Prozeßrechnerstrukturen: Aufbau, Betriebssysteme, Kommunikation

239 Pages·1995·5.189 MB·German

by  Walter Mostch (auth.)

Walter Motsch
Proze8rechnerstrukturen
Aus dem Programm ____________- ---...
Technische Informatik
Digitalrechner-Grnndlagen nnd Anwendnngen
von W. Ameling
Verstarkertechnik
von D. Ehrhardt
Digitalrechner 2
Datentechnik nnd Entwurf
Logische Systeme
von W. Ameling
Turbo Pascal fiir Ingenieure
von E. Hering, E. Bappert und J. Rasch
Datenbanksysteme
von G. Stegemann
Software-Engineering
von E. Hering
Datenkommnnikation
von D. Conrads
Datenferniibertragnng
von P. Welzel
Digitale Kommnnikationssysteme I
von F. Kaderali
System- nnd Signaltheorie
von O. Mildenberger
Informationstheorie nnd Codiernng
von O. Mildenberger
Digitale Signalverarbeitnng
von A. van den Enden und N. Verhoeckx
Indnstrielle Bildverarbeitnng
von R. Schmid
ProzeBinformatik
von E. Schnieder
,--_Vieweg ___________________ ____"
Walter Motsch
Proze8rechnerstrukturen
Aufbau
Betriebssysteme
Kommunikation
I I
Vleweg
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Motsch, WaIter:
ProzeBrechnerstrukturen: Aufbau, Betriebssysteme,
Kommunikation / Walter Motsch. - Braunschweig;
Wiesbaden: Vieweg, 1995
(Studium Technik)
ISBN-13: 978-3-528-04411-4 e-ISBN-13: 978-3-322-84914-4
DOl: 10.1007/978-3-322-84914-4
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© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/wiesbaden, 1995
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Vervielfliltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeiche
rung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Umschlaggestaltung: Klaus Birk, Wiesbaden
Gedruckt auf sliurefreiem Papier
ISBN-13: 978-3-528-04411-4
v
Vorwort
Vnter dem Begriff ProzefJrechner versteht man seit bald vier lahrzehnten eine
Spezies von Datenverarbeitungsanlagen, die primar auf die Automatisierung
technischer Prozesse ausgerichtet ist. Deren BedeutungsinhaIt ist wiederum au-
13erordentIich weit gefa13t und wird auch durch eine genormte Definition (DIN)
nur vage umschrieben:
Ein ProzefJ ist die Umformung undloder der Transport von Materie, Energie
undloder Informationen.
Zur Beherrschung der damit verbundenen Probleme hat sich im Grenzbereich
von Automatisierungs- und Datentechnik eine eigenstandige Teildisziplin eta
bliert, die sich auf Hardware-, Software- und insbesondere auf Systemebene mit
der Nutzbarmachung von Computern fur diese Zwecke beschaftigt: die Proze13-
rechentechnik, Proze13datenverarbeitung oder Proze13informatik. Sie ist in ihrer
Gesamtheit nicht Gegenstand des vorliegenden Buches, das vielmehr die dazu
eingesetzten Rechner selbst in den Vordergrund ruckt.
Der dafur gewahlte Titel ProzefJrechnerstrukturen ist zwar recht pragnant, er
scheint aber gleichwohl als nicht mehr ganz zeitgema13. Treffender ware zweifel
los: Rechnerstrukturen fur prozefJtechnische Anwendungen. Das schlie13t die
uberaus zahlreichen PC-basierten Einsatze fUr Vorbereitungs- und Auswertungs
aufgaben in Proze13umgebungen ein. Fur das Betrachtungsobjekt typischer sind
allerdings Anwendungen, die auf eine umfassende Kontrolle sowie gezieIte Ein
griffe in das Proze13geschehen abzielen. Sie werden generell durch einen mehr
oder weniger profilierten Echtzeitcharakter gepragt - ein Phanomen, auf das die
Rechner hinsichtIich Auslegung und Betrieb sehr sorgfaItig abgestimmt sein
mussen, und zwar unabhangig von ihrer Gr613enordnung bzw. ihrem Leistungs
umfang. Insofern sollte man noch eher von Rechnerstrukturen im Echtzeit-An
wendungsbereich sprechen.
Angesichts der erwahnten Zielvorgabe bleiben aile rein proze13orientierten
Belange, wie Typisierung der Prozesse, Methoden der Proze13automatisierung,
Planung und DurchfUhrung von rechnergestutzten Automatisierungsprojekten,
konkrete Anwendungsentwicklungen u.a. unberucksichtigt. Weiterhin wird auf
die Behandlung solcher Teilkomplexe verzichtet, die ob ihrer grundsatzlichen
Bedeutung schon von ublichen Digitalrechnern her vertraut sind, wie etwa die
rechnerinterne Informationsdarstellung, Befehlssatze und Abarbeitung der Be
fehle, Detailfunktionen von Hardware- und Systemsoftwarekomponenten, Peri
pheriegerate fur die Benutzer-Ein/Ausgabe, Externspeicher usw.
VI
In den ersten drei Kapiteln geht es urn die Einbettung der Rechner in ihr tech
nisch-okonomisches Umfeld, urn ihre daraus abzuleitenden wesentlichen struk
turellen Merkmale und Eigenttimlichkeiten sowie urn den hard- und software
tibergreifenden Systemaufbau. Das vierte Kapitel beleuchtet die CPU nur in den
flir das Echtzeitverhalten relevanten Aspekten etwas grtindlicher. Das danach
diskutierte EinlA usgabesystem ist wegen seiner Verbindungsfunktion zwischen
Zentraleinheit und den raumlich oft weit verteilten ProzeBinstrumentierungen flir
diese Rechnergattung schon deutlich spezifischer. Noch entschiedener gilt das
flir die im sechsten Kapitel behandelte ProzeBperipherie, die die Nahtstelle des
Rechnersystems zum ProzeB und als solche ein unverwechselbares Kennzeichen
darstellt. Das zweite groBe Charakteristikum, das einen Universal- zum ProzeB
rechner macht, ist sein Echtzeitbetriebssystem, das ihn auch bei betrachtlicher
Aufgabenflille zum Schritthalten mit den teilweise sehr dynamischen ProzeBab
laufen befahigt. Auf dieses hochst wichtige Gebiet konzentriert sich das siebente
Kapitel, bevor abschlieBend noch ein Uberblick tiber die zur Programmierung
verfligbaren Sprachklassen gegeben wird.
Meine aufrichtige Anerkennung gilt allen, die recht unmittelbar oder auch in
direkt, etwa durch Entlastung bei anderen Dingen, zur Fertigstellung dieses
Buches beigetragen haben. Hervorgehoben sei die auBerst angenehme Zusam
menarbeit mit dem Vieweg-Verlag. Hier mochte ich Herrn E. Schmitt und ganz
besonders Herrn E. Klementz flir seine nahezu unerschopfliche Geduld sehr
herzlich danken.
Mtinchen, im Marz 1995 W. MaIsch
Inhaltsverzeichnis VII
Inhaltsverzeichnis
1 Proze8rechner als Automatisierungsmittel .......................................... .
1. 1 Geschichtliche Entwicklung............................................................... 1
1.2 Typen von Automatisierungssystemen und ProzeBrechnern ............. 5
1.3 Automatisierungsziele und Rentabilitatsiiberlegungen ................ ...... 10
1.4 Aufgaben und Einsatzstufen der ProzeBrechner................................. 13
2 Charakteristika von Proze8rechnern .................................................... 21
2.1 Direkte ProzeBkopplung ..................................................................... 21
2.2 Externe Beeinflussung der Rechneraktivitaten .................................. 25
2.3 Echtzeitbetrieb .................................................................................... 28
2.4 Multitask-Verarbeitung ...................................................................... 32
2.5 Prioritatssystem ............. ..................................................................... 35
2.6 Sicherheitsvorkehrungen .................................................................... 38
3 Architektonischer Uberblick .................................................................. 40
3.1 Hardwarekonfiguration....................................................................... 41
3.2 Funktionale Struktur ........................................................................... 45
3.2.1 Aufgabenverteilung .................... .............................................. 45
3.2.2 Softwarekomponenten.............................................................. 47
3.2.3 Rolle der Firmware................................................................... 48
3.3 Dualitat von Anwendungs- und Systemsoftware ............................... 51
4 Zentraleinheit........................................................................................... 56
4.1 Kommunikationsstrukturen ................................................................ 56
4.2 Besonderheiten des Zentralprozessors ............................................... 62
4.3 Unterbrechungssystem........................................................................ 68
4.3.1 Unterbrechungsarten ................................................................ 69
4.3.2 Unterbrechungsablauf .............................................................. 72
4.3.3 Unterbrechungswerke............................................................... 74
4.4 Echtzeituhr .......................................................................................... 82
VIII
5 Ein/Ausgabesystem .................................................................................. 86
5.1 Bedeutung und Aufgaben ................................................................... 86
5.2 Kanalarten........................................................................................... 88
5.2.1 Zentralgesteuerte und autonome Kan~ile .................................. 89
5.2.2 Multiplex- und Selektorkanale ................................................. 95
5.3 Ein/Ausgabestrukturen ....................................................................... 99
5.3.1 Verkehrswege zur Peripherie ................................................... 100
5.3.2 Unterstationen .......................................................................... 103
5.3.3 Unterbrechungskanale .............................................................. 106
5.4 Bussysteme.. ........ ....... .......... ....... ....... ....... ........... ... ............ ..... ... ....... 108
5.4.1 Elementare Funktionsmechanismen......................................... 109
5.4.2 Einsatzmoglichkeiten und Merkmale....................................... 111
5.4.3 Exemplarische ProzeB- und Feldbusse..................................... 115
6 Proze8peripherie. ........... .............. ........... .................. ............................... 122
6.1 Gerateklassen und Aufgaben . .............. ... ...... ......... ........... .................. 122
6.2 ProzeBgroBen, ProzeBdaten, Signalarten ............................................ 128
6.3 Erfassung der ProzeBgroBen ............................................................... 131
6.4 Digitale Ausgabeelemente .................................................................. 136
6.5 Digitale Eingabeelemente................................................................... 138
6.6 Analoge Ausgabeelemente ................................................................. 141
6.7 Analoge Eingabeelemente ..... ... ............. .......... ...... ................. ... ... ...... 144
6.7.1 Systemaufbau ....... ..... ...................... .... ....... ......... .......... ... ........ 144
6.7.2 Sample-and-Hold-Verstarker ................................................... 146
6.7.3 AnaloglDigital-Wandler ............ ................ ................... ... ... ...... 149
6.8 Programmgesteuerte EinlA usgabeeinheiten....................................... 157
7 Echtzeitbetriebssytem... ..... ..... ...... ... ..... ..... ................ ................. ..... ........ 160
7.1 Aufgaben und Komponenten ... .......... ... ....... ... .......... ...... .................... 161
7.1.1 Supervisor..... ............ ................. ..... ........... ...................... ......... 162
7.1.2 Betriebsmittelverwaltung... ....... ......... ....... ... ...................... ...... 165
7.1.3 EinlA usgabe-Verwaltung ..... ..... ................ .... ....... ...... ...... ........ 167
7.1.4 Kommandosystem und Servicefunktionen...... ................. ..... ... 171
7.2 Grobstruktur. ....... ..... ....... ... ................. ........... ... ........... ....................... 173
7.2.1 Schichtenmodell.... ..... ............. ..... .................. ... ........ ............... 173
7.2.2 Betriebssystemkern .................................................................. 174
7.2.3 Betriebssystemschale ............................................................... 175
7.2.4 Privilegierungen ....................................................................... 176
Inhaltsverzeichnis IX
7.3 Schnittstellen ...................................................................................... 179
7.3.1 Betriebssystemschale - Anwenderprogramme ........................ 180
7.3.2 Betriebssystemkern - Anwenderprogramme ........................... 183
7.3.3 Betriebssystemschale - Betriebssystemkern............................ 183
7.4 Elemente des Betriebssystemkerns ..................................................... 184
7 .4.1 Tasksteuerung........................................................................... 184
7.4.2 Taskkommunikation und Tasksynchronisation ........................ 192
7.4.3 Unterbrechungsbehandlung ...................................................... 196
7.5 Marktgangige Ausftihrungen .............................................................. 200
8 Programmiersprachen fUr ProzeBrechner ............................................ 204
8.1 Anforderungen und Eigenschaften ..................................................... 204
8.2 Maschinenorientierte Sprachen .......................................................... 209
8.3 Systemimplementierungssprachen ..................................................... 210
8.4 Modifizierte problemorientierte Sprachen ......................................... 211
8.5 ProzeBorientierte Sprachen ................................................................. 213
8.6 Anwendungsspezifische und nichtprozedurale Sprachen .................. 216
Literaturverzeichnis 219
Sachwortverzeichnis 224
1 Proze8rechner als Automatisierungsmittel
1.1 Geschichtliche Entwicklung
Zwangslaufige Begleiterscheinung der industriellen Entwicklung war von Be
ginn an der Bedarf an einer Automatisierung bestimmter technischer Ablaufe.
Damit ist die selbstandige Erledigung von Aufgaben durch maschinelle Einrich
tungen gemeint, was zumindest die standige Verfolgung und Eingriffnahme sei
tens des Menschen erUbrigt. Bis in die 50er Jahre unseres Jahrhunderts ging man
diese Problematik ausschlieBlich mit den Mitteln der zUgig voranschreitenden
MeB-, Steuer- und Regelungstechnik an, zuerst Uberwiegend mit mechanischen,
spater mit elektrischen Apparaturen.
Die anfallenden Aufgaben wurden zunehmend umfangreicher, vieWiltiger und
komplexer; sie stellten wachsende AnsprUche an die Geschwindigkeit, Prazision,
Zuverlassigkeit und Flexibilitat der einschlagigen Hilfsmittel. So lag es nahe,
das mittlerweile sowohl im wissenschaftlich-technischen als auch im kommer
ziellen Sektor glanzend bewahrte Medium der digitalen Datenverarbeitungsanla
ge (kUrzer, wenn auch unzutreffender: Rechner genannt) in die Automatisie
rungsbemUhungen einzubeziehen. Anfanglich bediente man sich der seinerzeit
verfugbaren Universalmodelle, die mit betrachtlichem Aufwand flir den jeweili
gen Anwendungszweck umgerUstet, erganzt und mittels geratetechnischer Ver
bindungen an den technischen ProzeB (auch als ObjektprozeJ3 bezeichnet) ange
paBt werden muBten (Bild 1-1). Damit konnten herkommliche Instrumentierun
gen in ihrer Funktion angereichert und verfeinert sowie zahlreiche Steuer- und
Regelvorgange komfortabler gestaltet werden.
Die ersten Implementierungen datieren aus den Jahren 1958 in USA und 1961 in
Deutschland, und zwar durchweg aus dem Bereich der chemischen Verfahrens
technik. Dies ist aus zweierlei GrUnden bezeichnend. Den hier vorherrschenden
sehr weitverzweigten, aber relativ langsamen ProzeBablaufen entsprach recht gut
das mehr in die Breite als in die Tiefe angelegte Leistungsprofil des damaligen
Rechnerspektrums. AuBerdem konnten sich die dam it verbundenen Automatisie
rungskosten nur angesichts der dort Ublichen immensen Anlagenwerte und ein
zudammenden Betriebsrisiken amortisieren.