II., Белов С.Д., Козак В.Р и др. Распределенные многоцелевые системы АСНИ на базе сетей КАМАК мнкроЭВМ. / Обработка физической информации (Тезисы докладов четвертого Всесоюзного семинара по обработке физической информации).- IIop-Амберд, 1988, с.6.

18. Козак В.Р., Пискунов Г. С., Тарарышкии C.B. Программаторы для ППЗУ.- Новосибирск: ИЯФ, 1989.- 14с,- (Препрпнт/ИЯФ СО АН СССР; 89-165).

19. Батраков A.M., Горбатенко В.А., Леденев A.B. и др. Модули для построения "малых" систем автоматизации эксперимента на основе компьютера IBM PC. / Тезисы XII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц,- Москва, 1990, с.54.

20. Aleshaev A.N., Batrakov A.M., Belov S.D. ci al. Accelerator Control Systems at the INP (Status and prospects). / Europhysics conference on Control Systems for Experimental Physics.- Geneva, 1990, p.25-30.

21. Батраков A.M., Гудков Б.А., Голубенке 10.И. и др. Структура системы управления комплексом ВЭПП-3. / Модульные информационно-вычислительные системы (VII Всесоюзный симпозиум, тезисы докладов).- Новосибирск, 1989, с.7-8.

22. Алешаев А.II., Белов С.Д., Левичев Б.В. Пискунов Г.С., Тарарышкии C.B. Построение распределенных систем управления крупными электрофизнческкнми установками на базе сетей специализированных мнкроЭВМ в ИЯФ СО АН СССР и их программное обеспечение. / Автометрия - 1986, N4, с.39-45.

23. Акимов В.Е., Воблый II.Д., Карлипер М.М. и др. ВЧ-снстема разрезного микротрона. / Труды Х1-го Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц.-Дубна, 1989, с.268-270.

24. Бородулин В.10., Горбунов В.Б. Огородников И.А. и др. Автоматизированный комплекс для аккустпческнх исследований в лабораторных h полевых условиях. / Модульные информационно-вычислительные системы (VII Всесоюзный симпозиум, тезисы докладов).- Новосибирск, 1989, с.25-26.