При построении МПЦ разработчик системы должен решить две основные крупные проблемы. Это осуществить реализацию технологических алгоритмов ЭЦ программными средствами (проблема функционирования) и исключить опасное воздействие на объекты управления ЭЦ при отказах технических средств МПЦ (проблема безопасности).

Можно выделить четыре основных алгоритма функционирования ЭЦ [3.7]: алгоритмы установки маршрута, размыкания маршрута при движении поезда, отмены маршрута и его искусственного размыкания. Принципиальным отличием МПЦ от релейных систем ЭЦ является то, что эти алгоритмы реализуются программным путем. В чем состоят принципы такой реализации?

Технологические алгоритмы ЭЦ относятся к классу логических бинарных алгоритмов. Это означает, что данные (переменные), с которыми работают алгоритмы, являются двоичными. Двоичными (бинарными) являются также условия, определяющие пути реализации алгоритмов.

Для примера рассмотрим частные алгоритмы определения условий открытия светофора H на I путь и светофора Ч на 2 путь на станции (рис. 3.7, а). Пусть (упрощенно) открытие светофора Н возможно только при одновременном выполнении условий: нажата кнопка НК светофора Н; имеется контроль плюсового положения стрелки 1 (контакт 1ПК); свободен стрелочный участок 1СП стрелки 1; свободен путь приема IП (рис. 3.7, б). Аналогичные условия существуют и для светофора Ч (рис. 3.7, в). Эти условия могут быть также записаны с помощью логических функций:

,                                   (3.6)

.                                 (3.7)

В микропроцессорных системах применяются два основных метода программной реализации логических алгоритмов ЭЦ. Первый метод заключается в непосредственном вычислении логических функций, описывающих алгоритм. Суть этого метода рассмотрим на примере вычисления функций (3.6) и (3.7). На рис. 3.8 показана схема хранения и пересылки данных в микропроцессорной системе. На этой схеме указаны четыре основных блока, участвующих в вычислительном процессе: запоминающее устройство (ЗУ) для хранения входных данных и результатов вычисления; арифметическо-логичес-кое устройство (АЛУ) для выполнения арифметических и логических операций; регистры общего назначения (РОН) для временного хранения данных (операндов), с которыми производится операция; регистры (порты) для ввода и вывода информации.

В табл. 3.7 приведена программа LIGHT вычисления функций  и . Входные переменные , …, , определяющие условия открытия сигналов Н и Ч, хранятся в ячейках памяти ЗУ с адресами , …, . Первые восемь команд вычисляют функцию . Команды № 1 … 4 выполняют ввод переменных , …,  из ЗУ в РОН. Команды № 5, 6, 7 осуществляют логическое умножение этих переменных . Команда № 8 пересылает значение функции  в выходной регистр PORT1. В зависимости от содержимого этого регистра (  = 0 или 1) осуществляется управление сигналом Н. Команды № 9 … 16 производят аналогичные операции для вычисления функции .

Второй способ программной реализации логических алгоритмов использует метод бинарных программ. Он основан на том, что процесс вычисления булевой функции можно свести к последовательности выполнения команд условного перехода i: если А, то j, иначе i + 1, где i – порядковый номер команды. На рис. 3.9 приведены блок-схемы бинарных программ вычисления функций (3.6) и (3.7).

Т а б л и ц а  3.7

№ команды	Команда	Мнемокод команды
1	Переслать содержимое из ячейки М1 в регистр А	MOV A, M1
2	То же из ячейки М2 в регистр В	MOV B, M2
3	То же из ячейки М3 в регистр С	MOV C, M3
4	То же из ячейки М4 в регистр D	MOV D, M4
5	Перемножить содержимое регистров А и В ( )	ANA B
6	То же для регистров А и С ( )	ANA C
7	То же для регистров А и D ( )	ANA D
8	Вывод значения  в выходной регистр PORT1	OUT PORT1
9	Переслать содержимое из ячейки М5 в регистр А	MOV A, M5
10	То же из ячейки М6 в регистр В	MOV B, M6
11	То же из ячейки М7 в регистр С	MOV C, M7
12	То же из ячейки М8 в регистр D	MOV D, M8
13	Перемножить содержимое регистров А и В ( )	ANA B
14	То же для регистров А и С ( )	ANA C
15	То же для регистров А и D ( )	ANA D
16	Вывод значения  в выходной регистр PORT2	OUT PORT2

Метод непосредственного вычисления обладает простотой и наглядностью. Размеры программ и время их вычислений определяются сложностью конкретных булевых формул. Метод бинарных программ имеет наибольшее быстродействие и не требует оперативной памяти для хранения промежуточных результатов. Однако, при большом числе переменных программа может отказаться громоздкой.

В целом программное обеспечение (ПО) микропроцессорной централизации представляет собой сложный программный продукт, который решает целый комплекс задач. Эти задачи определяются особенностями технологического процесса управления движением поездов на станциях, который является ответственным асинхронным параллельным процессом. На станциях передвижения поездных единиц осуществляются независимо и параллельно во времени и в пространстве (передвижения не синхронизируются). Необходимо осуществлять обработку информации о нескольких маршрутах одновременно. Поэтому можно выделить три основные задачи ПО МПЦ: реализация технологических алгоритмов ЭЦ, организация параллельных вычислений и обеспечение безопасности вычислений.

Для организации параллельных процессов в управляющих вычислительных комплексах (УВК) применяются последовательная, функциональная, конвейерная и мультипроцессорная обработка информации. При последовательной обработке комплекс имеет один процессор, в котором параллельные процессы реализуются фактически последовательно во времени (по очереди). Это возможно, если скорость вычислений существенно выше скорости изменения данных самого технологического процесса (например, процесса движения поездов). Тогда создается иллюзия параллельности вычислений. Например, таким образом построена программа определения условий открытия входных светофоров на станции, приведенная в табл. 3.7. Первые восемь команд служат для вычисления функции  (формула (3.6)), затем последовательно во времени вычисляется функция  (формула (3.7)) с помощью команд 9 … 16.

При функциональной обработке УВК имеет несколько независимых устройств, которые одновременно выполняют различные функции и при этом обмениваются информацией. Такой способ предполагается, например, при реализации блок-схем алгоритмов, приведенных на рис. 3.9. Алгоритм А1 реализуется в процессоре, который управляет движением поездов в нечетной горловине станции (см. рис. 3.7), а алгоритм А2 – соответственно в процессоре четной горловины.

Конвейерная обработка предусматривает разбивку вычислительного процесса на несколько этапов, которые реализуются параллельно-последовательно в различных процессорах (по принципу конвейера). Мультипроцессорная обработка осуществляется множеством процессоров, имеющих общие шины и общую память для обмена информацией между собой.

На рис. 3.10 представлены структурные схемы, которые реализуют указанные способы обработки информации и которые используются при построении МПЦ. Последовательные вычисления осуществляются в однопроцессорной системе (рис. 3.10, а). Ее применяют для крупных станций с мощной ЭВМ или для малых станций, когда достаточно одной микроЭВМ. Система с радиальной структурой (рис. 3.120, б) реализует принцип функциональной обработки. Каждая микроЭВМ служит для управления каким-либо районом станции. Связь между районными ЭВМ осуществляется через центральный управляющий процессор УП.

В системе с магистральной структурой (рис. 3.10, в) применяется мультипроцессорная обработка информации. Элементы системы (микропроцессоры МП, запоминающие устройства ЗУ, устройства ввода-вывода УВВ) подсоединяются к общей магистрали (шине). Управляющий процессор регламентирует работу всех элементов. В системе с сетевой структурой (рис. 3.10, г) районные микроЭВМ обмениваются информацией по принципу конвейера. Сеть микроЭВМ отражает план станции в соответствии с географическим принципом построения схем ЭЦ.

Рассмотренные структуры имеют свои достоинства и недостатки. Их следует оценивать прежде всего по сложности программного обеспечения (ПО), надежности и быстродействию. Наиболее простым ПО обладают однопроцессорная и сетевая системы. В первом случае нет необходимости решать проблему взаимодействия между различными микроЭВМ. Во втором случае эти взаимодействия просты – передача информации в соседние микроЭВМ. Наилучшими свойствами по надежности обладает сетевая структура. В ней отказ одной районной ЭВМ не исключает установку и реализацию маршрутов в других районах станции. В радиальной и магистральной структурах работа системы нарушается при отказах управляющего процессора или повреждении магистрали. Наибольшее быстродействие имеет сетевая структура, так как в ней реализуется не только конвейерный, но и функциональный принцип обработки информации. В различных районах станции маршруты обрабатываются одновременно разными микроЭВМ. Наименьшее быстродействие имеют однопроцессорная (все маршруты обрабатываются последовательно) и магистральная система из-за ограниченной пропускной способности магистрали.