книги из ГПНТБ / Голембо, З. Б. Алгоритмизация и программирование электротехнических задач на электронных цифровых вычислительных машинах учеб. пособие

Поэтому в большинстве случаев идут по пути создания неко­ торой иерархии ЗУ по отношению к времени выборки. Иерархия выглядит следующим образом. Ее верхние ступени составляют ЗУ высокого быстродействия (соответствующего быстродействию основ­ ных вычислительных устройств ЭЦВМ) и сравнительно малой емко­ сти. Эти ЗУ определяют быстродействие ЭЦВМ. В них хранится выполняемая программа, данные для текущих вычислений. К та­ ким ЗУ можно отнести оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), работающие по принципу замещения: если в ячейке А за­ писано слово Pt, то ранее хранившееся там слово Ptr стирается. Счи­ тывание информации из любой ячейки ОЗУ происходит без разру­ шения этой информации: слово Рit хранящееся в ячейке А, можно считывать неограниченное число раз.

На нижних ступенях иерархии располагаются ЗУ с меньшим быстродействием очень большой емкости. Это ЗУ : с произвольной выборкой для больших массивов информации с емкостью несколько миллионов слов; с плавающим временем выборки (барабаны, дис­ ки); с плавающим временем выборки и малым быстродействием (магнитные ленты, перфоленты, бумажные ленты). Обычно чем выше производительность ЭЦВМ или системы, тем больше уровней в иерархии ЗУ и тем сложнее ее структура. В универсальных ЭЦВМ, в зависимости от ее класса количество уровней памяти сос­ тавляет 2 ч- 4, а в вычислительных системах — 6 - ^ 7 .

Арифметическое устройство. Это устройство служит для вы­ полнения арифметических и логических операций над числами и командами, предусмотренными программой, взятыми из памяти ма­ шины. АУ в каждой машине может выполнять неограниченное чис­ ло операций с числами, представленными в двоичной, троичной и различных модифицированных десятичных системах счисления. В настоящее время АУ работают главным образом в двоичной сис­ теме.

Различают АУ последовательного и параллельного действия. В АУ последовательного действия числа поступают разряд за раз­ рядом и операции выполняются над каждым из разрядов. В АУ

Для приема чисел, хранения их на время, необходимое для выполнения намеченной операции, АУ имеет регистры, а для сло­ жения чисел — сумматор.

Важной частью АУ является накопитель, который служит для временного хранения одного из двух чисел, участвующих в ариф­ метической'операции. Результаты операций обычно оставляются в накапливающих регистрах для того, чтобы в дальнейшем над ними можно было производить другие операции или записывать их в па­ мять. Например, чтобы выполнить операцию с двумя числами, нуж­ но сначала передать из памяти в АУ первое число и временно за­ помнить его до того момента, пока не будет передано второе чи­ сло. Когда операция выполнена на сумматоре, результат предвари-

30

тельно помещается в.регистр и будет находиться там до тех пор, пока его не перешлют в ЗУ.

Операции последовательно задаются командами, которые бе­ рутся из ЗУ. Каждая команда обычно содержит информацию о типе операции и сообщает машине, какие вычисления должны быть выполнены. Необходимые передачи между регистрами и суммато­ ром, а также управление обменом информацией между АУ и ЗУ реализуется с помощью устройства управления.

Мощность АУ часто лишь в незначительной степени опреде­ ляет возможности ЭЦВМ при сборе, перераспределении, сортировке и других видах обработки информации. Так как в ЭЦВМ двоичные числа часто используются для представления нечисловых величин, то арифметику дополняют другими средствами обработки данных. Например, введением АУ для полей переменной длины.

Устройство управления. Часто устройство управления (УУ) и АУ явно не разделяются, несмотря на то что УУ распределено по всей машине. Однако УУ удобно рассматривать как отдельный блок. Функция УУ заключается в том, чтобы координировать ра­ боту других узлов машины. Именно в УУ происходит расшифровка команд, формирование необходимых импульсов, посылаемых в дру­ гие устройства для управления их работой. УУ ведет вычислитель­ ный процесс в соответствии с заданной программой, регулирует по­ токи вводимой и выводимой информации, вызывает из ОЗУ подле­ жащую выполнению команду, интерпретирует ее и затем на основе этой интерпретации подготовляет другие устройства к выполнению этой команды, вызывает нужные числа из ОЗУ и сообщает АУ, что последнее должно делать.

Не рассматривая подробно схемное решение УУ, поскольку последние в этом разделе представляют интерес только с точки зрения участия в процессе переработки информации, укажем, что можно выделить интерпретирующую часть УУ, т. е. ту часть, ко­ торая декодирует команды (дешифратор команды), и часть, которая вырабатывает управляющие сигналы (блок выработки сигналов управления). После окончания выполнения команды УУ вызывают следующую очередную команду программы. Так продолжается до тех пор, пока не будет выполнена команда, по которой вычисления заканчиваются.

Команда может представлять собой либо любое целое слово, либо его половину и выбирается последовательно счетчиком команд. К основным способам выборки команд относится естественный и принудительный. Естественный способ реализуется в порядке оче­ редности, принудительный — с указанием в каждой команде адре­ са последующей команды. Необходимые переходы в программах в обоих случаях выборки команд осуществляются с помощью опе­ раций условного перехода. Последовательность команд может быть изменена операциями передачи управления, исполнение которых может зависеть от различных условий.

Важной частью УУ является регистр текущих команд, который содержит непрерывно декодируемые команды. Код команды состоит

31

из операционной и адресной части. В операционной части указы­ вается новая операция, которая должна быть выполнена, в адрес­ ной— адреса чисел, участвующих в операции. В УУ исследуется каждая цифра, содержащаяся в команде, и соответствующие устрой­ ства машины перестраиваются на выполнение операций, преду­ смотренных командами.

Поскольку команды и числа имеют одинаковый вид, возможно изменять команды простым сложением чисел. Последнее имеет большое значение при выполнении повторяющейся последователь­ ности операций, как, например, при сложении ряда чисел, распо­ ложенных последовательно в ячейках ЗУ. Регистры, в которых

Внешние устройства ввода и вывода информации. Через внеш­ ние устройства ввода (УВв) и вывода (УВыв) осуществляется дву­ сторонний обмен информацией между оператором и основными функциональными узлами машины.

Существует много способов для осуществления ввода и вы­ вода информации. Однако различают только две основные команды для управления вводом и выводом и устройствами внешней памя­ ти — это прочитать и записать информацию. Каждая из этих ко­ манд указывает нужное устройство и участок памяти, куда должны записываться или откуда должны считываться данные. Все команды для работы с внешними устройствами берутся из программы.

Устройство ввода осуществляет считывание информации с ее носителя, преобразование информации в код электрических сигна­ лов с последующей передачей в соответствующие устройства. В за­ висимости от типа носителя определяется и конструкция внешних устройств. С носителя информации происходит автоматический или полуавтоматический ввод всей информации в ЗУ машины.

Информация в ЗУ может быть введена с помощью звукоразличающих устройств, с клавишных пультов, чтением «магнитных чер­ нил», оптической разверткой изображений. Но в современных сис­ темах представления информации чаще всего используются пер­ фокарты, перфоленты и магнитные ленты. Если информация одна­ жды подготовлена и переведена на эти промежуточные носители, то ее можно вводить с высокой скоростью. Для ввода информации может также использоваться пишущая машинка, оборудованная таким образом, что при каждом нажатии клавиши с помощью реле вырабатывается определенный код, передаваемый в ЗУ машины. Перечисленные способы ввода информации часто оказываются мед­ ленными. Поэтому в настоящее время разрабатываются более быст­ родействующие устройства ввода, например, читающие устройства, которые переводят печатные цифры и буквы в двоичные коды и за­ писывают их в ЗУ.

Устройство вывода предназначается для записи в удобной фор­ ме результирующей или какой-либо другой информации, храня­ щейся в ЗУ. Большинство методов ввода информации в ЗУ может быть использовано для вывода информации из него. Например,

32

вывод может производиться на листы бумаги, перфокарты, пер­ фоленты, магнитную ленту. При этом происходит преобразование кода числа, представленного в виде электрических сигналов, в указанные формы.

В современных ЭЦВМ существуют быстродействующие печатаю­ щие устройства, которые выводят информацию из ЗУ машины не­ посредственно в виде букв и цифр (в буквенно-цифровом • виде) или графиков. Другие способы вывода информации из машины могут быть получены присоединением к запоминающему устройст­ ву машины электроннолучевых трубок. С их помощью машина мо­ жет чертить графики, показывать движение точки, протекание про­ цесса реализации схемы счета и т. д.

§ 3.2. Возможности ЭЦВМ. Общие принципы переработки информации

а. ЭЦВМ — универсальные преобразователи информации

Среди автоматов-преобразователей информации только ЭЦВМ обладают универсальными возможностями переработки информа­ ции по заданному алгоритму, независимо от характера-задачи. Универсальность ЭЦВМ обеспечивается требованиями представ­ ления любого вида информации в цифровой форме, выполнения лю­ бых преобразований информации в результате многократных опе­ раций переадресации, условного перехода и произвольных пересы­ лок информации из одной ячейки памяти в другую, ввода и вывода информации. Набор элементарных правил переработки информа­ ции, свойственный ЭЦВМ, создает возможность материальной реа­ лизации любого алгоритма и обеспечивает обширное разнообразие решаемых задач и многообразие вводимой в ЭЦВМ информации. Поскольку ЭЦВМ являются универсальными преобразователями информации, то, в принципе, они могут обеспечить работу любой управляющей системы.

Всякая задача управления промышленным объектом сводится к преобразованию информации, поступающей на вход управляющей системы, в информацию, выдаваемую с выхода системы на объект. Источниками информации служат разнообразные датчики и при­ боры, показания которых подаются на входы системы.

Так как ЭЦВМ имеет огромные преимущества по скорости и точности обработки информации в промышленных условиях по сравнению с человеком, то информационные возможности ЭЦВМ позволяют создавать высокоэффективные системы управления. Та­ ким образом, ЭЦВМ могут собирать информацию, производить измерения, посылать сигналы управления другим ЭЦВМ, вычис­ лять, делать прогнозы, изменять состояние физических объектов и т. п.

Процесс обработки информации включает в себя переработку исходной информации и управление переработкой. ЭЦВМ полу­ чает извне числовые данные, перерабатывает их в соответствии с определенной программой и выдает числа, являющиеся решением рассматриваемой задачи. В дополнение к исходным данным в ма­ шину необходимо также ввести программу, которая обеспечит по­ рядок выполнения требуемых вычислений.

В процессе выполнения каждой операции над словами прини­ мает участие перерабатываемая информация, а также информа­ ция, управляющая процессом переработки. Роль управляющей информации сводится к направлению требуемого кода на соответ­ ствующий участок схемы, обеспечиванию включения или выклю­ чения данной цепи с помощью сигнала запрета или разрешающего сигнала.

Для осуществления основных элементарных операций над сло­ вами в качестве типовых функциональных блоков служат регистры, дешифраторы, счетчики, сумматоры и логические устройства. Ре­ гистры используются для выполнения операций передачи и сдвига слов; дешифраторы—для определения числовых значений слов; счетчики — для счета единиц с заданным периодом; сумматоры — для сложения чисел, а также для операции передачи чисел и реа­ лизации операции сдвига. Вся переработка информации в логиче­ ских устройствах происходит с помощью отдельных функциональ­ ных элементов, соединенных между собой соответствующими це­ пями связи, в которых цифры отображают сигналами двух видов, соответствующих нулю и единице.

Программа заставляет ЭЦВМ выполнить то или иное преобра­ зование информации. Но важна не только сущность преобразования информации, но и некоторые параметры алгоритмов, характери­ зующие процесс их реализации и являющиеся общими для любых типов алгоритмов. К таким параметрам относятся, например, вре­ мя реализации алгоритмов, погрешности, возникающие при этом, стоимость'реализации и т . д . За количественную меру принимает­ ся объем вычислительной работы, под которым понимается общее число различных элементарных вычислительных операций (сло­

чая быстродействие логических схем, время обращения к ЗУ, емкость ЗУ, учитывается также возможность совмещения работы отдельных устройств во времени), способностью вводных и вывод­ ных каналов; 2) типом системы (система с последовательным вы­ полнением программ, мультипрограммная система, система с раз-

34

делением времени и т. д.); 3) использованием стандартных языков; 4) классом решаемых задач; 5) эффективностью участия операто­ ров в работе системы и т. д.

Вычислительные средства иногда условно делятся на сред­ ства высокой, средней и малой производительности. Состав этих категорий вычислительных средств зависит от уровня развития вычислительной техники. Например, в настоящее время к ЭЦВМ высокой производительности можно отнести машины, выполняющие

Для сравнения машин, ориентированных на широкий круг применений, можно использовать, например, следующий комби­

где Ptj = l/aij.

Тогда для г'-й машины среднее время выполнения операции

т

?i = И v-jWj<*i],

где [А,- — веса, характеризующие вероятную загрузку машин за­ дачами различных типов. Для обобщенной оценки производитель­ ности (без учета характера загрузки машин) можно считать, что

§ 3.3. Системы с разделением машинного времени

К достижениям в развитии вычислительной техники относит­ ся создание нового метода использования ЭЦВМ, известного как режим разделения времени. Работающие в этом режиме системы с разделением машинного времени (информационно-вычислительные системы) способны быстро предоставлять вычислительные средства независимо действующим потребителям. Последние со своих ди­ станционных пультов устанавливают прямую связь с системами раз­ деления машинного времени. Таким образом, к основным особен­ ностям указанных систем можно отнести возможность коллектив­ ного использования ЭЦВМ и оперативное предоставление вычис­ лительных средств каждому индивидуальному пользователю.

Основой для применения вычислительной системы с разделе­ нием машинного времени является относительно большая ЭЦВМ.

Она должна обладать высоким быстродействием и большим объе­ мом ОЗУ и в особенности большим объемом внешнего накопителя.

Предпосылкой для дальнейшего применения вычислительной системы с разделением машинного времени является возможность непосредственного ввода и вывода информации. Для этого приме­ няется многоканальное устройство, которое разрешает одновремен­ ный ввод и вывод информации через большое число выносных пуль­ тов потребителей. В качестве пультов потребителей применяются видеозаписывающие устройства, пульты представления данных с клавиатурой и т. д., связанные обычной сетью связи с ЭЦВМ.

Вычислительная система с разделением машинного времени выполнена таким образом, что возможно подключение к ЭЦВМ одновременно большого числа пультов абонентов, так как каждый потребитель использует активно только примерно 5—10% общего времени, что позволяет подключить в настоящее время 200—250 потребителей без перегрузки ЭЦВМ. Существует два способа, поз­ воляющих использовать вычислительную систему с разделением вре­ мени: групповая обработка; функционирование вычислительной системы в виде диалога ЭЦВМ — потребитель.

Групповая обработка. При этом способе потребитель прежде всего выбирает вычислительную систему и передает всю информа­ цию, необходимую для решения задачи, в ОЗУ или внешний на­ копитель ЭЦВМ. При этом считается, что уже раньше информация (программа и данные), вводимая в систему, использовалась для ре­ шения задач, так что объем информации, вводимой дополнительно, может быть незначительным. Например, дополнительная информа­ ция может заключаться в том, что потребитель дает указание рас­ считать по программе, имеющейся в системе, массив данных, также находящихся в ЭЦВМ. По окончании ввода вышеупомянутой инфор­ мации потребитель отключается от ЭЦВМ и вычислительная систе­ ма с разделением машинного времени выполняет поставленную за­ дачу. Только после получения всех результатов вычислительная система автоматически выбирает пульты потребителей.

течение всего времени, необходимого для решения задачи, когда в рамках обучения потребителя должна быть испытана определен­ ная программа. Потребитель вводит команду за командой, в это время вычислительная система производит непосредственно провер­ ку программы. Особенно проверяется формальная правильность отдельных команд и об ошибках в программе сообщается потреби­ телю. Оптимальная обработка многоцелевых задач вычислительной системой с разделением машинного времени предъявляет опреде­ ленные требования к распределению времени обработки и объему ОЗУ.

Распределение машинного времени обработки информации. Од­ но из существенных требований, предъявляемых к вычислитель­ ной системе с разделением машинного времени, состоит в том, чтобы

36

этом существенное значение имеет дополнительное время, которое тратится ЭЦВМ на переключение программ, обмены между накопи­ телями и т. п. За немногими исключениями процесс обслуживания потребителей машинного времени описывается моделью, где за­ просы исполняются с учетом их длительности. Общая модель обслуживания потребителей машинного времени характеризуется:

3)порядком об­

ся одна из образовавшихся очередей и запрос из этой очереди. . Общая модель обслуживания потребителей машинного времени

схематически показана на рис. 3.2.

Запросы на выполнение вычислительных работ поступают по

центральное устройство 3. Невыполненные работы попадают в ка­ нал невыполненных работ 5 и пристраиваются к очереди. Результа­ ты выполненных работ выводятся из системы по каналу вывода ре­ зультатов 4.

Критериями качества общей модели обслуживания обычно являются статистические характеристики времени ожидания (как среднее время ожидания) и установившееся распределение работ, содержащихся в системе. Главный недостаток моделей в примене­ нии к вычислительным системам заключается в их малом соответ­ ствии с действительностью: характеристики потребителей и их программы плохо поддаются учету.

Различные видоизменения модели сводятся к следующему. 1. Поступившие запросы на вычислительные работы разбива­ ются на группы с различным старшинством. Каждая группа харак­ теризуется своим распределением вероятности A (t). При этом различные распределения A{t) отличаются друг от друга лишь средним значением. Конкретная форма распределения A(t) зави­ сит от ограниченности источника. В случае конечного источника предполагается, что все отдельные потребители (или соответствую-

37

щне им вычислительные работы) характеризуются одним и тем же распределением A(t). Время измеряется при этом от момента окон­ чания предыдущей работы до поступления последующего запроса. Если источник бесконечен, то t имеет смысл времени между мо­ ментами поступлений двух последовательных запросов. Обычно считается, что A(t)—экспоненциальное распределение. Послед­ нее приводит к существенным упрощениям. В случае бесконечного источника запросы образуют пуассоновскпй процесс.

2. Может применяться порядок обслуживания, при котором на выполнение вычислительной работы отпускается лишь ограни­ ченное машинное время. Если этот лимит времени превышен, то соответствующая работа прерывается и направляется в очередь, где и ожидает дальнейшего обслуживания.

3.В модели может учитываться дополнительное время, необ­ ходимое для подготовки вычислительных работ к их исполнению. Это время затрачивается на обмен информацией между накопителя­ ми, проработку соответствующих подпрограмм и т. п.

4.Рассматривается ограниченный источник запросов, т. е. пред­

полагается, что совокупность потребителей конечна.

В системах с разделением машинного времени ЭЦВМ функцио­ нирует в режиме оперативной работы, так как внешнее устройство влияет на процесс обработки данных, а обработка в свою очередь воздействует на внешнее устройство. Если при этом требуется вме­ шательство человека, то говорят о наличии системы человек — ЭЦВМ. Если же каждое из ряда устройств в системе человек — ЭЦВМ может работать поочередно или одновременно таким обра­ зом, что каждый оператор у дистанционного пульта работает так, как будто с ЭЦВМ связан он один, то такая система называется

оперативной системой с разделением машинного времени.

§ 3.4. Переработка информации на ЭЦВМ в системах управления

Отличительной особенностью ЭЦВМ, предназначенных для упра­ вления (управляющих ЭЦВМ), является наличие специальных преобразующих и согласующих устройств, непосредственно свя­ занных с датчиками информации и исполнительными цепями упра­ вляемого объекта. Связь ЭЦВМ с управляемым процессом осущест­ вляется в реальном масштабе времени. Говорят, что вычислитель­ ная система работает в реальном масштабе времени, если имеется программа ЭЦВМ и некоторый процесс, протекающий синхронно, т. е. так, что процесс не замедляется за счет выполнения програм­ мы.

Управляющая ЭЦВМ перерабатывает информацию по мере ее поступления от первичных датчиков (этим обеспечивается возмож­ ность немедленного воздействия на объект), выполняет целый ряд функций: сбор исходных данных, осуществляемый обегающими устройствами в аналоговой и дискретной форме; накопление дан­ ных; аварийную сигнализацию; регистрацию последовательностей

38