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

рийных процессоров, а исполняется она аппаратурой центрального процессора.

Периферийный процессор, выполняя данную коман­ ду, вырабатывает некоторый адрес главной памяти. Уст­ ройство управления после этого выполняет следующую работу: содержимое всех управляющих регистров ЦП, а именно регистров Р, RA, FL, ЕМ, а также содержимое всех адресных, индексных и регистров операндов пере­ сылается в определенном порядке в массив главной па­ мяти, указанный в команде перехода со сменой. Одно­ временно из той же самой области памяти хранившаяся там информация в той же последовательности рассы­ лается по главным регистрам центрального процессора. Происходит, таким образом, процесс обмена содержимого указанного участка памяти с быстрыми регистрами. Это эквивалентно запоминанию состояния программы, прер­ ванной командой «перехода со сменой задач», и перехо­ дом к решению другой задачи, состояние которой хра­ нилось в этом же участке запоминающего устройства. Очевидно, если в дальнейшем возникнет необходимость продолжить выполнение прерванной программы, следу­ ет дать команду перехода с адресом этого участка памяти.

Такая схема идеально работает, если в мультипрог­ раммном режиме идут только две задачи. Когда задач несколько, использование этой схемы более сложно: в за­ висимости от динамики, переключения с задачи на зада­ чу, информация об одной и той же прерванной задаче может каждый раз располагаться в разных участках памяти. Операционной системе следует весьма внима­ тельно отслеживать эту динамику.

§ 2. Периферийные и управляющие процессоры

Как уже было сказано, в состав центральной части машины, центрального вычислителя, входят 10 перифе­ рийных процессоров, работающих независимо от цент­ рального процессора и друг от друга.

Центральный вычислитель может быть связан с внеш­ ним миром 12 мощными селекторными каналами, работающими в дуплексном режиме,т. е. способными одно­ временно принимать и выдавать информацию. Прием-пе­ редача по каждому такому каналу производится парал­ лельными наборами из 12 информационных двоичных

23D

разрядов. Пропускная способность каждого такого ка­ нала достигает 2 млн. битов в секунду. Любой из 10 внешних (периферийных) процессоров может обслужи­ вать один из 12 этих каналов, которые не имеют жесткого закрепления за каким-либо одним из процессоров. С ка­ налом могут быть связаны внешние устройства или уст­ ройства, управляющие группой внешних устройств. В ти­ повой конфигурации системы CDC-6000 обычно обслу­ живаемые каналы распределены между устройствами следующим образом.

Один канал выделен для связи с пультом управления системой. В состав этого пульта входят два экрана (дис­ плея), предназначенные для отражения на электронно­ лучевых трубках состояния системы и вывода графи­ ческой и текстовой информации. Два канала выделены для связи с управлением дисками.

Еще один канал связан с устройствами вывода, с ал­ фавитно-цифровым печатающим устройством и устройст­ вом вывода на перфокарты.

Выделен канал на обслуживание устройств ввода. Пять каналов выделено для связи с магнитными лента-

'ми. Наконец, выделен один канал для связи с машинойсателлитом и с телекоммуникационным оборудованием.

Распределение внешних устройств между каналами может меняться от системы к системе. Каждый из внеш­ них процессоров, как уже говорилось, может в любой данный момент взять на себя обслуживание любого ка­ нала, но в конкретных системах обычно функции строго распределены между внешними процессорами как в смысле обслуживания каналов, так и в смысле функций

управления центральным процессором.

С каждым внешним процессором связана его индиви­ дуальная память объемом в 4096 12-разрядных слов,

вкоторой хранятся программы и массивы принимаемой

ивыдаваемой внешним абонентом информации.

Следует отметить, что все десять процессоров физи-

*чески имеют одно устройство управления, которое цикли­ чески обслуживает один процессор вслед за другим, так называемым кольцевым методом. Этим достигается зна­ чительная экономия оборудования, а устройство управ­ ления столь быстро работает, что при этом делении вре­ мени обслуживания между десятью процессорами ско­ рость обслуживания каждого из них достаточно велика*

231

Грубо говоря, по быстродействию каждый из внешних процессоров в десять раз медленнее центрального про­ цессора, а все они, вместе взятые, по мощности сравнимы с ним. Работа по приему-выдаче информации по каналам, как правило, организована так, что принимаемая по ка­ налу информация сначала размещается блоками в собст­ венной памяти внешнего процессора, а затем специаль­ ными командами собирается в 60-разрядные слова и отправляется в главную память. Обратная последователь­ ность действий организуется при необходимости выдачи информации. Таким образом, и в этом случае предусмат­ ривается экономия обращений к центральному процес­ сору и его памяти. Каждый внешний процессор имеет в своем составе четыре управляющих регистра, играю­ щих важную роль при выполнении очередной команды.

A-регистр, или сумматор, длиной в 18 разрядов слу­ жит главным образом для суммирования адресных вели­ чин и, кроме того, несет много дополнительных нагру­ зок. Так, например, именно в A-регистре формируется адрес блока информации, используемого в команде пере­ хода с переключением задач.

Двенадцатиразрядный P-регистр служит в качестве счетчика команд внешнего процессора. Q-регистр со­ держит, как правило, 12-разрядную исполняемую коман­ ду либо 12-разрядное слово, считанное по адресу, содер­ жащемуся в команде.

Наконец, 9-разрядный К-регистр содержит информа­ цию о коде исполняемой операции или используется как управляющее слово в момент работы канала. Общее уст­ ройство управления внешними процессорами, последо­ вательно обращаясь к этим четырем регистрам, выпол­ няет действия, указанные в них, и меняет их содержание, подготовляя цикл выполнения следующей команды.

Основной единицей информации для центрального процессора является 60-разрядное слово. Арифметичес­ кое устройство может выполнять действия над числами, представленными с плавающей и фиксированной запя­ той. Числа с плавающей запятой представлены в виде

± 2 ±Л-М,

232

где для представления знака коэффициента служит 59-й разряд слова (нумерация разрядов от 0 до 59), для знака порядка — 58-й разряд, затем 10 разрядов использу­ ются для записи порядка п и 48 разрядов для записи М. Двоичная точка фиксирована после младшего нулевого разряда. Таким образом, М представлено целым чис­ лом. Соответственно диапазон представления чисел — 2±шз, что эквивалентно приблизительно 10±30°.

Арифметическое устройство может выполнять опера­ ции сложения и вычитания целых 60-разрядных чисел и целых 18-разрядных чисел, используемых в качестве адресов.

В состав операций, выполняемых центральным про­ цессором, входят 15 операций условных и безусловных переходов. Проверка условий связана с состоянием ука­ зываемых в команде регистров X,- и В,-. В состав булевых поразрядных логических операций входят команды: пе­ редача из регистра в регистр, логическое умножение, сложение и сравнение, передача отрицания. Логические операции определены только над Х-регистрами. Девять команд относятся к классу сдвигов; к их числу относятся 'также команды сборки и разборки по маске (упаковки и распаковки). Над числами с плавающей запятой опре­ делены шесть операций сложения и вычитания, включая сюда операции округления, три операции умножения и три операции деления, включая операцию приведения

кединице.

Врепертуар команд центрального процессора входят

также 24 операции адресной арифметики и 2 операции сложения (вычитания) длинных целых чисел.

Периферийный процессор может выполнять 64 раз­ личных команды, связанных с организацией ввода-вы­ вода, передачами информации. Набор арифметических действий весьма скуден: это, по существу, операции сло­ жения и вычитания 18-разрядных кодов и логические операции над кодами. Большое место в системе команд внешнего процессора отведено условным передачам по состоянию обслуживаемого канала. Определены пере­ дачи по условию активности канала, его неактивности, занятости и незанятости. Особое место занимают коман­ ды обращения к главной памяти центрального процессо­ ра по приему-передаче блоков данных из собственной памяти и обратно, а также команда передачи с переклю-

233

ченнем и команда считывания программного адреса. Эта последняя команда позволяет внешнему процессору оп­ росить счетчик команд центрального процессора и ус­ тановить, в каком состоянии он находится.

В отличие от центрального процессора, в системе команд внешних процессоров широко развита косвенная адресация операндов. Это и понятно, так как аппарат А- и В-регистров ЦП, отсутствующий во внешних про­ цессорах, по существу заменяет косвенные ссылки.

§ 4. Система математического обеспечения серии

CDC-6600

Главным элементом МО является операционная сис­ тема SIPROS (Si multaneous Processing Operating System)—

операционная система совместного процессирования). В функции управляющих программ этой системы входят обычные функции операционных систем: динамическое распределение ресурсов между программами, идущими в мультипрограммном и мультипроцессорном режиме, планирование потока задач в режиме пакетной обработки, управление вводом-выводом, программная реакция на сбои аппаратуры и диагностика неисправностей, управ­ ление связью с центральным пультом оператора, управ­ ление связью с аналоговыми устройствами и телекомму­ никационной связью.

Все эти функции выполняются внешними процессо­ рами и не отнимают времени у центрального процессора. В частности, один из внешних процессоров полностью занят организацией переключения с одной задачи на другую, приемом заказов на внешние обмены, т. е. несет функции диспетчера операционных систем. Один из внешних процессоров занимается обслуживанием эк­ ранов главного пульта системы. Пользуясь клавиату­ рой этого пульта, оператор системы может высветить на экранах информацию, указывающую состояние сис­ темы в любой данный момент. Он может увидеть, какие задачи находятся в системе, сколько времени они уже решаются, может запросить сведения о распределении памяти между программами, идущими в мультипрограм­ мном режиме. По заказу оператора на экранах можно наблюдать поведение переменных в динамике их счета, что бывает очень полезно для анализа скорости сходи­

234

мости процессов вычислений. Оператор может на экране увидеть протокольные данные о загруженности системы, о числе решенных задач, о числе задач, ждущих своего решения. Функции операционной системы по организа­ ции связи с оператором, сбору статистики и обеспечению техники высвечивания на экранах требуемой информации весьма развиты.

структурные особенности машин этой серии, а именно: в языке допускается использование имен регистров в ка­ честве идентификаторов переменных. Расширение сделано за счет возможности чередовать операторы ФОРТРАНа с операторами машинно-ориентированного языка ASCENT. Кроме того, язык расширен за счет макроко­ манд ввода-вывода, учитывающих возможности автома­ тического назначения буферов ввода-вывода.

В качестве языков более низкого уровня использует­ ся макроассемблер ASCENT, ориентированный на сис­ тему команд центрального процессора, и язык ASPER, ^ориентированный на систему команд внешнего процес­ сора. Именно на языке ASPER написаны основные блоки операционной системы.

Важной частью системы МО является система управ­ ления библиотекой LIBRIOUS. В библиотеке содержит­ ся большое число программ численных методов и прог­ рамм, обеспечивающих правильное функционирование системы в целом. В состав библиотеки входят програм­ мы управления вводом-выводом и служебные прог­ раммы.

Кроме перечисленных выше средств программирова­ ния, в состав МО серии 6000 входит расширенный язык COBOL-61 и интерпретатор системы команд машин IBM-7090/94. Этот интерпретатор сделан по требованию первых заказчиков машин CDC, которые до этого широко эксплуатировали довольно мощную машину второго по­ коления фирмы IBM, а именно 7090/94. Она в свое время использовалась главным образом для научных иссле­ дований, и почти во всех крупных физических лабора­ ториях. Для нее было создано очень богатое математи­ ческое обеспечение в части прикладных программ реше­ ния задач математической физики.

235

§ 5. Некоторые другие машины фирмы CDC

К числу наиболее известных машин этой фирмы отно­ сится машина CDC-7600, которая была создана для за­ мены машины CDC-6800, не вошедшей в серийное произ­ водство. CDC-7600 программно-преемственна с машинами серии 6000, но обладает более широкими возможностями в части мультипроцессорной организации. Быстродейст­ вие этой машины оценивается в 12 млн. операций/дас. Эта машина стала поступать заказчикам в 1969 г., и к настоящему времени их поставлено около двух де­ сятков.

В течение ряда лет фирма CDC вела разработку сверх­ быстродействующей многопроцессорной системы STAR. Первые сообщения об этой машине появились в 1969 г. Она предназначалась для поставки в Радиационную ла­ бораторию им. Лоуренса (Lawrence Radiation Labora­ tories). Ожидалось, что быстродействие STAR будет по­ рядка 50 млн. операций/mc. Затем, в 1970 г., фирма объя­ вила, что успехи в разработке этой машины позволяют получить быстродействие порядка 100 млн. операций/тс, и она получила название STAR-100. Такое большое быст­ родействие удалось получить за счет глубокого совме­ щения операций и значительного повышения параметров запоминающих устройств, усовершенствования логичес­ ких элементов. Сверхбыстродействующая память на ин­ тегральных схемах, непосредственно связанная с цент­ ральным процессором, обладает циклом обращения в 40 нсек. Память второго уровня, объемом около полумил­ лиона слов (32 млн. разрядов), разбита на 32 блока с независимым доступом, что обеспечивает высокие па­ раметры среднего времени обращения, несмотря на то что полный цикл каждого блока сравнительно неве­ лик — 1,6 мксек.

Вмашине широко использован принцип «водопрово­ да». Пожалуй, наиболее интересной является идея, реа­ лизованная в STAR-100, которая состоит в том, что од­ новременно в различных ее устройствах выполняются команды различных программ, не говоря уже о том, что выполнение команд одной программы максимально распараллелено.

В1972 г., по сообщениям фирмы, машина STAR-100 поступила в продажу. В то же время (1971 — 1972 гг.)

236

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Принято делить ЭВМ на четыре поколения. Это деле­ ние с инженерной точки зрения четко разграничено: по­ коление ламповых машин, поколение машин на транзис­ торах и навесных деталях, поколение машин на интег­ ральных схемах и, наконец, поколение машин на больших интегральных схемах с уровнем интеграции больше 2000 активных элементов на одном кристалле.

С точки зрения архитектуры (структуры) ЭВМ также можно разделить на поколения, тесным образом связан­ ные с техническими возможностями их построения, так как эти технические возможности определяют такие важ­ ные характеристики ЭВМ, как быстродействие, объемы запоминающих устройств, возможности связи с внешними источниками информации (с каналами), надежность ра­ боты.

Однако принципиальные этапы в развитии структур ЭВМ более непосредственно связаны с теми требовани­ ями, которые возникли из опыта их применения в раз­ личных областях науки, техники, управления и произ­ водства.

Структуры ЭВМ менялись, отражая развитие рожден­ ных применением ЭВМ дисциплин, которые относятся к области численных методов, алгоритмических языков, операционных систем и систем управления.

Гораздо более трудно классифицировать структуры ЭВМ с этой точки зрения. Тем не менее можно сказать, что структура машин первого поколения в большей сте­ пени отражала именно потребности численных методов, потребности, связанные с обработкой числовой информа­ ции. В структурах ЭВМ второго поколения нашли свое

238

отражение требования алгоритмических языков и соот­ ветствующих систем программирования. Развитие ин­ дексной арифметики, приемов базирования адресов, косвенная адресация, магазинная (стековая) память, расширение возможностей по обработке символьной информации — вот те структурные характеристики ЭВМ, которые свойственны машинам второго поко­ ления.

Появление систем прерывания и связанных с ними изменений в структурах ЭВМ является заметной вехой

вразвитии ЭВМ. Машина из детерминированного уст­ ройства обработки заранее введенной в нее информации, благодаря системе прерываний, все более превращается

вавтомат, реагирующий на ситуации, которые разыгры­ ваются во внешней по отношению к ней среде, незави­ симо от нее или при ее активном участии. У ЭВМ поя­ вились сенсоры — органы восприятия внешней среды. Соответственно у ЭВМ появляются программы, которые реагируют целенаправленно на внешние события и со­

бытия, протекающие «внутри» машины,— операционные системы. Именно операционные системы определяют стра­ тегию поведения ЭВМ в конкретных условиях ее исполь­ зования.

Для машин третьего поколения характерно развитие операционных систем, управляющих ресурсами ЭВМ с целью получения максимального эффекта использования оборудования в режиме поточной обработки, свойствен­ ной стилю использования ЭВМ в вычислительных цент­ рах. Идеи мультипрограммирования, идеи совмещения операций ввода-вывода, идеи параллелизма в обработке этапов решения одновременно нескольких задач привели к созданию ЭВМ, обладающих такими характеристиками, как наличие системы прерывания, защиты памяти, сов­ мещения работы нескольких устройств, привели к струк­ турному разграничению функций виртуальной и физи­ ческой памяти, к возникновению этих очень важных

хпонятий. На машинах третьего поколения возникли пер­ вые системы разделения времени, системы коллективного использования мощностей ЭВМ и получили дальнейшее развитие системы работы в реальном масштабе времени. Значение этих систем, этих режимов использования вы­ числительных мощностей трудно переоценить — это пер­ спективы развития ЭВМ, и это одновременно то, что

239