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Herausgegeben von H. Marko
BandS
Georg Färber
Prozeß
rechentechnik
Allgemeines,
Hardware und Software,
Planungshinweise
Mit 98 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg NewYork 1979
DrAng. GEORG FÄRBER
o. Professor, Lehrstuhl für Prozeßrechner
Technische Universität München
DrAng. HANS MARKO
Professor, Lehrstuhl für Nachrichtentechnik
Technische Universität München
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Färber, Georg:
Prozeßrechentechnik: Allgemeines, Hardware u.
Software, Planungshinweise/Georg Färber. -
Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 1979.
(Nachrichtentechnik, Bd. 5)
ISBN-13: 978-3-540-09263-6 e-ISBN-13: 978-3-642-96510-4
DOI: 10.1007/978-3-642-96510-4
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© Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1979.
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zu betrachten wären und daher von jedennann benutzt werden dürften.
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Die Nachrichten- oder Informationstechnik befindet sich seit vielen Jahr
zehnten in einer stetigen, oft sogar stürmisch verlaufenden Entwicklung,
deren Ende nicht abzusehen ist. Durch die Fortschritte der Technologie
wurden ebenso wie durch die Verbesserung der theoretischen Methoden nicht
nur die vorhandenen Anwendungsgebiete ausgeweitet und den sich ändernden
Erfordernissen angepaßt, sondern auch neue Anwendungsgebiete erschlossen.
Zu den klassischen Aufgaben der Nachrichtenübertragung und Nachrichten
vermittlung ist die Nachrichtenverarbeitung hinzugekommen, die viele Ge
biete des beruflichen, neuerdings auch des privaten Lebens in zunehmendem
Maße verändert. Die Bedürfnisse und Möglichkeiten der Raumfahrt haben
gleichermaßen neue Perspektiven eröffnet wie die verschiedenen Alternati
ven zur Realisierung breitbandiger Kommunikationsnetze. Neben die analoge
ist die digitale Übertragungstechnik, neben die klassische Text-, Sprach
und Bildübertragung ist die Datenübertragung getreten. Die Nachrichten
vermittlung im Raumvielfach wurde durch die elektronische zeitmultiplexe
Vermittlungstechnik ergänzt. Satelliten- und Glasfasertechnik haben zu
neuen Übertragungsmedien geführt. Die Realisierung nachrichtentechnischer
Schaltungen und Systeme ist durch den Einsatz des Elektronenrechners und
die digitale Schaltungstechnik erheblich verbessert und erweitert worden.
Die Buchreihe "Nachrichtentechnik" soll dieser Entwicklung Rechnung
tragen und eine zeitgemäße Darstellung der wichtigsten Themen der Nach
richtentechnik anbieten. Die einzelnen Bände werden von Fachleuten ge
schrieben, die auf dem jeweiligen Gebiet kompetent sind. Jedes Buch soll
in ein bestimmtes Teilgebiet einführen, die wesentlichen heute bekannten
Ergebnisse darstellen und eine Brücke zur weiterführenden Spezialliteratur
bilden. Dadurch soll es sowohl dem Studierenden bei der Einarbeitung in
die jeweilige Thematik als auch dem im Beruf stehenden Ingenieur oder Phy
siker als Grundlagen- oder Nachschlagewerk dienen. Die einzelnen Bände
sind in sich abgeschlossen, ergänzen einander jedoch innerhalb der Reihe.
Damit ist eine gewisse Überschneidung unvermeidbar, ja sogar erforderlich.
VI Geleitwort
Die derzeitige Planung für die Reihe reicht von den Methodenlehren wie
Netzwerktheorie, Systemtheorie, Modulation, Codierung, Informationstheorie,
logische Schaltungen, rechnergestützte Entwurfsmethoden, Simulation usw.
bis zu den verschiedenen Anwendungsgebieten wie Fernwirktechnik, Sprach
übertragung, Bildübertragung, Datenübertragung, Nachrichtenvermittlung,
optische Nachrichtenübertragung, Datenverarbeitung, Prozeßrechentechnik
usw. Ihre Realisierung wird allerdings einige Zeit in Anspruch nehmen.
Ich hoffe, daß die Konzeption dieser Buchreihe, nämlich eine dem Wis
sensstand entsprechende Darstellung des Gesamtgebietes der Nachrichten
technik in Form von Einzeldarstellungen aus der Feder kompetenter Fach
leute zu bringen, viele Freunde an Universitäten und Hochschulen sowie
in der Industrie finden wird. Buchbesprechungen und Zuschriften aus dem
Interessentenkreis lassen den Schluß zu, daß dies bei den bisher erschie
nenen Bänden im wesentlichen gelungen ist.
Dem Springer-Verlag sei an dieser Stelle für die Mithilfe bei der
Gestaltung dieser Reihe und die ansprechende Ausstattung ihrer Bände
gedankt.
München, im Januar 1979 H. Marko
Vorwort
Noch vor wenigen Jahren war die Prozeßrechentechnik nahezu ausschließlich
der Automatisierung großer technischer Prozesse vorbehalten. Die Entwick
lung der Mikroelektronik hat diesen Zustand grundlegend geändert: Der Uni
versalbaustein "Mikroprozessor" macht den Einsatz von programm- und gerä
tetechnischen Verfahren der Prozeßrechentechnik auch in sehr kleinen Anwen
dungen und damit in viel größerer Breite erforderlich.
Das vorliegende Buch ist aus einer Vorlesung entstanden, welche seit 1973
für Studenten des Fachbereichs Elektrotechnik der Technischen Universität
München gehalten wird. Ziel dieser Lehrveranstaltung - und somit dieses
Buches - ist es, einerseits in die Gerätetechnik der Prozeßrechnersysteme
und andrerseits in die Besonderheiten der Prozeßprogrammierung einzuführen.
Damit dient es auch als einführende Hilfe für die in der praktischen Be
rufsarbeit stehenden Ingenieure, welche bisher Schaltungsentwicklungen in
herkömmlicher Technik durchgeführt haben und welche sich jetzt mit der
neuen Technologie vertraut machen wollen.
Herrn Dipl.-Ing. F. Demmelmeier danke ich für die kritische Durchsicht
des Manuskripts, zahlreiche wertvolle Anregungen und seine Vorschläge zur
formalen Vereinheitlichung des Bandes. Auch Herrn Dr.-Ing. R. Mittmann
und Herrn Dr.-Ing. R. Weiß möchte ich für ihre Unterstützung bei der Kor
rektur danken. Vor allem aber gilt mein Dank Frau E. Wagner, welche die
verschiedenen Manuskriptfassungen mit großer Geduld, Sorgfalt und in er
staunlich kurzer Zeit geschrieben hat.
Die Zusammenarbeit mit dem Verlag, der auch die Erstellung der Bilder
übernommen hat, war hervorragend, wofür ich mich an dieser Stelle beson
ders bedanken möchte.
München, im Januar 1979 G. Färber
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1
2 Prozeßautomatisierung mit Rechnern •••••••••••••••••••••••••••••• 3
2.1 Besondere Kennzeichen von Prozeßrechnern •••••••••••••••••••• 3
2.2 Einsatzgebiete und Beispiele •••••••••••••••••••••••••••••••• 10
2.2.1 Industrielle Produktion ••••••••••••••••••••••••••••••• 10
2.2.2 Energietechnik •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 14
2.2.3 Verkehrstechnik ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 15
2.2.4 Laborautomatisierung •••••••••••••••••••••••••••••••••• 15
2.2.5 Medizin............................................... 16
2.2.6 Entwicklungstendenzen ••••••••••••••••••••••••••••••••• 18
2.3 Schritthaltende Verarbeitung •••••••••••••••••••••••••••••••• 19
2.4 Programm und Task ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 24
3 Prozeßrechner-Hardware •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 31
3.1 Prozeßrechner-Zentraleinheiten •••••••••••••••••••••••••••••• 31
3.1.1 Datentypen und ihre Darstellung ••••••••••••••••••••••• 31
3.1.2 Aufgaben und Funktion des Prozessors •••••••••••••••••• 37
3.1.3 Schnittstellen zum Arbeitsspeicher •••••••••••••••••••• 44
3.1.4 Die Architektur von Prozeßrechnern 50
3.1.5 Besondere Prozessoreigenschaften 58
3.1.6 Beispiel für einen Prozeßrechner •••••••••••••••••••••• 67
3.2 Ein/Ausgabesysteme •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 73
3.2.1 Ein/Ausgabekanäle und Bus-Systeme ••••••••••••••••••••• 73
3.2.2 Der programmgesteuerte Kanal •••••••••••••••••••••••••• 77
3.2.3 Zur Organisation von Peripheriegeräten •••••••••••••••• 80
3.2.4 Programmunterbrechungssysteme ••••••••••••••••••••••••• 83
3.2.5 Speicherzugriffskanäle •••••••••••••••••••••••••••••••• 94
3.2.6 Standard-Schnittstellen ••••••••••••••••••••••••••••••• 99
x Inhaltsverzeichnis
3.3 Datenperipherie für Prozeßrechner ••••••••••••••••••••••••••• 102
3.4 Prozeßperipherie ••••••••••••••••••••••• ; •••••••••••••••••••• 105
3.4.1 Digitalausgabe •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 105
3.4.2 Analogausgabe ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 107
3.4.3 Digitaleingabe •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 110
3.4.4 Analogeingabe ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 114
3.4.5 Echtzeituhren 126
3.4.6 Prozeßverkabelung ••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 128
3.5 Zuverlässigkeit und Sicherheit •••••••••••••••••••••••••••••• 132
3.5.1 Verfügbarkeit und Unverfügbarkeit ••••••••••••••••••••• 132
3.5.2 Strategien zur Zuverlässigkeitsverbesserung ••••••••••• 140
3.5.3 Aspekte der Sicherheit •••••••••••••••••••••••••••••••• 142
4 Prozeßrechnerso~tware ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 144
4.1 Echtzeitbetriebssysteme ••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 144
4.1.1 Aufgaben des Betriebssystems •••••••••••••••••••••••••• 144
4.1.2 Elemente eines einfachen Echtzeitbetriebssystems •••••• 150
4.1.3 Betriebssystemrealisierung und Anwendungsbeispiel ••••• 160
4.1.4 Einige notwendige Erweiterungen ••••••••••••••••••••••• 167
4.1.5 Plattenorientierte Echtzeitbetriebssysteme •••••••••••• 171
4.1.6 Zusätzliche Funktionen des Betriebssystems •••••••••••• 174
4.2 Prozeßrechnersprachen ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 176
4.2.1 Maschinensprachen ••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 176
4.2.2 Assemblersprachen ••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 177
4.2.3 Verfahrenorientierte Programmiersprachen mit Echtzeit-
erweiterungen ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 181
4.2.4 Prozeßprogrammiersprachen ••••••••••••••••••••••••••••• 184
4.2.5 Sprachen für spezielle Anwendungsklassen •••••••••••••• 186
5 Zur Planung von Prozeßrechnersystemen ••••••••••••••••••••••••••• 191
Literaturverzeichnis •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 201
Sachverzeichnis ••••••••••••••••••••••••••••••••.••.••••••••••••••• 203
1 Einführung
Schon in den frühen 60er Jahren wurden elektronische Rechenanlagen zur
Steuerung von technischen Prozessen eingesetzt: Prozeß-Signale konnten
direkt aufgenommen, verarbeitet und wieder an den Prozeß ausgegeben wer
den. Die hohen Kosten dieser Rechner führten jedoch - zusammen mit eini
gen technischen Mängeln dieser frühen Modelle - dazu, daß vielen Instal
lationen der durchschlagende Erfolg versagt blieb. Um die Wirtschaft
lichkeit der Rechner nachweisen zu können, mußten viele, auch voneinan
der unabhängige Anwendungen auf ein und demselben Rechner realisiert
werden. Die Realisierungszeiten wurden dadurch oft unerträglich lang und
manche Systeme, deren Verwirklichung mit viel Begeisterung begonnen wurde,
kamen gar nicht oder nur mit sehr eingeschränkten Funktionen zum Einsatz.
Die moderne Technologie-Entwicklung (vor allem auf dem Gebi,et der Halb
leiter) hat diese Situation grundlegend geändert. Die Hardware von Pro
zeßrechnern ist heute so preiswert, daß ihr Einsatz selbst bei kleinen
Anwendungen wirtschaftlich wird. Die Technik der Mikroprozessoren -
deren Architektur sich im übrigen meist am Vorbild von Prozeßrechnern
orientiert - führt einerseits dazu, daß die von einem Prozeßrechnersystem
wahrzunehmenden Aufgaben zunehmend auf mehrere Rechner aufgeteilt werden
(dezentralisierte Prozeßdatenverarbeitung), andererseits werden immer
kleinere technische Prozesse Gegenstand der Automatisierung durch
(Mikro-)Prozeßrechner. Bereits heute werden Geräte wie Küchenherde, Näh
maschinen, Waschmaschinen, Fernseh- oder Tonbandgeräte durch Mikropro
zessoren gesteuert. Die prinzipiellen Methoden der Prozeßdatenverarbeitung
haben damit eine ungeahnt breite Anwendung gefunden. Man darf mit Sicher
heit davon ausgehen, daß unter dem Einfluß dieser Technologie in wenigen
Jahren viele Produkte aus unterschiedlichen Branchen ihr heutiges Gesicht
verändern werden.
2 1 Einführung
In Kapitel 2 wird ausgeführt, welche besonderen Anforderungen an den Pro
zeßrechner gestellt werden. Daraus folgte eine Weiterentwicklung der ur
sprünglichen Rechnerarchitektur, deren Ergebnis die heutigen sehr lei
stungsfähigen Prozeßrechnersysteme sind. Interessanterweise führte dies
zu einem Eindringen dieser Geräte in andere, ursprünglich gar nicht be
trachtete Märkte, welche aus diesen Leistungsmerkmalen ebenfalls Nutzen
ziehen konnten. Hierzu gehört der Markt der kommerziellen Kleinsysteme
(mittlere Datentechnik, MDT), auf welchem heute zahlreiche auf Prozeß
rechnern basierende Konzepte erfolgreich angeboten werden. Auch zur
Bewältigung von Aufgaben aus dem Gebiet der Datenfernverarbeitung sind
Prozeßrechner aufgrund ihrer Eigenschaften prädestiniert.
Das vorliegende Buch versucht zunächst, die besonderen Merkmale von Pro
zeßrechnern zu identifizieren und die Anwendungsbreite an einigen Bei
spielen zu demonstrieren (Kapitel 2). Es folgt eine Einführung in die
Hardware der Prozeßrechner, welche von der Architektur der Zentralein
heit ausgeht und über die Ein/Ausgabe-Systeme zur Beschreibung der Pro
zeßperipherie führt (Kapitel 3). Das der Prozeßrechner-Software gewid
mete Kapitel 4 führt in die Aufgaben und Realisierungsmöglichkeiten für
Echtzeit-Betriebssysteme ein und stellt die verschiedenen zur Formulie
rung der Prozeßsteuerungsalgorithmen verwendeten Sprachen vor. Das Buch
schließt mit einem Abschnitt über die Planung von Prozeßrechner-Systemen.
