книги из ГПНТБ / Королев, Л. Н. Структуры ЭВМ и их математическое обеспечение учебное пособие

Г л а в а 2

ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ МАШИНЫ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ

Если понимать под машинами третьего поколения ЭВМ, построенные на интегральных схемах, то первой машиной такого типа среди отечественных ЭВМ следует считать машину «Наири-3». Однако, как уже говори­ лось, под третьим поколением понимаются машины, более развитые по своей структуре и математическому обеспе­ чению, нежели массовые машины второго поколения. Пожалуй, наиболее важной, определяющей характе­ ристикой машин третьего поколения является то, что они представляют собой семейства машин, разных по производительности, но имеющих одну и ту же архитек­ туру, как правило, обладающих программной преем­ ственностью по отношению друг к другу.

Понятие архитектуры семейства ЭВМ возникло в 1963—1964 гг. с появлением семейства машин третьего поколения фирмы IBM, а именно системы IBM-360, о ко­ торой мы далее будем говорить более подробно. В отли; чие от понятия структуры, связанного с внутренней организацией и функциями аппаратуры ЭВМ, понятие архитектуры касается представления о системе в целом, связывается с тем, как ЭВМ или семейство ЭВМ пред­ ставляется пользователю. Поэтому в понятие архитек­ туры включается весь комплекс программных и аппарат­ ных средств, с помощью которых обеспечивается выпол­ нение заданий пользователя.

В понятие архитектуры ЭВМ, таким образом, входят сведения о системе команд, о связях отдельных модулей

90

ЭВМ, о составе математического обеспечения. Когда говорят об архитектуре, в меньшей степени рассматри­ ваются способы выполнения тех или иных функций си­ стемы, временные параметры отдельных устройств и их техническая или структурная организация. Обычно различные типы одного семейства машин различаются,

ииногда очень сильно, по своей структуре и техниче­ скому выполнению, хотя их архитектура, внешний фасад могут считаться одинаковыми.

Если посмотреть на общую картину, сложившуюся в вычислительной технике у нас и за рубежом к моменту появления машин третьего поколения, то мы увидим мно­ жество приблизительно одинаковых по своим логическим

ивычислительным возможностям машин, совершенно различных по архитектуре: по системе команд, разряд­ ности, способам представления чисел, способам связи с внешними устройствами.

Первая попытка создания семейства машин в нашей стране связана с серией «Урал». Идеи, заложенные в архитектуру этого семейства, весьма близки к тому, что сейчас понимается под архитектурой машин третьего поколения. Однако машины этого семейства имеют зна­ чительные отклонения от тех стандартов на внешнее оборудование и системы сопряжения, которые вырабо­ тались к настоящему времени, к тому же эти машины основывались на технологической базе второго поко­ ления.

Втечение нескольких лет в Советском Союзе велись разработки по созданию семейства ЭВМ массового при­ менения, удовлетворяющего сложившимся мировым стан­ дартам, которые должны отвечать широкому спектру требований, возникающих в связи со все более широким применением ЭВМ в науке и народном хозяйстве. Это семейство получило название ЕС ЭВМ — единая система электронных вычислительных машин.

Кнастоящему времени система ЕС ЭВМ включает

всвой состав семь моделей:

—минимашину ЕС-1010, разработанную и произво­ дящуюся в Венгерской Народной Республике, номиналь­ ная производительность которой составляет 10 000 опе­ раций в секунду;

—модель ЕС-1020А, разработанную в Чехословакии,

сбыстродействием около 40 000 операций в секунду;

91

—модель ЕС-1020, разработанную Советским Сою­ зом совместно с Народной Республикой Болгарией, с номинальным быстродействием порядка 20 000 операций

всекунду;

—модель ЕС-1030, разработанную Советским Сою­ зом и Польской Народной Республикой, с быстродей­

ствием порядка 100 000 операций в секунду;

— модель ЕС-1040, разработанную в ГДР, с быстро­

— модель ЕС-1060, которая находится в стадии раз­ работки и должна обладать быстродействием порядка 1,5 млн. операций в секунду.

К настоящему времени переданы в серийное производ­ ство первые шесть моделей ЕС ЭВМ.

Быстродействие центрального процессора, указанное для моделей ЕС ЭВМ, характеризует главным образом техническую сторону дела. В настоящее время принято оценивать производительность ЭВМ по Гибсону.

Суть схемы Гибсона состоит в том, что на основе ча­ стоты появления в динамике счета команд устанавли­

где tt — время выполнения i-й операции. Для того чтобы вычислить производительность по формуле Гибсона, сле­ дует «привести» систему команд к одноадресной структу­ ре. Очень часто в такого рода приведении допускается субъективный произвол, тем не менее эта формула нашла, широкое распространение.

Набор весов р,- зависит от характера решаемых задач. Существует несколько систем весовых коэффициентов, отражающих статистику круга задач, решаемых на ма­ шинах. Эти системы называются «смесями Гибсона». Например, для характеристики быстродействия машин при решении научных (вычислительных) задач принята следующая система весов:

92

Опираясь на эти веса и зная время выполнения опе­ раций, для любой машины можно быстро вычислить ха­ рактеристику ее производительности и сравнивать таким способом ЭВМ с различной структурой. Описывая далее технические параметры моделей ЕС ЭВМ, выпускаемых в Советском Союзе, мы будем указывать их производи­ тельность по Гибсону, которая более точно позволяет сравнивать производительности ЭВМ.

Архитектура семейства ЕС ЭВМ характеризуется следующими особенностями их построения.

Центральный процессор включает в свой состав опе­ ративную память, арифметические и логические устрой­ ства (АЛУ), 16 регистров общего назначения (РОН), 4 регистра для хранения операндов удвоенной точности при выполнении действий с плавающей запйтой. Ариф­ метические и логические действия могут выполняться над единицами информации (над операндами), занимаю­ щими один байт (8 двоичных разрядов), полуслово (2 бай­ та), слово (4 байта), двойное слово (8 байтов). Адресация в машинах ЕС ЭВМ производится с точностью до одного байта. Таким образом, байт является основной адресуе­ мой единицей памяти.

К центральному процессору может быть присоедине­ но до шести селекторных каналов и один мультиплекс­ ный.

93

Пропускная способность этих каналов и число внеш­ них устройств, которое к ним может быть присоединено, зависят от конкретной модели.

Объем оперативной памяти, которая может присоеди­ няться к моделям, варьируется в широких пределах.

Адресация позволяет расширять память до объема в 224 байта. Однако каждая модель имеет свои ограниче­ ния на максимальный объем памяти, который можно под­ ключить к ней.

Система команд — разноформатная, команды зани­ мают от 2 до 6 байтов.

Основной репертуар команд содержит в своем составе 144 операции.

Модели ЕС-1020, -1030, -1040, -1050 и -1060 полно­ стью программно совместимы, т. е. системы их команд полностью совпадают. Модели ЕС-1010 и ЕС-1020А отличаются от высших моделей набором команд: в наборе машины 1010 их только 55, а в 1020А только 66 команд. Эти наборы являются подмножеством команд остальных моделей ЕС ЭВМ.

§ 1. Технические характеристики модели ЕС-1020

Производительность ЕС-1020 по Гибсону оценивается в 11 800 операций в секунду.

Быстродействие центрального процессора модели ЕС1020 определяется следующими цифрами:

Операции с плавающей запятой: сложение и вычита­ ние 32-разрядных слов — 90—120 мксек; умножение —

400—500 мксек; деление — 300—450 мксек.

Прочие короткие операции — 20—30 мксек.

Объем оперативной памяти в стандартном комплек­ те — 64К байта, или 16 тысяч 32-разрядных слов. Объем ОЗУ можно наращивать блоками по 64К до емкости в 256К байтов. Цикл памяти составляет 2 мксек.

Центральный процессор связывается с медленными внешними устройствами мультиплексным каналом и с

112 подканалов (абонентов). В минимальном комплекте

94

в состав внешних запоминающих устройств входят два накопителя на магнитных дисках со съемными пакетами.

В состав устройств ввода-вывода входят итоговый перфоратор, ввод с п/к, устройство алфавитно-цифровой печати, пульт оператора.

Принцип управления — микропрограммный. Микропрограммы хранятся в особой памяти, также

выполненной на ферритовых сердечниках, но значитель­ но более быстрой, чем основная память.

§ 2. ЭВМ ЕС-1030

Эта модель Единой Системы относится к разряду ма­ шин средней производительности.

Быстродействие ее центрального процессора характе­

ние) — 17—23 мксек; умножение — 74—80 мксек; де­ ление— 176—181 мксек.

Прочие короткие операции — 5—10 мксек.

В ЕС-1030 предусмотрены действия с 64-разрядными числами, действия с удвоенной точностью. Во многих задачах научного характера не хватает точности, опре­ деляемой 32 разрядами слова, из которых 8 разрядов занято указанием порядка и только 24 разряда — ука­ занием значащих цифр. В младших моделях ЕС ЭВМ действия с удвоенным числом разрядов выполняются по специальным подпрограммам, что приводит обычно к очень большому замедлению времени счета.

Основная память этой модели может набираться из модулей объемом 64К слова (256К байтов). Цикл обра­ щения к памяти составляет 1,25 мксек. В максимальной комплектации память ЕС-1030 может достигать объема 512К байтов. Каждый информационный байт памяти снабжен дополнительным разрядом, который служит для контроля правильности передач информации внутри машины и при приеме-передаче информации от внешних

95

устройств. Соответственно разрядность одной ячейки памяти равна 36 разрядам (4 контрольных и 32 инфор­ мационных).

С внешним миром ЕС-1030 связана одним мульти­

256 подканалов. Скорость этого канала в мультиплекс­ ном режиме, т. е. в режиме одновременного обслужива­ ния всех абонентов, составляет 40 килобайтов/секу Кроме того, мультиплексный канал может работать в та’*» называемом «монопольном» режиме, обслуживая один какой-либо подканал. В этом случае скорость передачи помультиплексному каналу достигает 300 килобайтов/тс.

Число селекторных каналов в ЕС-1030 может дости­ гать трех. Каждый селекторный канал предназначен для обслуживания 64 быстрых внешних устройств (бара­ банов, дисков). Скорость каждого селекторного канала достигает 800 килобайтов/сек.

Управляющие слова мультиплексного канала, сох­ раняющие адрес текущего байта по памяти, состояние подканала и выполняемую команду, хранятся в спе­ циальной памяти объемом в 1024 слова. Управляющие слова селекторных каналов хранятся на быстрых ре­ гистрах.

В состав внешних устройств входят:

—электрифицированная пишущая машинка;

—алфавитно-цифровое печатающее устройство;

—устройство ввода с перфокарт;

—устройство ввода с перфоленты;

—устройство вывода на перфоленты;

—устройство вывода на перфокарты;

—до 8 лентопротяжных механизмов памяти на маг­ нитных лентах;

—до 8 запоминающих устройств на дисках со смен­

ными пакетами; объем одного пакета до 7,25 млн. байтов, среднее время доступа — 150 мсек.

Все внешние устройства сопрягаются с машиной по единообразной логике, а управление каналами и под­ каналами производится унифицированным набором ко­ манд управления. Это дает возможность наиболее про­ стым образом, не изменяя электроники центрального процессора, подключать к машинам различные типы устройств.

96

§ 3. ЭВМ ЕС-1050

Следующая по мощности модель ЕС ЭВМ называется ЕС-1050. Это высокопроизводительная машина с быстро­ действием по Гибсону в 500 тыс. операций/mc, объем памяти которой может достигать 1024 килобайтов. Число селекторных каналов этой модели увеличено до 6, и ско­ рость приема-передачи по такому каналу достигает 1,3 млн. байтов/сек. Скорость мультиплексного канала достигает 670 килобайтов/тс.

Такие высокие скорости внешних каналов и высокое быстродействие центрального процессора позволяют ис­ пользовать ЕС-1050 в системах, работающих в реальном масштабе времени, в крупных АСУ и вычислительных центрах.

Из машин ЕС-1050 можно создавать вычислительные системы: двухпроцессорные, работающие на общую па­ мять, и многомашинные, работающие на общее поле внешних устройств.

Так называемые команды прямого управления поз­ воляют организовать непосредственную связь между центральными процессорами подобных комплексов, поз­ воляют пересылать друг другу сигналы прерываний и синхронизовать их работу.

§ 4. Математическое обеспечение ЕС ЭВМ

Математическое обеспечение ЕС ЭВМ в своем состаье имеет несколько операционных систем и большое коли­ чество пакетов прикладных программ. Для модели ЕС1010, заметно отличающейся от остальных машин ЕС ЭВМ по системе команд и структуре, разработана опера­ ционная система ОС-10. Эта операционная система для ЕС-1010 учитывает сферу применения этой модели как машины-сателлита, предназначенной главным образом для организации первичной обработки информации, поступающей с внешних устройств и с преобразователей аналог-цифра.

Машину ЕС-1010, например, можно хорошо использо­ вать для автономного управления такими сложными устройствами, как графические дисплеи, для обработки информации, поступающей от специализированных уст­ ройств связи с экспериментальными установками физи-

ческих лабораторий, для обработки информации, посту­ пающей с различного рода датчиков производственных и лабораторных установок. Наличие в системах крупных ЭВМ машины типа ЕС-1010 позволяет разгрузить мощ­ ные вычислители от работы, которая, как правило, не требует высокой точности, но отнимает много времени. Соответственно главное назначение ОС-10 состоит в управлении вводом-выводом информации и управлении связью с другими ЭВМ системы. Тем не менее в состав, математического обеспечения ЕС-1010 входит транслятор с языка ФОРТРАН, что позволяет использовать эту модель как самостоятельную вычислительную машину.

Для ЕС-1020А, которая также отличается по струк­ туре и системе команд от остальных моделей ЁС ЭВМ, разработана специальная операционная система МОС ЕС, или малая операционная система. МОС ЕС пригодна для использования только на модели ЕС-1020А и предназна­ чена для управления в режиме пакетной обработки без использования мультипрограммирования. Для машины ЕС-1020А характерна относительно высокая пропускная способность (максимальная скорость передачи информа­ ции) ее внешних каналов. Эту машину также удобно использовать в качестве машины-сателлита в много­ машинных комплексах. В МОС ЕС обращено большое внимание на эффективное обслуживание системы преры­ ваний и управлений вводом-выводом.

Основу математического обеспечения остальных мо­ делей ЕС ЭВМ составляют две операционные системы: ДОС ЕС и ОС ЕС. ДОС ЕС может быть использована на всех моделях системы, ОС ЕС — на старших моделях, ббъем оперативной памяти которых не менее 128К. байтов.

Рассматривая систему математического обеспечения (СМО) машин,’ обычно различают систему программиро­ вания, к которой^ относят языки, трансляторы и соб­ ственно операционную систему, к которой относят ком­ плекс управляющих программ, организующих прохож­ дение задач через вычислительную систему, и работу всего околомашинного оборудования.

Разработчики ЕС ЭВМ придерживаются иной клас­ сификации. Все системные программы, трансляторы, обслуживающие и управляющие программы относятся к операционной системе. Рассказывая о СМО ЕС ЭВМ,

98

мы будем сохранять классификацию и терминологию авторбв этой системы. Операционные системы ЕС ЭВМ делятся на две группы программ: управляющие програм­ мы и обрабатывающие программы.

Кчислу обрабатывающих программ относятся тран­ сляторы с языков, принятых в системе, и сервисные, или обслуживающие, программы.

Кчислу сервисных программ относятся:

—редактор связей, в функции которого входит увя­ зывание отдельных модулей в единую программу путем настройки связей входных переменных одного модуля с выходными переменными другого модуля;

—программа сортировки и объединения, организую­ щая расположение информации на внешних запоминаю­ щих устройствах;

—программа генерации отчетов, выполняющая часто встречающиеся функции по редактированию выходной информации, на предмет представления документа в виде, удобном для обозрения;

—программы-«утелиты», обслуживающие програм­ мы, связанные с переработкой информации, учитывающей

—программы управления задачами;

—программы управления заданиями;

—программы управления данными;

—программы управления восстановлением системы. Следует отметить, что терминология в области опера­

ционных систем окончательно еще не сложилась. В част­ ности, под словами «управление задачами» подразуме­ ваются диспетчерские функции ОС по организации пе­ реключений с выполнения одной программы на другую й динамике вычислений, функции реакции на'прерыва­ ния, функции по распределению ресурсов времени и оперативной памяти между программами. В настоящее время более употребителен термин «управление процес­ сами», он в большей степени отражает существо дела, ведь имеется в виду управление процессом выполнения задачи. Управление процессами (или задачами) отно­ сится к самым внутренним функциям операционной системы, и эти программы выполняются в привилегиро­ ванном режиме. Программы управления заданиями вы­ полняют интерпретацию директив языка управления