книги из ГПНТБ / Смирнов, К. А. Сбор, передача и обработка данных АСУ

в результате чего программисты могут полностью ис­ пользовать быстродействие ЭВМ.

Основой эффективного использования внешних уст­ ройств в вычислительных машинах второго и третьего поколений является система прерывания программ. Эта система служит для приема сигналов от ВУ о готовно­ сти обмена данными с ЭВМ. Приняв такие сигналы, ма­ шина прерывает работу над текущей программой и на­ чинает выполнять независимую программу ввода-выво­ да, хранимую в памяти машины. По окончании работы с этой программой ЭВМ возвращается к выполнению своей прежней программы.

Преимущество .применения системы прерываний за­ ключается в возможности автоматического вызова про­ граммы ввода-вывода тогда, когда это действительно необходимо. Теперь уже не требуется сложного расче­ те по распределению вычислений и операций ввода-вы­ вода, что значительно упрощает составление программ.

Так как обычно ЭВМ содержит несколько внешних устройств разного типа, то возможно одновременное появление нескольких сигналов прерываний. Поэтому ЭВМ должна иметь схему обзора прерываний, которая обеспечивает приоритет в обслуживании ВУ по их за­ просам. При этом более быстродействующим устройст­ вам присваивается более высокий приоритет; устройст­ вам, которые могут ждать, присваивается наиболее низ­ кий приоритет. Процессору присваивается наиболее низ­ кий приоритет, в результате чего текущая программа обрабатывается только тогда, когда операции по сиг­ налам прерывания не производятся. Несмотря на са­ мый низкий приоритет, большая часть машинного вре­ мени все же тратится на выполнение основной програм­ мы ЭВМ. Большинство операций прерывания служат для записи информации в оперативное ЗУ или ее счи­ тывания.

Время формирования одного машинного слова во внешнем устройстве обычно бывает больше длительно­ сти цикла оперативного ЗУ. Поэтому в течение прие­ ма машинного слова от внешнего устройства или его передачи процессор может произвести несколько ма­ шинных операций, что еще больше повышает эффек­ тивность использования машинного времени, если учесть, что объем вводимых или выводимых данных может достигать нескольких сотен и тысяч слов. Такая работа ЭВМ обеспечивается системой приостанова, ко­

80

торая по сигналу приостанова от внешнего устройства выделяет одиночный цикл для обмена внешнего устрой­ ства с оперативным ЗУ, задерживая на это время об­ ращение процессора к памяти.

Основными частями устройства приостанова явля­ ются регистр адреса и счетчик слов, которые, получив от устройства управления процессора начальный и ко­ нечный адрес ячеек оперативной памяти, автоматиче­ ски формируют последовательность адресов всего за­ данного объема информации.

На рис. 2.21 показаны временные диаграммы рабо­ ты ЭВМ без системы прерываний, с прерыванием и с

в)

Приостамод S2

основной \ программы

S '

Р и с . 2 .2 1 . В р ем ен н ы е д и а г р а м м ы р а б о т ы Э В М б е з си стем ы п р е ­ р ы в ан и й (а ), с п р ер ы в ан и е м(б) и си с т е м о й п р и о ст а н о в (ав)

системой приостанова. Из рисунка видно, что при оди­ наковом быстродействии наибольшее время для выпол­ нения текущей программы останется у ЭВМ, совер­ шающей обмен с внешними устройствами с использова­ нием системы приостанова. Однако этот выигрыш до­ стигается введением в состав машины дополнительно­ го оборудования.

2.4

КОНСТРУКЦИЯ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭВМ

Э л е м е н т ы ЭВМ. Каждое новое поко­ ление ЭВМ отличалось от предыдущего как организа­ цией взаимодействия между отдельными устройства­ ми, так и элементной базой. Безусловно, организация взаимодействия отражается на многих качествах ЭВМ. Однако место, занимаемое ЭВМ в ряду современных

81

технических средств, обусловлено успехами развития электроники, а именно, усовершенствованием элемент­ ной базы. В современных машинах применяется боль­ шое количество различных электронных элементов, электромеханических и конструктивных узлов. Мы огра­ ничимся лишь кратким рассмотрением конструкции ос­ новных схемных элементов ЭВМ, из которых построе­ ны отдельные ее узлы.

Используемый при разработке ЭВМ мелкоблочный принцип заключается в разделении сложного устрой­ ства на большое количество составных элементов — модулей. Модули являются наименьшими составными элементами ЭВМ, из которых можно построить различ­ ные по назначению устройства — арифметическое, уст­ ройство управления НМЛ и т. д. Параметры и габа­ риты модулей во многом определяют характеристики и размеры ЭВМ. Число различных по назначению моду­ лей, предназначенных для создания ЭВМ какой-либо конкретной серии, невелико. Так, например, общее чис­ ло модулей, входящих в состав некоторых ЭВМ серии «Урал», составляет 10 000—15 000. Количество же ти­ пов модулей равно семи. Применение модулей сокра­ щает время и затраты сил при проектировании ЭВМ.

Собранные из модулей различные функциональные схемы — регистры, логические схемы, разряды сумма­

и величины модулей могут размещаться 10—60 моду­ лей. Каждый из модулей при неисправности может быть без изменения схемы ячейки аем,01Нт|и.ро1ва1Н и за­ менен другим.

Из ячеек собираются функционально законченные узлы, блоки. Так, например, в виде блока могут быть оформлены такие устройства, как регистр слова опера­ тивного ЗУ, сумматор арифметического устройства и т. д. Блок может содержать от нескольких до 10—20 ячеек.

Конструктивное и функциональное объединение бло­ ков осуществляется с помощью стойки. В состав одной стойки могут войти все устройства оперативной памяти, в состав другой стойки — элементы процессора и т. д. Средние ЭВМ комплектуются из нескольких стоек. Боль­ шие ЭВМ с развитой периферией могут состоять из од­ ного—двух десятков стоек. ' Малые ЭВМ (процессор и

82

01!1ератп1В'Ная 'память) обьншо размещаются в одной 'стой­

ке .(шкафу).

Ма рис. 2.22 а п б показаны принципиальная элек­ трическая схема и общин вид плоского модуля' типа «У рал-10». На базе такого модуля построены ЭВМ се­

весьма проста, однако его габариты не позволяют раз­ мещать больше 0,5—0,8 детали па 1 см3 объема мон­ тажа. Среднее количество размещаемых в 1 см3 дета­ лей (транзисторов, резисторов, конденсаторов и т. п.) называется плотностью заполнения, или плотностью мон­ тажа. Эта -характеристика дает воможность оценить степень использования полезного объема устройства при той или иной элементной базе.

Отдельные элементы модуля соединяются между со­ бой печатным монтажом. Связь модуля с другими эле­ ментами схемы осуществляется через штырьки, кото­ рые одновременно служат точками крепления модуля на ячейке. Штырьки впаиваются в металлизированные отверстия платы, соединенные с ее печатным монтажом. Показанный на рис. 2.226 модуль представляет собой усилитель мощности.

На одной ячейке может быть размещено до 24 мо­ дулей. Объясняется это тем, что возможна «двухэтаж­ ная» компоновка модулей. С электрической схемой бло­ ка ячейка соединяется через 30-штырные разъемы. До­ полнительные элементы ячейки — резисторы и конден­

83

саторы (они стоят -в цепях питания) — .показами на рис. 2.22 в схематически.

Увеличение плотности монтажа приводит к повышен­ ному выделению тепла. Кроме этого, габариты навесных деталей позволяют увеличивать плотность заполнения лишь до известных пределов. Объем оборудования ЭВМ третьего поколения резко уменьшился за счет коренно­ го изменения конструкции модулей. Многократно умень­ шенный по габаритам модуль получил название микро­ модуля. Уменьшение габаритов модуля достигается пу­ тем изменения технологии изготовления как самого мо­ дуля, так и входящих в него элементов [2]. Отдельные элементы микромодуля (резисторы, конденсаторы идр.) изготовляются в виде печатных или миниатюрных на­ весных элементов. Так, например, резисторы выполня­ ются в виде тонких пленок с высоким удельным сопро­ тивлением, нанесенных на мпкроплату.

В сущности, микромодуль является значительно уменьшенной копией модуля с навесными элементами. Плотность монтажа в ЭВМ микромодульного исполне­ ния повышается до 10—20 элементов на 1 см3. Однако благодаря мальм мощностям, требуемым для работы микромодулей, такое уплотнение монтажа не вызывает перегревания элементов. Габариты микромодуля (на­ пример, этажерочного типа) ЮХЮХ5 — 20 мм.

Широкое распространение в ЭВМ третьего поколе­ ния получили микромодули, созданные на базе полу­ проводниковых твердых схем. Твердыми схемами на­ зывают такие модули, в которых функции активных элементов (например, транзисторов) и пассивных (на­ пример, резисторов) выполняет один кристалл. Работа таких схем основана на использовании физических свойств некоторых веществ, в определенные места кото­ рых вводятся специальные примеси.

Существует две разно! "дности твердых схем — ин­ тегральные и функциональные. Интегральные твердые схемы представляют собой основание из полупровод­ никового материала (кремния, германия),- на котором путем использования различных физических процессов (диффузии, вплавления) образуют необходимые для данного типа модуля пассивные элементы, представ­ ляющие совместно с основанием единый блок. Соедине­ ния и пайки между элементами, которые имеются в обычном модуле или микромодуле, в данном модуле отсутствуют. В ре-зультате его надежность резко повы­

84

шается, поскольку большая доля неисправностей в элек­ тронных схемах связана с отсутствием контактов^в пай­

ках.

На рис. 2.23 показаны структура интегральной твердой схемы, ее эквивалентная электрическая схема и корпус модуля, выполненного на твердом теле.

Рис. 2.23. Структура интегральной твердой схемы ( а ) , ее эквивалент­ ная электрическая схема ( б ) л корпус модуля ( в )

Наибольшее распространение при изготовлении твердых схем получил планарный, т. е. плоскостной ме­ тод. При такой технологии изготовления получаемая на поверхности полупроводниковой пластины пленка дву­ окиси кремния и металлическая проводящая пленка ис­ пользуются многократно. Планарная технология явля­ ется технологией массового производства. Ее преиму­ ществом является возможность одновременного исполь­ зования трафаретов (масок). Эго позволяет сразу из­ готовлять большое количество (до нескольких сотен) интегральных схем.

Основой модуля на твердом теле является кремние­ вая пластина р-проводимости с нанесенными на ней уча­ стками кремния из п- и р-проводимостей. Диэлектриком служит слой двуокиси кремния толщиной в десятые ду­ ли микрона. В качестве материала для выводов и вну­ трисхемных соединений используется алюминий. Толщи­ на напыляемой пленки алюминия составляет нескилько микрон. Готовую схему модуля герметизируют, помещая ее в металлический или пластмассовый корпус.

85

В настоящее время идут активные поиски в направ­ лении удешевления производства элементов ЭВМ, повы­ шения их надежности при одновременном увеличении быстродействия. Несмотря на то, что сейчас пока еще нет четкого определения, какими отличительными осо­ бенностями должна обладать ЭВМ четвертого поколе­ ния, ясно, что система элементов этих ЭВМ должна от­ личаться от системы, используемой в машинах третьего поколения. Мнение многих специалистов в области ЭВМ склоняется к тому, что элементной базой машин чет­ вертого поколения .будут так называемые «большие интегральные системы» — БИС. БИС включает в себя большое количество (десятки и сотни) электрических элементов, образованных на одном кристалле полупро­ водникового материала и объединенных в единую, до­ вольно сложную функциональную схему. Круг функций, выполняемых одной простой БИС, можно приравнять к функциям ячейки, а в сложной БИС — к функциям блока.

При построении ЭВМ на базе БИС становятся не­ нужными такие этапы производства, как изготовление ячеек, а иногда и блоков. Высокой степени автоматиза­ ции в изготовлении БИС можно достигнуть, если для производства трафаретов использовать ЭВМ. Для этого в машину вводятся данные об электрической схеме уст­ ройства. Кроме низкой стоимости, БИС отличаются вы­ сокой надежностью, поскольку внутри системы какиелибо пайки и монтаж отсутствуют, а соединения между крупными функциональными блоками осуществляются с стомощью 'Ярациительно небольшого 'количества про­ водников.

Несмотря иа перечисленные достоинства БИС, на пути их широкого внедрения етоят большие трудности, связанные с недостаточно совершенной технологией про­ изводства схем на твердом теле, приводящей к доволь­ но высокому проценту брака выпускаемой продукции. При изготовлении модулей на твердом теле неисправ­ ность какого-либо элемента модуля незначительно сни­ жает эффективность производства. Объясняется это ма­ лым числом элементов, входящих в модуль. Однако при той же вероятности получения дефектного элемента выпуск исправных БИС может прекратиться совершен­ но, если число элементов, входящих в них, достигнет определенной величины. Предположим, что вероятность получения неисправного элемента дэ = 0,01. Если в со­

86

став модуля входит десять элементов, то в среднем каждый десятый модуль будет непригоден для исполь­ зования. При числе элементов в БИС, равном 100, ко­ личество исправных БИС будет столь мало, что их про­ изводство для коммерческих ЭВМ становится бессмыс­ ленным. Освоенная в-настоящее время технология вы­ пуска БИС (позволяет •выполнять в одном корпусе размером 9X9 мм схему, включающую .в себя до 12'8 диодов-

6 -нашей стране в ностоящее время ведутся работы

•по созданию ЭВМ четвертого (поколения.

Т е н д е н ц и и р а з в и т и я ЭВМ. Средства вычисли­ тельной техники непрерывно совершенствуются. Основ­ ные задачи, решаемые при усовершенствовании, заклю­ чаются:

—в повышении производительности и надежности ЭВМ, уменьшении их габаритов, массы и стоимости;

—в расширении возможностей ЭВМ, совершенство­ вании средств программного обеспечения, упрощения взаимодействия человека с ЭВМ.

Развитие средств вычислительной техники особенно хорошо можно проследить по эволюции поколений ЭВМ

[5].Первые ЭВМ, которые нашли практическое приме­ нение, были построены на базе электронных ламп. Их быстродействие составляло тысячи — десятки тысяч операций в секунду. Эти машины обеспечивали авто­ матическое выполнение арифметических и логических операций, записанных в машинном языке конкретной ЭВМ. Объем памяти машин был весьма скромным: де­ сятки — сотни тысячбит. После 1960 г. ламповые ЭВМ перестали выпускаться. Эпоха ЭВМ первого поколения памятна нам еще и тем, что это было время, когда изпод пера писателей фантастов выходили жуткие исто­ рии о завоевании вычислительными машинами мирово­ го господства, о подчинении человечества их электрон­ ной воли. Сейчас подобных рассказов уже никто не пи­ шет, ибо человек четко определил место ЭВМ в ряду своих разнообразных электронных помощников.

С1960 г. стали выпускаться ЭВМ второго поколе­ ния. Эти ЭВМ характеризуются большим быстродействи­ ем (десятки, сотни тысяч операций в секунду) и надеж­ ностью, что объясняется применением полупроводнико­ вых приборов. Расширились также и функции машин.

Вчастности, появилась возможность автоматизации про­

цесса программирования.

87

Первые ЭВМ третьего поколения появились в 1965 г. Их быстродействие исчисляется сотнями тысяч, миллио­ нами операций в секунду. Построены такие машины на микроэлектронной технике, что значительно улучшает их технико-экономические характеристики и дает воз­ можность эффективно использовать режимы с разде­ лением времени, мультипрограммированием и т. д. Структурная схема большой современной ЭВМ пока­ зана на рис. 2.24.

Р и с . 2 .24 . С т р ук ту р н а я с х е м а б о л ь ш о й с о в р е м ен н о й Э В М

88

Прогнозы дальнейшего развития средств вычисли­ тельной техники на ближайшие десятилетия противоре­ чивы. С наибольшей вероятностью можно говорить лишь о характеристиках ближайшего четвертого поколения ЭВМ. Машины четвертого поколения будут построены на элементах микроэлектроники с высоким уровнем ин­ теграции, высоким быстродействием и большим объемом памяти. По своей структуре это будут многопроцессор­ ные машины. Средства математического обеспечения позволят применять алгоритмические языки, приспособ­ ленные для организации и управления обработкой боль­ ших массивов информации. Наряду с развитием боль­ ших многопроцессорных ЭВМ и комплексных вычисли­ тельных 'систем будут развиваться и миниатюрные

ЭВМ — 'мин«машины.

Весьма показательны основные характеристики ма­ шин первых трех поколений, выпускаемых в капитали­ стических странах (табл. 2.2). Аппроксимируя данные,

приведенные в таблице, можно ориентировочно пред­ ставить показатели машин ближайшего будущего. Сле­ дует иметь в виду, что первые четыре показателя табл. 2.2 даны в условных единицах.

Непрерывное повышение быстродействия и логиче­ ских возможностей ЭВМ позволяет создавать все бо­ лее совершенные автоматизированные системы управле­ ния.

89