книги из ГПНТБ / Бирюков Н.Е. Основы электронной вычислительной техники

Высшее военно-морское ордена Ленина Краснознаменное ордена Ушакова училище имени М. В. Фрунзе

Н. Е. БИРЮКОВ, А. Ф. КОВАЛЕВ

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Ленинград

1964

Г Л Л В Л 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ

§ i . НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ЭЦВМ

Одним из замечательных достижений XX века, века атомной энергии, ракетной техники и электроники, является создание быстродействующих электронных вычислительных машин.

Сдавних пор человек стремился облегчить процесс вычислений,

сразвитием науки и техники потребность ускорить его все больше

возрастала. Однако до последнего времени для ускорения процесса вычислений пользовались логарифмической линейкой, арифмомет­ ром и другими счетно-клавишными вычислительными машинами. Эти простые вычислительные устройства хороши, когда не требует­ ся производить много вычислений с большой! скоростью и точ­ ностью.

При современном уровне развития науки и техники для реше­ ния различных проблем приходится производить в большом объеме разнообразные сложные вычислительные работы. Особенно трудо­ емкими являются вычисления в атомной физике, космонавтике, ра­ кетной технике, автоматике, радиоэлектронике, самолетостроении п в других областях знаний. Математический аппарат, применяемый для решения многих задач, оказывается настолько сложным, что человек физически не может решить задачу с требуемой быстротой и точностью, а' зачастую не может решить ее вообще. Это послу­ жило причиной появления электронных вычислительных машин, позволяющих производить вычисления во всех областях науки и техники, в том числе и в военном деле, с невиданной скоростью п высокой точностью.

Современный уровень развития науки и техники и особенно ус­ пехи, достигнутые в области радиоэлектроники, позволили практи­ чески решить проблему полной автоматизации вычислительных работ.

Современные электронные вычислительные машины выполняют тысячи, сотни тысяч и даже миллионы арифметических действий в секунду и заменяют труд десятков тысяч людей. В течение одногодвух часов машина может решить сложную систему дифферен­ циальных уравнений, описывающих движение управляемой ракеты,

3

на что-человеку потребовалось бы около двух лет. Такая скорость вычислений позволяет рассчитать, например, траекторию полета снаряда быстрее, чем летит сам снаряд. Точный вывод ракетоно­ сителей искусственных спутников Земли на заданную орбиту был бы немыслим без проведения чрезвычайно сложных вычислений, выполнить которые оказалось возможным только с появлением электронных вычислительных машин.

Необходимость в использовании электронных вычислительных машин все больше возрастает, потому что эти машины позволяют во многих случаях заменить дорогостоящие экспериментальные исследования. На ЭВМ можно быстро рассчитать большое количе­ ство вариантов той или иной задачи и выбрать наиболее оптималь­ ный из них. Это позволяет определить наилучшую форму корпуса корабля, крыла самолета, реактивного двигателя, сопла турбины и т. д.

Способность электронных вычислительных машин делать логи­ ческие заключения по определенным признакам и запоминать боль­ шое количество информации дает возможность применять их в воен­ ном деле для самых разнообразных целей, наиболее важными из которых являются:

1) решение задач, связанных с проведением боевых действий;

2)автоматизация управления различными объектами и вычи­ сления, связанные с наведением оружия на цель, определение место­ положения корабля, самолета, ракеты и т. д.;

3)научно-технические расчеты, связанные с разработкой новых типов оружия, в том числе атомного оружия и ракетной техники;

4)моделирование или имитация процессов, происходящих в раз­ личных видах военной техники;

5)обработка и анализ информации, полученной при испытании некоторых образцов новой военной техники, управляемых снарядов,

ракет дальнего действия и т. д.

Рассмотрим некоторые примеры использования вычислительных устройств для управления автоматизированным оружием. В сочета­ нии с радиолокационными установками вычислительные устройства позволяют полностью автоматизировать процессы наведения ору­ жия на цель. Радиолокационная установка обнаруживает' самолет, следит за ним и определяет его текущие координаты. Вычислитель­ ное устройство по данным радиолокатора выдает необходимые уп­ режденные координаты для орудия и с помощью приборов управ­ ления наводит его на цель и ведет стрельбу.

Для управления огнем корабельной и зенитной артиллерии, а также торпедным вооружением применяются специальные радио­ локаторы. Они автоматически следят за движением цели и опреде­ ляют ее координаты. Кроме того, радиолокаторы в сочетании с вы­ числительными устройствами рассчитывают упрежденные коорди­ наты для наведения оружия и одновременно находят различные по­ правки, необходимые для стрельбы.

4

На современном корабле часто бывает необходимо быстро ре­ шить ряд задач, которые требуют сложных вычислений. Это, на­ пример, задачи по определению данных командиру корабля, необ­ ходимых, чтобы принять решение о выделении огневых средств для эффективного поражения противника, а также для выполнения ма­ невров уклонения при атаках самолетов, подводных лодок или тор­ педных катеров, задачи по сохранению плавучести и остойчивости корабля при его повреждении и другие. Все они могут решаться электронной цифровой вычислительной машиной.

Первые ЭЦВМ появились в 40-х—50-х годах. Наиболее совер­ шенной отечественной универсальной электронной цифровой маши­ ной этого периода была БЭСМ (большая электронная счетная ма­ шина) Академии наук СССР. Для международного астрономиче­ ского к'алендаря па этой машине были рассчитаны орбиты движе­ ний около 70 планет солнечной системы с учетом влияния на них Сатурна и Юпитера. Эта машина в среднем выполняет 8—13 тысяч арифметических операций в секунду, между тем она состоит из сравнительно небольшого количества оборудования (БЭСМ имеет около 5000 электронных ламп).

ВСССР разработано еще несколько конструкций универсаль­ ных цифровых вычислительных машин типа «Стрела», «Урал», «Минск» и других, которые нашли широкое применение в науке, технике и военном деле.

Внастоящее время новые электронные вычислительные машины строятся в основном на полупроводниковых п магнитных элементах, что значительно уменьшает их вес и габариты и расширяет область применения их в военной технике.

§2. КЛАССИФИКАЦИЯ И КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭВМ

Внастоящее время существует большое количество ЭВМ раз­ личного назначения. Все электронные вычислительные машины раз­ деляются в основном на два класса:

машины дискретного действия, или электронные цифровые вы­ числительные машины — ЭЦВМ и

машины непрерывного действия, называемые моделирующими

машинами, или машинами-аналогами.

Между этими машинами есть существенное различие, которое объясняется принципом их действия.

В машинах непрерывного действия математические величины изображаются в виде непрерывных значений каких-либо физиче­ ских величин: длин, отрезков, углов поворота, напряжений, токов и т. д.

Все математические действия в моделирующей машине произво­ дятся с помощью электрических напряжений, изображающих за­ данные величины в соответствующем масштабе. Электрическое на­ пряжение в этих машинах непрерывно изменяется во времени в со­ ответствии с уравнением, описывающим физический процесс. Схема

5

с электрическими напряжениями здесь как бы моделирует решае­ мое уравнение. Колебание маятника, распространение тепла во вре­ мени, движение жидкости в трубопроводе и многие другие физиче­ ские процессы можно представить в виде математических уравне­ ний. Уравнения решаются в электронной моделирующей машине по определенной электрической схеме, в которой! напряжения изме­ няются так же, как в реальном физическом процессе, что дает воз­ можность детально изучать различные физические процессы.

Этот класс машин состоит из целого ряда отдельных блоков, каждый из которых с л у ж и т для выполнения какой-либо одной ма­ тематической операции (сложения, вычитания, дифференцирования, интегрирования и т. д.). Блоки соединяются между собой в электри­ ческие цепи соответственно конкретному виду решаемого уравне­ ния.

Наиболее распространенным типом машин непрерывного дей­ ствия являются электронные машины, предназначенные для реше­ ния обыкновенных дифференциальных уравнений.

Недостаток моделирующих машин — малая точность произво­ димых ими вычислений и ограниченная универсальность.

Машины дискретного действия оперируют величинами, которые могут быть представлены в виде дискретных, т. е. прерывных зна­ чений. Эти величины изображаются цифрами, поэтому данный вид машин обычно называют цифровыми машинами. Цифры в таких машинах изображаются с помощью электрических элементов. Изо­ бражению каждой цифры соответствует одно из устойчивых состоя­ ний электрического элемента. Числа фиксируются набором эле­ ментов.

Процесс вычисления заключается в последовательном выполне­ нии арифметических операций над числами, представляющими со­ бой совокупность импульсных электрических сигналов. Разрабо­ танные в настоящее время численные методы позволяют свести ре­ шение любых математических задач к выполнению четырех ариф­ метических действий. Поэтому цифровые машины могут решать практически любые математические задачи. Таким образом, циф­ ровые машины универсальны. Кроме того, в них может быть до­ стигнута любая точность вычислений. Для повышения точности вы­ числений следует увеличить число разрядов для представляемых машиной чисел. Это можно достигнуть, если увеличить количество элементов, которые служат для изображения цифр.

По объему и характеру решаемых задач цифровые вычислитель­ ные машины подразделяются на три группы: универсальные, спе­ циализированные и логические цифровые машины.

Универсальные машины предназначены для решения сложных и разнообразных задач из самых различных областей науки и тех­ ники, математики, физики, астрономии, геодезии и т. д. Все универ­ сальные машины имеют программное управление, что позволяет использовать их для решения любых задач. Решение каждой за­ дачи сводится к выполнению операций, предварительно составлец-

6

ных в определенной последовательности. Выполнение тон или иной операции производится под воздействием специального сигнала, называемого командой. Команда представляет собой информацию, которая определяет действие машины в течение определенного от­ резка времени. Последовательность команд — это программа ра­ боты машины. Программа, составленная для каждой задачи, вво­ дится в машину вместе с исходными данными. В дальнейшем ма­ шина автоматически производит вычисления в соответствии с задан­ ной программой.

Специализированные машины предназначены для решения одно­ типных задач или одной задачи применительно к одной области науки или техники. Они решают задачи, одинаковые по характеру, но с различными исходными данными (определение места распо­ ложения корабля, упрежденные координаты для наведения оружия, метеорологические расчеты и т. д.). При конструировании таких машин объем и характер решаемых ими задач устанавливается за­ ранее. Программа, работы машины обеспечивается соответствую­ щей коммутацией электрических цепей. Специализированные ма­ шины иногда называют машинами с жестким программным управ­ лением.

Логические машины предназначены для реализации процессов мышления, связанных с решением задач, анализом и обработкой различной информации. Все логические машины специализированы, т. е. приспособлены для решения задач определенного типа. Од­ нако часто логические машины с программным управлением строятся на основе универсальных машин.

По сравнению с универсальными машинами специализирован­ ные машины значительно проще по устройству, имеют меньший вес и габариты, система их управления значительно проще. В настоя­ щее время специализированные машицы широко применяются во многих областях науки и техники, а также в военном деле.

§ 3. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ЭЦВМ

Электронная цифровая вы­ числительная машина ЭЦВМ представляет собой комплекс электронных и электромехани­

ческих устройств, автоматиче­ ски действующих по заданной программе. В настоящее время разработано значительное ко­ личество ЭЦВМ различных типов.

Состав основных узлов и принцип действия любой цифровой машины можно установить с помощью упрощенной блок-схемы ус­ ловной машины, состав которой является обязательным для ЭЦВМ любого типа. Блок-схема такой условной машины представлена на рис. ],

.7

Основными устройствами ЭЦВМ являются:

устройство ввода чисел и команд, или входное устройство Вх. У;

запоминающее устройство (ЗУ), состоящее обычно из внутрен­ него, или оперативного, запоминающего устройства (ОЗУ) и внеш­ него запоминающего устройства — ВЗУ;

арифметическое устройство (АУ); устройство управления (УУ); выходное устройство (Вых. У).

Рассмотрим назначение и функции, выполняемые каждым из этих устройств, а также взаимодействие между ними.

1.Входное устройство (Вх. У)

Вкачестве исходных данных в ЭЦВМ поступают числа и команды, совокупность которых составляет ее исходную информа­ цию. Коды чисел и команд записываются в требуемой последова­ тельности на перфоленты или перфокарты, после чего вся эта ин­ формация вводится в запоминающее устройство ЭЦВМ через ус­ тройство ввода. Устройство ввода преобразует числовой код вво­ димой информации в последовательность импульсных сигналов напряжения или тока, принятой в данной системе счисления, для изображения чисел и команд и передачи ее в ЗУ. Таким образом,

входное устройство служит для преобразования числовой информа­ ции в последовательность электрических импульсов напряжения или тока и ввода этой последовательности импульсов в запоминаю­ щее устройство.

Перфоленты и перфокарты для каждой задачи заготовляются заранее на специальном аппарате — перфораторе.

2. Запоминающее устройство (ЗУ)

Запоминающее устройство электронных цифровых вычислитель­ ных машин предназначено для записи, хранения и выдачи в строго определенной последовательности кодов чисел и команд в соответ­

ствующие магистрали и блоки машины. Запоминающее устройство состоит из отдельных ячеек, предназначенных для хранения одного числа или одной команды. У каждой ячейки есть свой постоянный номер, который называется адресом ячейки и является в то же вре­ мя адресом хранящегося в ней числа или команды.

К запоминающим устройствам цифровых машин предъявляются два требования: высокое быстродействие, т. е. высокая скорость приема и выдачи чисел, и большая емкость, т. е. способность одно­ временно хранить много чисел. Для выполнения этих требований запоминающее устройство ЭЦВМ обычно конструируют из двух устройств: оперативного запоминающего устройства, ОЗУ, и внеш­ него запоминающего устройства, ВЗУ,

8

3. Арифметическое устройство (АУ)

Это важнейшее устройство ЭЦВМ, оно представляет собой узел,

вкотором в процессе решения задачи выполняются арифметические

илогические операции над числами и командами.

Арифметическое устройство в значительной степени определяет быстродействие ЭЦВМ.

Под быстродействием универсальной ЭЦВМ понимают количе­ ство арифметических операций, которые машина может выполнить за одну секунду.

Под быстродействием специализированных ЭЦВМ понимают время, необходимое для решения всей задачи от начала до конца.

4. Устройство управления (УУ)

Устройство управления обеспечивает автоматическую работу ЭЦВМ и контроль за ходом вычислений в соответствии с введенной в машину программой.

Основные функции УУ сводятся к следующим операциям:

1) автоматической дешифрации и смене команд согласно раз­ работанной программе вычислений;

2)автоматической выборке чисел п величин из ЗУ;

3)автоматической выдаче управляющих сигналов для произ­ водства арифметических и логических операций;

4)автоматической остановке машины при ошибке вычислений;

5)автоматической остановки машины в конце решения задачи.

Устройство управления универсальных ЭЦВМ обычно состоит из нескольких блоков, каждый из которых управляет работой основных и вспомогательных устройств. В машине имеется также центральный блок, координирующий действия всех блоков управ­ ляемого устройства ЭЦВМ.

5. Выходное устройство {Вых. У)

Выходное устройство в универсальных ЭЦВМ предназначено для записей результатов расчета. Результаты вычислений обычно записываются на бумажный лист в виде таблицы в восьмеричной или в десятичной системе счисления.

Как правило, в выходное устройство результаты поступают не из арифметического, а из запоминающего устройства.

Устройство ввода и вывода информации часто называют внеш­ ними устройствами. Внешние устройства универсальных ЭЦВМ

ская операция, выполняется в течение одного рабочего такта ма­ шины. Весь рабочий такт можно разбить на три этапа.

9