Automation und Prozessrechentechnik

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1 Automation und Prozessrechentechnik Sommersemester 2 Prozessrechner, Mikroprozessor Aufgabe eines Prozessrechners Ein Prozessrechner ist ein (digitaler) Rechner, der einen technischen Prozess nach Vorgaben eines Bedieners oder übergeordneter Rechner selbstständig steuern, regeln und überwachen soll. Beispiele: Rechneranlage zur Steuerung einer Fertigungsmaschine Rechner in einer Mars-Sonde Rechner für das ABS- oder ESP-System im Pkw Rechner für die Motorsteuerung in einem modernen Kraftfahrzeug Rechner in einer Waschmaschine... usw. 2

2 Prozessrechner Selbstüberwachung zu und von anderen Rechnern Prozess-rechner speziell Prozessrechner auch im Büro D A D A binäre I/O (Kontakte, Relais usw.) analoge I/O (Messwerte, Stellgrößen) 3 Besonderheiten Prozessrechner gegenüber Büro-Computer: Ein- und Ausgaben zum Prozess: Binäre Signale (Schalter, Schaltzustände) Analoge Werte (Spannungen, Ströme aus Messwandlern z. B. PT für Temperatur) Selbstüberwachung: Im einfachsten Fall ein Watchdog, der von dem Prozessrechner zyklisch ein Signal erwartet. Ein Ausbleiben dieses Signals wird als Ausfall des Rechners verstanden. je nach Prozess: Notabschaltung, besondere Notfallprozedur, Alarm. Echtzeitbearbeitung: Reaktionszeit muss an Prozess angepasst sein und unter allen relevanten Betriebsbedingungen einhaltbar sein; Zeitraster muss verfügbar sein, z. B. um feste Verzögerungszeiten einstellen zu können. weiterhin möglicherweise auch besondere Robustheit gegenüber verschiedenen Umwelteinflüssen 4

3 Mikroprozessor als Kern eines Prozessrechners Geschichte: 97: erster P, i44 (225 Transistoren) 973: i88: Beginn der kommerziellen Nutzung 26: > Mio. Transistoren Funktion: Basis aller Rechenoperationen und logischen Verknüpfungen sind boolsche Variablen, die genau einen der Werte oder (WAHR oder FALSCH) haben können. Ein Folge von und ist in einem Speicher abgelegt und bestimmt, WAS der Rechner machen soll (Programm). In einem anderen Speicher sind die Prozesswerte (z. B. Schaltzustände) als und abgelegt. 5 Bits, Bytes und Worte Bit entspricht einem Schaltzustand und ist damit die kleinste Informationseinheit. Der Wert kann oder sein. Ein Paket von 8 Bit wird als ein Byte bezeichnet. Byte ist eine sehr häufig zu findende Verpackungseinheit für Bits und die übliche Maßeinheit. Ein Wort bezeichnet eine beliebige andere Paketgröße. Oft kommen 2, 4 und 8 Byte (6, 32, 64 Bit) Worte vor. Beispiel 6

4 2 n Bit kann 2 = 2 Zustände haben b b b 2 Bits können 4 = 2 2 Zustände haben n Bits können 2 n Zustände haben b n-... b b Byte = 8 Bit kann 2 8 Zustände haben, die z. B. den Zahlen zugeordnet werden können. 4 Byte = 32 Bit kann z. B. den Zahlen zugeordnet werden. 7 kb, MB, GB, TB kb kilo 2 =24 Byte MB Mega 2 =24 kb = 2 2 =,49* 6 Byte GB Giga 2 =24 MB = 2 3 =,74* 9 Byte TB Tera 2 =24 GB = 2 4 =,* 2 Byte 8

5 Prinzip einer programmierten Verknüpfung P x2 x ³,... y P x2 x y P = : Befehl ODER P = : Befehl UND Der P-Eingang (Programmbefehl) bestimmt also, wie x und x2 miteinander verknüpft werden sollen. Mit m Programmiereingängen können 2 m Befehle unterschieden werden. 9 einzelner Befehl und Programm y x ³,... Befehl x2. Meistens werden 8 Bits = Byte gemeinsam verarbeitet, oft auch 2-8 Byte. 2. Es gibt eigene Befehle, die x oder x2 in externe Speicher (RAM) kopieren oder für die Verarbeitung von dort holen. 3. Ein Programm besteht aus einer Folge von Befehlen (Bytes in einem Speicher), die sequenziell ausgeführt werden. 4. Für die ordnungsgemäße sequenzielle Abarbeitung wird ein Taktsignal genutzt.

6 Speicherung eines Bits Speichere (Setzen) S Speichere (Rücksetzen) R z. B. Speicher für Bit Realisierung z. B. mit Transistoren, von denen jeweils einer ein- und der andere ausgeschaltet ist. Speicherung eines Bytes S R b b b 2 b 3 b 4 b 5 b 6 b 7 2

7 Mikroprozessor Register (lokale Arbeits- Speicher) ALU Arithmetischlogische Einheit Befehl PC (Programmcounter) Steuerung + Befehlsinterpreter Takt Ausführungseinheit Ablaufsteuerung interner Bus Interface Adressen Daten Kontrollsignale Dies ist der Stand von ca Heutige Prozessoren arbeiten im Prinzip ebenso, sind jedoch um Größenordnungen komplexer. 3 Pentium 83 Spannungsversorgung Intel Pentium III Sockel MHz 4 (Pentium 4, 3 GHz mit Sockel 478 ist ähnlich.) Reserve 33 Adressbus A3 --A35 64 Datenbus D--D63 76 Kontrollbus 4

8 Rechner, prinzipieller Aufbau Takt, Resetlogik watchdog P (Mikroprozessor) Bussystem ROM -Programme -feste Daten RAM -Arb.speicher -Zwischenerg. I/O -Prozess I/O -Monitore usw. Kontrollbus: Typ 4.. Signalleitungen Adressbus: Typ Bit breit Datenbus: Typ...4 Byte breit 5 Bus Teilnehmer Bus: Parallele Mehrfachleitung, an die alle Teilnehmer angeschlossen sind. Die Spannung eines Leiters gegenüber einem Bezugsleiter wird je nach Größe als oder interpretiert. Es darf deshalb höchstens ein Teilnehmer seinen Ausgang an den Bus geschaltet haben. Alle Teilnehmer dürfen aber zuschauen = Lesen. Teilnehmer 2 Es werden deshalb Elemente mit drei Zuständen (Tristate) gebraucht:, und abgeschaltet.,, Enable, abgeschaltet 6

9 Speicher: Prinzip der Steuerung einer Speicherzelle Signal an Bus schalten (OE: Output Enable) Speicherzelle ist angewählt -Bit-Speicherzelle En Tristate Übernehme in Speicher ( Schreibe, Write ) T D D_out D_in T mit der fallenden Flanke von T wird D in den Speicher übernommen. 7 Speicher: Byte = 8 Bit parallel -Bit-Speicherzelle T Tristate En D_out parallele Auswahl und Aktivierung aller Bits gleichzeitig Anwahl D_in, D_Out am D D_in Bus OE WE 8

10 Speicher: Matrixorganisation D7 CE R/W A A C x Zeilendekoder x2 Kontrollsignale y S S3 Spaltendekoder n Adressen ermöglicht 2 n Speicherstellen zu adressieren, darin jeweils ein Byte y2 S2 S4 D D_out D_in D_out D_in Für Byte 8-fach Sx T D Tristate En D_out D_in 9 Speicher: Kontrollsignale Dieser Speicherbaustein (Chip) ist überhaupt angewählt (CE: Chip Enable) CE OE Signal an Bus schalten (OE: Output Enable) READ/NOT WRITE R/W WE Übernehme in Speicher ( Schreibe, Write ) 2

11 Adressleitungen und Speicherkapazität n Adressen ermöglicht, 2 n Speicherstellen zu adressieren, darin jeweils ein Byte Adressen, also 2 =24 Adressen, also 2 =224=2*24 A D A A kb Byte kb A A9 CE D7 A9 A CE A9 kb A9 CE 2 Pentium-Speicherbereich 83 Spannungsversorgung Die Speicheradressen zählen in Byte. Intel Pentium III Sockel MHz Adressbus Datenbus Kontrollbus A3 --A35 D--D63 Reserve A.. A35 = 36 Leitungen 2 36 = 64 Giga Der Datenbus ist 8 Byte breit, es werden also immer 8 Byte parallel adressiert. Deshalb können A.. A2 entfallen. (Unter Adresse werden die Bytes... 7 erfasst, unter Adresse 8 dann usw.) 22

12 Realer Speicher Toshiba * 4 Banks * 8Bit synchrones DRAM = 6 MB = 2 24 Byte 23 Realer Speicher 2 Toshiba * 4 Banks * 8Bit synchrones DRAM = 6 MB = 2 24 Byte Bei PCs werden Zeilenadr. und Spaltenadr. getrennt. RAS = Row Adr. Select, CAS = Column Adr. Select Zeilenadr.: A.. A Spaltenadr.: A.. A9 Bank: BS, BS Summe: 2++2=24 24

13 Speicherarten Speicher ROM: Read Only Memory Anwendung als Programmspeicher und für feste Daten RAM: Random Access Memory (Random = Lesen oder Schreiben) Anwendung als Arbeitsspeicher für den Programmablauf, Zwischenspeicher für Rechenergebnisse usw. Auch als Programmspeicher, wenn das Programm mit der Initialisierung von einer Festplatte geladen wird (wie PC). 25 ROM-Arten ROM: PROM: Maskenprogrammierbar: Während der Produktion des Chips werden Daten unveränderbar erzeugt. Einsatz: Sehr große Stückzahlen, besondere Sicherheitsanforderungen in der Automatisierung eher selten. In der Fabrik wird ein Rohling gefertigt, in den mit einem speziellen Programmiergerät Daten unveränderbar einprogrammiert (gebrannt) werden. EPROM: Wie PROM, aber der Chip kann wieder gelöscht (EREASE) werden, und ist somit mehrfach verwendbar. Löschung durch UV-Licht oder heute häufiger: EEPROM, E 2 PROM: Elektrisch löschbares EPROM, auch bereichsweise Löschung möglich. Die Anzahl der Programmierungen bei EPROMs und EEPROMS ist begrenzt Programmieren viel langsamer als Schreiben bei RAM. 26

14 Prinzip eines ROMs X +U B +U Programmier D zum Programmieren D Die Sicherung (leitend/durchgebrannt) enthält die Information X Si D x offen leitend Programmieren = gezieltes Durchbrennen einzelner Sicherungen X2 Genaue Einhaltung der Spannungen und Zeitabläufe erforderlich, sonst Schäden möglich, sogar auch ein Zuwachsen einer durchgebrannten Sicherung. Spezielle (zugelassene) Programmiergeräte erforderlich. 27 Prinzip eines EPROMs vom Adressdekoder Funktion: Der Transistor (FET) kann abhängig von der Spannung am Gate (= Basis) leitend oder nicht leitend geschaltet werden. Eine elektrische Ladung auf dem sehr gut isoliert angebrachten Floating Gate (FG) kann das Einschalten verhindern. Programmieren: Durch eine relativ hohe Spannung (2 V) wird Ladung auf das FG gebracht ( ) oder auch nicht ( ); (bleibt für ca. Jahre erhalten, Tunneleffekt). Löschen: Durch UV-Licht oder wiederum eine hohe Spannung wird die Isolierwirkung des FG aufgehoben. 28

15 Speicherarten Speicher ROM: Read Only Memory Anwendung als Programmspeicher und für feste Daten RAM: Random Access Memory (Random = Lesen oder Schreiben) Anwendung als Arbeitsspeicher für den Programmablauf, Zwischenspeicher für Rechenergebnisse usw. Auch als Programmspeicher, wenn das Programm mit der Initialisierung von einer Festplatte geladen wird (wie PC). 29 Arten von RAMs + UB D x vom Adressdekoder U C U C t C (<< pf) Refresh statisches RAM: Genau einer der beiden Transistoren ist immer eingeschaltet. Information = Stromfluss dynamisches RAM: Der Transistor dient nur als Schalter Information = Ladung in C zyklisches Refresh erforderlich Kleiner als statisches RAM weniger Leistung Anmerkung: Für die bessere Verständlichkeit sind Bipolartransistoren gezeichnet. Real werden immer Feldeffekttransistoren verwendet. 3

16 Zum Einsatz Alle Halbleiter sind mehr oder weniger empfindlich gegen zu hohe Temperaturen und gegenüber energiereicher Strahlung, insbesondere radioaktiver Strahlung. Auswirkungen: Alterung oder Ausfall Spontanes Kippen von Bits bei RAMs Kippen von Bits in EPROMS Unter normalen industriellen Bedingungen kein Problem. Jedoch zu beachten z. B. bei kerntechnischen Anlagen Raumfahrt Installation in/an Kesseln, Motoren, in Flugzeugen usw. Technische Lösungen sind verfügbar! 3