книги из ГПНТБ / Преснухин, Л. Н. Цифровые вычислительные машины учебное пособие

Л. Н. ПРЕСНУХИН, П. В. НЕСТЕРОВ

ЦИФРОВЫЕ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ

МАШИНЫ

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Электронные вычислительные машины» и «Автоматизированные системы управления»

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1974

6Ф7.3 П71

Преснухин Л. Н. и Нестеров П. В.

П71 Цифровые вычислительные машины. Учеб, пособие для втузов. М., «Высшая школа», 1974.

415 с. с ил.

В учебном пособии рассмотрены основы теории и проектирования ЦВМ и ВС в интегральном исполнении; изложены принципы построения и развития логической структуры вычислительных систем; особенности узлов и систем элементов ЦВМ; структура процессорных, запоминающих и периферийных устройств; особенности конструирования ЦВМ и ВС. Рассмотрены вопросы развития системы математического обеспечения ЦВМ и ВС, приведены пара­ метры распространенных отечественных вычислительных ма'^ин, а также состав, особенности й параметры вычислительных машин Единой системы.

Предназначается для студентов, обучающихся по специальности «Авто­ матизированные системы управления» радиотехнических и приборостроитель­

ных вузов и факультетов. Может быть полезна аспирантам и инженерам дан­ ного профиля.

Р е ц е н з е н т ы :

Кафедра Московского высшего технического училища им. Баумана. Канд. техн. наук Б. И. Е р м о л а е в .

© Издательство «Высшая школа», 1974.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Средства цифровой вычислительной техники широко применяют во всех областях народного хозяйства, науки и техники. Все большее количество людей оказывается свя­ занным с проектированием, изготовлением и применением ЦВМ и вычислительных систем.

Директивами XXIV съезда КПСС предусмотрено соз­ дать не менее 1600 автоматизированных систем управле­ ния производством и технологическими процессами в про­ мышленности, сельском хозяйстве, связи, торговле и тран­ спорте, а также около 130 отраслевых автоматизированных систем управления. Кроме внутрипроизводственных и от­ раслевых автоматизированных систем, предполагается соз­ дать общегосударственную автоматизированную систему (ОГАС) сбора и обработки информации для учета, планиро­ вания и управления народным хозяйством на базе государ­ ственной сети вычислительных центров (ГСВЦ) и единой автоматизированной системы связи (ЕАСС).

Производство средств вычислительной техники в девятой пятилетке увеличится в 2,6 раза по сравнению с восьмой пятилеткой.

Бурное развитие электронной цифровой вычислительной техники представляет значительную сложность для обобще­ ния и систематизации. На смену одним решениям приходят другие, возникают новые идеи и новые возможности. Отсут­ ствие общей теории анализа и синтеза достаточно сложных схем обработки цифровой информации дает большую сво­ боду выбора и получения частных решений на основе ин­ женерной интуиции и изобретательства. Все это наложило отпечаток на содержание и стиль учебного пособия, предо­ пределив описательный характер ряда вопросов.

При написании учебного пособия авторами использован опыт разработки и исследований отдельных вопросов пост­ роения ЦВМ в интегральном исполнении, а также опыт преподавания курса на кафедре «Вычислительная тех­ ника» Московского института электронной техники. Авторы приносят благодарность сотрудникам этой кафедры докт. техн. наук В. Ф. Шаньгину, канд. техн. наук Н. В. Во-

ВВЕДЕНИЕ

Вычислительная техника приобрела столь большое значение для народного хозяйства, что успех дальнейшего развития материально-' технического уровня страны возможен только на базе широкого внед­ рения автоматизированных систем цифровой переработки информации. Наибольшее применение ЦВМ находят при автоматизации администра­ тивно-управленческого труда; научно-исследовательских работах; уп­ равлении производственными процессами и в военной технике. Воз­ можности использования вычислительной техники расширялись по мере ее совершенствования, разработки алгоритмов автоматической обработки информации.

Период становления электронной вычислительной техники зани­ мает промежуток времени с момента появления в 1946 г. первой ЦВМ «ЭНИАК» и приблизительно до 1955 г. Элементно-технологической базой первых ЦВМ были радиокомпоненты и методы монтажа радиоап­ паратуры связи и экспериментальной ядерной физики. Для построе­ ния ЦВМ использовали десятки и сотни тысяч радиодеталей, а также большое количество электронных ламп в цепях усиления и форми­ рования электронных сигналов. Малая надежность таких машин при­ вела к отказу от традиционного принципа конструирования радиоап­ паратуры в виде стоек с разъемами. В разъемы вставлялись ячейки, на платах которых монтировались электронные схемы. Поскольку на платах ячеек монтировались практически все радиодетали и элект­ ронные лампы, а на стойках выполнялся лишь межъячеечный монтаж, то такой подход позволил снизить стоимость изготовления ЦВМ, облегчил наладку и обеспечил восстановление работоспособности ЦВМ путем замены отказавших ячеек или электронных ламп.

Начиная с 1955 г. каждые последующие пять лет в вычислительной технике обновлялись конструктивно-технологические и схемно-логи­ ческие принципы построения ЦВМ, что дало возможность говорить уже о поколениях ЦВМ.

ЦВМ первого поколения (1955—1960 гг.) строились на дискретных радиодеталях и электронных вакуумных лампах, используемых в ка­ честве усилительно-формирующих элементов. В запоминающих устрой­ ствах этих ЦВМ использовались магнитные барабаны, ультразвуковые и электронно-лучевые трубки. ЦВМ первого поколения имели общее устройство управления, обеспечивающее последовательную работу всех основных устройств (тактовая частота работы находилась в пре­

5

делах десятков и сотен килогерц), и были ориентированы на числен­ ные решения научно-технических задач, для которых характерно малое количество входной информации, и большое количество вычис­ лительных операций.

Надежность ЦВМ первого поколения обеспечивалась профилакти­ ческими работами, во время которых удалялись потенциально нена­ дежные элементы.

ЦВМ второго поколения (1960—1965 гг.) использовали в качестве элементарной базы полупроводниковые приборы для усиления и фор­ мирования сигналов, миниатюрные дискретные радиодетали, а в ка­ честве технологической базы — печатный монтаж для изготовления ячеек. Носителями информации в оперативных запоминающих устрой­ ствах являлись кольцевые ферритовые сердечники. В машинах второго 'поколения амплитуда информационных сигналов была снижена до величины около десяти вольт, а величина рабочих токов — до десят­ ков миллиампер.

Отсутствие потерь энергии в цепях накала, снижение мощности информационных сигналов привели к значительному уменьшению по­ требляемой мощности ЦВМ второго поколения по сравнению с ЦВМ первого поколения. Существенно улучшилась и надежность ЦВМ, для увеличения которой в машины вводили электронные цепи, обна­ руживающие отказы и сбои.

ЦВМ второго поколения применялись не только для решения научно-технических задач, но и для автоматизации административно­ управленческого труда и производства! Возрастающая сложность программирования задач для ЦВМ второго поколения вызывала необ­ ходимость автоматизации этого процесса и создания автокодов и проблемно-ориентированных алгоритмических языков.

Элементная база ЦВМ третьего поколения (1965—1970 гг.) обеспе­ чивается микроэлектроникой. Машины третьего поколения имеют меньшие габариты и потребляемую мощность, значительно лучшую надежность и быстродействие по сравнению с машинами второго, поко­ ления. Автоматизация производства интегральных схем ЦВМ и их монтажа, а также применение многослойных печатных плат снизили в целом затраты на производство вычислительных машин. В запоми­ нающих устройствах ЦВМ третьего поколения широко используются миниатюрные магнитные сердечники, схемы управления которых строятся на специальных интегральных элементах, и интегральные запоминающие носители информации на основе полупроводниковых приборов, ферритовых многоотверстных пластин и металлических ма­ гнитных пленок (в качестве внутренних сверхоперативных запоминаю­ щих устройств применяются полупроводниковые триггерные регистры и матрицы). В машинах третьего поколения тактовая частота работы составляет десятки мегагерц, амплитуды сигналов — единицы вольт при токах в единицы миллиампер. Для повышения надежности этих машин используются аппаратурная и информационная избыточность, позволяющие не только обнаруживать, но и исправлять ошибки.

ЦВМ третьего поколения применяются практически во всех обла­ стях деятельности. Вследствие возрастающей их сложности как в ап­

6

паратном, так и в логическом плане их называют вычислительными системами (ВС). При проектировании ЦВМ третьего поколения прояви­ лась тенденция разработки серий («рядов») вычислительных машин и

стям и производительности машины серии существенно различаются между собой, но имеют программную совместимость.

Поскольку ЦВМ третьего поколения используют для обработки буквенно-цифровой информации, то в системах команд появилось боль­ шое количество новых команд.

Для кодирования буквенной информации в вычислительных маши­ нах стали использовать специальную единицу информации — байт, состоящий из восьми бит (при обработке десятичной информации с по­ мощью одного байта можно представить две десятичные цифры).

Обработка буквенно-цифровой информации потребовала расшире­ ния возможностей вычислительных машин по вводу и выводу информа­ ции. Несмотря на то, что разрабатывались электронные внешние уст­ ройства, в ЦВМ третьего поколения предпочтение все же отдавалось электромеханическим устройствам ввода вывода информации, так как стандартизация этих устройств и средств сопряжения их с ЦВМ позволяет изменять набор внешних устройств в широких пределах.

С появлением ЦВМ третьего поколения применяют методы обра­ ботки информации, получаемой через линии связи; для преодоления несоответствия скоростей внешних и внутренних устройств исполь­ зуют методы совмещения работы этих устройств и отдельных частей внутренних устройств машины. Для более равномерной загрузки всех устройств и повышения^ производительности ЦВМ широко используют мультипрограммный режим работы, т. е. решение в машине несколь­ ких задач одновременно.

С появлением ЦВМ второго поколения был совершен переход к пакетной обработке информации, развитие же средств ее дистанцион­ ной обработки, разработка оконечных пультов (терминалов) позволили в машинах третьего поколения перейти к режиму работы с разделением времени и режиму диалога.

Режим диалога предполагает решение задач, программа которых не полностью известна в момент начала решения. По мере решения этих задач происходит уточнение исходных и промежуточных данных, что позволяет развивать решение дальше. При этом в качестве опера­ тивного средства общения с машиной служит пульт, на экране кото­ рого с помощью специального светового карандаша можно вводить и выводить информацию, уточнять и изменять ее в процессе решения.

•Для автоматического распределения работы между устройствами машины и программирования задач потребовалась сложная операцион­ ная система математического обеспечения, разработка которой со­ ставляет более половины стоимости самой ЦВМ.

Модульное построение операционной системы вместе с модульным характером построения вычислительных систем обеспечили широкие возможности для комплектования состава модулей и организации их совместной работы с целью легкости программирования и наиболее

7

экономического решения поставленных задач. В связи с этим возникло новое понятие «архитектуры» вычислительной системы, определяющей логическую организацию и функционирование вычислительной системы

сточки зрения программиста-пользователя.

Вкачестве элементной базы ЦВМ четвертого поколения (с 1970 г.) используют большие интегральные схемы с высокой степенью интег­ рации и интегральные носители информации в запоминающих устрой­ ствах. Дальнейшее развитие получают электронные внешние устрой­ ства. Во внутренней структуре ЦВМ применяют несколько устройств для обработки информации — процессоров. Многопроцессорные вычи­ слительные машины позволяет значительно увеличить производитель­ ность обработки информации.

Споявлением ЦВМ третьего поколения производительность вычис­ лительных машин возросла на три-четыре порядка по сравнению с ма-. шинами первых поколений, тогда как производительность программи­ рования увеличилась менее, чем на порядок. Следовательно, для машин четвертого поколения ставится задача повышения скорости не только вычислений, но и всего вычислительного процесса в целом. Необхо­ димо изменить соотношение между программными и аппаратными сред­ ствами, чтобы совершенствование математического обеспечения и структуры машины привело к снижению затрат на программирование.

Вчастности, развитие элементно-технологической базы вычислитель­ ных систем третьего и четвертого поколений позволяет аппаратным способом решать задачи, которые в машинах первых поколений выпол­ нялись программным путем. Усложнение решаемых задач и структуры ЦВМ приводит к значительным затратам машинного времени на органи­ зацию вычислительного процесса в машине, а не на вычисления. По­ этому в качестве характеристики вычислительных систем применяют понятие алгоритмической производительности, т. е. среднего. коли­ чества операций, выполняемого в единицу времени для реализации заданного алгоритма решения задачи. Замена части программных средств аппаратными позволяет снизить разрыв между общей и алго­ ритмической производительностью вычислительных машин и си­ стем.

Развитие диалоговых режимов работы средств вычислительной-

техники дает возможность использовать ЦВМ для исследовательских разработок, автоматизации проектирования в различных областях деятельности, решения сложных логических и экономических задач.

Следует отметить, что для задач статистики, планирования и учета и информационно-логического применения вычислительной техники требуется разработка методов экономичного кодирования информа­ ции и организации новых способов использования, как правило, многоразрядных цепей.переработки и хранения информации современ­ ных вычислительных машин и систем при работе с большими массивами малоразрядных чисел. Кроме того, экономические и информационные задачи приводят к необходимости выполнения групповых логических и арифметических операций, для реализации которых наиболее успешно можно использовать новые ассоциативные методы обработки цифровой информации.

8

Следовательно, развитие вычислительной техники характеризуется с одной стороны совершенствованием логической структуры и орга­ низацией более эффективного взаимодействия различных устройств, а с другой стороны — развитием элементно-технологической базы построения элементов, узлов, операционных блоков и устройств.

Элементно-технологическая база ЦВМ, важнейшими компонентами которой является разработка физических принципов построения систем электронных элементов и методов монтажа последних в устрой­ ствах, на каждом этапе своего развития имеет определенные пределы. Например, несмотря на то, что микроэлектроника открывает возмож­ ности построения компактных и надежных вычислительных систем

спроизводительностью порядка миллиарда алгоритмических операций

всекунду (скорость работы ЦВМ первого поколения на три-четыре десятичных порядка меньше), при практической реализации этих возможностей •сталкиваются с определенными трудностями.

Микроминиатюризация размеров электронных элементов имеет определенные границы, за пределами которых невозможно обеспечить их надежную работу (для пассивных компонентов предельные размеры составляют несколько микрон, а для активных — на порядок больше). Ограничения на размеры компонентов связаны главным образом с раз­

мытием их краев в процессе изготовления, флуктуациями примесей в исходном материале и влиянием космической радиации, вызывающей ионизацию и смещение атомов с изменением их энергетического со­ стояния, а также расщепление и превращение ядер исходных материа­ лов в другие ядра.с меньшим атомным весом. На общую плотность рас­ положения элементов существенные ограничения накладывают соедине­ ния между компонентами и, особенно в электронной системе, соеди­ нения между электронными элементами. Наличие соединений, подло­ жек, изоляции компонентов ведет к уменьшению плотности их упаковки в элементах на порядок по сравнению с предельными, а в электронной системе еще дополнительно на несколько порядков.

Для срабатывания активных электронных компонентов необходимо затратить определенную энергию. При этом в пассивных компонентах имеет-место также рассеяние тепловой энергии. Несмотря на то, что разрабатывают новые методы отвода тепла, принципиальная связь быстродействия с потребляемой мощйостью является характерной для вычислительных машин и систем в интегральном исполнении. Так как существуют предельные значения энергии' переключения активных компонентов, то значительно уменьшить потребляемую электронными элементами энергию невозможно. Кроме того, снижение потребляемой мощности приводит к снижению мощности полезных сигналов и услож­ няет проблему передачи информационных сигналов на уровне помех.

Предельные размеры компонентов и тепловое рассеяние элементов, •'определяющие конечные размеры системы, находятся в противоре­ чии с требованием обеспечения максимальной производительности системы, т. е. с желанием увеличить быстродействие работы элемен­ тов, узлов и операционных блоков. Кроме собственного быстродейст­ вия элемента, в системе элементов важнейшими составляющими быстро­ действия являются также задержки сигналов в нагрузках и цепях

9