Персональный компьютер в системе автоматизации физического эксперимента

Велихов Е.П., Персианцев И.Г., Рахимов А.Т., Рой Н.Н., Скурихин А.В., Щербаков О.А.
журнал "Микропроцессорные средства и системы", 01-1986, стр.34

Современное состояние физических исследований, в частности в области физики плазмы, предъявляет столь высокие требования к экспериментальным установкам, что становится невозможным обойтись без их комплексной автоматизации. Для решения этой задачи в отделе физики плазмы Института ядерной физики МГУ создан трехуровневый комплекс средств автоматизации управления физическим экспериментом. Комплекс представляет собой наращиваемую иерархическую структуру с распределенным интеллектом и состоит из следующих устройств:

Составные части комплекса объединяются приборной локальной сетью. Такая управляющая структура может расширяться как внутри указанных трех уровней иерархии, так и наращиванием иерархических уровней сверху с привлеченными вычислительных машин, относящихся к более высоким классам.

Основу управляющего комплекса составляет ПЭВМ, главные конструктивные и функциональные характеристики которой и будут рассмотрены ниже. Конструктивно ПЭВМ выполнена на одной двусторонней плате, размещенной в корпусе клавиатуры, что обеспечивает существенно более высокую надежность и технологичность по сравнению с многоплатными конструкциями. Компоновка планы позволяет просто, без доработок конструировать машину в трех возможных вариантах. Минимальная конфигурация ПЭВМ занимает центральную часть полноформатной платы и включает следующие модули.

Процессора на базе микропроцессора КР508ИК80А, работающего с тактовой частотой 2,5 МГц. При выборе микропроцессора для данной машины в первую очередь учитывалась возможность реализации программной совместимости с самыми популярными зарубежными персональными компьютерами.

ПЗУ объемом 16 или 64 Кбайт, содержащее интерпретатор языка Бейсик, написанный специально для данной машины. Интерпретатор с точки зрения пользователя является достаточно полным подмножеством языка Бейсик фирмы Микрософт для таких, например, компьютеров, как IBM PC, TRS-80, и удовлетворяет требованиям стандарта MSX. Скорость выполнения программ на ЭВМ ПК8001 меньше скорости выполнения тех же программ на ЭВМ IBM PC/XT всего на 25%. При этом при включении минимальная версия ПЭВМ выходит непосредственно в Бейсик, а периферийными устройствами служат бытовой магнитофон и телевизор.

Интерфейс бытового магнитофона задает две скорости записи информации: 500 и 2400 бод. Скорость 500 бод обеспечивает совместимость ПК8001 на уровне носителя с персональным компьютером TRS-80, где она является стандартной. В ПК8001 предусмотрена, кроме того, предварительная цифровая статистическая обработка входного аналогового сигнала. Рабочая скорость 2400 бод позволяет загрузить весь объем памяти ПЭВМ приблизительно за 3 минуты. Режим блочной записи с коррекцией ошибок гарантирует вероятность сбоя не более 10-9, т.е. одна ошибка на 100 Мбайт, что позволяет в полной версии машины использовать бытовой магнитофон в качестве стримера электронного эмулятора накопителя на гибких магнитных дисках. Каждый блок данных в используемом формате включает системную информацию о принадлежности блока к конкретному файлу и расположения его внутри файла. Это дает возможность визуализировать поиск необходимых данных на ленте, отображая принадлежность текущей записи на экране дисплея в реальном масштабе времени, а также, в случае сбоя, повторять считывание только необходимого блока. На одну кассету МК-60 при скорости 500 бод можно записать 200 Кбайт, а при скорости 2400 бод - 1 Мбайт информации. Интерфейс магнитофона включает также реле, с помощью которого программно осуществляется пуск и останов мотора магнитофона через вход в "кратковременной стоп", что поддерживается стандартным программным обеспечением.

Интерфейс алфавитно-цифрового монитора генерирует стандартный композитный видеосигнал, что позволяет использовать в качестве дисплея бытовой телевизор. На экране отображается 64 символа в 16 строках текста и одновременно 128х48 графических блоков. Предусмотрен также режим отображения тех же символов, но более крупного размера (32 символа в 16 сроках и 64х48 графических блоков). Знакогенератор интерфейса реализован аппаратно, что обеспечивает достаточно высокую скорость обработки текстовой и графической информации и дает возможность отображать 256 различных символов в матрице 8х16 точек. В числе этих символов прописные и строчные буквы русского и латинского алфавитов и графические символы. Таким образом, графика низкого разрешения является достаточно быстрой (для заполнения всего экрана достаточно 10 мс). Любой из символов может отображаться инверсно (темный на светлом фоне). Предусмотрены возможность инверсии не используемой части телевизионного растра и аппаратная поддержка гашения всего растра. Гашение происходит в том случае, когда к включенной машине не отображаются дольше заданного интервала времени, (например, 10 мин). Для восстановления изображения достаточно нажать на любую клавишу.

Интерфейс клавиатуры обслуживает клавиатуру, которая представляет собой матрицу из замыкателей любого типа. Устранение дребезга контактов, возможность нажатия следующей клавиши при не отпущенной предыдущей и другие сервисные функции реализованы программно. Можно использовать клавиатуру из 64 или 128 клавиш. В полноформатной клавиатуре (128 клавиш) есть отдельное поле управления курсором, цифровое поле и поле программируемых клавиш. Программа обеспечивает ввод букв и как русского так латинского алфавитов. Расположение клавиш может соответствовать стандартной клавиатуре отечественных терминалов или пишущей машинки с русскими и латинскими шрифтами. В составе клавиатуры имеется также пьезокерамический излучатель звука. Высота тонна и длительность звучания задаются программно.

Параллельный интерфейс позволяет подключать к ПЭВМ 8-разрядные периферийные устройства, такие, например, как графопостроитель, печатающее устройство, программаторы ПЗУ и ПЛМ.

Интерфейс локальной сети обеспечивает связь ПЭВМ с аналогичными компьютерами или периферийными устройствами для организации управляющих, информационных и обучающих систем.

Помимо перечисленных устройств на плате имеется разъем, на который выделены все важные сигналы ПЭВМ. Через него можно подключить, в частности, отладочный модуль, реализующий пошаговый режим и другие сервисные функции.

Оперативная память ПЭВМ может составлять в зависимости от типа используемых микросхем либо 64 Кбайт (полная конфигурация), либо 16 Кбайт (минимальная конфигурация). Примечательно, что после включения происходит самотестирование основных систем и определение объема работоспособней оперативной памяти, которая может быть целиком занята программами пользователя, так как остальные подсистемы ПЭВМ имеют собственные банки памяти (полный объем памяти на плате может достигать 325 Кбайт).

Описанные устройства составляют минимальную конфигурацию ПЭВМ. Минимальное центральное поле платы можно дополнить участком, расположенным справа от него и реализующим контроллер графического дисплея с разрешением 512х256 точек в 16 возможных цветах или градациях яркости. При этом становится возможным отображать на экране 85 символов. 25 строках с программируемыми шрифтами в матрице 6х10 точек. Приняты определенные меры, ускоряющие обработку цветной графической информации более чем на порядок по сравнению с традиционным подходом. К ним относятся возможности обращения к дисплею во время прямого хода развертки и аппаратная поддержка алгоритмов работы с цветом, основанная на применении ПЛМ. На выходе блока цветной графики размещена просмотровая таблица, входными сигналами которой являются их сигналы трех цветовых плоскостей и сигнал алфавитно-цифрового монитора, поступающий из центральной части платы.

Такая конфигурация ПЭВМ позволяет работать как с двумя отдельными мониторами (алфавитно-цифровым и графическим), так и объединять эти 2 системы на один мониторе. При этом просмотровая таблица обеспечивает произвольное переопределение цветов всех источников сигнала, в том числе их выключение. С выхода просмотровой таблицы ТТЛ-сигнал подается на цветной монитор, который может иметь вход управления яркостью, а также на цифроаналоговый преобразователь, генерирующий монохромный композитный видеосигнал с 16 возможными градациями яркости. Схемотехника графических банков памяти позволяет без каких-либо аппаратных переключений при полном сохранении всех графических возможностей реализовать электронный "квазидиск"" емкостью 144 Кбайт. Это достигается путем простой замены микросхем емкостью 16 Кбайт микросхемами емкостью 64 Кбайт. В такой конфигурации ПЭВМ может работать с дисковой операционной системой, загружаемой в магнитофона.

Кроме того, минимальная поле платы можно дополнить участком, расположенным слева от центрального и содержащим следующие устройства:

Интерфейс гибкого диска дает возможность работать с поставленной на ПЭВМ дисковой операционной системой, полностью соответствующей операционной системе CP/M-80. ПЭВМ ПК8001 в зависимости от числа установленных в ней микросхем может использоваться в качестве интеллектуальной клавиатуры, терминала, бытового, школьного или профессионального компьютера, графической станции или управляющей микроЭВМ.

Статья поступила 21 августа 1985 г.