Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Блок управления двигателем для чего нужен


Для чего блок управления двигателем? Карб или ЭБУ? — DRIVE2

Многие автовладельцы со стажем скажут: — "для чего придумали этот "инжектор" — ездили ведь раньше на карбюратороах и проблем не знали…"
Да, раньше двигатели были устроены на много проще, но и КПД этих двигателей был заметно ниже!
Здесь я постараюсь внести некоторую ясность в слово "инжектор", и постараюсь объяснить зачем он нужен, как появился, и т.д. Попросту говоря "Как работает инжекторный двигатель"

Двигатель Внутреннего Сгорания (ДВС) на самом деле не вырабатывает никакой энергии — он всего лишь преобразовывает энергию тепла (заключенную в топливе) в механическую энергию вращения на коленчатом валу! Это физика, и она ЕСТЬ, знаем мы об этом или нет (как в том приколе про бобра, которого никто не видит, а он — ЕСТЬ!). И эта самая физика (хотя, если уж быть совсем точным, то и химия тоже) говорит нам о том, что для преобразования потенциальной ЭНЕРГИИ, заключенной в химических соединениях углеводородов топлива, нам понадобится ещё и большое количество КИСЛОРОДА, содержащегося в окружающем нас воздухе. При определенных пропорциях ТВС (ТВС — топливо воздушная смесь) выходная мощность на валу прямо пропорциональна количеству, т.к. увеличивая количество этой самой ТВС мы преобразовываем большее количество энергии. И если вопрос о количестве топлива с появлением инжекторов в принципе решен (лей сколько хочешь — зависит от производительности форсунки), то с количеством воздуха все не так просто… Вот по этому мы и упираемся в конечную планку мощности исходя из количества воздуха, которое мотор может использовать для ТВС

На старых моделях ДВС, для пропорции и смешивания топлива и воздуха, устанавливались устройства под названием "КАРБЮРАТОР". На самом деле это были сложные технические системы, которые хоть и справлялись с возложенными на них задачами, но имели и ряд конструктивных недостатков, связанных с необходимостью постоянной подстройки "жиклеров", влияющих на состав ТВС… Отсюда и растет недовольство водителей того поколения, ведь в современных ДВС, их лишили возможности "подстраивать карбюратор", возложив задачу контроля и управления ТВС (да и вообще всем двигателем в целом) на некоторое устройство под названием ЭБУ (ЭБУ- Электронный Блок Управления), или ECU (ECU от англ. Electronic Control Unit) о которых мы поговорим ниже.


Электронный Блок Управления — это попросту говоря компьютер… Компьютер, в котором запущена на выполнение программа, как игра или Microsoft Office (в нашем случае ее называют "прошивкой"). По факту получается следующее:
ЭБУ — это компьютер с запущенной программой
ДВС — это "исполнительное устройство" (как монитор, принтер, или звуковые колонки)
А Водитель — это пользователь того самого компьютера, который с помощью устройств ввода (а в нашем случае это педаль акселератора, ключ зажигания, рычаг (А)КПП) осуществляет управление этой самой программой. Да, конечно же ДВС это достаточно сложный механизм со множеством узлов и подсистем, за которыми нужно следить, и работа всего двигателя в целом во многом зависит от других факторов, о которых водитель в большинстве случаев и не подозревает! Это такие переменные как температура и давления воздуха за бортом, качество топлива, состояние свечей зажигания, клапанов и инжекторов впрыска (форсунок) и т.д. Для контроля над этими параметрами и своевременного реагирования (изменение УОЗ или коэффициента топливокоррекции) инженеры-разработчики устанавливают на двигатель всевозможные датчики и сенсоры. Эти датчики (устройства ввода информации) позволяют ЭБУ видеть более полную картину происходящих в двигателе процессов, и более точно и правильно реагировать на меняющиеся условия эксплуатации. Да, несомненно, такое количество электроники на двигателе вызывает недоумение у людей привыкших к карбюратору, но нужно понимать что это является необходимостью! Нормы токсичности — основной двигатель прогресса развития электронных систем управления двигателем. Эти системы позволяют более точно дозировать ТВС (топливо воздушную смесь), и мгновенно "подстраиваться" под изменившиеся условия! А теперь вспомним его величество Карбюратор… Стоит нам заправить авто "не на той заправке", как тут же мы начинаем слышать "звон двигателя" или "цокот пальцев" — это ни что иное, а ДЕТОНАЦИЯ — которая устраняется ЭБУ с помощью установки более позднего УОЗ… Или возьмем скажем холостой ход… Сколько раз в год приходится корректировать обороты холостого хода на Карбюраторе?! Была жара — подкрутили, пошел сезон дождей — опять подкрутили, и т.д. На автомобилях оборудованных ЭБУ — это все делает за нас компьютер, который кстати говоря, постоянно поддерживая стехиометрическую смесь, не только снижает нормы токсичности, но и экономит наши деньги т.к. не правильная смесь резко снижает КПД двигателя и этим повышает расход топлива.
…продолжение следует!
Не забываем ставить лайки и подписываться на блог!

Блок управления двигателем - Википедия

Блок управления двигателем ( ECU ), также обычно называемый модулем управления двигателем ( ECM ), представляет собой тип электронного блока управления, который управляет серией исполнительных механизмов на двигателе внутреннего сгорания для обеспечения оптимального двигателя производительность. Это достигается путем считывания значений с множества датчиков в отсеке двигателя, интерпретации данных с использованием многомерных карт производительности (так называемых таблиц поиска) и настройки исполнительных механизмов двигателя.До ЭБУ воздушно-топливная смесь, момент зажигания и скорость холостого хода были механически установлены и динамически контролировались механическими и пневматическими средствами.

Если ЭБУ контролирует топливные магистрали, то это называется электронной системой управления двигателем ( EEMS ). Система впрыска топлива играет главную роль в управлении подачей топлива в двигатель. Весь механизм EEMS контролируется набором датчиков и исполнительных механизмов.

Работы [править]

Контроль соотношения воздух-топливо [править]

Большинство современных двигателей используют какой-либо тип впрыска топлива для подачи топлива в цилиндры.ECU определяет количество впрыскиваемого топлива на основании количества показаний датчика. Кислородные датчики сообщают ЭБУ, работает ли двигатель богатым (слишком много топлива или слишком мало кислорода) или работает бедно (слишком много кислорода или слишком мало топлива) по сравнению с идеальными условиями (известными как стехиометрические). Датчик положения дроссельной заслонки сообщает ЭБУ, насколько далеко открыта дроссельная заслонка при нажатии педали газа (педаль газа). Датчик массового расхода воздуха измеряет количество воздуха, поступающего в двигатель через дроссельную заслонку.Датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя измеряет, прогрелся ли двигатель или остыл. Если двигатель еще не остыл, впрыскивается дополнительное топливо.

Управление воздушно-топливной смесью карбюраторов с компьютерами разработано по аналогичному принципу, но в поплавковую чашу карбюратора встроен соленоид управления смесью или шаговый двигатель.

Контроль скорости холостого хода [править]

Большинство систем двигателя имеют встроенный регулятор скорости холостого хода. Число оборотов двигателя контролируется датчиком положения коленчатого вала, который играет основную роль в функциях синхронизации двигателя для впрыска топлива, искровых событий и фаз газораспределения.Скорость холостого хода регулируется программируемым остановом дроссельной заслонки или шаговым двигателем управления байпасом холостого хода. Ранние системы на основе карбюратора использовали программируемый останов дроссельной заслонки с использованием двунаправленного двигателя постоянного тока. Системы раннего впрыска дроссельной заслонки (TBI) использовали шаговый двигатель холостого хода. Эффективное управление скоростью холостого хода должно предвосхищать нагрузку двигателя на холостом ходу.

Полноценная система управления дроссельной заслонкой может использоваться для контроля скорости холостого хода, обеспечения функций круиз-контроля и ограничения максимальной скорости.Он также контролирует секцию ECU для надежности.

Управление изменением фаз газораспределения [править]

Некоторые двигатели имеют переменный фаз газораспределения. В таком двигателе ECU контролирует время в цикле двигателя, в которое открываются клапаны. Клапаны обычно открываются быстрее при более высокой скорости, чем при более низкой скорости. Это может увеличить поток воздуха в цилиндр, увеличивая мощность и экономию топлива.

Электронное управление клапанами [править]

Были изготовлены и испытаны экспериментальные двигатели, которые не имеют распределительного вала, но имеют полный электронный контроль открытия впускного и выпускного клапана, закрытия клапана и площади открытия клапана. [1] Такие двигатели могут запускаться и работать без стартера для некоторых многоцилиндровых двигателей, оснащенных высокоточным электронным зажиганием и впрыском топлива. Такой двигатель с статическим запуском обеспечил бы повышение эффективности и уменьшение загрязнения мягкого гибридного электрического привода, но без затрат и сложности двигателя стартера большого размера. [2]

Первый серийный двигатель такого типа был изобретен (в 2002 году) и представлен (в 2009 году) итальянским автопроизводителем Fiat в Alfa Romeo MiTo.Их двигатели Multiair используют электронное управление клапанами, которые значительно улучшают крутящий момент и мощность, снижая при этом расход топлива до 15%. В основном, клапаны открываются гидравлическими насосами, которые управляются ЭБУ. Клапаны могут открываться несколько раз за такт впуска, в зависимости от нагрузки двигателя. ECU затем решает, сколько топлива нужно впрыснуть, чтобы оптимизировать сгорание.

В условиях постоянной нагрузки клапан открывается, впрыскивается топливо, а клапан закрывается. При внезапном увеличении дроссельной заслонки клапан открывается в том же такте впуска и впрыскивается большее количество топлива.Это позволяет немедленное ускорение. Для следующего хода ECU рассчитывает нагрузку двигателя при новых более высоких оборотах и ​​решает, как открыть клапан: ранний или поздний, широко открытый или полуоткрытый. Оптимальное открытие и время всегда достигнуты, и сгорание максимально точно. Это, конечно, невозможно с обычным распределительным валом, который открывает клапан на весь период впуска и всегда до полного подъема.

Исключение кулачков, подъемников, коромысел и комплектов ГРМ снижает не только вес и объем, но и трение.Значительная часть мощности, которую фактически производит двигатель, расходуется только на привод клапанов, сжимая все эти клапанные пружины тысячи раз в минуту.

После более полного развития электронная работа клапанов даст еще больше преимуществ. Например, деактивация цилиндра может быть значительно более экономичной, если впускной клапан можно открывать при каждом нажатии вниз, а выпускной клапан открывать при каждом ходе деактивированного цилиндра или «мертвой дыры». Другим, еще более значительным достижением будет устранение обычного газа.Когда автомобиль работает на частичном дросселе, это прерывание воздушного потока вызывает избыточный вакуум, что заставляет двигатель расходовать ценную энергию, выступая в качестве вакуумного насоса. BMW попыталась обойти это на своем М-5 с двигателем V-10, в котором были отдельные дроссельные бабочки для каждого цилиндра, расположенные непосредственно перед впускными клапанами. С электронным управлением клапаном можно будет контролировать частоту вращения двигателя, регулируя подъем клапана. При частичном дросселе, когда требуется меньше воздуха и газа, подъем клапана будет не таким большим.Полный газ достигается, когда педаль газа нажата, посылая электронный сигнал в ЭБУ, который, в свою очередь, регулирует подъем каждого события клапана и открывает его полностью вверх.

Программируемость [править]

Специальная категория ECU - это программируемые; эти единицы могут быть перепрограммированы пользователем.

При модификации двигателя для включения в него послепродажного обслуживания или обновления компонентов стандартные ЭБУ могут или не могут обеспечить правильный тип управления для приложений, в которых двигатель может использоваться.Для приспособления к модификациям двигателя можно использовать программируемый ЭБУ вместо ЭБУ, поставляемого на заводе. Типичные модификации, которые могут потребовать обновления блока управления двигателем, могут включать в себя турбонаддув, наддув или оба - безнаддувный двигатель; модернизация впрыска топлива или свечи зажигания, модификация или модернизация выхлопной системы, модернизация трансмиссии и т. д. Программирование ECU обычно требует сопряжения устройства с настольным компьютером или ноутбуком; это сопряжение необходимо, чтобы программирующий компьютер мог отправлять полные настройки двигателя в блок управления двигателем, а также отслеживать состояние двигателя в режиме реального времени.В этом интерфейсе обычно используется USB-соединение или последовательное соединение.

Изменяя эти значения во время мониторинга выхлопов с помощью широкополосного лямбда-зонда, специалисты по настройке двигателя могут определить оптимальный расход топлива, соответствующий скорости вращения двигателя и положению дроссельной заслонки. Этот процесс часто выполняется на объекте производительности двигателя. Динамометр обычно находится в этих местах; Эти устройства могут предоставить специалисту по настройке двигателя полезную информацию, такую ​​как частота вращения двигателя, выходная мощность, крутящий момент, события переключения передач и так далее.Специалисты по настройке часто используют динамометрический корпус для уличных и других высокопроизводительных приложений.

Параметры настройки двигателя могут включать в себя объем впрыска топлива, отображение объема дроссельного топлива, отображение переключения передач и так далее. Хотя упомянутые параметры являются общими, некоторые ЭБУ могут предоставлять другие переменные, в которых программное обеспечение настройки может потенциально измениться. Эти параметры включают в себя:

  • Anti-Lag
  • Лямбда с замкнутым контуром: позволяет ECU контролировать постоянно установленный лямбда-зонд и модифицировать заправку для достижения требуемого соотношения воздух / топливо.Часто это стехиометрическое (идеальное) соотношение воздух-топливо, которое в традиционных автомобилях с бензиновым (бензиновым) соотношением воздух-топливо составляет 14,7: 1. Это также может быть гораздо более высокий коэффициент для случая, когда двигатель находится под высокой нагрузкой, или, возможно, более низкий коэффициент для случая, когда двигатель работает в условиях круизного хода с низкой нагрузкой, для максимальной эффективности использования топлива.
  • Механизм управления
  • Время зажигания
  • Управление запуском
  • Регулятор давления топлива
  • Ограничитель
  • Rev
  • поэтапный впрыск топлива
  • Переходная заправка топливом: Указывает ЭБУ добавить определенное количество топлива при подаче газа.Это называется «ускорение обогащения».
  • Переменное время кулачка
  • Контроль отходов
  • Коррекция температуры воды: позволяет добавлять дополнительное топливо, когда двигатель холодный, например, в сценарии холодного запуска зимой или когда двигатель опасно горячий, чтобы обеспечить дополнительное охлаждение цилиндра (хотя и не очень эффективным образом, только в случае крайней необходимости).

ЭБУ гоночного класса часто оснащен регистратором данных для записи всех данных датчика для последующего анализа.Это может быть полезно для выявления остановок двигателя, пропусков зажигания или других нежелательных действий во время гонки. Регистратор данных обычно имеет емкость от 0,5 до 16 мегабайт.

Для связи с водителем гоночный ЭБУ часто может быть подключен к «стеку данных», который представляет собой простую панель мониторинга, которая представляет водителю текущие обороты, скорость и другие основные данные двигателя. Эти стеки данных, которые почти всегда являются цифровыми, связываются с ЭБУ, используя один из нескольких протоколов, включая RS-232 или CANbus.Затем информация передается через интерфейс канала передачи данных, который обычно расположен в нижней части рулевой колонки.

Датчики и исполнительные механизмы [править]

Датчики расхода воздуха, давления, температуры, скорости, отработанного кислорода, * датчика положения детонации и угла поворота коленчатого вала очень важны для EEMS. датчиков

История [править]

Ранние проекты [править]

Одной из первых попыток использовать такое унифицированное и автоматизированное устройство для одновременного управления несколькими функциями управления двигателем был Kommandogerät , созданный BMW в 1939 году, для их 801 14-цилиндрового авиационного радиального двигателя. [3] Это устройство заменило 6 элементов управления, используемых для инициирования жесткого ускорения, одним элементом управления в самолете, оснащенном серией 801. Тем не менее, у него были некоторые проблемы: он поднимал двигатель, создавая трудности при полете Fw 190 (Focke-Wulf Fw 190 Wurger), одномоторного немецкого истребителя с одним двигателем, несколько затруднительно, и сначала он переключал нагнетатель шестеренки жесткие и случайные, что может привести к тому, что самолет окажется в крайне опасной стойле.

Разработка интегральных микросхем и микропроцессоров сделала управление двигателем экономически целесообразным в 1970-х годах.В начале 1970-х годов японская электронная промышленность начала производство интегральных микросхем и микроконтроллеров для управления двигателем в японских автомобилях. [4] Система Ford EEC (Electronic Engine Control), в которой использовался микропроцессор Toshiba TLCS-12, была запущена в серийное производство в 1975 году. [5]

гибридных цифровых конструкций [редактировать]

Гибридные цифровые или аналоговые конструкции были популярны в середине 1980-х годов. При этом использовались аналоговые методы для измерения и обработки входных параметров из механизма, затем использовалась таблица поиска, хранящаяся в чипе цифрового ПЗУ, для получения предварительно вычисленных выходных значений.Более поздние системы вычисляют эти результаты динамически. Система ПЗУ поддается настройке, если хорошо знать систему. Недостаток таких систем состоит в том, что предварительно вычисленные значения являются оптимальными только для идеализированного нового двигателя. Поскольку двигатель изнашивается, система может быть менее способной к компенсации по сравнению с другими конструкциями.

Современный дизайн [редактировать]

Современные ЭБУ используют микропроцессор, который может обрабатывать входные сигналы от датчиков двигателя в режиме реального времени. Электронный блок управления содержит аппаратное и программное обеспечение (встроенное программное обеспечение).Аппаратное обеспечение состоит из электронных компонентов на печатной плате (PCB), керамической подложки или тонкой слоистой подложки. Основным компонентом на этой плате является микросхема микроконтроллера (MCU). Программное обеспечение хранится в микроконтроллере или других микросхемах на печатной плате, как правило, в СППЗУ или флэш-памяти, поэтому ЦП можно перепрограммировать путем загрузки обновленного кода или замены микросхем. Это также упоминается как (электронная) система управления двигателем (EMS).

Сложные системы управления двигателем получают входные данные из других источников и управляют другими частями двигателя; Например, некоторые системы изменения фаз газораспределения имеют электронное управление, а также можно управлять заслонками турбокомпрессора.Они также могут связываться с блоками управления коробкой передач или напрямую взаимодействовать с автоматическими коробками передач с электронным управлением, системами контроля тяги и тому подобным. Контроллерная сеть или автомобильная сеть с шиной CAN часто используется для обеспечения связи между этими устройствами.

Современные ЭБУ иногда включают такие функции, как круиз-контроль, управление коробкой передач, управление противоскользящим тормозом, противоугонное управление и т. Д.

Первые ЭБУ «Дженерал Моторс» (GM) имели небольшое применение гибридных цифровых ЭБУ в качестве пилотной программы в 1979 году, но к 1980 году все активные программы использовали микропроцессорные системы.Из-за большого увеличения объема ECU, которые были произведены в соответствии с требованиями Закона о чистом воздухе в 1981 году, только одна модель ECU может быть построена для модели 1981 года. [6] ЭБУ большого объема, который был установлен в автомобилях GM с первого года большого объема, 1981 года, был современной микропроцессорной системой. GM быстро перешла на замену карбюрации впрыском топлива в качестве предпочтительного способа доставки топлива для автомобилей, которые она производила. Этот процесс впервые был реализован в 1980 году с двигателями Cadillac с впрыском топлива, за которым последовал Pontiac 2.5L I4 «Железный герцог» и Chevrolet 5.7L V8 L83 «Cross-Fire», приводящий в действие Chevrolet Corvette в 1982 году. Cadillac Brougham 1990 года, работающий на двигателе Oldsmobile 5.0L V8 LV2, был последним карбюраторным легковым автомобилем, произведенным для продажи в Североамериканский рынок (модель Volkswagen Beetle 1992 года, оснащенная карбюраторным двигателем, была доступна для покупки в Мексике, но не продавалась в Соединенных Штатах или Канаде), и к 1991 году GM стал последним из крупнейших автопроизводителей США и Японии, отказавшимся от карбюратора и производить все свои легковые автомобили исключительно с двигателями с впрыском топлива.В 1988 году Delco (подразделение электроники GM) произвела более 28 000 ECU в день, что сделало ее крупнейшим в мире производителем бортовых компьютеров с цифровым управлением. [7]

Другие приложения [править]

Такие системы используются для многих двигателей внутреннего сгорания в других областях. В авиационных применениях системы известны как "FADECs" (цифровое управление двигателем полного доступа). Этот вид электронного управления менее распространен в легких самолетах и ​​вертолетах с поршневыми двигателями, чем в автомобилях. "SECU3 с открытым исходным кодом ECU". SECU-3

Внешние ссылки [редактировать]

,

Что такое модуль управления двигателем (ECM)?

Что такое ECM и как он работает?

Модуль управления двигателем (ECM), также называемый блоком управления двигателем (ECU), обеспечивает работу вашего автомобиля с оптимальной производительностью. Контроллер ЭСУД контролирует большинство датчиков в моторном отсеке, чтобы управлять топливовоздушной смесью вашего автомобиля и регулировать системы контроля выбросов. Контроллер ЭСУД регулирует четыре основные части операционных систем вашего автомобиля: соотношение воздух-топливо, скорость холостого хода, переменное время срабатывания клапана и время зажигания.Что касается соотношения воздух-топливо, ECM использует датчики для регулирования соотношения кислорода и топлива, обнаруженного в выхлопных газах вашего автомобиля, для определения показателей обогащения / обеднения двигателя. Некоторые из этих датчиков включают датчик (и) массового воздушного потока, датчик (и) кислорода, датчик (и) воздушного топлива. Для скорости холостого хода ECM использует датчики, расположенные у коленчатого вала и распределительного вала (-ов), которые отслеживают обороты вашего автомобиля и нагрузку двигателя, отслеживая скорость вращения двигателя. (Об / мин = число оборотов в минуту) Система изменения фаз газораспределения контролирует, когда клапаны открываются в двигателе для увеличения мощности или экономии топлива.Наконец, ECM контролирует момент зажигания, это позиция, в которой зажигание зажигается в цикле сгорания. Точный контроль этого времени обеспечивает большую мощность и / или большую экономию топлива. ECM также управляет множеством других систем поверх этих основных задач. Его часто называют мозгом автомобиля, и это справедливо, потому что большинство всего, что требуется для эксплуатации новых автомобилей, проходит через ECM, если не контролируется им напрямую.

Когда требуется замена контроллера ЭСУД? *

  • Проверьте, горит ли индикатор двигателя
  • Пропуски зажигания в двигателе
  • Меньшая мощность двигателя
  • Автомобиль не запускается

* Перед заменой контроллера ЭСУД необходимо провести расширенную диагностику проводится, чтобы определить его как основную причину.

Сколько стоит замена модуля управления двигателем?

Замена ECM - это недешевое решение и может стоить от 900 до 1000 долларов.

Блок управления - Википедия

Блок управления (CU) является компонентом центрального процессора (CPU) компьютера, который управляет работой процессора. Он сообщает памяти компьютера, арифметическому и логическому устройству, а также устройствам ввода и вывода, как реагировать на инструкции, отправленные процессору. [1]

Он управляет работой других блоков, предоставляя сигналы синхронизации и управления. Большая часть ресурсов компьютера управляется CU.Он направляет поток данных между процессором и другими устройствами. Джон фон Нейман включил блок управления как часть архитектуры фон Неймана. [2] В современных компьютерных разработках блок управления, как правило, является внутренней частью ЦП, его общая роль и работа остаются неизменными с момента его появления. [3]

Многоцикловые блоки управления [править]

Самые простые компьютеры используют многоцикловую микроархитектуру. Это были самые ранние проекты. Они по-прежнему популярны на самых маленьких компьютерах, таких как встроенные системы, которые управляют оборудованием.

В многоцикловом компьютере блок управления часто выполняет цикл Von Neumann: выбирает инструкцию, выбирает операнды, выполняет инструкцию, записывает результаты. Когда следующая инструкция помещается в блок управления, она меняет поведение блока управления для правильного завершения инструкции. Таким образом, биты инструкции напрямую управляют блоком управления, который, в свою очередь, управляет компьютером.

Блок управления может включать в себя двоичный счетчик, который сообщает логике блока управления, какой шаг он должен выполнить.

Многоцикловые блоки управления обычно используют как нарастающие, так и падающие фронты своих часов синхронизации. Они выполняют шаг своей операции на каждом фронте тактового генератора, поэтому четырехступенчатая операция выполняется за два тактовых цикла.

Многие компьютеры имеют два разных типа непредвиденных событий. Прерывание происходит, потому что некоторый тип входа или выхода требует внимания программного обеспечения для правильной работы. Исключение вызвано работой компьютера. Одним из важных отличий является то, что время прерывания не может быть предсказано.Другое состоит в том, что некоторые исключения (например, исключение не доступной памяти) могут быть вызваны инструкцией, которую необходимо перезапустить.

Блоки управления могут быть разработаны для обработки прерываний одним из двух типичных способов. Если быстрая реакция наиболее важна, блок управления предназначен для отказа от работы по обработке прерывания. В этом случае незавершенное производство будет возобновлено после последней выполненной инструкции. Если компьютер должен быть очень недорогим, очень простым, очень надежным или выполнять больше работы, блок управления завершит работу в процессе перед обработкой прерывания.Завершение работы недорого, потому что для записи последней законченной инструкции не требуется регистрация. Это просто и надежно, потому что у него наименьшее количество состояний. Это также тратит впустую наименьшее количество работы.

Могут быть сделаны исключения для работы как прерывания в очень простых компьютерах. Если требуется виртуальная память, то исключение из-за недоступности памяти должно повторить неудачную инструкцию.

Обычно многоцикловые компьютеры используют больше циклов. Иногда для выполнения условного перехода требуется больше времени, поскольку счетчик программы должен быть перезагружен.Иногда они выполняют инструкции умножения или деления с помощью процесса, такого как двоичное длинное умножение и деление. Очень маленькие компьютеры могут выполнять арифметику по одному или нескольким битам за раз. У некоторых компьютеров есть очень сложные инструкции, которые делают много шагов.

Блоки управления с конвейером [править]

Многие компьютеры средней сложности выполняют конвейерные инструкции. Этот дизайн популярен благодаря своей экономичности и скорости.

В конвейерном компьютере инструкции проходят через компьютер.Этот дизайн имеет несколько этапов. Например, он может иметь одну стадию для каждого шага цикла фон Неймана. Конвейерный компьютер обычно имеет «регистры конвейера» после каждой стадии. Они хранят биты, рассчитанные этапом, так что логические элементы следующего этапа могут использовать биты для выполнения следующего этапа. Обычно четные каскады работают на одном краю прямоугольных часов, в то время как нечетные каскады работают на другом краю.

В конвейерном компьютере блок управления обеспечивает запуск, продолжение и остановку потока в виде программных команд.Данные команд обычно передаются в конвейерных регистрах от одной ступени к другой, с несколькими отдельными элементами логики управления для каждой ступени. Блок управления также гарантирует, что инструкция на каждом этапе не наносит ущерба работе инструкций на других этапах. Например, если два этапа должны использовать один и тот же фрагмент данных, логика управления гарантирует, что использование выполняется в правильной последовательности.

При эффективной работе конвейерный компьютер будет иметь инструкции на каждом этапе.Затем он работает над всеми этими инструкциями одновременно. Он может завершить около одной инструкции для каждого цикла своих часов. Когда программа принимает решение и переключается на другую последовательность команд, конвейер иногда должен отбрасывать данные в процессе и перезапускаться. Это называется "стойло". Когда две инструкции могут помешать, иногда блок управления должен прекратить обработку более поздней инструкции, пока не завершится более ранняя инструкция. Это называется «пузырем конвейера», потому что часть конвейера не обрабатывает инструкции.Пузырьки конвейера могут возникать, когда две команды работают с одним и тем же регистром.

Прерывания и непредвиденные исключения также останавливают конвейер. Если конвейерный компьютер прекращает работу из-за прерывания, теряется больше работы, чем в многоцикловом компьютере. Предсказуемые исключения не нужно останавливать. Например, если для входа в операционную систему используется инструкция исключения, это не приводит к остановке.

Скорость? Для той же скорости электронной логики, он может выполнять больше команд в секунду, чем многоцикловый компьютер.Кроме того, даже несмотря на то, что электронная логика имеет фиксированную максимальную скорость, конвейерный компьютер можно сделать быстрее или медленнее, изменяя число этапов в конвейере. С большим количеством этапов каждый этап выполняет меньше работы, и поэтому этап имеет меньше задержек от логических элементов.

Экономия? Конвейерная модель компьютера часто имеет наименьшее количество логических элементов в расчете на одну команду в секунду, что меньше, чем у многоциклового или неисправного компьютера. Зачем? Средняя стадия менее сложна, чем многоцикловый компьютер.Неисправный компьютер обычно имеет большое количество неактивной логики в любой момент времени. Подобные вычисления обычно показывают, что конвейерный компьютер потребляет меньше энергии на одну инструкцию.

Однако конвейерный компьютер, как правило, более сложный и более дорогой, чем сопоставимый многоцикловый компьютер. Обычно он имеет больше логических элементов, регистров и более сложный блок управления. Подобным образом, он может использовать больше общей энергии, но при этом использовать меньше энергии на инструкцию. Процессоры, вышедшие из строя, обычно могут выполнять больше инструкций в секунду, потому что они могут выполнять несколько инструкций одновременно.

Предотвращение киосков [править]

Блоки управления

используют много методов, чтобы поддерживать заполнение трубопровода и избегать остановок. Например, даже простые блоки управления могут предполагать, что обратная ветвь для более ранней инструкции с меньшим номером является циклом и будет повторяться. [4] Таким образом, блок управления с такой конструкцией всегда будет заполнять трубопровод обратным ответвлением. Если компилятор может обнаружить наиболее часто используемое направление ветвления, компилятор может просто создавать инструкции, чтобы наиболее часто используемое направление было предпочтительным направлением ветвления.Аналогичным образом блок управления может получать подсказки от компилятора: на некоторых компьютерах есть инструкции, которые могут кодировать подсказки от компилятора о направлении ветвления. [5]

Некоторые блоки управления выполняют прогноз ветвления: блок управления хранит электронный список последних ветвей, закодированный адресом инструкции ветвления. [4] В этом списке есть несколько битов для каждой ветви, чтобы запомнить направление, которое было принято в последнее время.

Некоторые блоки управления могут выполнять умозрительное выполнение, в котором компьютер может иметь два или более конвейеров, вычислять оба направления ветви и затем отбрасывать вычисления неиспользованного направления.

Результаты из памяти могут стать доступными в непредсказуемое время, потому что очень быстро компьютеры кэшируют память. То есть они копируют ограниченное количество данных в очень быструю память. Процессор должен быть рассчитан на обработку с очень высокой скоростью кэш-памяти. Таким образом, процессор может зависнуть, когда он должен получить доступ к основной памяти напрямую. В современных ПК основная память в триста раз медленнее, чем кэш.

Чтобы помочь этому, были разработаны неупорядоченные ЦП и блоки управления для обработки данных по мере их поступления.(См. Следующий раздел)

Но что, если все вычисления завершены, но процессор все еще не работает, ожидая основной памяти? Затем блок управления может переключиться на альтернативный поток выполнения, данные которого были извлечены, когда поток находился в режиме ожидания. Поток имеет свой собственный программный счетчик, поток инструкций и отдельный набор регистров. Дизайнеры варьируют количество потоков в зависимости от современных технологий памяти и типа компьютера. Типичные компьютеры, такие как ПК и смартфоны, обычно имеют блоки управления с несколькими потоками, что достаточно, чтобы быть занятым доступными системами памяти.Компьютеры баз данных часто имеют в два раза больше потоков, чтобы их гораздо большие объемы памяти были заняты. Графические процессоры (GPU) обычно имеют сотни или тысячи потоков, потому что они имеют сотни или тысячи исполнительных блоков, выполняющих повторяющиеся графические вычисления.

Когда блок управления разрешает потоки, программное обеспечение также должно быть разработано для их обработки. В процессорах общего назначения, таких как ПК и смартфоны, потоки обычно выглядят как обычные процессы с разделением по времени.Максимум, операционная система может нуждаться в некоторой осведомленности о них. В графических процессорах планирование потоков обычно не может быть скрыто от прикладного программного обеспечения и часто управляется специальной библиотекой подпрограмм.

Блоки управления вышли из строя [править]

Блок управления может быть разработан, чтобы закончить то, что он может. Если несколько инструкций могут быть выполнены одновременно, блок управления организует это. Таким образом, самые быстрые компьютеры могут обрабатывать команды в последовательности, которая может несколько различаться в зависимости от того, когда операнды или места назначения команд становятся доступными.Большинство суперкомпьютеров и многие процессоры ПК используют этот метод. Точная организация этого типа блока управления зависит от самой медленной части компьютера.

Когда выполнение вычислений является самым медленным, инструкции перетекают из памяти в элементы электроники, называемые «единицами выдачи». Модуль выдачи содержит инструкцию до тех пор, пока не будут доступны оба ее операнда и модуль исполнения. Затем инструкция и ее операнды «выдаются» исполнительному блоку. Блок выполнения выполняет инструкцию.Затем полученные данные перемещаются в очередь данных для записи обратно в память или регистры. Если компьютер имеет несколько исполнительных блоков, он обычно может выполнять несколько инструкций за такт.

Распространены специализированные исполнительные единицы. Например, у компьютера по умеренной цене может быть только один исполнительный модуль с плавающей запятой, поскольку модули с плавающей запятой являются дорогостоящими. Один и тот же компьютер может иметь несколько целочисленных единиц, потому что они относительно недороги и могут выполнять большую часть инструкций.

Один тип блока управления для выдачи использует массив электронной логики, «табло» [6] ", которое определяет, когда может быть выдана инструкция." Высота "массива - это количество исполнительных блоков, и «длина» и «ширина» - это количество источников операндов. Когда все элементы объединяются, сигналы от операндов и исполнительного блока будут пересекаться. Логика на этом пересечении обнаруживает, что инструкция может работать, поэтому инструкция «выдается» на бесплатное исполнение.Альтернативный стиль выдачи блока управления реализует алгоритм Томасуло, который переупорядочивает аппаратную очередь команд. В некотором смысле оба стиля используют очередь. Табло является альтернативным способом кодирования и изменения порядка команд, а некоторые разработчики называют его таблицей очередей. [7] [8]

С помощью некоторой дополнительной логики табло может компактно комбинировать переупорядочение выполнения, переименование регистров и точные исключения и прерывания. Кроме того, он может делать это без энергозатратной, сложной адресно-ориентированной памяти, используемой алгоритмом Томасуло. [7] [8]

Если выполнение выполняется медленнее, чем запись результатов, в очереди обратной записи памяти всегда есть свободные записи. Но что, если память пишет медленно? Или что, если регистр назначения будет использоваться «более ранней» инструкцией, которая еще не выдана? Тогда может потребоваться запланировать этап обратной записи инструкции. Это иногда называют «уходом» инструкции. В этом случае должна быть логика планирования на бэкэнде исполнительных блоков. Он планирует доступ к регистрам или памяти, которые будут получать результаты. [7] [8]

Логика удаления также может быть встроена в табло выдачи или очередь Томасуло, включая доступ к памяти или регистру в логике выдачи. [7] [8]

Для контроллеров, вышедших из строя, требуются специальные конструктивные особенности для обработки прерываний. Когда выполняется несколько команд, неясно, где в потоке команд происходит прерывание. Для прерываний ввода и вывода работает практически любое решение. Однако, когда компьютер имеет виртуальную память, происходит прерывание, чтобы указать, что доступ к памяти не удался.Этот доступ к памяти должен быть связан с точной инструкцией и точным состоянием процессора, чтобы состояние процессора могло быть сохранено и восстановлено прерыванием. Обычное решение сохраняет копии регистров до завершения доступа к памяти. [7] [8]

Кроме того, у вышедших из строя ЦП возникают еще больше проблем с остановками из-за ветвления, поскольку они могут выполнять несколько инструкций за такт и обычно имеют много инструкций на разных этапах процесса.Таким образом, эти блоки управления могут использовать все решения, используемые конвейерными процессорами. [9]

Перевод блоков управления [править]

Некоторые компьютеры переводят каждую отдельную инструкцию в последовательность более простых инструкций. Преимущество состоит в том, что неработающий компьютер может быть проще по большей части своей логики, обрабатывая сложные многошаговые инструкции. Процессоры Intel x86 начиная с Pentium Pro переводят сложные инструкции CISC x86 в более RISC-подобные внутренние микрооперации.

В них «передняя часть» блока управления управляет переводом инструкций. Операнды не переводятся. «Задняя часть» CU - это вышедший из строя процессор, который выдает микрооперации и операнды для исполнительных блоков и путей данных.

Блоки управления для компьютеров с низким энергопотреблением [править]

Многие современные компьютеры имеют элементы управления, которые минимизируют энергопотребление. В компьютерах с батарейным питанием, например, в сотовых телефонах, преимущество заключается в увеличении времени автономной работы. В компьютерах с питанием от сети оправдание заключается в снижении затрат на электроэнергию, охлаждение или шум.

Большинство современных компьютеров используют логику CMOS. CMOS тратит энергию двумя распространенными способами: путем изменения состояния, то есть «активной мощности» и непреднамеренной утечки. Активная мощность компьютера может быть уменьшена путем отключения управляющих сигналов. Ток утечки можно уменьшить, уменьшив электрическое давление, напряжение, сделав транзисторы с большими областями истощения или полностью отключив логику.

Активную мощность легче уменьшить, поскольку данные, хранящиеся в логике, не затрагиваются.Обычный метод снижает тактовую частоту процессора. Большинство компьютерных систем используют этот метод. Во время перехода процессор обычно простаивает, чтобы избежать побочных эффектов от смены часов.

У большинства компьютеров также есть инструкция "остановка". Это было изобретено, чтобы остановить код без прерываний, чтобы код прерывания имел надежную синхронизацию. Тем не менее, дизайнеры вскоре заметили, что инструкция останова также является хорошим временем для полного отключения тактовой частоты процессора, снижая его активную мощность до нуля. Контроллеру прерываний могут по-прежнему нужны часы, но они обычно потребляют гораздо меньше энергии, чем процессор.

Эти методы относительно просты в разработке и стали настолько распространенными, что другие были изобретены для коммерческого преимущества. Многие современные КМОП-процессоры с низким энергопотреблением останавливают и запускают специализированные исполнительные устройства и шинные интерфейсы в зависимости от необходимой инструкции. Некоторые компьютеры [10] даже организуют микроархитектуру ЦП на использование мультиплексоров с триггером передачи, так что каждая команда использует только точные кусочки необходимой логики.

Теоретически, компьютеры с более низкими тактовыми частотами могут также уменьшить утечку за счет снижения напряжения источника питания.Это во многом влияет на надежность компьютера, поэтому разработка дорогостоящая, и она встречается редко, за исключением относительно дорогих компьютеров, таких как ПК или мобильные телефоны.

Некоторые конструкции могут использовать транзисторы с очень малой утечкой, но они обычно увеличивают стоимость. Барьеры истощения транзисторов могут быть увеличены, чтобы иметь меньшую утечку, но это делает транзистор больше и, следовательно, медленнее и дороже. Некоторые производители используют эту технику в отдельных частях микросхемы, создавая логику с малой утечкой из больших транзисторов, которую некоторые процессы обеспечивают для аналоговых схем.Некоторые процессы размещают транзисторы над поверхностью кремния в «ребрах», но эти процессы имеют больше этапов, поэтому являются более дорогостоящими. Специальные легирующие материалы для транзисторов (например, гафний) также могут уменьшить утечку, но это добавляет этапы к обработке, делая ее более дорогой. Некоторые полупроводники имеют большую ширину запрещенной зоны, чем кремний. Однако эти материалы и процессы в настоящее время (2020 г.) дороже, чем кремний.

Управлять утечками сложнее, поскольку перед тем как отключить логику, данные в ней должны быть перемещены в хранилище с малой утечкой.

Одним из распространенных методов является распределение нагрузки на множество процессоров и отключение неиспользуемых процессоров при снижении нагрузки. Логика переключения задач операционной системы сохраняет данные ЦП в память. В некоторых случаях [11] один из процессоров может быть проще и меньше, буквально с меньшим количеством логических элементов. Таким образом, он имеет низкую утечку, и он отключается последним и включается первым. Кроме того, это единственный процессор, который требует специальных функций с низким энергопотреблением. Подобный метод используется в большинстве ПК, которые обычно имеют вспомогательный встроенный процессор, который управляет системой питания.Однако на ПК программное обеспечение обычно находится в BIOS, а не в операционной системе.

Некоторые процессоры [12] используют специальный тип триггера (для хранения битов), который соединяет быстродействующую ячейку памяти с высокой утечкой и медленную, большую (дорогую) ячейку с низкой утечкой. Эти две ячейки имеют отдельные источники питания. Когда ЦП входит в режим энергосбережения (например, из-за остановки, которая ожидает прерывания), данные передаются в ячейки с малой утечкой, а остальные отключаются. Когда процессор выходит из режима низкой утечки (например,грамм. из-за прерывания), процесс полностью изменен.

Старые модели копировали бы состояние процессора в память или даже на диск, иногда с помощью специального программного обеспечения. Очень простые встроенные системы иногда просто перезагружаются.

Интеграция с компьютером [править]

Все современные процессоры имеют управляющую логику для подключения процессора к остальной части компьютера. В современных компьютерах это, как правило, контроллер шины. Когда инструкция читает или записывает память, блок управления либо управляет шиной напрямую, либо управляет контроллером шины.Многие современные компьютеры используют один и тот же интерфейс шины для памяти, ввода и вывода. Это называется «ввод-вывод с отображением в память». Для программиста регистры устройств ввода / вывода отображаются в виде цифр по определенным адресам памяти. На компьютерах x86 используется более старый метод - отдельная шина ввода-вывода, доступ к которой осуществляется по инструкциям ввода-вывода.

Современный ЦП также имеет тенденцию включать контроллер прерываний. Он обрабатывает сигналы прерывания от системной шины. Блок управления - это часть компьютера, которая реагирует на прерывания.

Часто имеется кэш-контроллер для кеширования памяти.Контроллер кеша и связанная с ним кеш-память часто являются самой большой физической частью современного высокопроизводительного процессора. Когда память, шина или кэш-память используются совместно с другими процессорами, логика управления должна связываться с ними, чтобы гарантировать, что ни один компьютер никогда не получит устаревшие старые данные.

Многие исторические компьютеры встроили некоторый тип ввода и вывода непосредственно в блок управления. Например, многие исторические компьютеры имели лицевую панель с переключателями и лампами, непосредственно управляемыми блоком управления.Это позволяет программисту напрямую войти в программу и отладить ее. В более поздних производственных компьютерах наиболее распространенное использование лицевой панели заключалось в вводе небольшой программы начальной загрузки для чтения операционной системы с диска. Это было раздражающим. Таким образом, передние панели были заменены программами начальной загрузки в постоянной памяти.

Большинство моделей PDP-8 имели шину данных, предназначенную для того, чтобы устройства ввода-вывода занимали логику чтения и записи памяти блока управления. [13] Это уменьшило сложность и стоимость высокоскоростных контроллеров ввода / вывода, e.грамм. для диска.

Xerox Alto имел многозадачный микропрограммируемый блок управления, который выполнял почти все операции ввода-вывода. [14] Эта конструкция обеспечивала большинство функций современного ПК с небольшой долей электронной логики. Двухпоточный компьютер был запущен двумя микропотоками с самым низким приоритетом. Эти вычисления выполнялись всякий раз, когда ввод / вывод не требовался. Микропотоки с высоким приоритетом обеспечивают (в порядке уменьшения приоритета) видео, сеть, диск, периодический таймер, мышь и клавиатуру.Микропрограмма выполняла сложную логику устройства ввода-вывода, а также логику интеграции устройства с компьютером. Для фактического аппаратного ввода / вывода микропрограмма считывает и записывает сдвиговые регистры для большинства входов / выходов, иногда с резисторными сетями и транзисторами для сдвига уровней выходного напряжения (например, для видео). Для обработки внешних событий микроконтроллер имел микропрерыватели для переключения потоков в конце цикла потока, например, в конце инструкции или после обращения к регистру сдвига.Микропрограмму можно было переписать и переустановить, что было очень полезно для исследовательского компьютера.

Функции блока управления [править]

Таким образом, программа инструкций в памяти заставит CU сконфигурировать потоки данных ЦПУ для правильной обработки данных между командами. Это приводит к тому, что компьютер может выполнять полную программу и не требовать вмешательства человека для выполнения аппаратных изменений между инструкциями (как это должно было быть сделано при использовании только перфокарт для вычислений до того, как были изобретены запрограммированные компьютеры с CU).

Проводной блок управления [править]

Аппаратные блоки управления реализованы с использованием комбинационных логических блоков, имеющих конечное число логических элементов, которые могут генерировать конкретные результаты на основе инструкций, которые использовались для вызова этих ответов. Проводные блоки управления, как правило, работают быстрее, чем микропрограммированные. [15]

В этом проекте используется фиксированная архитектура - требуется изменение проводки, если набор команд был изменен или изменен.Это может быть удобно для простых, быстрых компьютеров.

Контроллер, который использует этот подход, может работать на высокой скорости; тем не менее, он обладает небольшой гибкостью. Сложный набор команд может ошеломить дизайнера, который использует специальную логику.

Аппаратный подход стал менее популярным по мере развития компьютеров. Ранее блоки управления для процессоров использовали специальную логику, и их было сложно разработать. [16]

[1]

Блок управления микропрограммой [править]

Идея микропрограммирования была предложена Морисом Уилксом в 1951 году как промежуточный уровень для выполнения инструкций компьютерной программы.Микропрограммы были организованы в виде последовательности микроинструкций и сохранены в специальной контрольной памяти. Алгоритм для блока управления микропрограммой, в отличие от аппаратного блока управления, обычно определяется описанием блок-схемы. [17] Основным преимуществом блока управления микропрограммой является простота его конструкции. Выходы контроллера организованы в микроинструкции и могут быть легко заменены. [18]

Комбинированные методы проектирования [править]

Популярным вариантом микрокода является отладка микрокода с помощью программного симулятора.Тогда микрокод представляет собой таблицу битов. Это логическая таблица истинности, которая переводит адрес микрокода в выходные данные блока управления. Эта таблица истинности может быть передана в компьютерную программу, которая производит оптимизированную электронную логику. Получающийся в результате блок управления почти так же прост в разработке, как и микропрограммирование, но он имеет быструю скорость и небольшое количество логических элементов в жестком проводном блоке управления. Практический результат напоминает машину Мили или контроллер Ричардса.

См. Также [править]

Список литературы [править]

  1. ^ Паттерсон, Дэвид; Хеннесси Джон (2011). a b c d e 9014

    6 Лейтон, Люк; Заруба, Флориан; Торнтон, Джеймс; Киммитт, Джонатон; Петриско, Дан; Такано, S .; Фальво, Самуил. «RISC-V HW Dev, табло 6600 в стиле не по порядку». Группы Google . Фонд RISC-V. Получено 16 января 2020 г.

  2. ^ Селио, Крис. Wiśniewski, Remigiusz (2009). Синтез составных микропрограммных блоков управления для программируемых устройств . Зелёна-Гура: Университет Зелёна-Гура. п. 153. ISBN 978-83-7481-293-1 .
,

Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020