Модуль центрального процессора и его составляющие

Устройство модуля ЦПУ очень схоже с устройством ПК. По сути это и есть специализированная ЭВМ, со своей операционной системой (ОС), ориентированная на сбор и обработку данных в режиме реального времени (РВ).

Модуль ЦПУ состоит из материнской платы, на которой расположены микропроцессор, оперативная память (ОЗУ), постоянная память (ПЗУ), часы реального времени и порты связи с другими контроллерами и периферийными устройствами. Также на материнской плате расположен контроллер шины данных, с помощью которой осуществляется подключение дополнительных модулей ПЛК. В некоторых модулях ЦПУ есть резервная батарея для поддержания работы часов и состояния памяти в случае отсутствия питания ЦПУ. В зависимости от сложности ПЛК на материнской плате могут присутствовать слоты для установки дополнительных портов связи, сопроцессора, расширения ОЗУ и т.н.

Рассмотрим перечисленные составляющие ЦПУ более подробно.

Микропроцессор. В ПЛК используется широкий спектр микропроцессоров различных архитектур — ARM, MIPS, PowerPC и даже х86 (семейство микропроцессоров ПК). Производительность используемых в ПЛК микропроцессоров обычно невысока, даже у довольно мощных и современных она находится на уровне микропроцессоров Intel серии 486. В данном случае приоритет отдается не скорости вычисления, а низкому энергопотреблению и надежности всей платформы в целом. В силу того что ПЛК — это специализированная ЭВМ, имеющая очень узкий и ограниченный объем задач, больших вычислительных мощностей здесь не требуется.

Часто конечный пользователь — человек, пишущий программу для ПЛК, даже не знает, какой архитектуры микропроцессор у контроллера и какая операционная система управляет внутренним процессом в ПЛК. Для него это не столь важно, поскольку производитель ПЛК предоставляет утилиты для работы с ним, в которых на специализированных языках и производится программирование. Для программиста более важно знать, сколько таймеров-счетчиков он может организовать, какие ячейки ОЗУ ему доступны для хранения данных и т.н.

Оперативное запоминающее устройство. Как и ОЗУ любой ЭВМ служит для хранения данных, над которыми производятся вычисления, обеспечения работы ОС ПЛК и храпения прочей оперативной информации. Наиболее часто в ПЛК в качестве оперативной памяти используется так называемая статическая память — SRAM (Static Random Access Memory). Это память, ячейки которой основаны на триггерах. Триггеры соединяются таким образом, что вся связка имеет два устойчивых состояния, в которые ячейка переключается по управляющему сигналу. Таким образом, в ячейке памяти хранятся значения 1 бита информации. Эта оперативная память обладает высоким быстродействием и низким энергопотреблением. Кроме того, состояние ячеек такой памяти можно поддерживать подачей на нее питающего напряжения, при очень низком токе потребления, что позволяет сохранять ее состояние с помощью резервной батареи. Основной минус такой памяти — довольно высокая стоимость.

Что касается объемов, то в современных контроллерах они могут достигать всего лишь нескольких десятков мегабайт. Это, опять же, обусловлено узким кругом задач ПЛК, большие объемы здесь не требуются. Простейшие ПЛК имеют объемы ОЗУ всего в несколько килобайт. Учитывая вышесказанное, стоимость ОЗУ не играет особой роли.

Объем имеющейся оперативной памяти обычно делиться между операционной системой ПЛК и программой пользователя, поэтому не вся память доступна программисту. Кроме того, часть доступной программисту памяти может занимать служебная информация, например, текущие значения таймеров и счетчиков, параметры протоколов связи, переменные для работы с функциями ОС контроллера и т. п. Таким образом, объем памяти, доступной для хранения данных, может отличаться в разы от имеющегося объема ОЗУ ПЛК.

В качестве альтернативы статической памяти может использоваться динамическая память — DRAM (Dynamic Random Access Memory). Ячейки этой памяти основаны на связке конденсатора и транзистора, значение информационного бита хранится с помощью заряда на конденсаторе. Поскольку заряд с конденсатора довольно быстро утекает, требуется постоянное обновление содержимого ячеек такой памяти. Эта процедура называется «регенерацией» ячеек памяти. Отсюда и получаются основные минусы такой памяти — высокое энергопотребление, сниженное быстродействие и необходимость организации специальных контроллеров памяти, обеспечивающий доступ к ней и процедуру «регенерации» ячеек.

В качестве достоинства такой памяти, можно привести низкую стоимость, но, как уже было сказано выше, в ПЛК это особой роли не играет. В основном ОЗУ такого типа используется в ПК.