Типы асинхронных двигателей, разновидности, какие бывают двигатели. В чем состоит отличие синхронных и асинхронных систем

Электродвигатели переменного тока, использующие для своей работы вращающееся магнитное поле статора, являются в настоящее время весьма распространенными электрическими машинами. Те из них, у которых частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля статора, называются асинхронными двигателями .

В связи с большими мощностями энергетических систем и большой протяженностью электрических сетей энергоснабжение потребителей всегда осуществляется на переменном токе. Поэтому естественно стремление к максимальному использованию электрических двигателей переменного тока. Это, казалось бы, освобождает от необходимости многократного преобразования энергии.

К сожалению, двигатели переменного тока по своим свойствам, и прежде всего по управляемости, существенно уступают двигателям постоянного тока, поэтому они используются преимущественно в установках, где не требуется регулирование скорости.

Относительно недавно начали активно использоваться регулируемые системы переменного тока с подключением электродвигателей переменного тока через .

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором представляет собой вращающийся трансформатор, первичная обмотка которого - это статор, а вторичная - ротор. Между статором и ротором находится воздушный зазор. Как и в любом реальном трансформаторе, каждая обмотка имеет также и собственное активное сопротивление.

При подключении двигателя в электрическую сеть в статоре возникает магнитное поле, которое вращается синхронно с частотой питающей сети. За счет явления электромагнитной индукции под действием магнитного поля статора в электрически замкнутых обмотках ротора возникает .

Наведенный электрический ток ротора создаст собственное магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате ротор начинает вращаться, и на валу двигателя возникает механический момент, пропорциональный току статора.

Характерной особенностью асинхронного двигателя является то, что за счет взаимодействия полей статора и ротора скорость вращения вала двигателя несколько меньше, чем частота питающей сети. Разность между частотой питающей сети и скоростью вращения называют .

Очень широко применяются в различных отраслях хозяйства и производства асинхронные двигатели в силу простоты их изготовления и высокой надежности. Между тем, можно выделить четыре основных типа асинхронных двигателей:

однофазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

двухфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором.

Однофазный асинхронный двигатель содержит на статоре лишь одну рабочую обмотку, на которую в процессе работы двигателя подается переменный ток. Но для пуска двигателя на его статоре есть и дополнительная обмотка, которая кратковременно подключается к сети через конденсатор или индуктивность, либо замыкается накоротко. Это необходимо для создания начального сдвига фаз, чтобы ротор начал вращаться, иначе пульсирующее магнитное поле статора не столкнуло бы ротор с места.

Ротор такого двигателя, как и любого другого асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, представляет собой цилиндрический сердечник с залитыми алюминием пазами, с одновременно отлитыми вентиляционными лопастями. Такой ротор, типа «беличья клетка» и называется короткозамкнутым ротором. Однофазные двигатели применяются в маломощных приборах, таких как комнатные вентиляторы или небольшие насосы.

Двухфазные асинхронные двигатели наиболее эффективны при работе от однофазной сети переменного тока. Они содержат на статоре две рабочие обмотки, расположенные перпендикулярно, причем одна из обмоток подключается к сети переменного тока напрямую, а вторая – через фазосдвигающий конденсатор, так получается вращающееся магнитное поле, а без конденсатора ротор бы сам не сдвинулся с места.

Эти двигатели также имеют короткозамкнутый ротор, а их применение гораздо шире, чем у однофазных. Здесь уже и стиральные машины, и различные станки. Двухфазные двигатели для питания от однофазных сетей называют конденсаторными двигателями, так как фазосдвигающий конденсатор является зачастую неотъемлемой их частью.

Трехфазный асинхронный двигатель содержит на статоре три рабочие обмотки, сдвинутые относительно друг друга так, что при включении в трехфазную сеть, их магнитные поля получаются смещенными в пространстве относительно друг друга на 120 градусов. При подключении трехфазного двигателя к трехфазной сети переменного тока, возникает вращающееся магнитное поле, приводящее в движение короткозамкнутый ротор.

Обмотки статора трехфазного двигателя можно соединить по схеме «звезда» или «треугольник», причем для питания двигателя по схеме «звезда» требуется напряжение выше, чем для схемы «треугольник», и на двигателе, поэтому, указываются два напряжения, например: 127/220 или 220/380. Трехфазные двигатели незаменимы для приведения в действие различных станков, лебедок, циркулярных пил, подъемных кранов, и т.д.

Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором имеет статор аналогичный описанным выше типам двигателей, - шихтованный магнитопровод с тремя уложенными в его пазы обмотками, однако в фазный ротор не залиты алюминиевые стержни, а уложена уже полноценная трехфазная обмотка, в . Концы звезды обмотки фазного ротора выведены на три контактных кольца, насаженных на вал ротора, и электрически изолированных от него.

1 - кожух с жалюзями, 2 - щетки, 3 - щеточная траверса со щеткодержателями, 4 - палец крепления щеточных траверс, 5 - выводы от щеток, 6 - колодка, 7 - изоляционная втулка, 8 - контактные кольца, 9 - наружная крышка подшипника, 10 - шпилька крепления коробки и крышек подшипника, 11 - задний подшипниковый щит, 12 - обмотка ротора, 13 - обмоткодержатель, 14 - сердечник ротора, 15 - обмотка ротора, 16 - передний подшипниковый щит, 7 - наружная крышка подшипника, 18 - вентиляционные отверстия, 19 - станина, 20 - сердечник статора, 21 - шпильки внутренней крышки подшипника, 22 - бандаж, 23 - внутренняя крышка подшипника, 21 - подшипник, 25 - вал, 26 - контактные кольца, 27 - выводы обмотки ротора

Посредством щеток, на кольца также подается трехфазное переменное напряжение, и подключение может быть осуществлено как напрямую, так и через реостаты. Безусловно, двигатели с фазным ротором стоят дороже, но их под нагрузкой значительно выше, чем у типов двигателей с короткозамкнутым ротором. Именно в силу повышенной мощности и большого пускового момента, этот тип двигателей нашел применение в приводах лифтов и подъемных кранов, то есть там, где устройство запускается под нагрузкой, а не вхолостую.

В нормальном режиме работы на вал генератора действует два момента (считаем, что можно пренебречь моментом сопротивления, обусловленным трением в подшипниках и сопротивлением охлаждающей среды): момент турбины Мт , вращающий ротор генератора и стремящийся ускорить его вращение, и синхронный электромагнитный момент Мэм , противодействующий вращению ротора. В случае нарушения равновесия между вращающим моментом турбины и электромагнитным (тормозным) моментом генератора в зависимости от тяжести возмущения могут возникать: синхронные качания или асинхронный режим генератора.

Асинхронный режим (asynchronous regime ) – переходный режим в энергосистеме, характеризующийся несинхронным вращением части генераторов энергосистемы.

Асинхронные режимы могут возникать в результате:

Нарушения статической устойчивости из-за увеличения передаваемой мощности по линиям электропередачи сверхдопустимого значения;

Нарушения динамической устойчивости из-за аварийных возмущений (коротких замыканий, отключение генерирующего оборудования или электроустановок потребителя);

Несинхронного включения линий электропередачи и генераторов;

Потери возбуждения генератора.

Следует отметить, что асинхронные режимы работы невозбужденной и возбужденной синхронной машины существенным образом отличаются друг от друга.

1. Асинхронный режим возбужденной синхронной машины

В качестве примера, рассмотрим переход генератора в асинхронный режим работы из-за нарушения динамической устойчивости (см. рис.1) при возникновении короткого замыкания с отключением линии электропередачи.

Характерная особенность указанной зависимости - наличие четко выраженного максимума и минимума. Отличие асинхронного режима от синхронных качаний с точки зрения изменения тока заключается только в величине максимального значения тока в цикле качаний и в длительности этих качаний. Поскольку угол при синхронных качаниях теоретически может достигать своего критического значения, нельзя отличить асинхронный режим от синхронных качаний только по значению тока. Поэтому устройства АЛАР, основанные на выявлении асинхронного режима по колебаниям тока, настраиваются на работу на втором, третьем и т.д. цикле асинхронного режима. Другими словами, селективно асинхронный режим можно выявить лишь по длительным колебаниям тока с амплитудой не менее заданной и периодом не более расчетного.

Зависимость изменения напряжения и взаимного угла между двумя векторами напряжения при асинхронном режиме

Выражение для определения напряжения в промежуточных точках определяется в соответствии со вторым законом Кирхгофа по следующей формуле:

Относительная удаленность контролируемой точки с напряжением от точки с напряжением .

В асинхронном режиме вектор ЭДС синхронной машины, выпавшей из синхронизма, начинает вращаться относительно вектора ЭДС машин, работающих синхронно. Следует отметить, что в общем случае вращение вектора может происходить как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки:

против часовой стрелки ускоряются

Если вектор энергосистемы №2 вращается по часовой стрелке , то это свидетельствует о том, что генераторы энергосистемы №2 тормозятся относительно генераторов энергосистемы №1.

В качестве примера рассмотрим вращение вектора системы №2 в представленной расчетной схеме «по часовой стрелке».

Анализ полученных выражений показывает, что в момент расхождения напряжения системы №1 и системы №2 на угол 180 градусов (асинхронный проворот) активная мощность меняет свой знак, а значение реактивной мощности достигает своего максимального значения. Данная особенность изменения мощности в момент асинхронного проворота используется различными производителями в устройствах АЛАР независимо от элементной базы (электромеханические или микропроцессорные устройства).

В общем случае годограф вектора полной мощности (S = P + j Q) в месте измерения (установки реле мощности) представляет собой эллипс (зависимость P от Q) при изменении угла. Особенности изменения годографа мощности в цикле асин-хронного хода позволяют выявить момент наступления асинхронного режима, если есть возможность зафиксировать переход указанного годографа из диапазона углов ~0<δ<180° в диапазон ~180 0 <δ<360 0 при выполнении дополнительного условия, характеризующего зону δ≈180°.

Зависимость изменения сопротивления при асинхронном режиме

Сопротивление на зажимах реле сопротивления определяется как частное от деления напряжения в контролируемой точке на ток

С учетом соотношения между модулями напряжения по концам линии электропередачи полученное выражение может быть преобразовано в следующем виде:

Анализ полученного выражения показывает, что годографом сопротивления является окружность (эллипс), смещенная относительно начала координат. В зависимости от соотношения модулей напряжений по концам линии электропередачи характеристика изменения сопротивления имеет различный вид.

Компьютер без процессора - разве такое возможно? А почему бы и нет! Ведь процессор выполняет множество различных функций, реализация которых может быть возложена и на другие устройства. Архитектура же процессорных вычислений построена таким образом, что большинство операций выполняет именно процессор. Следовательно, вся вычислительная мощь компьютера сосредоточена в процессоре, что ограничивает возможности конфигурирования под конкретные задачи. Кроме того, решения для ускорения процессорных вычислений все более усложняются - число функций, которые должен выполнять процессор, растет. В результате конструкция современных процессоров стала настолько сложной, что предъявляет слишком высокие требования к уровню разработок.

1. Синхронные вычисления

Все микрокомпьютеры со времен их создания состояли из процессора, памяти и периферийных устройств. Причем активной частью компьютера является именно процессор, а память и периферийные устройства только подчиняются его командам. Программы и данные хранятся в памяти. Периферийные устройства позволяют процессору общаться с внешним миром - здесь имеются в виду пользователи, другие компьютеры, жесткие диски и дополнительные устройства. Причем за один такт машинного времени процессор может обратиться только к одной ячейке памяти или к одному внешнему устройству. Процесс вычислений с помощью процессора организован в соответствии с изложенной ниже схемой.

Процессор выставляет на шину адресов адрес необходимой ему ячейки памяти или порта внешнего устройства.
Внешнее устройство или память должны выставить на шине данных свою информацию, которую запросил процессор.
Процессор, считав информацию с шины данных, обрабатывает ее, записывая в память или во внешнее устройство. При этом опять выставляются соответствующие сигналы и происходит синхронизация процессора с другими элементами компьютера.

Выполнение одной команды в процессоре или обмен информацией между процессором и другими микросхемами должны закончиться за один системный такт - до следующего импульса тактового генератора. Таким образом, вся плата или ее отдельная часть, особо приближенная к процессору, синхронно и одновременно переходит из одного стабильного состояния в другое. Так протекает работа компьютера. Поскольку вычисления в нем синхронизируются сигналами тактовой частоты, такие вычисления мы будем называть синхронными.

Основной недостаток синхронных вычислений заключается в том, что очень многие активные элементы должны работать совместно, повинуясь сигналам тактового генератора. С увеличением частоты тактового генератора все труднее согласовывать работу процессора и его окружения. Собственно, поэтому современные процессоры выпускают на одной микросхеме или в форме специальных процессорных плат, но даже основная память работает на более низкой частоте. Для этого приходится использовать сложные системы предсказания переходов, кэширования информации и изобретать другие технические ухищрения. А если процессоров несколько и они обращаются к одной и той же памяти?

При такой организации вычислений просто необходимо интегрировать в процессор все необходимые функции, что еще более усложняет разработку следующих поколений микросхем. Синхронизация же процессора просто необходима из-за адресной организации памяти, при которой для извлечения каждого конкретного байта из памяти необходимо указать его адрес.

2. Безадресные асинхронные вычисления

Тем не менее для извлечения информации из памяти можно вообще отказаться от адресации. Для этого достаточно использовать другой способ организации данных, примерно такой же, как на жестких дисках, когда данные и программы представляют собой последовательность байтов с заголовком, которую договоримся называть пакетом. Вычислительная система, которая сможет обрабатывать пакеты, должна состоять минимум из четырех основных элементов:

коммутаторов, которые доставляют пакеты получателю;
вычислительных элементов, преобразующих пакеты по определенным правилам;
элементов памяти, которые хранят пакеты и выдают их по первому требованию;
периферийных устройств, обеспечивающих вычислительной системе интерфейс с внешним миром.

Коммутаторы осуществляют связь между всеми элементами системы. Они доставляют пакеты адресату, который указан в заголовке. Фактически, коммутаторы образуют сеть - коммутируемую среду, связывающую все элементы системы в единое целое. Причем физическая связь между коммутаторами и элементами может быть любой - вычислительная система может находиться в нескольких корпусах и работать как единое устройство. Никаких дополнительных усовершенствований для этого не требуется.

Вычислительные элементы разбирают пакеты, обрабатывают находящиеся в них данные и выдают результат в коммутируемую среду в виде других пакетов. Блок памяти управляет обработкой пакетов: по запросу посылает его в коммутируемую среду, сохраняет информацию из пришедших пакетов и выполняет другие операции по хранению и выдаче данных. Можно добавить и еще одно дополнительное устройство, которое будет хранить определенные данные и подставлять их в пакет. Такое устройство будет одновременно иметь черты блока памяти и вычислителя. Собственно, порты ввода-вывода, к которым подключаются внешние устройства, организованы аналогично блокам памяти и различаются только набором команд и адресацией.

Такая система не требует синхронизации всех элементов системы и распределяет функции процессора между несколькими вычислительными устройствами и блоками памяти. Поэтому будем называть такую систему асинхронной вычислительной системой. Каждый отдельный блок в ней выполняет свой ограниченный набор функций и поэтому может иметь простую внутреннюю структуру и работать достаточно быстро без синхронизации со всеми остальными блоками (собственно синхронизация выполняется через коммутируемую среду). Теперь рассмотрим каждый элемент асинхронной вычислительной системы более подробно.

2.1 Коммутаторы

Основная задача коммутаторов - доставить пакет получателю. Причем в случае, если получателей несколько, коммутаторы должны доставить пакет ближайшему из них. Механизмы поиска оптимального маршрута уже давно известны и отработаны в компьютерных сетях. Любой блок, вводя пакет в коммутируемую среду, должен указать только один параметр - адрес получателя. Никакой дополнительной информации не требуется.

В принципе, каналы связи между коммутаторами могут быть любыми, в том числе и выходить за пределы одного компьютера. В результате понятие компьютера "размывается", так как объединить два раздельных вычислительных блока в единое целое можно уже с помощью простого подключения коммутаторов одного устройства к коммутаторам другого. Правда, это возможно только в случае унифицированной системы адресации отдельных блоков системы.

Следует отметить, что если в вычислительной системе установлено несколько одинаковых вычислительных блоков, то пакет можно обработать в любом из них. Таким образом, коммутатор должен доставить пакет ближайшему свободному блоку. В результате все одинаковые вычислительные блоки могут иметь один адрес.

Однако с элементами памяти и портами этот фокус не проходит - даже одинаковые элементы памяти могут содержать разную информацию, и поэтому различаться. Это же относится и к портам внешних устройств. Собственно, если адреса портов и памяти могут меняться динамически самой коммутируемой средой, то исчезает проблема добавления нового блока памяти или внешнего устройства. Таким образом, асинхронная вычислительная система становится хорошо масштабируемой, и пределом служит только разрядность адреса. В результате, если выбрать однобайтный адрес, то количество подключенных устройств будет ограничено 256 правда, даже в этом случае можно будет добавлять те вычислительные блоки, адреса которых уже есть в системе.

Заметим, что все активные блоки - вычислителей, памяти и внешних устройств - лучше подключать по однонаправленным каналам. Это и упростит реализацию самих блоков, и уменьшит вероятность конфликтов на шине связи между блоком и коммутируемой средой. Адреса же имеют только выходы из среды. К сожалению, разделение ввода и вывода увеличивает число контактов на блоках, что затрудняет физическую разводку всей системы, но увеличивает ее скорость работы - двунаправленный ввод-вывод может существенно замедлить передачу пакетов через такие интерфейсы.

2.2 Память

Чтобы блоки памяти выполняли свои функции, они должны поддерживать два основных типа операций:

ввод в коммутируемую среду запрашиваемого пакета, возможно с подстановкой аргументов;
запись поступаемого из коммутируемой среды пакета в блок памяти.

Ввод пакета в коммутируемую среду необходим для запуска пакета-программы. Процесс вызова программ выглядит примерно следующим образом: в блок памяти поступает пакет с указанием имени вызываемого пакета и набором аргументов. Блок памяти ищет указанный пакет, подставляет в него аргументы и посылает модифицированный пакет в коммутируемую среду. Причем одним пакетом можно инициировать несколько различных пакетов. Следует отметить, что одним из аргументов может быть адрес получателя. В результате блок памяти "не знает", чем является инициируемый пакет - программой или данными.

Во время процедуры инициации пакета блок памяти может выполнить операцию подстановки аргументов. Эта операция необходима для модификации пакетов в блоках памяти для более гибкого составления пакетов и передачи информации между различными пакетами. В инициирующем пакете сразу после его имени содержится массив аргументов. Аргументы подставляются в места, помеченные специальной командой, состоящей из двух частей: собственно команды подстановки и номера аргумента, который подставляется вместо всей конструкции. Команда подстановки аргументов аналогична косвенной адресации. Однако функцию подстановки аргументов можно вынести из блока памяти и использовать дополнительный блок - обработчик процессов, хранящий только данные и включающий их в приходящие для него пакеты.

Запись в блок памяти достаточно очевидна - весь пакет со своим именем записывается в память. Кроме записи, блок памяти может выполнять и другие операции, например слияние пакетов, удаление или дополнение; но эти операции лучше вынести в обработчик процессов. Следует отметить, что асинхронные вычисления ориентированы на многопотоковые операции, поэтому необходимо определить соответствующий механизм блокировок, который контролировал бы конфликтные ситуации, когда два различных потока пытаются модифицировать одинаковые ячейки памяти. Поэтому в блоках памяти и обработчике потоков, видимо, необходимо предусмотреть соответствующие механизмы блокировок.

Когда блоков памяти несколько, возникает проблема поиска пакета в нескольких блоках памяти. Эту проблему можно решить, в частности, следующим образом: все блоки памяти знают друг о друге и пересылают запросы на инициацию пакета в другой блок памяти. Однако при попытке инициировать несуществующий пакет может возникнуть процесс циклического перебора всех блоков памяти, что чревато перегрузкой вычислительной системы. Но есть возможность реализовать другой способ поиска данных: регистрацией всех пакетов системы в одном месте - книге имен. Все операции с пакетами выполняются через эту книгу, а затем передаются в определенный блок памяти. Таким образом, в коммутируемой среде появляется больше пакетов, но гарантируется централизованное обращение к информации.

2.3 Периферийные устройства

Периферийные устройства: монитор, клавиатура, мышь и жесткий диск - имеются практически у всех современных компьютеров. Устройства, которые выполняют только операции ввода информации, могут не иметь своего адреса - они не должны получать пакетов. Таким образом, устройства ввода-вывода разделяются на два типа - имеющие свой адрес и не имеющие его. В результате у плат расширения, которые будут напрямую подключаться к коммутируемой среде, могут быть не один, а два или даже больше контактных разъемов.

Собственно, все внешние устройства современного компьютера могут быть адаптированы и к асинхронным вычислениям. Кроме того, в качестве внешнего устройства может рассматриваться и дополнительный коммутатор, через который подключаются дополнительные блоки и периферия. Таким образом, мощность компьютера можно наращивать практически до бесконечности (ограничением является только пространство адресов получателей пакетов).

В качестве примера работы вычислительной системы и периферии рассмотрим опрос клавиатуры. Допустим, он организован так, что контроллер клавиатуры знает только адрес блока памяти, где находится драйвер. Когда пользователь набирает команду и нажимает клавишу Enter, контроллер клавиатуры посылает в коммутируемую среду памяти пакет, который адресован соответствующему блоку памяти и содержит имя драйвера и команду. Блок памяти инициирует драйвер и пересылает его в соответствующий вычислитель, добавив к пакету команду в качестве аргумента. Следует отметить, что команда может обрабатываться на нескольких типах вычислителей, но начальный разбор команды в описанном сценарии выполняется только одним определенным устройством.

2.4 Вычислительные блоки

Вычислительные блоки обычно имеют один вход и один выход. Фактически вычислительный блок работает как фильтр, который преобразовывает пакеты по определенным правилам. Набор команд вычислителя может быть ограничен, что гарантирует простую внутреннюю структуру и достаточно большую скорость работы. Можно вообще каждую операцию реализовать в виде отдельного устройства, что может существенно ускорить вычисления, но если вычислителей будет слишком много, то могут возникать конфликтные ситуации в коммутируемой среде. В итоге вычислительная система может получиться плохо контролируемой.

Видимо, разумнее всего сделать один универсальный вычислительный блок, который выполняет основные арифметические операции с целыми числами, вплоть до логических с условной инициализацией пакетов. Кроме этого, сделать отдельный блок для вычислений над вещественными числами. В отдельные блоки есть возможность вынести и особо трудоемкие операции, которые можно ускорить с помощью аппаратной реализации. К таким операциям относятся, например, спектральный анализ (разложение в ряд Фурье), трехмерный рендеринг, криптография и другие дополнительные вычислительные блоки. Все перечисленные операции могут быть реализованы и с помощью универсального вычислителя с целыми числами, но спецвычислитель способен существенно ускорить работу всей системы. С помощью дополнительных вычислителей можно точнее настроить компьютер, чтобы его возможности соответствовали конкретной задаче.

Следует отметить, что системы команд различных вычислителей могут быть оптимально подобраны для решения отведенных им задач. Это упрощает как программу для таких устройств, так и внутреннюю структуру самого вычислителя. В результате программы и аппаратура будут более эффективно выполнять свои функции. Причем при добавлении нового вычислителя не нужно будет менять программное обеспечение - коммутаторы могут сами настроить систему для работы с новым блоком. Таким образом, асинхронные вычисления позволяют строить вычислительные системы, отличающиеся высокой масштабируемостью.

Заключение

Асинхронные вычисления имеют свои плюсы и минусы. Их основное достоинство - модульность полученной вычислительной системы, что позволяет точнее согласовать возможности аппаратного и программного обеспечения. Кроме того, изначальная ориентация на многопотоковые вычисления позволяет достигнуть небывалой для синхронных вычислений производительности.

В случае синхронных вычислений неиспользуемый компьютер все же выполняет какие-то минимальные действия. При асинхронных же вычислениях, при отсутствии собственно обрабатываемых пакетов, никаких процессов внутри вычислительной системы не происходит. Таким образом, если спроектировать каждый отдельный блок в асинхронном компьютере так, чтобы он выключался при отсутствии предназначенных для него пакетов и включался при получении первого пакета, то можно снизить потребление электроэнергии в неиспользуемом компьютере.

Асинхронные вычисления проще реализовать - нет необходимости синхронизировать все части вычислительной системы, а достаточно синхронизировать только канал связи между устройством и ближайшим коммутатором. Таким образом, реализовать их можно достаточно просто даже в российских условиях. Для этого необходимо разработать спецификацию команд всех основных блоков и соответствующую систему составления модульных процессоров, а также аппаратно реализовать все решения.

2.4.3. Асинхронная передача

Здесь передатчик и приемник действуют независимо и обмениваются синхронизирующей комбинацией битов в начале каждого кодового элемента (кадра) сообщения. Между одним кадром сообщения и следующим нет фиксированной зависимости. Это аналогично таким устройствам обмена информацией, как клавиатура компьютера, ввод с которой может происходить с длинными случайными паузами между нажатиями на клавиши.

Выбранная первоначально скорость передачи задает частоту опроса (за исключением систем "Autobaud"). Частота опроса канала на приемнике высока, обычно в 16 раз выше скорости передачи бит (bit rate), для точного определения центра синхронизирующей комбинации (стартового бита) и его длительности.

Затем биты данных определяются приемником путем опроса канала в моменты времени, соответствующие середине каждого передаваемого бита. Они определяются добавлением для; каждого последующего такта значения длительности бита, начиная с середины стартового бита. Для восьмибитной последовательной передачи этот опрос производится для каждого из восьми битов данных, а заключительная выборка производится во время девятого временного интервала. Последняя выборка служит для определения стопового бита и подтверждения сохранности синхронизации до конца кадра сообщения. Рис. 2.15 иллюстрирует процесс асинхронного приема данных.

2.4.4. Синхронная передача

Здесь передатчик и приемник устанавливают начальную синхронизацию, затем непрерывно передают данные, поддерживая ее на протяжении всего сеанса передачи. Достигается это посредством специальных схем кодирования данных, таких, как манчестерское кодирование (Manchester Encoding), которые обеспечивают непрерывную запись в передаваемый поток данных тактовых сигналов передатчика. Таким способом можно поддерживать синхронизацию приемника вплоть до последнего бита сообщения, которое может достигать длины 4500 байтов (36000 битов). Это позволяет эффективно передавать большие кадры данных на больших скоростях. Синхронная система упаковывает вместе множество символов и посылает их непрерывным потоком, который называется блоком. У каждого блока есть заголовок, содержащий стартовый ограничитель для начальной синхронизации и информацию о блоке, и завершающая ччасть, для проверки " ошибок и т. п. Пример блока синхронной передачи показан на рис. 2.16.

44. Интерфейсные узлы сопряжения с объектом микропроцессорных систем управления. Назначения и типы.

45. Отличительные особенности 32-разрядных мп. Стандартная архитектура 32-разрядного мп. Приведите примеры известных Вам 32 - разрядных мп.

Все 32-разрядные процессоры могут работать в двух режимах: реальном и защищенном. Основные архитектурные особенности микропроцессора:

1. в архитектуре применено RISC-ядро, позволяющее наиболее часто встречающиеся инструкции выполнять за 1 такт;

2. наличие встроенного арифметического сопроцессора;

3. наличие внутренней кэш-памяти и предусмотрены все необходимые средства для построения памяти с двухуровневым кэшированием;

4. увеличена очередь команд до 16 байт;

5. ускорено выполнение операций как в целочисленном АЛУ, так и в блоке арифметического сопроцессора;

6. используется умножение тактовой частоты системной платы (с увеличенной частотой работают только внутренние схемы микропроцессора, все внешние по отношению к микропроцессору схемы, в том числе расположенные и на системной плате, работают с обычной частотой).

Концепция RISC-микропроцессора сводится к следующим положениям:

· выполнение всех (или, по крайней мере, 75% команд) за один цикл;

· стандартная длина всех команд;

· малое число команд;

· малое количество форматов команд;

· малое число способов адресации (преимущественно регистровая и непосредственная);

· все команды, за исключением «Чтения» и «Записи», используют внутрипроцессорные межрегистровые пересылки;

· относительно большой процессорный файл РОН.

В состав структурной схемы микропроцессора входят

1. целочисленное устройство,

2. устройство с плавающей точкой,

3. устройство управления,

4. диспетчер памяти,

5. устройство команд,

6. кэш-память,

7. шинное устройство.

В состав целочисленного устройства входят АЛУ, 32-разрядные РОН и многоразрядный сдвигатель, используемый при арифметических и циклических сдвигах, операциях умножения и деления. Команды сложения, вычитания, сдвига и логические операции выполняются за один такт. Содержимое РОН используется устройством сегментации для формирования адресов.

Устройство с плавающей точкой по структуре и программному обеспечению соответствует математическому сопроцессору.

Диспетчер памяти состоит из устройства сегментации и страничного преобразования и обеспечивает двухступенчатое формирование физического адреса ячейки памяти сначала в пределах сегмента, а затем в пределах страницы. Диспетчер поддерживает реальный и защищенный режимы работы микропроцессора.

Шинное устройство поддерживает обмен микропроцессора с памятью, контроллерами ввода-вывода и другими активными внешними устройствами.

Схемы управления имеют два типа выводов:

1. сигналы управления циклами магистрали,

2. сигналы управления состоянием микропроцессора и взаимодействием микропроцессора с другими активными устройствами магистрали.

Микропроцессор имеет внутреннюю кэш-память, единую для команд и данных. Кэш-память представляет собой быстродействующую память ограниченного объема, в которой хранятся копии последних считанных команд и операндов. Когда микропроцессор обращается за командой или данными, то сначала производится поиск требуемой информации в кэш-памяти. При отсутствии необходимой информации в кэш-памяти производится обращение к оперативной памяти и одновременная запись в кэш-память. При записи соответствие содержимого оперативной и кэш-памяти достигается с помощью механизмов сквозной записи. При сквозной записи осуществляется одновременное изменение содержимого как кэш-памяти, так и оперативной памяти.

Устройство команд содержит блок предвыборки для создания очереди команд, готовых к выполнению, и дешифратор команд. Блок предвыборки позволяет с опережением получить команды из памяти перед их фактическим исполнением. Дешифратор команд получает команды от блока предвыборки и преобразует их в управляющие сигналы. В дешифраторе одновременно обрабатываются коды операций, байты адресации и смещения. Выходные сигналы дешифратора определяют аппаратные микрокоманды для устройства сегментации, целочисленного устройства и устройства с плавающей точкой.

Общий обзор структур, характеристик и архитектур 32-разрядных микропроцессоров. Cтруктуры различных типов МП могут существенно различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура, адресное пространство памяти, разрядность шины данных, быстродействие. Архитектуру МП определяет разрядность слова и внутренней шины данных МП. Первые МП основывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ использовали МП с 8- разрядной архитектурой, а современные МП основаны на МП с 16 и 32- разрядной архитектурой. Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой использовали последовательный принцип выполнения команд, при котором очередная операция начинается только после выполнения предыдущей. В некоторых МП с 16-разрядной архитектурой используются принципы параллельной работы, при которой одновременно с выполнением текущей команды производятся предварительная выборка и хранение последующих команд. В МП с 32-разрядной архитектурой используется конвейерный метод выполнения команд, при котором несколько внутренних устройств МП работают параллельно, производя одновременно обработку нескольких последовательных команд программы. Адресное пространство памяти определяется разрядностью адресных регистров и адресной шины МП. В 8-разрядных МП адресные регистры обычно составляются из двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину, адресующую 68 Кбайт памяти. В 16-разрядные МП, как правило, используются 20-разрядные адресные регистры, адресующие 1 Мбайт памяти. В 32-разрядных МП используются 24- и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 Мбайт до 4 Гбайт памяти. Для выборки команд и обмена данными с памятью МП имеют шину данных , разрядность которой, как правило, совпадает с разрядностью внутренней шины данных, определяемой архитектурой МП. Однако для упрощения связи с внешней аппаратурой внешняя шина данных может иметь разрядность меньшую, чем внутренняя шина и регистры данных. Например, некоторые МП с 16-разрядной архитектурой имеют 8-разрядную внешнюю шину данных. Они представляют собой специальные модификации обычных 16 разрядных МП и обладают практически той же вычислительной мощностью. Одним из важных параметров МП является быстродействие определяемое тактовой частотой его работы, которая обычно задается внешними синхросигналами. Для разных МП эта частота имеет пределы 0,4...33 МГц. Выполнение простейших команд (например, сложение двух операндов из регистров или пересылка операндов в регистрах МП) требует минимально двух периодов тактовых импульсов (для выборки команды и её выполнения). Более сложные команды требуют для выполнения до 10 - 20 периодов тактовых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в памяти, дополнительное время расходуется на выборки операндов в регистры и записи результата в память. Скорость работы МП определяется не только тактовой частотой, но и набором его команд, их гибкостью, развитой системой прерываний. Структуры, характеристики и архитектуры некоторых микропроцессоров. Микропроцессоры Alpha. Технологическое решение способствующее повышению производительности процессора АХР 21064 , Являются две раздельные кэш - памяти для команд и данных по 8 Кбайт каждая. Кроме того, в этом чипе применён метод предсказания ветвления (Branch Prediction), который позволяет предсказывать возможные разветвления потоков конвейерной линии. Основным преимуществом этого процессора является его высокая тактовая частота, обеспечиваемая особой структурой процессора. Микропроцессоры ARM. МП содержит АЛУ, сдвигатель, умножитель, двадцать семь 32- разрядных регистров. В МП реализован трехступенчатый конвейер (одна инструкция выполняется, вторая -декодируется третья - считывается в памяти). Обращение к памяти осуществляется только командами загрузки и запоминания регистров, обеспечивающими адресацию байта или 32-разрядного слова. МП может работать в четырех режимах (О - пользователя, 1 - прерывания. 2 - быстрого прерывания. 3 - супервизора), каждый из которых может использовать свои собственные 32-разрядные регистры.

	Номера регистров

Все команды МП имеют длину 32 разряда. Микропроцессор АМ 29000 фирмы АМD. МП содержит три устройства: предварительной выборки, исполнительное, управления памятью. Исполнительное устройство включает в себя регистровый файл, содержащий 64 регистра с фиксированным адресом (глобальные регистры) и 128 регистров с переменным адресом (локальные регистры). Глобальные регистры назначаются статически компилятором или программистом. Они могут быть использованы для размещения данных ОС, таких, как базовых адресов страниц. Локальные регистры выполняют функции регистров стека для хранения параметров процедуры обращения к подпрограмме. Все команды имеют фиксированный 32-разрядный формат, обеспечивающий упрощение организации конвейера, схемы выборки и обработки команды и др. Микропроцессоры фирмы Intel. В процессорах применяются расширенные микроканалы, характеризующиеся следующими преимуществами: поддержка параллельной многопроцессорной многозадачной работы; до 15 каналов прямого доступа; одновременная обработка и выборка данных; усовершенствованный доступ к данным; усовершенствованная диагностика и локализация ошибок; управление конфликтами при прерываниях ввода - вывода; автоматическое расширение; идентификация и интеграция. Микропроцессор i80386. В 80386 имеется 32 регистра, разделяемых на следующие группы: регистры общего назначения, сегментные, указатель команд и флаги, управления. Шесть программно доступных регистров отладки реализуют поддержку процесса отладки программ: четыре указывают четыре точки останова, управляющий используется для установки контрольных точек, а статусный показывает текущее состояние точек останова. Эти регистры обеспечивают задание контрольных точек останова по командам и данным, а также пошаговый режим выполнения программы. Микропроцессор 80386 содержит шесть блоков, обеспечивающих управление выполнением команд, сегментацию, страничную организацию памяти, сопряжение с шинами, декодирование и упреждающую выборку команд. Все эти устройства работают в виде конвейера, причем каждое из них может выполнять свою конкретную функцию параллельно с другими. Таким образом, во время выполнения одной команды производится декодирование второй, а третья выбирается из памяти. Дополнительным средством повышения производительности служит специальный блок быстрого умножения (деления). Устройство управления памятью содержит блок сегментации и блок страничной организации. Сегментация позволяет управлять логическим адресным пространством, обеспечивая переместимость программ и данных и эффективное разделение памяти между задачами. Страничный механизм работает на более низком уровне я прозрачен для сегментации, позволяя управлять физическим адресным пространством. Каждый сегмент разделяется на одну или несколько страниц размером 4 Кбайта. Память организована в виде одного или нескольких сегментов переменной длины. Максимальная длина сегмента 4 Гбайта. Каждая область адресного пространства может иметь связанные с ней атрибуты, определяющие ее расположение, размер, тип (стек, программа или данные) характеристики зашиты. Устройство сегментации обеспечивает четырехуровневую защиту для изоляции прикладных задач и операционной системы друг от друга. Микропроцессор i486. По сравнению с 80386 процессором, почти все усовершенствования сделаны на аппаратном уровне, и у нового процессора гораздо больше. На кристалле, кроме центрального процессора, были размещены: математический сопроцессор, кэш и устройство управления памятью, которое позволяло физически адресовать до 4 Гбайт ОЗУ. Микропроцессор 80486 на частоте 25 - Мгц работал в 3 - 4 раза быстрее чем микропроцессор 80386, рассчитанный на такую же частоту. В микропроцессоре используются раздельные 32 - разрядные шины адреса и данных, обеспечивающие в монопольном режиме скорость передачи данных до 106 М байт\с (при тактовой частоте 33 Мгц), а также 8 Кбайт встроенной кэш - памяти, играющей роль буфера между относительно медленной основной памятью и высокоскоростным процессором. Процессор i80486 в своё время являлся незаменимым при работе в такой многопользовательской системе как UNIX