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  • 设计和开发控制程序
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    2019-03-11 20:17:00

    欢迎关注博主公众号:【纯洁的明依】文章由陈晓阳原创。
    本人微信:chenxiaoyangzxy. 免费提供本人大量学习资料。

    1 目的

        本程序规定了对研发项目设计控制,确保新产品满足设计输入的要求,达到正确地提供满足顾客所有要求的产品的目的。

      2 适用范围

        本程序适用于本公司研发项目的控制。

      3 定义

      3.1 项目经理:具体负责组织实施完成研发项目的负责人。

      3.2 助理工程师:项目组组成员当中,协助项目经理完成设计任务的主要助手。

      4 职责

    4.1 各事业部产品处负责研发项目立项、阶段评审、进度跟进以及项目绩效考评的组织管理工作。

    4.2 研发中心各研发处负责研发工作的具体实施。

    4.3 各相关部门参与研发项目的辅助工作。

      5 程序

      5.1 运作流程如下图:

         

     

     

     

    输入

                      工作流程图

    输出

    《需求申请表》

    《问题定义报告》

    《可行性分析报告》

     

     

    各相关部门

     

    研发处

     

     

    研发工程师

     

    产品处

     

    项目工程师、DQA测试工程师

     

     

    产品处

     

    项目工程师、DQA测试工程师

     

    产品处

     

     

    项目工程师

     

     

    制造中心

     

    制造工程部

     

     

     

     

     

    《研发项目立项申请表》

     

     

     

    《研发项目任务书》

     

     

    《研发项目计划进度表》

     

    《研发项目评审记录》

     

    《研发样机DQA测试作业

    办法》

     

     

    《研发项目评审记录》

     

    《研发样机DQA测试作业

    办法》

     

    《研发项目评审记录》

     

     

    《小批量试产委托通知书》

     

     

     

     

    《新产品开发问题分析与解答》

     

    5.2 设计和开发的策划

          搜集信息、建立目标项目,新产品项目来源有如下几种:

      5.2.1 客户委托;

      5.2.2 参考《XX财年产品开发规划方案》;

      5.2.3 研发中心、业务部等部门,依据现时需要,临时提出立项方案。

      5.3 立项

      5.3.1 项目的确立必须以《研发项目立项申请表》的方式提出,报总裁办批准后方可实施。原则上,谁引入项目,谁就提出申请。年度规划项目由各事业部产品处代为申请。

      5.3.2 申请人必须详细填写产品规格要求、客户要求以及立项的理由,必要时应另附文件予以支持。提交《研发项目立项申请表》的同时需编写《研发项目财务预算单》,作为立项参考。

      5.3.3各评审部门应结合本部门可行性和必要性,对申请人提出项目仔细评估,对项目的可行性进行评估时需考虑环保要求,必要时应组织本部门会议进行讨论,最终本部门主管签署意见。

      5.3.4 对一些显而易见的项目,立项可以采取各评审部门签署意见的方式进行。任何一个部门若对立项项目有异议,均可通过研发中心总经办,要求召开评审会议,以决定立项是否可行。

      5.4 组织和技术接口

          各事业部产品处负责督促该事业部新产品开发计划实施,作为各事业部与研发中心之间的接口,将有关的信息归总到研发中心总经办,由总经办形成书面文件,予以传递并定期评审。

      5.5 设计和开发输入

      5.5.1 《研发项目立项申请表》中“项目介绍”以及“客户主要要求事项”均应作为设计和开发输入的组成部分。立项申请人要协助项目工程师,结合有关的国家标准、行业标准、企业标准、合同评审(用户的要求)和其它要求,形成产品要求说明及产品规格说明书。技术规格书必须提交研发中心总监审核、总经理批准并发行、存档。设计输入的主要内容有:

      5.5.1.1 新产品功能和性能要求;

      5.5.1.2 有关的国家标准、行业标准;

      5.5.1.3 有关法规法令和社会要求; 

      5.5.1.4 用户对产品的需求(或合同评审的结果);

      5.5.1.5 来自过去类似设计有用的信息。

      5.5.2 在设计输入评审过程中评审委员会(各阶段评审委员会成员由总经办和产品处根据实际需要确定,下同)填写《研发项目评审记录》,对设计输入主要内容是否恰当、是否充分进行评审,以确保设计输入符合规定要求。

      5.5.3 评审过程中发现不完善的,含糊的或是有矛盾的要求应提出.由新产品开发项目负责人会同相关部门处理解决。

      5.6 下达设计任务书

    5.6.1 由各研发处将“设计和开发”输入进行必要的转化,形成任务书中“项目功能和技术要求”。

    5.6.2 《研发项目任务书》由各研发处下达,产品处主管进行审核,研发中心总经理或总监批准。

      5.7 设计和开发

    5.7.1 项目经理接到《研发项目任务书》后,应对项目进行分解,制定《研发项目计划进度表》,规定各阶段计划完成时间以及各阶段负责人。对于客户委托开发项目,其最终完成时间不应超过客户规定的时间,否则应及时向客户报告,征求客户同意。其他项目,其计划时间与实际完成时间仅作为个人业绩考评参考,不作为研发过程程序进行强制要求。进度更改应填写《研发项目进度更改申请表》。

      5.8 设计和开发评审

      5.8.1项目经理在完成《研发项目任务书》各阶段性工作后,应及时向产品处反馈,由产品处向研发中心总经办提出申请,总经办组织实施评审工作,并由产品处填写《研发项目评审记录》。评审合格后方可进行下阶段工作。项目设计开发输出评审时,需考虑环保要求(正样评审要求品质部参加)。

      5.8.2 首样评审、正样评审以DQA测试报告为主要依据。首样评审为非必要过程,研发项目工程师或评审小组根据技术方案的成熟性和调试自检结果,认为首样技术性能和工艺成熟性能够达到正样要求时,决定直接申请正样测试和正样评审;反之,首样也可能是多次。项目经理在评审之前应留出足够时间给DQA试验。

      5.9 设计和开发输出

      5.9.1 原理和方案评审阶段的输出

      5.9.1.1 原理图;

      5.9.1.2 新器件BOM,主要是价格较高、采购周期较长的电子元器件;

      5.9.1.3 BOM清单(由原理图生成)以及相应的总成本。

      5.9.2 首样评审阶段的输出

      5.9.2.1 至少四台样机;

      5.9.2.2 DQA测试报告;

      5.9.2.3 工艺评估报告。

      5.9.3 正样评审阶段的输出

      5.9.3.1 至少七台样机;

      5.9.3.2 DQA测试报告;

      5.9.3.3 工艺评估报告;

      5.9.3.4 传导、辐射、谐波、风量、噪声、温度打点测试记录。

      5.9.3.5 Chroma测试报告。

    5.9.4 资料发行阶段的输出

    5.9.4.1 设计文档部分(交项目管理处保存)

    5.9.4.1.1 DQA测试报告;

    5.9.4.1.2 工艺评估报告;

    5.9.4.1.3 传导、辐射、谐波、风量、噪声、温度打点测试记录。

    5.9.4.2 生产文档部分(交DCC保存并发行)

    5.9.4.2.1 BOM清单;

    5.9.4.2.2 原理图;

    5.9.4.2.3 Layout各层图(一式两份);

    5.9.4.2.4 性能规格书;

    5.9.4.2.5 Chroma测试报告;

    5.9.4.2.6 结构图,包括:标贴、包装、外壳、散热片、输出线材等;

    5.9.4.2.7 变压器、各式电感器件图。

    5.10 设计验证

         设计验证由本公司小批量试产或客户端小批量试产得出。

    5.11 设计确认

         设计确认由产品处综合验证各个环节信息,最终进行裁定。或由客户反馈确认信息,如客户没有书面反馈,可依是否下达订单为据。

    5.12 设计更改

    5.12.1 设计验证后发现设计差错、难于制造和安装、产品性能需改进等需要进行变改,项目经理需提出设计更改申请,经批准后实施。

    5.12.2 量产中若涉及到设计更改,则按《工程变更申请(ECR)及工程变更(ECN)运作作业办法》执行。

      6   参考文件

      6.1 《工程变更申请(ECR)及工程变更(ECN)运作作业办法》         Q01-731-02

      6.2 《品质记录控制程序》              Q01-422

      7   附录

      7.1 《研发项目立项申请表》            Q01-731-00-01

      7.2 《研发项目成本预算清单》          Q01-731-00-02

      7.3 《预研项目成本预算清单》          Q01-731-00-03

      7.4 《研发项目任务书》                Q01-731-00-04

      7.5 《研发项目计划进度表》            Q01-731-00-05

      7.6 《研发项目评审记录》              Q01-731-00-06

      7.7 《研发项目进度更改申请表》        Q01-731-00-07

      7.8 《研发项目设计更改申请单》        Q01-731-00-08

      7.9 《研发项目奖励申请书》            Q01-731-00-09

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

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    千次阅读 多人点赞 2020-05-04 19:26:38
    一、模型预测的发展 1、先进控制技术及其分类 预测控制是一种基于模型的先进控制技术,即模型预测控制(MPC:Model Predictive ...2、工业过程特点 (1)多变量高维复杂系统难以建立精确的数学模型; (2...

    目录

     

    一、模型预测的发展

    1.1、先进控制技术及其分类

    1.2、工业过程特点

    1.3、预测控制的产生

    1.4、模型预测控制系统大致包括四部分

    1.5、模型预测控制历史

    1.6、模型预测

    1.7、滚动优化

    1.8、反馈校正

    二、动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control, DMC)

    2.1、动态矩阵控制的概念及发展

    2.2、预测模型

    2.3、设定参考轨迹(柔化)

    2.4、滚动优化

    2.5、DMC的反馈校正

    2.6、DMC小结


    一、模型预测的发展

    1.1、先进控制技术及其分类

    预测控制是一种基于模型的先进控制技术,即模型预测控制(MPC:Model Predictive Control);

    基本特点:预测模型、滚动优化、反馈校正、设定值柔化;

    主要优点:克服受控对象未建模误差、参数与环境等方面的不确定性、大时滞或变时滞等,具有鲁棒性。

    1.2、工业过程特点

    (1)多变量高维复杂系统难以建立精确的数学模型;

    (2)工业过程的结构、参数以及环境具有不确定性、时变性、非线性,最优控制难以实现。

    1.3、预测控制的产生

    (1)建模方便,不需要深入了解过程内部机理;

    (2)非最小化描述的离散卷积和模型,有利于提高系统的鲁棒性;

    (3)采用滚动优化策略,以局部优化取代全局最优;

    (4)利用实测信息反馈校正,增强控制的鲁棒性。

    1.4、模型预测控制系统大致包括四部分

    (1)预测模型:以各种不同的预测模型为基础(利用预测模型对系统输出量进行一个预测);

    (2)滚动优化:采用在线滚动优化指标;

    (3)反馈校正:对预测误差在线校正;

    (4)参考轨迹:对设定值给出一个柔化的轨迹。

    1.5、模型预测控制历史

    (1)1978年,Richalet 、Mehra提出了基于脉冲响应的模型预测启发控制,后转化为模型算法控制(Model Algorithmic Control,MAC);

    (2)1979年,Cutler提出了基于阶跃响应的动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control,DMC);

    (3)1987年,Clarke 提出了基于时间序列模型和在线辨识的广义预测控制(Generalized Predictive Control,GPC);

    (4)1988年,袁璞提出了基于离散状态空间模型的状态反馈预测控制(State Feedback Predictive Control,SFPC)。

    1.6、模型预测

    (1)PID控制:根据过程当前的和过去的输出测量值和给定值的偏差来确定当前的控制输入;

    (2)预测控制:不仅利用当前的和过去的偏差值,而且还利用预测模型来预测过程未来的偏差值。以滚动优化确定当前的最优控制策略,使未来一段时间内被控变量与期望值偏差最小

    (3)预测模型的形式:

    参数模型:如微分方程、差分方程;

    非参数模型:如脉冲响应、阶跃响应;

    (4)模型预测控制原理图、示意图

    如上图,根据过去的输入和输出,输入未来的控制策略1和控制策略2至模型中可以分别得到对未来的预测输出3和4。

    1.7、滚动优化

    (1)最优控制:通过使某一性能指标最优化来确定其未来的控制作用;

    (2)局部优化:不是采用一个不变的全局最优目标,而是采用滚动式的有限时域优化策略。在每一采样时刻,根据该时刻的优化性能指标,求解该时刻起有限时段的最优控制率

    (3)在线滚动:计算得到的控制作用序列也只有当前一个时刻是实际执行的,在下一个采样时刻又重新求取最优控制率。(与局部优化不同,在线滚动其控制作用只在当前一个时刻起作用,下一时刻为又经过优化生成的控制作用);

    (4)控制目的:通过某一性能指标的最优(使目标函数最优), 确定未来的控制作用;

             优化过程:随时间推移在线优化,反复进行、每一步实现的是静态优化、全局看却是动态优化;

    (5)示例:

    上图中,为了跟踪参考轨迹,使跟追误差最小,进行滚动优化的方式,在时刻k,进行了k+8的输出预测,但只选用第一段作用到被控对象中,执行第一段后获得k+1时刻的输出,进行优化后k+1时刻再次预测8段,同样也只有第一段被执行。

    1.8、反馈校正

    (1)模型失配:实际被控过程存在非线性、时变性、不确定性等原因,使基于模型的预测不可能准确地与实际被控过程相符;

    (2)反馈校正:在每个采样时刻,都要通过实际测到的输出信息基于模型的预测输出进行修正,然后再进行新的优化;

    (3)闭环优化:不断根据系统的实际输出对预测输出进行修正,使滚动优化不但基于模型,而且利用反馈信息,构成闭环优化。

    (4)示例:

    上图中,k至下一时刻的预测中,与实际的输出之间存在误差,其误差在k+1时刻为3所示(系统模型的不确定性),利用3的误差数据进行模型校正获得4的校正后的k+1时刻预测输出。

    二、动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control, DMC)

    2.1、动态矩阵控制的概念及发展

      基于阶跃响应模型的预测控制

      1973年,DMC应用于美国壳牌石油公司的生产装置上;

      1979年,Cutler等在美国化工学会年会上首次介绍了DMC算法;

      主要内容:预测模型 反馈校正 参考轨迹 滚动优化

    2.2、预测模型

    (1)DMC算法中的模型参数:

    有限集合a^{T}=\{a_{1},a_{2},...,a_{N}\}中的参数可以完全描述系统的动态特性

    N称为建模时域

    系统的渐近稳定性:保证了模型可用有限的阶跃响应描述,即,设一个系统阶跃响应的离散采样数据为\{a_{1},a_{2},...,a_{N}\} ,则有限个采样周期后,满足a_{N}\approx a_{\infty}

    系统的线性:保证了可用线性系统的迭加性.

    (2)预测模型

    系统的单位阶跃采样数据示意图

    t=kT时刻预测未来P个时刻的系统输出量:

    不考虑u(k)时的预测输出为(即未来P时刻的输出由过去的输入输出导致,不受未来的输入量):

    考虑有控制作用Δu(k)时的预测输出为(即未来控制增量产生的输出变化量)(其中a为输入单位控制量,在之后第P个节拍产生的影响作用):

    根据输入控制增量预测输出的示意图:

    上图中,对一个预测模型在k时刻输入控制增量为Δu(k),在k+1时刻输入控制增量为Δu(k),在k+M-1时刻输入控制增量为Δu(k+M-1),根据a的定义可知,在k+P时刻各控制增量对系统输出的影响分别为:a_{P}\Delta u(k),a_{P-1}\Delta u(k+1),...,a_{P-M+1}\Delta u(k+M-1)

    M个连续的控制增量\Delta u(k),\Delta u(k+1),...,\Delta u(k+M-1)作用下,系统在未来P时刻的预测输出: 

    其中A称为DMC的动态矩阵,P是滚动优化时域长度,M是控制时域长度。

    2.3、设定参考轨迹(柔化)

    设定序列:

    w(t)为t时刻所设定系统柔化轨迹后的参考输出。y_{r}为当前设定值为一个阶跃值,若直接使系统跟踪阶跃值,会使系统带来一些干扰,其中 0 ≤α <1 为柔化因子(当α=0时,则使得w(t+j)= y_{r},没有平滑,α越大,系统的柔性越好,鲁棒性越强,但控制的快速性变差),α产生一个过渡过程到达y_{r}。可验证:

    由上式可知,当P较大时\alpha ^{j}接近于0,柔化轨迹过渡到y_{r}

    2.4、滚动优化

    (1)通过优化指标,确定出未来M 个控制增量,使未来P个输出预测值尽可能地接近期望轨迹w(k+i), i=1…P;

    (2)不同采样时刻, 优化性能指标不同, 但都具有同样的形式, 且优化时域随时间而不断地向前推移

    目标函数定为:的Q范数的平方和加上的R范数的平方和Q和R为选定的正定矩阵;

    Q=diag[Q_1\quad Q_2 \quad \cdots Q_p]为误差权矩阵,R=diag[R_1\quad R_2 \quad \cdots R_M]为控制作用权矩阵;

    Q的各个元素Q_i是对第i时刻系统输出误差平方值的权系数,对时滞区段和反向区段,这些时刻Q_i = 0;其他时刻,Q_i= 1;

    R的各个元素R_j是对第j时刻控制增量平方值的权系数,R_j是降低控制作用的波动而引入,通常取一个小数值,许多情况R_j = 0;

    如何求解优化问题呢,高等数学中求解函数的优化极值问题对优化变量求微分使其等于0,由于这里是向量有m个控制增量,因此,对求偏微分,令其为0,求得:

    这时求到的为是一个列向量,共有M个控制增量,我们只用第一个控制增量,故使用d提取的第一个增量。但由于完全根据预测模型,故为开环解。

    (3)动态矩阵控制的优化策略示意图

    在k时刻根据系统模型得到接下来P个时刻的输出量,并希望我们的P个输出量能尽量与柔化轨迹匹配,即误差平方和最小化,由此,算出M个最优控制增量,但k时刻时我们只挑选第一个元素作用到被控对象。等待下一个时刻k+1重新进行优化过程。

    2.5、DMC的反馈校正

    (1)由以上所述,可知,利用模型,在 t=kT 时刻,u(k) 被施加到系统上,将对系统输出产生影响:

    (2)当t=(k+1)T时,可测到实际输出值 y(k+1),比较y(k+1)与k时刻对k+1时刻的预测值

    得到误差值:

    基于e(k+1)对未来偏差的预测为(即误差值乘以放大倍数来校正输出):

    h_i*e(k+1), (h_1=1, i=2,\cdots ,P)

    上式中h_i=1是由于计算获得的e(k+1)即为k+1时刻的误差,其k+2及以后的误差有放大倍数h_i计算估计获得。

    (3)经误差校正后的输出预测值为:

    上式为在k时刻校正后的P个预测输出值。

    t=(k+1)T时无未来控制增量作用的输出预测值:

    引入移位矩阵S,得到下 一次预测初值

    y_c(k+1)计算公式可知,计算得到为从k+1到k+P的P个值,而在k+1时刻进行预测时,k+2为第一个预测值输出,故需乘一个移位矩阵,但由于缺少第k+P+1时刻的误差,采用约等于的方法令最后的P+1时刻误差等于P的误差。

    校正系数h_i:在0~1之间选择,通常取h_1=1,其余h_i<1。

    (4)误差校正及位移示意图

    k时刻产生接下来P个时刻的预测输出通过与参考轨迹构件目标函数解得在接下来P个时刻的最优控制解;其中生成的P个时刻控制量中只有第一个时刻k+1作用产生实际输出;k+1时刻产生输出后,与原k+1时刻的预测输出产生一个差值,即为误差,其接下来的时刻误差分别为k+1时刻误差乘以一个倍数,由于k+1时刻之后误差才有意义,因此,在k+1时刻的预测为原k时刻预测的k+1时刻预测值加上误差校正乘上移位矩阵。

    2.6、DMC小结

    (1)动态矩阵控制算法组成:由预测、控制、校正、轨迹柔化等部分组成;

    (2)在线实施流程框图:初始化程序、在线控制部分

    DMC初始化程序流程图

    DMC在线控制程序流程图

    a_i为单位阶跃相应模型参数值(对系统做实验,获得单位阶跃响应值),h_i为误差校正的值,需先给定一个初始控制量。

    (3)DMC的实现与工程设计

    渐近稳定的系统

    采样周期确定

    动态矩阵确定(测试阶跃响应)

    参数整定,即确定优化时域P、控制时域M、权矩阵Q和R、权系数hi

    离线计算d

    在线计算:设定参考轨迹,计算控制量u(k);

    对时滞对象的DMC控制:设纯滞后为 l 个采样周期,将优化时域P增加到P+l, 可推导出相当于无时滞时的DMC算法。

    对不稳定对象的DMC控制:先用其他控制方法(如PID)进行镇定,然后对整个广义系统采用DMC控制。

     

     

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  • 注:本文是在MOOC平台上学习西北工业大学《现代控制理论基础》(郭建国、赵斌、郭宗易)的课程进行随笔记录与整理 一.系统动态方程的建立 列式要求: 1.选择可以测量的物理量作为状态变量 2.根据元件遵循的定律列写...

    注:本文是在MOOC平台上学习西北工业大学《现代控制理论基础》(郭建国、赵斌、郭宗易)的课程进行随笔记录与整理

    一.系统动态方程的建立

    列式要求:
    1.选择可以测量的物理量作为状态变量
    2.根据元件遵循的定律列写方程
    常用例子:电路图、牛二定律系统

    想直观表达动态方程的变量关系——状态变量图
    将状态方程中每个一阶微分方程用图解表示
    每个一阶微分方程右端各项之和构成状态变量的导数,经积分可得该状态变量

    组成:仅包含积分器、加法器、臂力器
    好处:便于计算机系统进行仿真
    步骤:先画积分器,确定积分器两端的量
    再根据等式关系,进行连接

    基于传函方框图的动态方程

    系统传递函数方框图:
    在这里插入图片描述
    系统状态变量图:
    在这里插入图片描述
    相比而言,状态变量图更能体现系统内部之间的关系,状态变量图可以直接写成系统动态方程
    因此,有时需要将系统方框图化为状态变量图
    依据:实数域下,一个n阶的传递函数可以分解为最低一阶或二阶传递函数的求和

    基本一阶系统

    在这里插入图片描述
    化为:

    在这里插入图片描述
    系统动态方程:
    x`=-ax+u
    y=x

    二阶系统

    第一种:利用s`=s^2+a1s=s(s+a1)
    在这里插入图片描述
    得到包含一个一阶系统的结构图:
    在这里插入图片描述
    最后化为:
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    x1`=-a1x1+x2

    x2`=-a0x1+u

    y=x1

    第二种:需要上下同时除以s^2进行构造
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    x1`=x2

    x2`=-a0x1-a1x2+u
    y=b0x1+b1x2

    另外:某传函分子分母阶次一致,需要提出常数构造并联:
    在这里插入图片描述
    注意:
    1.选取不同状态变量,会得到不同状态方程
    2.一阶、二阶系统中常有常值增益,其位置也会影响到动态方程
    3.二阶转化方法不同(串联不分前后),动态方程也会不同
    4.反馈回路的方向和正向回路的方向不同

    动态方程典型形式的建立

    1**.能控规范形的动态方程:**
    在这里插入图片描述

    2.能观测规范形的动态方程:
    在这里插入图片描述
    3.对偶关系
    能控规范形与能观测规范形之间存在的对偶关系
    设能控规范形矩阵的下标为c
    设能观测规范形矩阵的下标为o
    在这里插入图片描述
    例:
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    4.对角规范形
    条件:D(s)=(s-λ1)(s-λ2)…(s-λn)
    即:G(s)可以分解为若干 c/(s-λ) 的和

    此时有:x1`=λ1x1+u

    x2`=λ2x2+u


    xn`=λnxn+u
    y=c1x1+c2x2+…cnxn其矩阵形式为:

    在这里插入图片描述
    说明:
    1.在可以化为对角规范形的基础上如果还有相同实极点时,还可以化约当形
    2.当G(s)分子分母幂次相同时,应用除法进行化简,提出常数,再应用前面的知识

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  • 计算机组成原理实验:微程序控制实验

    万次阅读 多人点赞 2021-02-07 15:20:32
    通过一个微程序控制程序实验,了解微程序控制的的组成原理、工作原理,同时掌握微程序的编制、写入,观察微程序的翻译机器指令的运行过程。 四、实验内容: 微程序控制器的基本任务是完成当前指令的翻译和执行,即将...

    学生实验报告

    实验课名称:计算机组成原理
    实验项目名称:微程序控制实验

    一、实验名称:

    微程序控制实验

    二、实验目的:

    (1)掌握微程序控制器的组成原理。
    (2)掌握微程序的编制、写入,观察微程序的运行过程。

    三、实验要求:

    通过一个微程序控制程序实验,了解微程序控制的的组成原理、工作原理,同时掌握微程序的编制、写入,观察微程序的翻译机器指令的运行过程。

    四、实验内容:

    微程序控制器的基本任务是完成当前指令的翻译和执行,即将当前指令的功能转换成可以控制的硬件逻辑部件工作的微命令序列,完成数据传送和各种处理操作。它的执行方法就是将控制各部件动作的微命令的集合进行编码,即将微命令的集合仿照机器指令一样,用数字代码的形式表示,这种表示称为微指令。这样就可以用一个微指令序列表示一条机器 指令,这种微指令序列称为微程序。微程序存储在-种专用的存储器中,称为控制存储器微程序控制器原理框图如图3-2-1所示。
    在这里插入图片描述

    控制器是严格按照系统时序来工作的,因而时序控制对于控制器的设计是非常重要的,从前面的实验可以很清楚地了解时序电路的工作原理,本实验所用的时序由时序单元来提供,分为四拍TS1、TS2、TS3、 TS4, 时序单元的介绍见附录2。微程序控制器的组成见图3-2-2,其中控制存储器采用3片2816 的E’PROM,具有掉电保护功能,微命令寄存器18位,用两片8D触发器(273) 和一片4D (175) 触发器组成。微地址寄存器6位,用三片正沿触发的双D触发器(74) 组成,它们带有清“0”端和预置端。在不判别测试的情况下,T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下–条微指令地址。当T4时刻进行测试判别时,转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态,完成地址修改。
    在实验平台中设有一组编程控制开关KK3、KK4、KK5 (位于时序与操作台单元),可实现对存储器(包括存储器和控制存储器)的三种操作:编程、校验、运行。考虑到对于存储器(包括存储器和控制存储器)的操作大多集中在一个地址连续的存储空间中,实验平台提供了便利的手动操作方式。以向00H单元中写入332211为例,对于控制存储器进行编辑的具体操作步骤如下:首先将KK1拨至‘停止’档、KK3拨至‘编程’档、KK4拨至‘控存’档、KK5拨至‘置数’档,由CON单元的SD05一SD00开关给出需要编辑的控存单元首地址000000),IN单元开关给出该控存单元数据的低8位(00010001),连续两次按动时序与操作台单元的开关ST (第一次按动后MC单元低8位显示该单元以前存储的数据,第二次按动后显示当前改动的数据),此时MC单元的指示灯MA5- MA0 显示当前地址(000000), M7- M0 显示当前数据(00010001)。然后将KK5拨至‘加1’档,IN单元开关给出该控存单元数据的中8位(00100010),连续两次按动开关ST,完成对该控存单元中8位数据的修改,此时MC单元的指示灯MA5- -MA0显示当前地址000000), M15—M8 显示当前数据(00100010); 再由IN单元开关给出该控存单元数据的高8位(00110011), 连续两次按动开关ST,完成对该控存单元高8位数据的修改此时MC单元的指示灯MA5一MA0 显示当前地址000000), M23—M16 显示当前数据(00110011)。 此时被编辑的控存单元地址会自动加1 (01H), 由IN单元开关依次给出该控存单元数据的低8位、中8位和高8位配合每次开关ST的两次按动,即可完成对后续单元的编辑。
    在这里插入图片描述

    编辑完成后需进行校验,以确保编辑的正确。以校验00H单元为例,对于控制存储器进行校验的具体操作步骤如下:首先将KK1拨至‘停止’档、KK3拨至‘校验’档、KK4拨至‘控存’档、KK5拨至‘置数’档。由CON单元的SD05一SD0O 开关给出需要校验的控存单元地址(000000), 连续两次按动开关ST,MC单元指示灯M7–M0显示该单元低8位数据(00010001); KK5拨至‘加1’档,再连续两次按动开关ST, MC单元指示灯M15- -M8 显示该单元高8位数据(00110011)。 再连续两次按动开关ST,地址加1, MC单元指示灯M7-编辑完成后需进行校验,以确保编辑的正确。以校验00H单元为例,对于控制存储器进行校验的具体操作步骤如下:首先将KK1拨至‘停止’档、KK3拨至‘校验’档、KK4拨至‘控
    存’档、KK5拨至‘置数’档。由CON单元的SD05一SD0O 开关给出需要校验的控存单元地址(000000), 连续两次按动开关ST,MC单元指示灯M7–M0显示该单元低8位数据(00010001); KK5拨至‘加1’档,再连续两次按动开关ST, MC单元指示灯M15- -M8 显示该单元中8位数据(00100010); 再连续两次按动开关ST, MC单元指示灯M23–M16 显
    示该单元高8位数据(00110011)。 再连续两次按动开关ST,地址加1, MC单元指示灯M7—M0显尿01H单元低8位数据。如校验的微指令出错,则返回输入操作,修改该单元的数据后再进行校验,直至确认输入的微代码全部准确无误为止,完成对微指令的输入。
    在这里插入图片描述

    位于实验平台MC单元左上角一列三个指示灯MC2、MC1、MC0用来指示当前操作的微程序字段,分别对应M23–M16、M15一M8、M7一-M0。实验平台提供了比较灵活的手动操作方式,比如在上述操作中在对地址置数后将开关KK4拨至‘减1’档,则每次随着开关ST的两次拨动操作,字节数依次从高8位到低8位递减,减至低8位后,再按动两次开关ST,微地址会自动减一,继续对下一个单元的操作。
    微指令字长共24位,控制位顺序如表3-2-1:
    在这里插入图片描述

    其中MA…MA0为6位的后续微地址,A、B、C为三个译码字段,分别由三个控制位译码出多位。C字段中的P为测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码,使微程序转入相应的微地址入口,从而实现完成对指令的识别,并实现微程序的分支,本系统上的指令译码原理如图3-2-3所示,图中17…2为指令寄存器的第7…2 位输出SE…SEO 为微控器单元微地址锁存器的强置端输出,指令译码逻辑在IR单元的INS_DEC(GAL20V8)中实现。从图3-2-2中也可以看出,微控器产生的控制信号比表3-2-1中的要多,这是因为实验的不同,所需的控制信号也不- -样,本实验只用了部分的控制信号。本实验除了用到指令寄存器(IR) 和通用寄存器R0外,还要用到IN和OUT单元,从微控器出来的信号中只有IOM、WR和RD三个信号,所以对这两个单元的读写信号还应先经过译
    码,其译码原理如图3-2-4所示。IR单元的原理图如图3-2-5所示,R0单元原理如图3-2-7所示,IN单元的原理图见图2-1-3所示,OUT单元的原理图见图3-2-6所示。
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    本实验安排了四条机器指令,分别为ADD (0000 0000)、IN (0010 0000)、OUT (0011 0000)和HLT (0101 0000),括号中为各指令的二进制代码,指令格式如下:
    在这里插入图片描述

    实验中机器指令由CON单元的二进制开关手动给出,其余单元的控制信号均由微程序控制器自动产生,为此可以设计出相应的数据通路图,见图3-2-8所示。几条机器指令对应的参考微程序流程图如图3-2-9所示。图中-一个矩形方框表示一条微指令,方框中的内容为该指令执行的微操作,右上角的数字是该条指令的微地址,右下角的数字是该条指令的后续微地址,所有微地址均用16进制表示。向下的箭头指出了下–条要执行的指令。P<1>为测试字,根据条件使微程序产生分支。
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    五、实验设备及工具:

    PC机一台,TD-CMA实验系统一套

    六、实验过程详述:

    1.按图3-2- 10所示连接实验线路,仔细查线无误后接通电源。如果有‘滴’报警声,说明总线有竞争现象,应关闭电源,检查接线,直到错误排除。
    在这里插入图片描述

    2.对微控器进行读写操作,分两种情况:手动读写和联机读写。
    1)手动读写
    (1)手动对微控器进行编程(写)
    ①将时序与操作台单元的开关KK1置为‘停止’档, KK3置为‘编程’档,KK4置为‘控存’档,KK5置为‘置数’档。
    ②使用CON单元的SD05一SD00 给出微地址,IN单元给出低8位应写入的数据,连续两次按动时序与操作台的开关ST,将IN单元的数据写到该单元的低8位。
    ③将时序与操作台单元的开关KK5置为‘加1’档。
    ④IN单元给出中8位应写入的数据,连续两次按动时序与操作台的开关ST,将IN单元的数据写到该单元的中8位。IN单元给出高8位应写入的数据,连续两次按动时序与操作台的开关ST,将IN单元的数据写到该单元的高8位。
    ⑤重复①、②、③、④四步,将表3-2-2的微代码写入2816芯片中。
    (2)手动对微控器进行校验(读)
    ①将时序与操作台单元的开关KK1置为‘停止’档, KK3置为‘校验’档, KK4置为‘控存’档,KK5置为‘置数’档。
    ②使用CON单元的SD05-SD00给出微地址,连续两次按动时序与操作台的开关ST,MC单元的指数据指示灯M7—M0显示该单元的低8位。
    ③将时序与操作台单元的开关KK5置为‘加1’档。
    ④连续两次按动时序与操作台的开关ST,MC单元的指数据指示灯M15—M8显示该单元的中8位,MC单元的指数据指示灯M23—M16 显示该单元的高8位。
    ⑤重复①、②、③、④四步,完成对微代码的校验。如果校验出微代码写入错误,重新写入、校验,直至确认微指令的输入无误为止。
    2)联机读写
    (1)将微程序写入文件联机软件提供了微程序下载功能,以代替手动读写微控器,但微程序得以指定的格式写入到以TXT为后缀的文件中,微程序的格式如下:
    在这里插入图片描述

    如$M 1F 112233, 表示微指令的地址为1FH,微指令值为11H (高)、22H (中)、33H (低),本次实验的微程序如下,其中分号‘;’为注释符,分号后面的内容在下载时将被忽略掉。
    (2)写入微程序
    用联机软件的“[转储]一[装载]”功能将该格式(*.TXT) 文件装载入实验系统。装入过程中,在软件的输出区的‘结果’栏会显示装载信息,如当前正在装载的是机器指令还是微指令,还剩多少条指令等。
    (3)校验微程序
    选择联机软件的“[转储] - [ 刷新指令区]”可以读出下位机所有的机器指令和微指令,并在指令区显示。检查微控器相应地址单元的数据是否和表3-2-2中的十六进制数据相同,如果不同,则说明写入操作失败,应重新写入,可以通过联机软件单独修改某个单元的微指令,先用鼠标左键单击指令区的‘ 微存’TAB按钮,然后再单击需修改单元的数据,此时该单元变为编辑框,输入6位数据并回车,编辑框消失,并以红色显示写入的数据。
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    3.运行微程序
    运行时也分两种情况:本机运行和联机运行。
    1)本机运行
    ①将时序与操作台单元的开关KK1、KK3置为‘运行’档,按动CON单元的CLR按钮,将微地址寄存器(MAR) 清零,同时也将指令寄存器(IR)、 ALU单元的暂存器A和暂存器B清零。
    ②将时序与操作台单元的开关KK2置为‘单拍’档,然后按动ST按钮,体会系统在T1、T2、T3、T4节拍中各做的工作。T2节拍微控器将后续微地址(下条执行的微指令的地址)打入微地址寄存器,当前微指令打入微指令寄存器,并产生执行部件相应的控制信号; T3、T4节拍根据T2节拍产生的控制信号做出相应的执行动作,如果测试位有效,还要根据机器指令及当前微地址寄存器中的内容进行译码,使微程序转入相应的微地址入口,实现微程序的分支。
    ③按动CON单元的CLR按钮,清微地址寄存器(MAR)等,并将时序与单元的开关KK2置为‘单步’ 档。
    ④置IN单元数据为00100011,按动ST按钮,当MC单元后续微地址显示为000001时,在CON单元的SD27…SD20模拟给出IN指令00100000并继续单步执行,当MC单元后续微地址显示为000001 时,说明当前指令已执行完;在CON单元的SD27…SD20给出ADD指令0000000,该指令将会在下个T3被打入指令寄存器(IR),它将RO中的数据和其自身相加后送R0;接下来在CON单元的SD27…SD20给出OUT指令001 10000并继续单步执行,在MC单.元后续微地址显示为000001时,观查OUT单元的显示值是否为01000110。
    2)联机运行
    联机运行时,进入软件界面,在菜单上选择[实验]一[微控器实验],打开本实验的数据通路图,也可以通过工具栏上的下拉框打开数据通路图,数据通路图如图3-2-8 所示。将时序与操作台单元的开关KK1、KK3置为‘运行’档,按动CON单元的总清开关后,按动软件中单节拍按钮,当后续微地址(通路图中的MAR)为000001 时,置CON单元SD27…SD20,产生相应的机器指令,该指令将会在下个T3被打入指令寄存器(IR), 在后面的节拍中将执行这条机器指令。仔细观察每条机器指令的执行过程,体会后续微地址被强置转换的过程,这是计算机识别和执行指令的根基。也可以打开微程序流程图,跟踪显示每条机器指令的执行过程。
    按本机运行的顺序给出数据和指令,观查最后的运算结果是否正确。

    七、实验结果与分析:

    结果
             手动操作时,系统按照程序编写方式,逐一执行代码:提取机器指令、放入指令寄存器、测试、执行所需操作…执行上述操作的同时,也需要手动的操作IN单元、开关单元、WR、RD等,从而完成一系列的指令操作。最后程序正确的执行,并得出最后正确结果。联机操作时,通过写入需要执行的程序、微程序命令,在CMA软件中进行仿真实验,在实验模型中,可以看到执行每一条指令所进行的一系列操作,同时观察出数据的流向、各个门的开闭。运行到最后,得出正确结果。

    分析
             无论是手动操作还是联机操作,都可以正确的执行写入的程序指令,得出正确的结果。通过两次不同实验的对比,我们可以发现,其实微程序起的作用就是将所有指令需要执行的操作编写成一条条的微操作,形成一个微程序库。当执行不同的指令时,同时调出对应的微操作,完成指令操作。

    八、心得体会:

             通过这次的微程序控制实验,自己深有体会。原来计算机处理程序指令是通过先提取指令、送往指令寄存器,然后利用判断电路对指令类型进行测试,再进行相应的指令操作。在判断数据的流向、存储器的打开等选择上,这时就靠微程序起作用了。在手动操作运行程序时,我们通过逐步手动的控制输入输出流、WR、RD等控制信号,从而进行一系列的指令操作,完成所需运算。而微程序起的作用就是人为的把需要执行指令所需的“人为动作”,全部以微指令的方式存储起来,当需要执行相应的微指令时,直接从微存中调出微程序即可。所以,微程序起的作用简而言之就是替代手工的操作,使得计算机可以按照一定的逻辑关系运行,这同样也是计算机可以在没有人的操作下独立运行人们所编写的原因,同时也保持了绝对的准确性。刚开始的时候,自己对微程序的了解也不是很深,其主要原因就是不知道微程序到底有什么用?为什么需要微程序呢?后面通过手动操作运行程序和联机运行程序的对比,自己才慢慢的明白了原来微程序是以程序命令的方式模拟手动操作。这样计算机的准确性也就同时上了一个新的台阶。

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