Раздел IV

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ

Глава 18. Общая характеристика

МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Развитие вычислительной техники является одним из основных факторов, определяющих прогресс развития металлур­гического производства. Особое внимание уделяется вводу в дей­ствие автоматизированных систем управления технологическими процессами. На вооружение металлурга приходит принципиально новая техника: быстродействующие управляющие электронно­цифровые вычислительные машины, логические информационные устройства и сложные кибернетические машины.

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) представляет со* бой комплекс технических средств для автоматической обработки информации. Согласно заданной программе машина автоматиче­ски реализует требуемый вычислительный процесс.

Основной частью ЭВМ является процессор. Он предназначен для логической и арифметической обработки информации, а также для автоматического управления процессом вычисления в соот­ветствии с заданной программой. Процессор организует и отчасти осуществляет заданную в виде программы последовательность действий — процесс (откуда и название «процессор»). По назна­чению процессоры делят на центральные и периферийные. В одно­процессорных ЭВМ все функции вычисления и управления выпол­няет процессор. В многопроцессорных ЭВМ имеется центральный процессор, который реализует основной процесс обработки инфор­мации, и периферийные процессоры, выполняющие те или иные специальные функции, например управление работой внешних устройств.

МикроЭВМ является разновидностью обычной ЭВМ. Отличи­тельная особенность микроЭВМ заключается в том, что по меньшей мере преобразование данных и управление работой ЭВМ осуще­ствляется одной микросхемой (большой интегральной схемой — БИС), которая называется микропроцессором, т. е. микроЭВМ — это ЭВМ, выполненная на базе микропроцессора.

С момента создания первой цифровой ЭВМ существовало как бы четыре поколения ЭВМ.

ЭВМ первого поколения (1946—1960 гг.). Основным активным элементом машин первого поколения являлась электронная лампа. К машинам этого поколения отечественного производства отно­сятся БЭСМ-1, БЭСМ-2, «Стрела», «Урал-1», «Урал-2», «Урал-4», «Минск-1» и др.

ЭВМ второго поколения (1960—1966 гг.). В этих машинах в качестве элементной базы использовались полупроводниковые диоды и транзисторы, что позволило существенно увеличить быстродействие и надежность ЭВМ, а также емкость оперативной памяти. При этом одновременно уменьшились габаритные размеры, масса и потребляемая мощность. К машинам отечественного про­изводства второго поколения относятся БЭСМ-4, БЭСМ-6, «Урал-14», «Урал-16», «Минск-22», «Минск-32» и др.

ЭВМ третьего поколения (1966—1977 гг.). В этих машинах элементная база обеспечивается микроэлектроникой (интеграль­ными микросхемами). Для ЭВМ третьего поколения характерны резкое повышение быстродействия и надежности систем вычисли­тельной техники; дальнейшее сокращение габаритных размеров и потребляемой мощности; появление новых технических средств хранения, ввода и вывода информации; диалоговое общение с ЭВМ; использование операционных систем.

К ЭВМ третьего поколения относится созданная СССР сов­местно со странами — членами СЭВ в 1972 г. единая система электронных вычислительных машин (ЕС ЭВМ), предназначен­ных для решения широкого круга научно-технических и планово­экономических задач, а также для работ в автоматизированных системах управления.

Для решения сравнительно небольших задач управления различными процессами используются ЭВМ с упрощенной си­стемой команд, получившие название мини-ЭВМ (СМ-4, СМ-1420, СМ-1300, СМ-1800, «Электроника-100» и др.). На базе этих ма­шин созданы измерительно-вычислительные комплексы (ИВ К) для автоматизации научных исследований, технологических и других процессов, автоматизации рабочих мест (АРМ) технолога, конструктора, проектировщика и т. д.

ЭВМ четвертого поколения (с 1977 г.). Они основаны на при­менении БИС, в которых на одном полупроводниковом кристалле размещается до тысячи схем. Высокая степень интеграции БИС способствовала дальнейшему увеличению плотности компоновки аппаратуры, повышению ее надежности, увеличению быстродей­ствия и снижению стоимости, а также обеспечила возможность создания нового класса ЭВМ — микроЭВМ. За сравнительно короткий срок в нашей стране было создано четыре поколения микроЭВМ. Так, широко известны «Электроника-60», ДВК-2, ДВК-3 и ДВК-4, «Искра-226».

ЭВМ пятого поколения. Для ЭВМ пятого поколения, разра­батываемых пока в лабораторных условиях, элементная база основывается на сверхбольших интегральных схемах (СБИС) и на оптико-электронных элементах. Быстродействие ЭВМ пятого по­коления будет достигать сотен миллионов операций в секунду. Для преобразования и передачи оптических сигналов будут применяться лазеры, светоизлучающие Диоды, световоды и раз­личные фотоприемники.

Единицы информации. К машинным единицам информации, участвующим в цифровых и логических преобразованиях, отно­сятся бит, байт, слово, запись, блок и файл. К натуральным единицам информации относятся разряд, символ, поле, запись и массив.

Бит — наименьшая единица информации, один разряд ма­шинного слова, состоит из двоичных разрядов. Бит может при­нимать значения 1 или 0.

Байт — основная единица информации. Она содержит восемь двоичных разрядов (8 бит). Восьмиразрядный машинный код служит для представления алфавитно-цифровой информации и позволяет закодировать до 256 различных символов.

Слово — последовательность символов или импульсов, пред­ставляющих эти символы. Машинным словом называется специаль­ная последовательность символов, которая может быть прочитана и интерпретирована данным типом ЭВМ. Машинное слово может представлять константу, переменную величину или команду в программе.

Запись — совокупность нескольких слов переменной длины, рассматриваемых как одно целое, т. е. объединенных единым смыслом.

Блок — компактно расположенная по носителю внешнего за­поминающего устройства группа записей, считываемая и записы­ваемая в оперативную память машины одной командой.

Файл — последовательная группа данных, состоящая из не­скольких блоков, объединенных общим смысловым признаком. Файлы могут иметь различную длину. Для правильной обработки файлов различной длины и структуры на носителе внутреннего запоминающего устройства помимо основной информации запи­сывается служебная информация — метка.

Символ — графический знак, изображающий букву, цифру, служебный знак (например, *, —), математический знак (>, <, = и др.). Совокупность символов, используемая в ЭВМ, представляет алфавит машины.

Поле — двоичный слог в слове или смежные последователь­ные знаки в записи, имеющие функционально самостоятельное значение и обрабатываемые за одну операцию (например, таблица чисел, вводимая в ЭВМ). Содержащиеся в таблице числа назы­вают элементами поля.

Массив — пакет или блок данных, пересылаемый в машине как одно целое. Массив является единицей информации, объединя­ющей несколько записей с общим смысловым признаком.

2. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

Чтобы выяснить сущность работы ЭВМ, сначала рас­смотрим операции, производимые человеком на калькуляторе, выполняющего только арифметические действия.

Примем, что алгоритм и исходные данные задачи заданы и записаны на одном из листков бумаги. В процессе вычислений сначала появятся промежуточные значения, а затем конечные результаты. Их мы также будем фиксировать на листах бумаги. Согласно первой фазе алгоритма, т. е. первому указанию к дей­ствию, определяем последовательность действий. Выполнение оператора алгоритма сводится к следующему: нужно отыскать на листах бумаги исходные данные, считать их и перенести на клавиатуру калькулятора, затем можно нажать на кнопку со знаком операции, заданной в операторе. Вычисленный результат операции необходимо занести на лист, если он не будет исполь­зован в качестве аргумента следующей операции. Далее вновь обращаемся к алгоритму, чтобы продолжить вычисления. И так до тех пор, пока не будет выполнен оператор «Закончить вычис­ления».

Рассмотренный процесс вычисления прост. Однако для авто­матизации вычислений необходимо располагать записью алгоритма и средством, на котором будут фиксироваться исходные данные, промежуточные и конечные результаты. Необходимо также иметь средства для реализации операторов алгоритма.

Для автоматизации вычислений необходимо листы бумаги, используемые для описания алгоритма и хранения результатов, заменить каким-либо устройством. Оно должно как бы помнить алгоритм, исходные данные, промежуточные и конечные резуль­таты, т. е. должно служить машинной памятью. Машинная память является «складом информации» (рис. 146). В ячейке памяти может храниться одно число или оператор алгоритма. Ячейки нумеруются числами 0, 1, 2 и т. д., называемыми адре­сами ячеек. Если необходимо записать в память слово, то следует указать адрес ячейки, в которую надо его поместить, и подать слово на вход памяти. Память устроена таким образом, что за­данное слово будет передано в ячейку с указанным адресом и будет храниться там как угодно долго. В любой момент, обратив­шись к памяти, можно получить значение хранимого там слова. Для этого в память нужно послать адрес, определяющий место­нахождение требуемого слова, и она через некоторое время выдаст копию слова. При этом содержимое ячейки останется без измене­ния, так что, записав один раз слово, можно получить его копии сколь угодно раз.

Из-за специфики машинной памяти алгоритм приходится представлять в форме, допускающей реализацию на вычислитель­ной машине. Такая- форма называется программой. В программе

0

0. 2 З

Рис. 146. Схема машинрой памяти

В-1

Средство доступа к ячейкам памяти

т

Адрес

Слово

Код операции

Адрес

Адрес

Адрес

Рис. 147. Структура команды

операторы алгоритма представляются в виде команд. Команда — это слово информации, предписывающее операцию над опреде­ленными величинами. Команда имеет структуру, показанную на рис. 147. В данном случае команда состоит из четырех частей. Каждая часть команды — это группа из определенного числа символов, обычно цифр. Первая часть команды соответствует наименованию операции и называется кодом операций. Три последние части команды — адреса величин, участвующих в опе­рации. Операции можно кодировать цифрами, например, так: сложить — 01, вычесть — 02 и т. д.

Рассмотрим пример, по которому необходимо вычислить Р =

• Р + х. Пусть величина Р хранится в ячейке с адресом 146, а величина х — в ячейке с адресом 166. При таком размещении величин в памяти команда будет выглядеть в следующем виде:

01 146 166 146

Это означает, что содержимое ячейки с адресом 146 и содержи­мое ячейки 166 необходимо сложить и результат послать в ячейку с адресом 146.

Допустим, что программа и необходимые исходные данные загружены в память машины. Теперь необходимо выполнять вычисления, т. е. действия, заданными командами программы. При ручных вычислениях операторы алгоритма читались челове­ком. В машине эти функции возлагаются на процессор.

Перед началом вычислений процессору должен быть указан адрес ячейки начала программы. Только после этого процессор может приступить к выполнению вычислений по заданной про­грамме. При этом процессор выполняет операции: чтение команд, дешифровку кода, выборку операндов, вычисление и запись результатов.

Чтение команды. Адрес ячейки команды известен. Процессор посылает его в память и получает оттуда команду.

Дешифрование кода операции. В коде операции указывается, что должен сделать процессор. В результате дешифрования процессор определяет наименование операции, выполняемой на дан­ном шаге.

Выборка операндов. Операндами называют величины, участ­вующие в операции (слагаемые и т. д.). При команде «сложить» процессор выбирает из памяти операнды — слагаемые. Для этого он выделяет в команде адрес первого операнда и посылает его в память. Точно так же читается второй операнд — второе сла­гаемое.

Выполнение операции. В соответствии с кодом операции про­цессор выполняет заданную операцию (сложение, вычитание и т. д.) и определяет результат.

Запись результата. Определенный процессором результат за­писывается в память, для чего процессор выделяет в команде адрес для результата и посылает его в память по этому адресу. Затем процессор приступает к выполнению следующей команды.

Циклы выполнения все новых и новых команд повторяются до тех пор, пока процессор не дойдет до выполнения команды «Стоп». Эта команда показывает, что программа вычислений закончена.

Для автоматического выполнения вычисления необходимо соединить в одно целое, процессор и память. Но чтобы ввести в память машины исходные данные и программу вычислений, необходимо специальное устройство — устройство ввода. Для вывода результатов вычислений из памяти машины требуется еще одно устройство — устройство вывода. Таким образом, про­стейшая вычислительная машина должна содержать следующие части: память, процессор, устройство ввода и устройство вывода.

Рассмотренный принцип автоматизации вычислений лежит в основе построения современной ЭВМ. Однако на основе одного принципа — программного управления — можно построить ЭВМ, различающиеся составом операций, количеством информации, скоростью выполнения операции и т. д. Чтобы показать возмож­ности различных ЭВМ, пользуются характеристиками (или пара­метрами) ЭВМ, к числу которых относятся операционные возмож ности, емкость памяти и быстродействие.

Операционные возможности ЭВМ определяются перечнем команд, которые ЭВМ способна выполнять. Число таких опера­ций невелико — несколько десятков элементарных операций (сло­жение, вычитание, умножение, деление), с помощью которых удается решать сложные задачи.

Емкость памяти — это предельное количество информации, которое можно разместить в памяти. Емкость памяти указывается в байтах, а чаще — в тысячах байтов. Это дает представление

о предельном числе символов, с которыми может работать ма­шина.

Быстродействие — это число операций, выполняемых про­цессором за одну секунду. В зависимости от применения вы­пускаются ЭВМ с быстродействием от десятков тысяч до миллионов операций в секунду.

8. ПРОИЗВОДСТВО ЭВМ

Производство ЭВМ — это в первую очередь сборочное производство, где из готовых элементов создается новый объект.

В настоящее время при производстве ЭВМ используется интегральная технология.

Изготовление интегральных схем начинается с получения монокристаллического кремния, из которого затем нарезают пла­стины толщиной менее миллиметра и диаметром 25 ... 80 мм. Для получения идеальной ровной и чистой поверхности пластины тщательно шлифуют и полируют. Обработанная пластина является основой для получения на ней интегральных схем.

Отдельная интегральная схема имеет сравнительно небольшие размеры (4x4 мм²), и на одной пластине одновременно форми­руются многие десятки одинаковых интегральных схем. Каждая схема создается путем формирования в полупроводнике Р — Ы- переходов. Интегральная схема формируется из нескольких слоев. В нижнем поверхностном слое пластины кремния соз­даются Р —, УУ-переходы — активные элементы интегральной схемы. Последующие слои состоят из изолирующих и проводя­щих пленок определенной конфигурации, обеспечивающей необ­ходимые соединения между элементами схемы.

Основой производства интегральных схем является процесс фотолитографии. Поверхность полупроводниковой пластины по­крывается диэлектрической или металлической пленкой, которой важно придать требуемую конфигурацию, т. е. удалить опреде­ленные участки. Наиболее простой способ удаления пленки — травление, т. е. химическое растворение. Процесс удаления пленки осуществляется в определенной последовательности. Сна­чала изготовляется фотошаблон, на котором в виде прозрачных и непрозрачных полей представлен рисунок одного слоя. Этот рисунок, созданный вначале в большом масштабе, уменьшают до миллиметровых размеров и размножают в количестве, соответ­ствующем числу схем, изготовляемых на одной пластине. Фото­шаблон накладывается на пленку, в которой нужно создать тре­буемый рисунок, предварительно покрытую слоем специального чувствительного лака — фоторезиста. Затем фоторезист осве­щается через фотошаблон ультрафиолетовыми лучами, под дей­ствием которых область фоторезиста, находящаяся под прозрач­ными участками фотошаблона, полимеризуется и превращается в стойкую пленку, защищая диэлектрик или металл от действия травителя. В местах, где на фотошаблоне были непрозрачные участки, фоторезист легко удаляется, и пленка металла или ди­электрика становится открытой для воздействия травителя. После травления на пленке образуется рисунок, соответствующий ри­сунку фотошаблона.

Слой интегральных схем формируется поочередно с помощью фотолитографического процесса.

Когда на полупроводниковой пластине созданы все необхо­димые электронные элементы и на поверхности пластины изго­товлены соединения, ее разрезают на куски, каждый из которых имеет миллиметровые размеры и содержит сотни и тысячи эле­ментов. Чтобы защитить изготовленную схему от внешних воздей­ствий, ее заключают в корпус, а выводы схемы, расположенные на расстоянии 0,05 ... 0,3 мм один от другого, соединяют тончай­шими золотыми проволочками е выводами в корпусе, и корпус герметизируется.

Однако лишь десятки процентов схем, прошедших через эти сложнейшие технологические операции, оказываются работо­способными. Основная доля схем — брак, возникающий из-за нестабильности параметров технологических процессов и всякого рода микродефектов в пластине кремния, фоторезиста, фото­шаблона и т. д.

Сверхчистые материалы, сверхточное оборудование, уникаль­ные процессы — это основные характерные черты производства интегральных схем, в котором сейчас создаются полупроводни­ковые кристаллы — БИС. В одном таком кристалле умещается целая ЭВМ — процессор, память и каналы ввода-вывода ин­формации.

4. СТРУКТУРА ЭВМ

В состав ЭВМ, как правило, входят следующие основ­ные узлы (рис. 148): арифметическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций; запо­минающее устройство, записывающее, хранящее и выдающее информацию; устройство ввода-вывода информации; устройство управления, предназначенное для координации процесса вычисле­ния и обмена информацией между различными узлами машины. Арифметическое устройство функционально связано с запоминаю­щим устройством, из которого оно получает исходные данные и в которое направляет результаты вычислений, а также с устрой­ством управления, координирующим все действия.

Запоминающее устройство непосредственно связано с устрой­ством ввода-вывода информации и с устройством управления. Устройство ввода-вывода. информации через устройство управле­ния связано с устройством связи с объектом. Устройство управ­ления связано со всеми основными устройствами ЭВМ.

Если ЭВМ предназначена для управления различными объек­тами, то она обязательно снабжена устройством связи с объектом управления, предназначенным для сбора, преобразования и ввода в ЭВМ информации о состоянии контролируемых параметров уп­равляемого объекта, а также для преобразования и подачи управ­ляющих команд на исполнительные механизмы.

В состав ЭВМ кроме рассмотренных устройств входят различ­ные внешние устройства, которые служат для подготовки данных

Арифметическое

устроистбо

ш

Рис. 1.48. Структурная схема ЭВМ Подобие шина числа

АУ

Запоминающее

устройство

Регистр 1

Устройство

Иода

Устройство

Вывода

Сумматор

I

Управляющие команды на исполнитель­ные механизмы

Устройство

управления

I

Устройство связи с объектом

ТГГ Щ

ОАект управления

Информация от первичных преобразова­телей

и. Регистр г

{Управляющие I сигналы \

Рис. 149. Структурная схема ариф­метического устройства

и ввода их в ЭВМ, а также для оформления результатов вычис­лений и их хранения.

Арифметическое устройство (АУ) — устройство, в котором происходит переработка информации.

АУ можно классифицировать: по типу системы счисления (двоичные, троичные и десятичные); по форме представления чи­сел (с фиксированной и плавающей запятой); по принципу дейст­вия сумматора (комбинационные и накапливающие); по способу ввода и характеру выполнения операций над разрядами чисел (параллельного, последовательного и смешанного действия).

АУ (рис. 149) состоит из регистров, сумматора и других логи­ческих схем, выполняющих различные преобразования.

АУ может содержать два и более регистров (два регистра отводятся для хранения исходных чисел, а один —для форми­рования результата вычисления). Регистром называется узел ЭВМ, предназначенный для приема, хранения и передачи числа в другие узлы. Регистры могут быть одноразрядными И много­разрядными.

По своему значению регистры делятся на накопительные, ре­гистры сдвига и преобразующие. Накопительные ре­гистры используют для ввода, хранения и вывода чисел (ин­формации). Врегистрах сдвига может быть организо­ван сдвиг числа влево или вправо на один или несколько разрядов. Преобразующие регистры выполняют помимо операций ввода, хранения, сдвига и вывода, некоторые логические операции.

Основным узлом АУ является сумматор, реализующий сум­мирование чисел, представленных сигналами на его входах. В за­висимости от способа, положенного в основу построения сумма­тора, последние могут быть комбинационными и накапливающими.

В комбинационных сумматорах все входные сигналы подаются одновременно и на выходе сразу образуется их сумма. Запоминающая способность у таких сумматоров от­сутствует. По этой причине сумматор обязательно работает с ре­гистром для записи результата суммирования. В накапли­вающих сумматорах числа поступают по очереди и результат суммирования запоминается.

Суммирование многоразрядных чисел производится с исполь­зованием одноразрядных сумматоров. В зависимости от характера ввода-вывода чисел и организации переносов многоразрядные сумматоры делятся на последовательные и параллельные. В по­следовательном сумматоре сложение чисел осуществляется по­разрядно, начиная с младшего разряда; в параллельном сумма­торе — одновременно по всем разрядам, что существенно ускоряет операции сложения.

В АУ операция умножения реализуется последовательным вы­полнением микроопераций сложения и сдвига, а операция деле­ния — последовательным выполнением микроопераций вычита­ния и сдвига. '

Запоминающее устройство (ЗУ) предназначено для хранения исходных данных программы вычислений и промежуточных ре­зультатов.

ЗУ можно классифицировать по назначению, адресации кодов, принципам работы запоминающих элементов и т. д.

По назначению ЗУ делят на внутренние и внешние. Каждый из этих видов хранит определенный вид информации. Во внутренних ЗУ, как правило, хранятся программы работы машины, исходные данные и различные подпрограммы. Внутрен­ние ЗУ составляют с процессором ЭВМ единое целое и находятся под его управлением. Во внешних ЗУ хранятся библиотеки спе­циальных и стандартных программ, справочные данные, трансля­торы, служебные и другие программы операционной системы. Их устройство подробно рассмотрено в гл. 20.

По адресации ЗУ могут быть с произвольным, последо­вательным и циклическим доступом. В ЗУ с произвольным доступом информация записывается или считывается непосредственно по любому адресу. В ЗУ с последовательным доступом для записи или считывания информации необходимо «пройти» мимо ячеек с другими адресами. В ЗУ с циклическим доступом обращение возможно только в последовательные определенные моменты времени. ЗУ с произвольным доступом являются наиболее быст­родействующими, так как в них время обращения к ячейке не зависит от ее адреса, а определяется быстродействием коммута­ционных схем управления.

По принципу работы запоминающих элементов ЗУ подразделяются на магнитные, полупроводниковые и т. д.

В магнитных ЗУ в качестве элементов для хранения двоичной информации в оперативных ЗУ широко используются кольцевые

_{Рис 150 Схема} расположения обмоток на ферритовом сердечнике

(тороидальные) магнитные сердеч­ники из ферритового материала с прямоугольной петлей гистере­зиса. На их основе строятся мат­ричные ЗУ, названные так пото- 'му, что расположение элементов памяти в матричных ЗУ обра­зует двумерную прямоугольную таблицу (матрицу) входных и вы­ходных проводов (шин).

Ферритовый сердечник (рис. 150) намагничивается, когда по обоим /

проводам обмотки 1 к 2 про­ходит определенной силы ток.

Чтобы получить данные, помещенные ранее в Запоминающее устройство, необходимо создать соответствующую поляризацию в ферритовом сердечнике, пропуская импульс тока по проводам обмотки. При изменении полярности в обмотке считывания 3 индуцируется импульс тока. Сигнал, проходящий по считываю­щей обмотке, может быть обнаружен, если кольцо содержало единицу, а не нуль. Однако при считывании информации из кольца единица превращается в нуль. Для исключения такого превращения ЭВМ выполняют специальную операцию, т. е. они восстанавливают единицы в тех сердечниках, где они были рань­ше. Эта операция выполняется путем, новой записи— подачей импульса по проводу 4. Импульс, пропущенный через этот про­вод, может стирать информацию, записанную на кольце.

Рассмотрим работу матрицы ЗУ (рис. 151), содержащей че­тыре горизонтальных ряда сердечников, каждый из которых пред­назначен для записи и хранения шестиразрядных чисел. Считываю­щий провод (на схеме он показан более жирной линией) пронизы­вает последовательно все сердечники, поэтому считывание ин­формации будет представлять собой последовательный опрос всех сердечников поочередно.

Рассмотрим пример записи и считывания числа 110011 в верх­нем ряду сердечников. Для этого на клемму \\ и клеммы Х_1з Х₂, Х_ъ и Х_в подведем импульсы тока такого направления и силы, ко­торые перемагнитят сердечники I, 2, 5 и 6 из нулевого в единич­ное состояние, а сердечники 3 и 4 останутся в нулевом состоянии. Сила токов импульсов, подаваемых на клеммы У_1т Х_х, Х₂, Х_в и Х_в, должна быть равна половине силы тока, необходимой для перемагничивания одного сердечника. В тех сердечниках, где на­правления тока по горизонтальным и вертикальным проводам сов­падают, силы тока суммируются и сердечники перемагничиваются. Если такое совпадение отсутствует, то сердечники остаются в том состоянии, в котором они находились.

Импульсы, сила тока которых равна половине силы тока, не­обходимой для перемагничивания сердечников, называют полу­тонами.

Для считывания информации импульсы полутока обратного направления поочередно подаются на клеммы У± и Х_и У₁ и Х₂, У_х и Х₄, и Х_ъ, У _г и Х_е. В результате на клемме считывания образуется последовательность импульсов и пауз, представляю­щих собой считываемое число.

ЗУ состоит из набора матриц. Этот набор называют мат­ричным кубом или кубом памяти.

Схема ЗУ на полупроводниковых устройствах построена по следующему принципу. В тех разрядах, где должна быть записана единица, устанавливаются диоды, а в разрядах, предназначенных для записи нуля, диоды отсутствуют.

Устройства ввода-вывода относят к периферийным устрой­ствам, которые подробно описаны в гл. 20. Поэтому рассмотрим вопросы с организацией передачи информации между оператив­ной памятью ЭВМ и периферийным устройством. В современных ЭВМ такая связь осуществляется по схеме: оперативная память— процессор—канал—интерфейс (универсальный вход в канал, связанный с управляющим устройством) — узел управления внеш­ним устройством — внешнее устройство. Информация может на­правляться от оперативной памяти к внешнему устройству и об­ратно. Процессор организует обмен информацией между опера­тивным запоминающим устройством и внешним устройством путем выдачи в, канал определенной команды.

Канал — это устройство, предназначенное для выполнения операций ввода и вывода информации и обеспечивающий все связи между оперативной памятью, процессором и различными пе­риферийными внешними устройствами.

При большом количестве периферийных устройств для их обслуживания используется несколько каналов.

В современных ЭВМ используются селекторные и мультиплекс­ные каналы. Селекторный канал имеет только один подканал. Он не может одновременно обслуживать несколько периферийных устройств и поэтому участвует только в одной операции по передаче данных. Посредством селекторных каналов поддерживается связь между ЗУ и быстродействующим внешним ЗУ на магнитных лентах и дисках. Мультиплексный канал имеет несколько подканалов. Их число определяется емкостью оперативной памяти канала.

В мини- и микроЭВМ нашли применение программно-управляе­мые каналы ввода-вывода и каналы прямого доступа к ЗУ. При программно-управляемом канале ввода-вывода все элементарные операции, предназначенные для ввода и вывода информации, выполняет процессор, поэтому для реализации такого канала требуется минимальное число устройств. Этот канал используется, если не требуется высокая скорость передачи информации.

Периферийные устройства подключаются к соответствующим каналам посредством устройства, называемого интерфейсом. Ин­терфейс — это универсальный вход в канал. Он непосредственно связан с управляющим устройством. В соответствии с функциями интерфейс представляет собой переключатель. С помощью ин­терфейса к каналу может быть подсоединено любое периферийное устройство независимо от его назначения.

В микроЭВМ стандартный интерфейс ввода-вывода выполняется в виде печатной платы, к разъемам которой подключаются уст­ройства ввода-вывода.

•Устройство управления (УУ) состоит из центрального и ряда вспомогательных устройств, а также устройства сигнализации и устройства ручного управления.

Под центральным устройством управления ЭВМ понимают совокупность блоков и узлов процессора, обеспечивающих коор­динирование работы всех устройств ЭВМ и управления ими для всех принятых режимов. Центральное устройство управления, реализуя различные рабочие и другие программы, организует все необходимые действия по приему, оценке и преобразованию исходной информации, по получению результирующих данных и выдаче их пользователю.

Устройства сигнализации и ручного управления непрерывно контролируют работу ЭВМ и различные изменения хода оператив­ного управления.

УУ связано со всеми блоками и отображает особенности струк­туры ЭВМ.

Выполнение различных операций в ЭВМ осуществляется за определенные интервалы времени. В связи с этим возможны два принципа организации работы УУ: синхронный и асинхронный.

В синхронных У У время выполнения любой операции устанав­ливается по самой длительной операции. Поэтому при выполнении коротких операций часть времени ЭВМ простаивает, что умень­шает ее быстродействие.

В асинхронных У У длительность рабочего такта является пере­менной величиной, зависящей от кода выполняемой операции. Быстродействие ЭВМ с асинхронным УУ значительно выше, чем с синхронным. Однако схема таких УУ значительно сложней.

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется электронно-вычислительной машиной?

2. Укажите основные этапы развития ЭВМ и перечислите особенности ЭВМ каждого поколения.

3. Что общего и в чем различие между ЭВМ и микроЭВМ?

4. Охарактеризуйте машинные единицы информации.

5. Что такое алгоритм управления?

6. Каково назначение процессора?

7. Как осуществляется процесс вычисления в ЭВМ?

8. Назовите основные характеристики ЭВМ.

9. Опишите технологию изготовления процессоров.

10. Как изготовляют интегральные микросхемы?

11. Какие устройства входят в состав ЭВМ?

12. Каково назначение каждого устройства?

13. Каково назначение и принцип действия арифметического устройства?

14. Каковы назначения регистров и сумматоров?

15. Дайте классификацию запоминающих устройств ЭВМ и назовите их назначение.

16. Каково назначение устройств ввода-вывода?

17. Каково назначение интерфейса?

18. Как работает устройство управления ЭВМ?