Реферат: Автоматизация

Ю.Ф.Певчев К.Г.Финогенов


АВТОМАТИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА


Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учеб­ного пособия для студентов физических специ­альностей вузов

МОСКВА ЭН Е РГОАТОМИЗДАТ 1986

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные измерительные системы в экспериментальной физике и других областях науки практически немыслимы без разнообразных технических средств, позволяющих автоматизиро­вать сбор, накопление и обработку информации. Применение авто­матизированных измерительных комплексов значительно экономит труд экспериментаторов в ходе измерений, повышает эффективность использования дорогостоящих ядерно-физических установок, таких, как реакторы, ускорители. Наконец, решение многих эксперимен­тальных задач принципиально невозможно без современных дости­жений электронной и вычислительной техники.

При подготовке эксперимента персоналу научных лабораторий приходится решать многочисленные вопросы технического и эконо­мического характера, связанные с автоматизацией измерений. Грамотный инженерный подход к выбору средств автоматизации на начальном этапе работ позволяет значительно сократить сроки создания установок, а также экономить материальные ресурсы и время при дальнейшем развитии комплекса и переориентации его для решения новых экспериментальных задач.

Какие вычислительные средства следует выбрать для решения поставленной задачи, как организовать взаимодействие ЭВМ с разнородной измерительной аппаратурой эксперимента, какое программное обеспечение использовать для достижения требуемого быстродействия и гибкости работы всей измерительной системы — рассмотрению этого круга вопросов посвящена настоящая книга, которая является переработанным изложением курсов лекций по автоматизации физического эксперимента, читаемых авторами в течение ряда лет студентам МИФИ, слушателям факультетов повышения квалификации специалистов промышленности и пе­реподготовки специалистов по новой технике, преподавателям и научным сотрудникам в рамках действующей в институте Практиче­ской школы ЭВМ. Опыт работы с различным контингентом слуша­телей показывает, что в настоящее время существует острый дефицит учебной литературы по практическим вопросам автомати­зации экспериментов. Целью учебного пособия является изложение основ знаний, необходимых для практической работы по созданию измерительных систем с использованием аппаратуры КАМАК, мини- и микро-ЭВМ. Вопросы применения вычислительных средств и их программного обеспечения рассмотрены на примере ЭВМ типа СМ-4 и Электроника-60, получивших наибольшее распростра­нение при автоматизации физических исследований. Поскольку изу­чение вычислительной техники немыслимо без практической работы по написанию конкретных программ, книга содержит большое количество примеров и задач возрастающей сложности, снабжен­ных решениями и комментариями.

Настоящее учебное пособие ориентировано лишь на начальное ознакомление с предметом. Более детальные сведения по затрону­тым и смежным вопросам читатель может найти в литературе, список которой приведен в конце книги.

Методы и технические средства автоматизации физического эксперимента изложены, например, в работе [1], где рассмотрены особенности применения ЭВМ для автоматизации физического эксперимента, различные системы сбора и обработки данных в крупных физических установках. В книге затронуты вопросы про­граммных систем комплексной обработки экспериментальных данных. Многочисленные примеры измерительно-вычислительных систем для проведения экспериментов в различных областях ядер­ной физики, физики плазмы, лазерного термоядерного синтеза и других дают представление о современных методах организации физических исследований. Содержательный обзор [2] знакомит с концепциями построения автоматизированных систем научных исследований, выбором базовых аппаратных и программных средств для построения таких систем, направлением новых разрабо­ток аппаратных и программных средств.

В книгах [3,4] изложены основы теории и практики построения стандартных интерфейсов измерительных систем, в том числе системы КАМАК, МЭК-625 и др.

Желающих углубить свои знания по общим вопросам построения микро- и мини-ЭВМ можно адресовать к учебному пособию [5], где описаны архитектура малых ЭВМ, их системные интерфейсы, органи­зация ввода — вывода, периферийные устройства, системное программное обеспечение и тенденции развития малых ЭВМ. Эти же вопросы рассмотрены в фундаментальной работе [6], где боль­шое внимание уделяется конкретным микропроцессорам и микро-ЭВМ. Целый ряд книг [7—9] посвящен различным вопросам организации ЭВМ типа PDP-11, СМ-4. Для освоения программи­рования этих машин на языке АССЕМБЛЕР можно рекомендовать работы [6, 8, 10, 11]. В [8] даны некоторые элементы операцион­ной системы RT-11. Средствам операционной системы РАФОС пос­вящена книга [12].

Наконец, общие сведения по современным электронным модуль­ным системам и перспективам их развития изложены в ряде обзоров журнала «Приборы и техника эксперимента» [13—15].

Главы 2—4 настоящей книги, а также § 1.2 написаны Ю. Ф. Певчевым; главы 5—9 и § 1.1, 1.3—К. Г. Финогеновым. В написании гл. 7 принимал участие М. П. Шарак, гл. 8— А. А. Зу­бец, гл. 9— С. Д. Чигирь. Авторы будут благодарны читателям за любые замечания и предложения, касающиеся содержания и стиля книги. Отзывы и замечания направлять по адресу: 113114, Москва, Шлюзовая набережная, 10, Энергоатомиздат.

ГЛАВА 1

^ ОРГАНИЗАЦИЯ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

§ 1.1. ОСОБЕННОСТИ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Современные физические исследования имеют характерные черты, которые зачастую делают невозможным их проведение без использования целого комплекса средств, образующих понятие ав­томатизации физического эксперимента.

Рассмотрим в качестве примера эксперимент по исследованию осколков деления ядер быстрыми нейтронами, поставленный в Ле­нинградском институте ядерной физики им. Б. П. Константинова АН СССР1. Целью измерений является получение распределений образующихся осколков по энергиям и массам и нахождение корре­ляционных зависимостей между этими величинами.

Ускоренные до энергии 1 ГэВ протоны падают на тонкую ми­шень М (рис. 1.1), содержащую исследуемое вещество. Образую­щиеся при делении ядер мишени осколки разлетаются в стороны и часть их попадает на мозаики полупроводниковых детекторов (ППД)" Ml и М2, установленные на оси, перпендикулярной к направлению движения протонов, на расстоянии 1 м от мишени. Каждая мозаика представляет собой диск диаметром 180 мм, на котором равномерно размещаются 33 поверхностно-барьерных ППД. Использование мозаики детекторов вместо одиночного детек­тора позволяет увеличить светосилу прибора без ухудшения его энергетического разрешения.

На оси, соединяющей мишень с центром мозаики Ml, на рас­стоянии 5 см от мишени расположено устройство нуля времени Я, основным элементом которого является тонкая никелевая плен­ка. При прохождении регистрируемого осколка через пленку из нее испускаются вторичные электроны, которые после ускорения элект­рическим полем и фокусирования электростатической линзой ре­гистрируются сцинтилляционным детектором с тонким пластическим сцинтиллятором. Импульс на выходе сцинтилляционного детектора устройства нуля времени характеризует момент прохождения оскол­ка через детектирующую пленку.

С
каждого ППД мозаик Ml и М2 снимаются два сигнала. Один, спектрометрический, несет в себе информацию об образо­вавшемся в детекторе заряде, который, в свою очередь, пропор­ционален кинетической энергии зарегистрированного осколка.

Рис. 1.1. Схема экспе­риментальной установ­ки для исследования процесса деления

Другой, временной, характеризует момент регистрации осколка и позволяет определить время ^ Т, требуемое каждому осколку для про­хождения известного расстояния D между мишенью и детектором (после введения поправки на расстояние между точками М и Я). Отсюда легко найти скорости осколков:

v = D/T.

Энергия Е и скорость v осколка связаны известным соотно­шением E = mv2/2, поэтому, зная Е и v, можно найти массу осколка га. Таким образом, установка, построенная по приведенной на рис. 1 схеме, позволяет изучать массовые и энергетические распределения осколков деления, при этом совместное измерение параметров обоих осколков одного акта деления дает возможность исследовать корреляции их характеристик.

Наличие в каждой мозаике 33 детекторов усложняет процесс регистрации и обработки экспериментальных данных. Информация о каждом осколке должна включать, кроме пролетного времени Т и энергии £, еще и адрес (номер) сработавшего детектора А. Это дает возможность ввести тригонометрическую поправку на длину пролетной базы и на толщину встречающихся на пути ос­колка тонких пленок, а также установить, находятся ли сработав­шие детекторы на одной прямой, проходящей через центр мишени.

Итак, рассмотренная система позволяет для каждой зарегис­трированной пары осколков определить их массы и энергии и найти корреляции этих величин. При этом непосредственно в про­цессе регистрации осколков измеряются шесть величин: энергии £ь £2, интервалы времени Т1 , Т2 и координаты (номера) сра­ботавших детекторов А1, А2.

Для того чтобы иметь возможность накапливать и обрабатывать экспериментальные данные с помощью цифровых электронно-вы­числительных устройств, их следует преобразовать в цифровую форму. Для этого измеряемая величина квантуется, т. е. ее зна­чение сравнивается с некоторым эталоном и определяется коли­чество содержащихся в нем эталонных единиц. Полученное число в виде двоичного кода записывается в выходной регистр соот­ветствующего электронного модуля — аналого-цифрового преобра­зователя. При этом для точного отображения значения измеряемой аналоговой величины в цифровую форму число шагов квантования и соответственно длина выходного регистра должны быть достаточно велики.

Большое количество измеряемых величин (их в этом случае называют параметрами, а сам эксперимент — многопараметричес­ким или многомерным) приводит к необходимости накопления зна­чительного объема информации. Действительно, регистрируемые частицы могут обладать произвольным сочетанием значений изме­ряемых параметров. Если, например, выполняются двухпараметрические измерения и каждая величина кодируется 7-разрядным преобразователем (с погрешностью квантования 1/27~1Х>), то общее число возможных каналов, т. е. сочетаний значений каждо­го из параметров, составит 27-27^101 В рассматриваемой установ­ке для кодирования Е и Т используются 9-разрядные (512-каналь­ные) преобразователи, а кодирование номера детектора при 33 де­текторах требует шесть разрядов. В результате общее число ка­налов составит 29.29.29-29.26.26 = 248^2-1014.

Если, однако, экспериментатора интересуют только массовые и энергетические распределения осколков независимо от угла их вылета, то число каналов сокращается до 29-29-29-29 « 6-1010.

Для того чтобы получить искомое распределение с достаточ­но малой статистической погрешностью, число отсчетов в каждом канале должно быть большим, желательно не менее 100. Если бы регистрируемые события распределялись по каналам равномер­но, в этих условиях понадобилось бы зарегистрировать в общей сложности 6-1010-102=6-1012 событий, что представляет собой ог­ромное (исходя из современных технических возможностей) зна­чение. В действительности, однако, события распределяются по ка­налам неравномерно, группируясь в более или менее узкие пики. Если предположить, что наблюдаемые в эксперименте значения измеряемых энергий и интервалов времени занимают приблизитель­но 1/tO всей шкалы, т. е. по 50 каналов, то результирующее число событий снизится до б-1012-(1/ГО)4 = 6-108, оставаясь еще очень большим. При более узких пиках или при допущении боль­шей статистической погрешности в каналах объем накапливаемой информации может быть уменьшен. В рассматриваемом экспери­менте в каждой серии измерений накапливалось порядка 105—106 событий.

Таким образом, характерной чертой современного эксперимента является огромное количество получаемой информации, накопле­ние и хранение которой возможно только с использованием циф­ровых вычислительных машин. Высокие скорости поступления ин­формации и необходимость ее обработки не после завершения ^эксперимента, а прямо в ходе измерений, требуют непосредст­венной связи ЭВМ с измерительной аппаратурой, что, в свою оче­редь, существенно расширяет возможности экспериментальной ус­тановки и повышает качество измерений. Про такую установку говорят, что она работает на линии с ЭВМ, а режим обработки измерительной информации в темпе ее поступления называют ре­жимом реального времени.

Еще одна характерная черта современного эксперимента — не­обходимость формирования и вывода по ходу эксперимента разнообразной служебной и контрольной информации, что тоже может быть реализовано только с помощью ЭВМ.

Рис. 1.2. Двумерный спектр энергий осколков спонтанного деления ядер 252Cf (замкнутые кривые проведены че­рез точки с одинаковой скоростью счета событий; цифры у кривых — от­носительные числа отсчетов)


В рассматриваемой установке предусмотрен контроль измерительных характеристик спектрометрических и временных трактов с помощью автоматичес­кой системы непрерывного контроля, включающей в себя генера­тор запуска фотодиода, генератор импульсов стабильной ампли­туды, отградуированную перестраиваемую линию задержки и рас­пределитель наносекундных импульсов. Конкретные значения ам­плитуды импульсов и временной задержки, так же как и после­довательность работы всей системы контроля, можно задавать про­граммным способом командами ЭВМ.



Рис. 1.3. Упрощенная структурная схема электронного обеспечения эксперименталь­ной установки, изображенной на рис. 1.1: Ml и М2 — мозаики детекторов; М — мишень; Р — пучок протонов; БПУ — быстрые предусилители; СПУ— спектрометрические усилители; ФАД — формирователи адреса и дискриминаторы; ЛП — линейные пропускатели; Ф1, Ф2 — быстрые формирователи; ЛЗ — линия задержки; ГВ1, ГВ2 — генераторы ворот; СС1, СС2, ССЗ — схемы совпадений; ВАШ, ВАП2 — время-амплитудные преобразователи; У — усилители; АЦП — амплитудно-цифровые преобразователи; Э-100 — ЭВМ «Электроника-100»


В начальный момент времени на фотодиод, установленный перед фотокатодом ФЭУ устройства нуля времени, подается короткий импульс запуска. Тем самым имитируется прохождение заряженной частицы через пленку нуля времени. Этот же импульс через линию задержки поступает в выбранные распределителем временные трак­ты установки. Одновременно в спектрометрический тракт подается импульс от генератора стабильной амплитуды. Таким образом, пол­ностью имитируется полезное событие. Амплитуды и временные задержки сигналов контроля выбирают таким образом, чтобы об­разовать реперные пики в начале, середине и конце исследуемых диапазонов времени пролета и энергии. Программа управления системой кон троля составлена так, что контрольные события гене­рируются только в паузах между макроимпульсами протонного пучка и не накладываются на измеряемые физические события. Коды контрольных событий накапливаются в памяти ЭВМ. Их последующая обработка позволяет получить информацию об изменении характеристик измерительных трактов в процессе прове­дения эксперимента и ввести соответствующие поправки в результаты измерений. В случае выхода измерительных характеристик из заданных границ система оповещает об этом оператора выводом на терминал соответствующего сообщения. Кроме контроля измерительных характеристик установки в про­цессе эксперимента ведутся также непрерывные измерения сум­марных скоростей счета устройства-нуля времени и мозаик M1 и М2, а также скорости счета полезных событий. Эти данные, вы­водимые на терминал, позволяют следить за ходом эксперимента.

Следует заметить, что регистрируемые 48-разрядные коды собы­тий сами по себе не дают информации о правильности настройки электронно-измерительной аппаратуры установки или выбранного режима измерений. Если же в процессе измерений накапливать и выводить на графический терминал двумерное распределение величин Е{ и Е2, по его виду можно легко контролировать ход эксперимента. Действительно, при регистрации осколков деления распределение £1—£2 имеет характерную двугорбую форму (рис. 1.2). Формирование такого распределения требует выделения некоторой части поступающей информации и обработки ее в реальном времени так, чтобы вид наблюдаемого на графическом терминале двумерного спектра в любой момент соответствовал текущий условиям эксперимента.

Использование ЭВМ на линии с физической установкой дает возможность оперативно, по ходу эксперимента, изменять настройку электронной аппаратуры или самих детекторов, руководствуясь результатами предварительной обработки регистрируемой инфор­мации, производимой ЭВМ в реальном времени. Это во многих случаях 'существенно снижает затраты времени на проведение эксперимента и повышает точность измерений.

Эксперименты, подобные рассмотренному, требуют для своего проведения целого комплекса электронной аппаратуры (рис. 1.3):

Каждые три детектора мозаики объединены в одну спектромет­рическую ячейку и подключены к зарядочувствительным спектро­метрическим предусилителям СПУ. Такое объединение позволяет сократить требуемое количество предусилителей с 66 до 22 практи­чески без ухудшения энергетического разрешения тракта. Далее с помощью специальных линейных пропускателей ЛП сигналы со всех ППД объединяются в единый спектрометрический тракт Е.

Как уже отмечалось выше, с каждого ППД снимается, кроме спектрометрического, еще и временной сигнал. Этот сигнал не­сет в себе информацию о моменте регистрации осколка и о но­мере сработавшего детектора. Пройдя через быстрый предусилитель БПУ, сигналы с ППД поступают в блок формирователей адреса и дискриминаторов ФАД, который объединяет временные сигналы в единый временной тракт Т и, кроме того, форми­рует двоичный код адреса сработавшего детектора А.

Объединенные временные сигналы с мозаик Ml и ^ М2 проходят через быстрые формирователи Ф1 и Ф2, осуществляющие привязку к переднему фронту импульса, и запускают «генераторы ворот» ГВ1 и ГВ2, формирующие относительно длинные импульсы, пере­крывающие возможный диапазон измеряемых времен пролета (50—150 не). Эти импульсы поступают на схемы совпадений СС1 и СС2, на вторые входы которых приходит задержанный на линии задержки ЛЗ сигнал нуля времени. Схемы совпадений СС1 и СС2 фиксируют заряженные частицы, прошедшие через детектирующую пленку устройства нуля времени и мозаику детекторов в пределах установленного временного диапазона. Выходные сигналы схем СС1 и СС2 служат в качестве стартовых для время-амплитудных преобразователей ВАШ и ВАП2 соответственно. Стоп-сигналами для них являются задержанные сигналы формирователей Ф1 и Ф2. Преобразователи ВАШ и ВАП2 формируют импульсы, амплиту­ды которых пропорциональны пролетным временам регистрируемых частиц. При этом отсчет ведется в обратной шкале времени. За­пуск ВАП сигналом от ППД мозаики, а остановка сигналами от детектора нуля времени позволяют заметно снизить фон случай­ных срабатываний. .Действительно, плотность потока сигналов от детектора нуля времени составляет в реальных условиях около 104 в 1 с, а от мозаик — всего несколько импульсов в 1 с. Сигналы с выходов ВАШ и ВАП2, несущие информацию о пролетном времени, а также спектрометрические сигналы с вы­ходов линейных пропускателей поступают через усилители У в блок из четырех амплитудно-цифровых преобразователей АЦП, преобра­зующих входные аналоговые величины в цифровые коды.

Схема совпадений ССЗ выделяет парные осколки, т. е. собы­тия, подлежащие регистрации. Каждое такое событие дает сигнал прерывания в ЭВМ и инициирует передачу информации об одном событии из АЦП в память ЭВМ Электроника-100. Одновременно в ЭВМ поступает код номера сработавшего детектора А.

Малая ЭВМ Электроника-100 обладает ограниченными возмож­ностями и используется в данной установке для приема и упаковки в определенном формате закодированной информации от детекто­ров, а также для управления системой контроля. Из ЭВМ Элект­роника-100 информация массивами по 163 события пересылается в ЭВМ Минск-32 (находящуюся на расстоянии 1 км от экспе­риментальной установки), которая выполняет двухэтапную обработ­ку экспериментальных данных. На первом этапе данные корректи­руются, пересчитываются из условных кодов в размерные физи­ческие величины и запоминаются на магнитных лентах в виде протокола эксперимента. На втором этапе происходит окончатель­ная обработка: построение двумерных матриц £,—£2, (т{--т2) — (f1-f2) и других, нахождение моментов распределений, графичес­кое представление обработанной информации.

Использование двухмашинных комплексов, представляющих со-~) бой двухуровневую иерархическую структуру (число уровней может быть и больше двух), весьма характерно для сложных физических f экспериментов. Очевидно, что все вычислительные средства, входящие в состав такого комплекса, должны быть связаны друг с другом и образовывать единую вычислительную систему.

§ 1.2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТА

Рассмотренный в § 1.1 пример дает общее представление об основной особенности организации ядерно-физического эксперимента, заключающейся в том, что неотъемлемой частью большинства современных экспериментальных установок являются устройства, способные выполнять вычислительно-управляющие функции. При таком подходе к автоматизации измерений перед эксперимента-''' тором возникает необходимость решения трех основных вопросов:

А) выбор типа вычислительно-управляющего устройства для работы в составе измерительного комплекса;

Б) установление связи с этим устройством той части оборудования, которая по условиям работы должна взаимодействовать с ним в ходе эксперимента;

В) программирование работы вычислительно-управляющего устройства для выполнения всем комплексом определенных функций в ходе измерений. Для грамотного решения многих проблем, связанных с созда нием автоматизированных измерительных систем, необходимо иметь представление о современных технических и программных средст­вах, используемых при организации экспериментальных комплексов.





Рис. 1.4. Структура связей между основными техническими средствами эксперимента

На рис. 1.4 в наиболее общем виде представлена структура связи между основными техническими средствами современных из­мерительных комплексов.

^ Измерительная аппаратура эксперимента

Состав измерительной аппаратуры, используемой в эксперимен­те, определяется конкретной задачей, для решения которой создает­ся измерительная система. В каждой области исследования обычно существует свой базовый набор измерительной аппаратуры. Так, при проведении экспериментальных работ в ядерной физике часто используют различные устройства временного и амплитудного от­бора событий, амплитудно-цифровые и время-цифровые преобразо­ватели, счетчики импульсов и некоторую другую аппаратуру. Воп­росы функционирования подобного рода аппаратуры, предназначен­ной для ядерно-физических исследований, и ее характеристики достаточно подробно рассматриваются в соответствующих курсах типа «Ядерная электроника», «Основы электронных методов ядер­ной физики» и т. п.

К техническим средствам, которые применяются непосредственно для автоматизации научных исследований, обычно относят вычислительные устройства, входящие в состав экспериментального комп­лекса, и средства их связи с измерительной аппаратурой экспери­мента.

^ Вычислительные устройства в составе экспериментальных комплексов

Следует отметить, что термин вычислительные устройства не полностью отражает те функции, которые возлагаются на них в ходе измерений. Эти функции заключаются не только в выполнении чисто вычислительных операций над экспериментальными данными, но могут также включать выполнение определенных действий по управлению ходом эксперимента.

Выбору вычислительных устройств и способу их связи с измери­тельной аппаратурой следует уделять серьезное внимание, посколь­ку от грамотного решения этого вопроса во многом зависит успех исследовательской деятельности научного коллектива. Неквалифи­цированный, бессистемный подход к автоматизации измерений при­водит к существенному снижению эффективности работы обору­дования в ходе эксперимента, неоправданно большим затратам времени и материальных ресурсов, которые могут понадобиться для создания и дальнейшего развития измерительного комплекса.

В качестве устройств, выполняющих вычислительные и управ­ляющие функции, в автоматизированных измерительных системах используют различные типы ЭВМ, выпускаемые промышленностью, или специальные программируемые устройства, в состав которых обычно входят микропроцессорные ЭВМ с ограниченными по срав­нению с промышленными ЭВМ возможностями.

Какими же соображениями следует руководствоваться при вы­боре вычислительных средств для использования в конкретных из­мерительных системах? Решение вопроса зависит, прежде всего, от тех функций, которые возлагаются на эти устройства в ходе экс­перимента. Многообразие же функций, в свою очередь, во многом определяется степенью сложности физической задачи, решаемой на данном этапе исследований. К числу основных функций вычисли­тельных и управляющих средств, используемых в режиме реального времени, относятся накопление экспериментальных данных, их пред­варительная или полная обработка, представление результатов об­работки в процессе эксперимента в удобном для экспериментатора виде и, наконец, управление экспериментом по заданному алгорит­му с учетом особенностей, возникающих непосредственно в процес­се измерений. Для решения всего комплекса проблем, связанных с автоматизацией процесса измерений, целесообразно использова­ние в составе экспериментальных комплексов стандартных ЭВМ.

^ Промышленные ЭВМ для автоматизации научных исследований

Все выпускаемые промышленностью ЭВМ условно принято делить на несколько классов: большие, средние, мини- и микро-ЭВМ. Ма­шины каждого класса характеризуются многими параметрами, в частности определенной производительностью, оснащением аппа­ратными "и программными средствами и др. Немаловажным обстоя­тельством для использования ЭВМ в системах автоматизации научных исследований является различие в их стоимости — от не­скольких тысяч рублей (микро-ЭВМ) до нескольких миллионов (большие ЭВМ).

Принципиально не существует непреодолимых технических труд­ностей для использования любой ЭВМ в составе экспериментальных установок. Основными критериями пригодности определенного типа ЭВМ для этой цели являются, в первую очередь, соответствие ее вычислительной мощности сложности алгоритма и скорости обра­ботки информации в ходе измерений, наличие необходимого объема запоминающих устройств для накопления и хранения эксперимен­тальных данных, достаточная гибкость взаимодействия с нестан­дартными по отношению к данной ЭВМ внешними устройствами, т. е. измерительной аппаратурой, используемой в эксперименте. Несмотря на то что большие и средние ЭВМ классов ЕС 1040, ЕС1033 и т. п. удовлетворяют первым двум условиям, их струк­турная организация не обеспечивает эффективного обмена инфор­мацией с нестандартными внешними устройствами. Низкая в боль­шинстве случаев эффективность использования таких ЭВМ при работе в режиме реального времени и их высокая стоимость огра­ничивают возможности применения их для автоматизации измере­ний. Подобного рода ЭВМ обычно являются принадлежностью вы­числительных центров научных организаций, где их применяют для решения счетных задач в режиме пакетной обработки. В крупных научно-исследовательских организациях при построении иерархиче­ских многомашинных комплексов большие ЭВМ вычислительных
центров используются в качестве головных ЭВМ, т. е. ЭВМ высо­кого уровня, для окончательной обработки информации, поступаю­ щей от многих экспериментальных установок.

При проведении отдельных сложных экспериментов в физике высоких энергий и релятивистской ядерной физике большие и сред­ние ЭВМ иногда используют в составе экспериментальных комп­лексов. Обычно в этом случае одна большая ЭВМ обслуживает несколько крупных спектрометров, обеспечивая накопление данных и экспрессную обработку больших массивов информации.

Наиболее широкое распространение в качестве вычислительных и управляющих средств при проведении ядерно-физических иссле­дований получили, различные мини- и микро-ЭВМ. Одной из основ­ных особенностей машин данного класса является то, что их структурная организация допускает сравнительно простую в техническом и программном отношениях возможность взаимодействия внеш­ними устройствами, в том числе и с измерительной аппаратурой эксперимента.

На начальном этапе разработки и промышленного выпуска мини-ЭВМ значительно превосходили микро-ЭВМ по производи­тельности, оснащенности устройствами ввода — вывода, а также возможностью использования развитого программного обеспечения. Процессоры мини-ЭВМ выполнялись в основном на микросхемах, средней степени интеграции, что обеспечивало их большее быстро­действие по сравнению с микро-ЭВМ. Термин «микро-ЭВМ» отра­жает то, что основной частью процессора данной ЭВМ является большая интегральная схема — микропроцессор. Совершенствова­ние элементной базы электронного приборостроения и в особенности повышение быстродействия, разрядности и функциональной полно­ты микропроцессорных комплектов привело к тому, что уже к сере­дине 80-х годов некоторые типы микро-ЭВМ по основным парамет­рам приблизились к мини-ЭВМ, а в некоторых случаях даже прев­зошли, их.

Отечественной промышленностью освоены и серийно выпускают­ся различные типы мини- и микро-ЭВМ, например такие, как СМ-4, Электроника-60, СМ-1800, ДЗ-28, Искра-226 и др., из которых не все в равной степени приспособлены для целей автоматизации науч­ных исследований.

По целому ряду причин наибольшее признание и применение при создании современных измерительных систем получили мини- и микро-ЭВМ, характерной особенностью которых является нали­чие у них единой системной магистрали или, что то же самое, магистрального интерфейса типа «Общая шина» (в литературе на английском языке UNIBUS). Эта серия машин представлена рядом ЭВМ различной производительности, имеющих одинаковую архи­тектуру, т. е. аналогичные, с точки зрения пользователя, аппарат­ные и программные ресурсы. Несмотря на то, что вычислительные возможности различных машин семейства могут существенно раз­личаться, все они программно совместимы от младших моделей к старшим. Малые и микромашины данного класса комплектуются необходимым набором стандартных внешних устройств, широко-развитым и достаточно хорошо освоенным персоналом научных лабораторий системным программным обеспечением, а также транс­ляторами с языков программирования различного уровня. Кроме того, для всех этих машин разработаны и выпускаются средства сопряжения с измерительной аппаратурой эксперимента.

К мини-машинам данного типа, которые распространены в на­учных лабораториях страны, относятся такие ЭВМ, как СМ-1300 (быстродействие около 800 тыс. операций в секунду, максимальный адресуемый объем ОЗУ 56К байт), СМ-1302, СМ-4, Электроника 100/25, MERA-125 (около 800 тыс. операций в секунду, 256К байт), СМ-1420 (порядка 1 млн. операций в секунду, 4 Мбайт), Электро-ника-79 (порядка 3 млн. операций в секунду, 4 Мбайт). В качест­ве характеристики быстродействия ЭВМ здесь и далее дана скорость выполнения простых операций типа регистр — регистр, ко­торая обычно приводится в рекламной литературе на конкретные ЭВМ. Реальное быстродействие в большой степени зависит от характера задач и области применения вычислительной машины. Так, для ЭВМ типа СМ-4 при решении научно-технических задач быстродействие составляет около 130 тыс. операций в секунду. Мини-машины СМ-1420 и Электроника-79 по своим основным характеристикам находятся на уровне средних и даже больших сов­ременных ЭВМ, поэтому включение их в разряд мини-ЭВМ в доста­точной степени условно.

Семейство микро-ЭВМ данного направления, все машины кото­рого программно полностью совместимы с рассмотренными мини-ЭВМ, включает, прежде всего, наиболее распространенную микро­машину Электроника-60 (~200 тыс. операций в секунду, 56К байт). Позже промышленностью были выпущены различные ЭВМ типа Электроника-60, такие, как MERA-60 (производство ПНР), одноплатные машины Электроника МС1201 01, МС1201 02, МС1211. В одноплатных машинах на одной монтажной плате выпол­нены все основные элементы ЭВМ — процессор, полный объем ОЗУ, интерфейсы для подключения основных внешних устройств, напри­мер алфавитно-цифрового дисплея, алфавитно-цифрового печата­ющего устройства, внешнего запоминающего устройства на гибких магнитных дисках. Разработаны и используются модификации од­ноплатной микро-ЭВМ типа Электроника-60, выполненные в виде модулей системы КАМАК. Применение одноплатных микро-ЭВМ позволяет создавать надежные компактные измерительные системы, которые могут успешно эксплуатироваться не только в лаборатор­ных, но и в полевых, полетных, промышленных условиях.






Рис. 1.5. Конфигурация автономной ЭВМ для автоматизации измерений

На базе микро-ЭВМ Электроника МС1201 выпускаются так называемые диалоговые вычислительные комплексы ДВК-1, ДВК-2, ДВК-3, различающиеся комплектацией стандартными внешними уст­ройствами, программным обеспечением и типом процессора.

Перечисленные микро-ЭВМ являются младшими моделями се­мейства ЭВМ с единой магистралью. Их системная магистраль несколько упрощена по сравнению с мини-машинами. Так, если магистраль мини-ЭВМ содержит 56 линий связи, в микро-ЭВМ число линий связи уменьшено до 38 за счет совмещения шин для пере­дачи адреса и данных, сокращения числа линий для передачи сигналов прерывания и ряда других упрощений. Магистраль микро-ЭВМ называют укороченной магистралью типа «Общая шина» (в литературе на английском языке Q-BUS или sub-UNIBUS).

Мини- и микро-ЭВМ с общей магистралью выпускаются про­мышленностью в различной конфигурации, т. е. с разным базовым комплектом стандартных внешних устройств. Оптимальной в смысле использования ЭВМ в составе автономной измерительной системы считается конфигурация, представленная на рис. 1.5.

Процессор является главным функциональным узлом ЭВМ, и название ЭВМ обычно определяется типом используемого в ней процессора. Производительность процессора должна быть адекват­на роли, которая возлагается на ЭВМ в ходе измерений-

ОЗУ современных мини- и микро-машин выполнены на интегральных микросхемах памяти и являются энергозависимыми. Это означает, что содержимое памяти может быть безвозвратно поте­ряно при нарушении работы источника питания ЭВМ. В особо ответственных измерениях для питания ОЗУ используют автоном­ные источники питания, например аккумуляторы. По возможности следует стремиться к укомплектованию ЭВМ максимальным для нее объемом памяти.

Наличие в ЭВМ внешних магнитных запоминающих уст­ройств — накопителей на магнитных дисках и лентах — значительно увеличивает эффективность использования ЭВМ как на этапе подготовки измерений, так и в ходе их проведения. На магнитных дисках хранится та часть программного обеспечения и экспериментальных данных, к которым необходим опе­ративный доступ в процессе работы. Для комплектации мини- и микро-ЭВМ используются накопители на гибких магнитных дис­ках — флоппи-диски, или так называемые жесткие диски, с постоян­ными, сменными или смешанными пакетами дисков. Информацион­ная емкость флоппи-дисков составляет