книги из ГПНТБ / Смирнов, К. А. Сбор, передача и обработка данных АСУ
.pdfПриведенное на рисунке ЗУ имеет три сердечника, следовательно, оно позволяет формировать три различ ных слова. В простейшем случае число слов, хранящих ся в ЗУ такого типа, равно числу сердечников. Коли чество разрядных обмоток, взаимодействующих с сер дечниками, равно числу разрядов машинного слова. Ес ли еардечпгшкн ЗУ 'Оплошные, то изменение ват.исан'ной, или скорее «запаянной», программы связано с опреде ленными трудностями. Поэтому в последнее время пред почтение отдается ЗУ с разъемными П-образными (пли Ш-об'раэным'и) сердечниками (ipirc. 2.86), у которых обмотка слова выполняется в виде шпп, а разрядная обмотка — в виде нескольких витков провода, охваты вающих сердечник. Обмотки слова связываются в жгу ты (рис. 2.8в) и могут быть заменены другими в тече ние нескольких часов. Сердечники же вместе с разряд ными обмотками укрепляются па платах. Кроме воз можности сравнительно быстрой замены программы по стоянного ЗУ, изготовление жгутов легко автоматизи руется. Жгуты, изготовленные па автоматах, работающих
по |
принципу ткацких станков, компактны |
и позволя |
ют |
получать ЗУ, в объеме 1 см3 которых |
можно хра |
нить 300 бит информации. Цикл считывания слова из подобных ЗУ лежит в пределах от 0,3 до 1 мкс, а ем кость — от 512 до 32 768 слов (т. е. 2° и 215 слов соот ветственно) .
Постоянные ЗУ, кроме применения для записи про грамм, широко используются для хранения микропро грамм в микропрограммных устройствах управления процессорами.
Вне ш и не з а п о м н н а ю щ и е у с т р о й с т в а. Введение, хранение и выдачу огромного количества ин формации в вычислительные комплексы АСУ можно осуществить только с помощью внешних механических ЗУ, емкость которых достигает десятков и сотеи мил лионов букв и цифр. Внешние ЗУ сравнительно деше вы, компактны, но их быстродействие значительно меньше оперативных ЗУ. Поэтому для обработки ин формации, хранящейся ео внешнем ЗУ, ее предвари тельно записывают в оперативное ЗУ. В зависимости от конструкции и типа внешнего ЗУ промежуток времени от момента обращения к нему и до момента, когда ста новится возможным записать (считать) в ЗУ информа цию, колеблется от нескольких миллисекунд до минуты.
Это время называется временем обращения. За столь
60
большой промежуток времени процессор успевает про* извести тысячи и миллионы операций. Поэтому для наи более полного использования быстродействия процессо-' ра связь между ним и внешним ЗУ осуществляется только через оперативное ЗУ.
Значение времени обращения к внешнему ЗУ опре деляется пространственным расположением необходимой зоны в момент обращения. Так, например, чтобы счи тать информацию, записанную на некотором участке магнитной ленты, требуется время для протяжения лен ты и подведения этого участка к магнитным головкам. Чем дальше находится нужный участок от головок, тем время подвода ленты, а следовательно, время обраще ния будет больше.
Другая существенная особенность внешних ЗУ за ключается в системе адресации. Если к оперативной памяти можно обращаться за каждым машинным сло
вом, |
то во внешних ЗУ адреса |
присвоены группам |
слов |
— зонам. Поэтому считать |
массив информации, |
меньший длины зоны, невозможно. Длина зоны опреде ляется типом внешнего ЗУ. Так, у накопителя на маг нитном барабане зона состоит из 128—256 машинных слов, а у накопителя на магнитной ленте длина зоны лежит в пределах 256—2048 машинных слов.
В качестве носителя информации наиболее широко используются магнитная лента, магнитные барабаны и диски. Обычно ЭВМ имеет в своем составе различные типы внешних ЗУ, называемых также накопителями. Принципы записи информации па накопители различных типов и методы их взаимодействия с оперативным ЗУ мало отличаются друг от друга. Поэтому подробно рас смотрим работу накопителя одного типа, например, на копителя на магнитном барабане (НМБ), а затем поз накомимся с характерными особенностями накопителей других типов.
Накопитель на магнитном барабане представляет собой металлический цилиндр, вращающийся с равно мерной скоростью. Цилиндр изготавливается из алюми ниевого сплава. Его внешняя поверхность покрыта мед ной подложкой, на которую гальваническим путем на носится магнптожесткое покрытие, состоящее из соеди нения никеля, кобальта и фосфора. Толщина покрытия составляет несколько десятков микрон.
Запись состояний «1» или «0» производится с по мощью магнитных головок, располагаемых у поверхно-
51
Ити барабана с небольшим воздушным зазором. Прин цип взаимодействия магнитной головки с магнитным покрытием барабана в процессе записи информации по казан па рис. 2.9а. Магнитная головка с обмоткой пред-
|
|
|
ГолоВка |
|
Нагнитная |
Носитель |
|
^ |
|
|
, I n S 15 |
N15 |
N \N '^S \S |
{ |
|
|
|
Направление |
|
|
Г |
|
й е и ж е н м |
|
|
|
А |
|
|
|
А |
|
, |
|
|
А П / |
|
|
|
Рис. 2.9. Запись информации та |
носитель |
( а ) и |
ее считыва |
|
ние ( б ) |
|
|
|
|
ставляет собой миниатюрный электромагнит, в котором при прохождении через его обмотку тока возникает (по казан пунктиром) магнитный поток, намагничивающий определенный участок магнитного покрытия — диполь. Расположение полюсов диполя определяется направле нием тока записи.
Чтение информации может производиться той же са мой головкой. В этом случае проходящие под головкой диполи индуктируют в ее обмотке электродвижущую силу (эдс), знак которой определяется расположением полюсов диполей. На рис. 2.96 показана эдс, возникаю щая в обмотке магнитной головки, если предваритель но записанная информация на магнитном носителе прой дет под головкой. Чем меньше расстояние между полю сами магнитной головки, а также между головкой и по верхностью носителя, тем меньше может быть длина диполя. Это, в свою очередь, позволяет записать боль шее количество информации па единицу его поверхно сти и увеличить тем самым продольную плотность записи.
Зазор между полюсами головки определяется тол щиной вставляемой туда металлической фольги (не сколько микрон) из диамагнитного материала. Зазор между головкой и носителем можно значительно умень шить (до 3—5 мкм), применяя-«плавающие» головки. Такая головка крепится на своем основании таким об разом, что возникающий при вращении барабана воз душный прток не позволяет головке касаться поверхно-
52
ctii барабана. Головка «плУвет» над поверхностью 6йрабана, следуя за его биениями. Продольная плотность записи в современных барабанах достигает 30—40 еди ниц информации на 1 мм его поверхности.
Существует несколько способов расположения инфор мации на поверхности барабана — параллельный, по следовательно-параллельный и последовательный (рис. 2,10). При параллельном способе (I) .все разряды слова
Рис. (2.10. Размещение информации на барабане
подаются па магнитные головки одновременно, при по следовательно-параллельном способе (II) запись сло ва производится в два или несколько приемов, и, нако нец, слово может быть записано с помощью одной го ловки последовательно, бит за битом (III). Для дости жения большей поперечной плотности записи барабан может снабжаться двумя рядами головок, сдвинутых друг относительно друга. Для обращения к зоне с тре буемым номером используются отметки-маркеры, по стоянно нанесенные на поверхность барабана путем на магничивания или механическим способом. Они образу ют маркерную дорожку. Кроме этих отметок, барабан содержит и- другие вспомогательные отметки.
Поскольку в НМБ для записи и чтения используют ся одни и те же головки, их необходимо переводить из режима 'записи в .режим чтения и (Нao6>oip(OT. Обычно пе реход из одного режима в другой производится один
53
раз в течение одного оборота. Требуемое для перехода время составляет 1 мс. Переход осуществляется всегда при строго определенном угловом положении бараба на. Поверхность барабана, проходящая под головками в момент смены режима, для записи информации не ис пользуется п называется «мертвой зоной». От этой зо ны и начинается отсчет адресов зон как при записи, так и при чтении.
При наличии на барабане одной «мертвой зоны» время, которое проходит от момента, когда возникла необходимость записать (считать) информацию, и до мо мента, когда под головками окажется «мертвая зона», определяется скоростью вращения барабана и его уг ловым положением. Это время называется временем об ращения. Наибольшее значение времени обращения бу дет в том 'случае, 'когда обращение к НМБ произошло сразу же после того, как «мертвая зона» прошла под головками. При существующих скоростях вращения
1000—3000 об/мин это время будет составлять рримерно от 150 до 50 мс. Минимальным время об ращения 'бывает в 'Случае, корда обращение к бара бану происходит в момент прохождения под голов ками «мертвой зоны».
На одном современном барабане можно хранить 5• 10Г’—5-10е байт. Если учесть, что к ЭВМ можно под
ключить до 8—16 НМБ, то становится очевидным, что с помощью этого вида памяти можно создать относитель но быстродействующее ЗУ большой емчсости.
ЗУ на |
м |
аг и и т и ы х д и ска х. В настоящее время |
||
все большее |
распространение получают |
накопители |
на |
|
магнитных |
дисках (НМД). Объясняется |
это тем, |
что |
|
по сравнению с НМБ накопитель на дисках при том же физическом объеме имеет значительно большую поверх ность носителя, а следовательно, и емкость. Конструк ция дискового накопителя показана на рис. 2.11.
Металлические диски, покрытые магнитным слоем, устанавливаются на одни вал и приводятся во враще ние синхронным электродвигателем. У внутренних ди сков рабочими являются обе поверхности, у 'крайних ис пользуются только внутренние поверхности. Запись и
54
чтение осуществляются одной головкой па каждую ра бочую поверхность диска. Чтобы избежать трения го ловни о диск, используются лишь ,«1пла|ваю1Щ1ие» maomui, установленные на рычагах н перемещаемые одновре менно с помощью суппорта. Выбор необходимой дорож ки производится путем преобразования кода номера дорожки в соответствующее перемещение головок вдоль радиуса дисков. Запись машинного слова осуще ствляется также, как на НМБ..
Накопители иа магнитных дисках могут иметь либо жестко закрепленные диски, либо сменные. В первом случае диаметр дисков может достигать 1 м. Сменные диски имеют диаметр до 300 мм. Они заменяются всем пакетом. Емкость одного пакета дисков может доходить до 100 млн. байт.
Рычаги с головками являются устройством инерци онным. Для их подвода к требуемой дорожке необходи мо определенное время, достигающее нескольких сотен миллисекунд. Поэтому при той же скорости вращения дисков время обращения здесь в несколько раз больше, чем у НМБ.
Н а к о п и т е л ь и а м а г и и т и о й л е и т е. Этот вид накопителя отличается от описанных выше тем, что магнитная лента движется только во время записи и считывания информации. Остальное время она непод вижна. Кроме этого, в процессе записи и чтения маг нитные головки касаются ленты. Запись и чтение обыч но производятся раздельными головками. Наиболее от ветственной частью накопителя на магнитной ленте (НМЛ) является лентопротяжный механизм, характе ристики которого в большой степени определяют харак теристики НМЛ. Принцип работы НМЛ показан на рис. 2.12.
Рис. 2.12. Принцип работы накопителя на .магнитной ленте
55
Информация на магнитную ленту записывается мас сивами — зонами. Расстояния между зонами разделя ются между собой промежутками, называемыми «междузонными расстояниями». Их длина выбирается таким образом, чтобы пуск и останов ленты не вызывал по тери информации. Длина зон может быть переменной или фиксированной и определяется типом решаемой за дачи. В последнем случае лента предварительно раз-, мечается с помощью того же самого НМЛ, т. е. на лен ту записываются в последовательном порядке номера зон. Номер от номера отстоит на равном расстоянии. Если массивы записываемой информации имеют раз ную длину, использование поверхности носителя полу чается неполным. Длина зон выбирается равной 256, б12 или 1024 словам. Для уменьшения времени обраще ния к ленте время пуска и останова ленты должно быть минимальным, а скорость продвижения ленты вы сокой. В современных НМЛ скорое) ь движения ленты при записи и чтении равна 1 -4 м/с, а время пуска, ос танова и реверса ленты лежит в пределах 5—10 мс. В том случае, когда лента не протягивается, ведущие ро лики сцепления с ней не имеют и вращаются в проти воположные стороны. Для пуска ленты последняя при жимается к соответствующему ведущему ролику и на чинает двигаться в требуемом направлении. Лента обыч но прижимается пневматическим путем. Поверхность полого ролика, к которой прижимается лента, имеет ряд отверстий. Для прижима ленты к ролику в его полости создается пониженное давление, в результате чего леп- 'I а прижимается к ролику. Для быстрого останова лен ты применяется тормозное устройство (на рисунке не показано). Одновременно с запуском ленты вращаются в требуемом направлении катушки с лентой. Поскольку катушки обладают большой инерционностью, между ни ми и прижимными роликами устраиваются буферные хранилища — «карманы».
Блок магнитных головок состоит из нескольких го ловок, расположенных по линии, поперечной направле нию движения магнитной ленты. Запись информации’ осуществляется последовательно-параллельным спосо бом одновременно на несколько дорожек. Машинное слово записывается в виде слогов при числе разрядов в слоге, равном числу головок. Так, например, при числеголовок в блоке, равном четырем, 24-разрядное машин ное слово может быть записано шестью слога-ми. В про
цессе записи и чтения информации с магнитной ленты существует довольно большая вероятность искажения сигналов (10-е— 1о—5 на бит). Для увеличения надежно сти запись дублируют или добавляют к информации спе циальные проверочные разряды, или делают и то и дру гое. Поэтому в действительности записанное на ленту слово может занимать в 2—4 раза больше места, чем оно занимает в оперативном ЗУ.
Плотность записи информации на ленту достигает 64 строк/мм. При длине магнитной ленты 800 м на од ну катушку можно записать до 3—4 млн. байт. Емкость НМЛ является практически неограниченной, так как при заполнении одной катушки она легко снимается и заменяется другой.
Время обращения к зоне в НМЛ определяется ее удаленностью от того участка, который в данный мо мент времени находится под головками. Наиболее не благоприятной ситуацией является такая, при которой под головками находится один конец ленты, а необхо димая зона находится на другом конце ленты. В этом случае время обращения будет максимальным и может достигать 30—40 с.
В настоящее время разработаны международные правила размещения информации на ленте. Стандарт предусматривает применение ленты шириной 12,7 мм (один дюйм) с девятью дорожками для записи байта и одного контрольного разряда проверки на четность. Толщина ленты 48 мкм, длина ее на катушке 750 м. Стандартной считается плотность записи 8 к 32 строк/мм. Из сказанного выше о внешних ЗУ стано вится ясным, что они представляют собой сложный комплекс электронных и механических узлов. Проекти рование и изготовление современного внешнего ЗУ тре бует большой технической и технологической культуры. Особенно это относится к магнитному покрытию, мате риалу, из которого состоит основа магнитной ленты, маг нитным головкам, механизмам, поддерживающим зазор между головками и носителем, электронным схемам за писи и считывания информации.
2.2
УСТРОЙСТВА ВВОДА И ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ
Н а з 11 а ч е н и е и к л а с с и ф и к а ц и я. В процессе подготовки программ и исходных данных для ЭВМ юо'эни'кает 1иео1бхо|дпмость в 'устройствах, поз воляющих контролировать этот процесс, легко исправ лять ошибки, изменят!, компоновку информации. С дру гой стороны, для контроля хода решения задачи, полу чения от машины сигналов о разнообразных ситуациях требуются устройства, выдающие человеку информацию в наглядной, легко усваиваемой форме. Внешние ЗУ не годятся для этой цели, их быстродействие слишком вы соко и не может полностью использоваться человеком; Данные в том Blue, в котором они хранятся во внеш них ЗУ, не смогут быть быстро поняты человеком. По этому для простого общения между человеком и ма шиной существует специальный класс устройств, назы ваемых устройствами ввода-вывода информации (УВВ). Скорость работы большинства УВВ низкая, они содер жат электромеханические узлы, а носителем информа ции является бумага.
В зависимости от принципа работы устройства вво да можно разделить па три вида: 1) устройства ручно го ввода; 2) устройства ввода с промежуточного носи
теля |
и 3) устройства непосредственного ввода. |
К |
устройствам ручного ввода относятся электрифи |
цированные пишущие машинки, телеграфные аппараты и подобные им устройства с клавиатурой, с помощью которой программист или оператор вводит информацию в ЭВМ. Одновременно с вводом данных оператор кон тролирует свою работу по контрольной печати, которая осуществляется на рулоне бумаги, бумажной ленте или высвечивается с помощью электроннолучевой трубки. Скорость набора информации па устройствах ручного ввода не превышает 20 знаков/с. Такие устройства осо бенно необходимы в машинных комплексах АСУ, где оператору требуется вводить в ЭВМ различные запро сы и получать на них ответы, регистрируемые также на бумаге.
Ввод информации с промежуточного носителя осу ществляется устройствами считывания с перфокарт и перфолент. Для ввода в ЭВМ данные должны быть предварительно отперфорированы. Таким образом, ввод
58
с этого вида устройств менее оперативен, однако скоро сти ввода относительно велики — до нескольких тысяч знаков в секунду. Наиболее распространенными устрой ствами данной группы являются устройства ввода с пер фокарт, хотя перфоленточная аппаратура ввода более дешевая и простая.
Перфолента широко используется в оборудовании передачи данных, входящем в состав комплексов АСУ. Примятые и зафиксированные на перфоленте данные обеспечивают простой ввод информации в ЭВМ. Одна ко исправление ошибок на перфоленте связано с труд ностями и, как правило, для этого требуется перебивка всей перфоленты. Кроме того, перфолента довольно бы стро изнашивается. Перфокарточное же оборудование, используемое для подготовки, контроля и ввода перфо карт, более громоздкое и дорогое. Однако сами перфо карты более долговечны, позволяют легко исправлять искаженную информацию (испорченная карта выбра сывается и вместо нее набивается новая).
К рассматриваемой группе оборудования ввода от носятся устройства с шаговым продвижением магнит ной ленты. При подготовке информации лента движет ся шаг за шагом по мере набора знаков на клавиатуре. Ошибки исправляются 'путем стирания 1неп1ра.в'ильно записанного знака и записи на егоместо нового. При вводе информации в ЭВМ лента движется непрерывно, чем достигается высокая скорость записи данных.
Устройства непосредственного ввода позволяют счи тывать информацию с первичных документов — со спе циальных бланков, графиков, с документов с машино писным текстом. Применение таких устройств делает ненужным трудоемкую ручную работу по перенесению данных с первичных документов на перфоленты и пер фокарты и исключает возможные при этом искажения информации. Однако конструкция устройств непосред ственного ввода информацииочень сложна, сами уст ройства дороги, громоздки и ненадежны. Все же ввиду значительных преимуществ, получаемых при использо вании устройств непосредственного ввода, в настоящее время ведутся интенсивные работы по ихусовершенст вованию.
Из всех перечисленных выше типов оборудования ввода наибольшее распространение получили устройства ввода информации с перфокарт, перфолент и электри фицированные пишущие машинки.
59