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

задача. Например, если для задачи требуется гораздо больше памяти, чем объем оперативного ЗУ, приходится организовывать частые обращения к медленным внешним запоминающим устройствам, и общее время решения задачи определяется временем работы внешних уст­ ройств. О производительности ЭВМ при решении опре­ деленного круга задач можно судить лишь по сово­ купности нескольких параметров: скорости арифметиче­ ского устройства, объему оперативной памяти, характе­ ристикам внешних запоминающих и вводных-выводных устройств.

Основные характеристики некоторых из машин пер­ вого поколения таковы:

1. Машина БЭСМ-1 (1953 г.). Емкость памяти — 2048 слов; скорость — 7000—8000 операций/сек; разряд­ ность — 39 разрядов; арифметика — двоичная с плаваю­ щей запятой; система команд — трехадресная; устройство ввода — перфолента двухдорожечная; объем аппара­ туры — около 4000 ламп; внешние ЗУ — барабаны на 5120 слов; магнитная лента — до 120 000 слов; вывод на быструю цифровую печать — 300 строк в минуту.

2.Машина БЭСМ-2 (1959 г.). Отличается от БЗСМ-1 расширенным набором команд и увеличенной скоростью печати (900 строк в минуту).

3.Машина «Стрела» (1953 г.). Объем оперативной па­ мяти — 2047 слов (память электростатическая); разряд­

ность — 43; скорость — 2000—3000 операцнй/mc. «Стре­ ла» — трехадресная машина, выполняющая действия с плавающей запятой и с достаточно большим диапазоном представления чисел (2±64).

4. Машина «Минск-1» (1960 г.) универсальная, об­ щего назначения. Разрядность — 31 двоичный разряд (бит). Объем оперативного запоминающего устройства — от 1024 до 2048 слов. Время обращения к запоминающему

ческих операций — 35 мксек.

Эти цифры говорят о том, что быстродействие АУ машины «Минск-1» равно 1,5—5 тысячам операций в се­ кунду.

Внешняя память — на магнитной ленте, с плотностью

20

Общая емкость — до 4 лентопротяжных механизмов, ■г. е. до 256К слов *). Устройство ввода — с бумажной перфоленты со скоростью 50 знаков в секунду. Уст­ ройство вывода — быстропечатающий механизм со ско­ ростью 20 строк в секунду (БПМ-20).

Машина работает в двоичной системе счисления с фик­ сированной запятой. Числа представлены в обратном коде. Система команд — двухадресная.

5. Машина М-20, получившая широкое признание и нашедшая сферу применения во многих областях науки и техники, начала серийно выпускаться в 1959 г. Главный конструктор машины — академик С. А. Лебедев. Для своего времени М-20 была одной из самых быстродейст­ вующих машин первого поколения в мире. Технические характеристики М-20 таковы:

Объем оперативной памяти — 4096 слов; быстродей­ ствие — 20 000 операций/mc; время выборки из оператив­

три магнитных барабана по 4096 слов каждый, четыре магнитофона емкостью по 75К каждый. Ввод — с 80-ко- лонных перфокарт (60 карт в минуту). Вывод — на перфокарты и на быструю печать (20 строк/сек).

В машине предусмотрено некоторое совмещение опе­ раций. Пока арифметическое устройство занято выпол­ нением некоторого действия, производится подготовка к выполнению следующей команды. Предусмотрена воз­ можность совмещения операций вывода с работой цент­ рального процессора. Информация, предназначенная на вывод, сначала записывается на барабан, а затем произ­ водится независимая выдача непосредственно с барабана на печать. Отличительной особенностью системы команд машины М-20 является использование индексной ариф­ метики, так называемого регистра РА, что позволяет во многих случаях избавиться от переменных команд и дает широкие возможности по организации циклов. Развер­

*) При описании объемов запоминающих устройств мы, следуя многим авторам, будем упоминать коэффициент К =1024=210 («двоич­ ная тысяча»).

21

нутая система условных и безусловных переходов осно­ вана на анализе признаков, вырабатываемых предыду­ щей операцией.

В машине аппаратно выполняется извлечение корня. Интересно арифметическое устройство с усложненной схемой, резко увеличивающей скорость выполнения опе­ раций умножения и сложения. Например, при операции умножения используется алгоритм умножения сразу на четыре разряда. При сложении работает схема анализа цепочек переносов и их однотактного выполнения.

Именно на машине М-20 было решено большинство теоретических и прикладных задач, связанных с разви­ тием самых передовых областей науки и техники того времени.

Краткие технические характеристики, приведенные для нескольких машин первого поколения, дают пред­ ставление о том, каковы они были.

Что касается основных особенностей структуры этих машин, то это машины обычно с жестким циклом выпол­ нения операций, работающие без совмещения. Это озна­ чает, что следующая команда начинает выполняться только после завершения предыдущей операции. Для большинства этих машин характерно, что во время ввода с перфолент (перфокарт) центральный процессор про­ стаивает. Его арифметическое устройство занимается перекачкой информации от внешних устройств в ЗУ машины.

Период разработки и создания машин первого лампо­ вого поколения продолжался до 1959 г.

Но это только техническая сторона, касающаяся машин первого поколения. Наверное, более интересна другая характеристика — стиль их использования, стиль программирования, особенности их математиче­ ского обеспечения.

Для них характерен «открытый» режим использова­ ния, который состоял в том, что математик, составивший программу, садился за пульт управления машиной и производил необходимые вычисления. Чаще всего ра­ бота за пультом была связана с отладкой своей собствен­ ной программы — наиболее емким по времени процес­ сом. Класс математика-программиста определялся его умением быстро находить и исправлять ошибки в своих программах, хорошо ориентироваться за пультом ЭВМ.

22

Этот же период характерен большим вниманием к тех­ нике составления стандартных и типовых программ, к методам накопления и использования библиотеки про­ грамм во внешней памяти машины.

В50-х годах для многих машин математиками были разработаны и внедрены в практику системы использо­ вания библиотечных подпрограмм. В это же время нача­ лась разработка входных символических языков как средства ускорения процесса составления программ и сокращения времени отладки.

В1954 г. в Советском Союзе были составлены первые программы по трансляции арифметических выражений

вкод команды машины. Эти работы были проведены А. П. Ершовым. В них принимал участие также и автор этих строк. Работы носили в это время, разумеется, чисто экспериментальный характер, так как в составе обору­ дования тогдашних машин не было средств ввода симво­ лической буквенно-цифровой информации, и символи­ ческий материал приходилось кодировать в двоичной либо в восьмеричной форме, чтобы внести его в машину.

Опыт использования машин первого поколения, опыт составления программ, их отладки и организации счета дал очень много для развития структур машин следую­ щих поколений. Прежде всего, стало ясно, что сущест­ вует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета. Стала оче­ видной диспропорция между временем, в которое ЭВМ занята вычислением, и временем, когда она исполь­ зуется для отладки. В ряде случаев для отладки про­ грамм использовалось более 50% машинного времени. Н. Винер в одной из своих статей, относящихся к концу 50-х годов, указывал на то, например, что машинный парк США эффективно используется лишь на 10%. Все это потребовало отыскивать пути для преодоления возник­ ших в этой области проблем.

Началась интенсивная разработка средств автомати­ зации программирования, создание входных языков разных уровней, создание систем обслуживающих про­ грамм, упрощающих работу на машине и увеличиваю­ щих эффективность ее использования. Это, в свою оче­ редь, потребовало значительных изменений в структурах ЭВМ, направленных на то, чтобы приблизить структуру машин к требованиям, которые возникли из опыта их

23

эксплуатации, Если с технической точки зрения переход к машинам второго поколения четко очерчен переходом на полупроводники, то с точки зрения структуры резкую

второго поколения связан с разработкой такой логики ЭВМ, которая позволяет совмещать операции по вводу и выводу с вычислениями на центральном процессоре; связан с увеличением объемов оперативного и внешних запоминающих устройств, с созданием широкоформатных алфавитно-цифровых печатающих устройств, с созданием алфавитно-цифровых устройств подготовки данных, с вве­ дением в состав команд машин средств, позволяющих более просто оперировать с нечисловой, символьной информацией.

3.2. Машины второго поколения. Итак, согласно принятому делению к машинам второго поколения отно­ сятся транзисторные машины, с расширенными возмож­ ностями по вводу-выводу, с увеличенным объемом за­ поминающих устройств, с развитыми системами програм­ мирования.

Для стиля их использования характерен так назы­ ваемый «закрытый режим», когда математик-програм­ мист не допускается в машинный зал. Свою программу, обычно записанную на языке высокого уровня, про­ граммист отдает в группу обслуживания, которая зани­ мается дальнейшей обработкой его задачи — перфори­ рованием и пропуском на машине. Для того чтобы сделать этот процесс более эффективным, необходимо прежде всего предоставить программисту или тому, кто поль­ зуется машиной — пользователю, средства автономной отладки и средства управления режимом работы задачи.

Конец 50-х годов характерен сильным развитием не только языков программирования, но, что очень важно, мониторных систем.

Современный транслятор включает три части; 1. Собственно транслятор, который готовит либо

модули загрузки (объективную программу), либо про­ грамму в машинных кодах, проводя при этом синтакси­ ческий и семантический контроль исходной информации.

2. Административную систему, которая состоит из ряда подпрограмм, работающих на стадии выполнения программы.

24

3. Мониторную систему, управляющую режимом трансляции и исполнения.

К административной системе можно отнести блоки, занимающиеся динамическим распределением памяти во время счета, подпрограммы вычисления индексов и выборки элементов из массивов, подпрограммы, органи­ зующие контроль границ массивов, подпрограммы, ор­ ганизующие передачу параметров процедурам, их вызов

иобращение к ним.

Вфункции мониторной системы входит управление режимами транслирующей и административной систем. Мониторная система получает директивы от управляю­ щих карт. Эти директивы носят характер инструкций по организации счета. Например: «оттранслировать и выдать оттранслированную программу на карты», «от­ транслировать и записать готовую программу в библио­ теку», «выдать на печать всю информацию по стадиям трансляции», «пустить задачу на счет», «пропустить про­ грамму в режиме отладки» и т. д. Приведенных примеров директив мониторной системе вполне достаточно, чтобы

понять ее назначение. Это, по существу, инструкции некоему оператору, а мониторная система играет роль этого оператора. Собственно, мониторные системы и выросшие из них современные операционные системы — вещи весьма близкие, и тем не менее, как мы увидим дальше, между ними существуют различия, позволяю­ щие рассматривать их отдельно.

3.3. Машины третьего и четвертого поколений. Ма­ шины третьего поколения, которые пришли на смену машинам второго поколения, сточки зрения своей струк­ туры отличаются значительно большими возможностями, предоставляемыми пользователю. Многие функции, вы­ полнявшиеся в машинах второго поколения программным путем, в машинах третьего поколения возложены на аппаратуру. Дальнейшее развитие в машинах третьего поколения получила система прерываний, защита па­ мяти, механизмы динамического распределения памяти. Пожалуй, одна из главных характеристик машин третьего поколения связана с появлением семейств программно-преемственных машин. Модели одного такого семейства покрывают широкий диапазон по быстродействию и производительности, предоставляют широкий выбор для экономного использования вычн-

25

ЧАСТЬ П Е Р В А Я

ОТЕЧЕСТВЕННАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Г л а в а 1

ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ НЕКОТОРЫХ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ МАШИН ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

ИИХ СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

§1. Малые электронные машины

ВСоветском Союзе серийно выпускались и выпу­ скаются сейчас следующие малые электронные вычисли­

тельные машины: «Наири», МИР (1, 2), «Проминь-М», «Проминь-2». Это — малогабаритные машины, выпол­ ненные на полупроводниках, обладают небольшим быстродействием, около 1000 операций/mc. Они служат для выполнения сравнительно несложных инженерных расчетов в КБ и НИИ. Все эти машины построены по принципу микропрограммного управления и обычно работают в режиме программно-аппаратной интерпрета­ ции входного языка, ориентированного на инженерные расчеты.

По-видимому, принцип микропрограммного управле­ ния впервые в Советском Союзе был применен при созда­ нии этих малых машин. В чем же он состоит и какое его отличие от так называемой «схемной» реализации уст­ ройств управления большинства машин второго и отчасти третьего поколений?

Выполнение любой простой операции, например сло­ жения, для машины выливается в довольно емкую после­ довательность элементарных действий: сдвигов на один разряд при выравнивании порядков, проверок условий

27

окончания выравнивания порядков, сложения мантисс, анализа цепочек переносов, проверки условий денорма­ лизации, формирования результата на сумматоре и т. д. и т. п. Такая последовательность действий управляется последовательностью сигналов, вырабатываемых уст­ ройством управления.

Если проанализировать совокупность всех элемен­ тарных действий, которые выполняются на всей сово­ купности операций, то их окажется не столь много! это главным образом сдвиги, передачи информации с од­ ного регистра на другой, логические поразрядные опе­ рации, проверки условий. Эти действия можно задавать последовательностью микрокоманд, которые, так же как и обычные команды, могут храниться в оперативной па­ мяти или в специальной памяти, допускающей быструю выборку. Тогда привычные действия, указываемые в командах большинства машин, можно программировать, задавая соответствующую последовательность микро­ команд. Сами микрокоманды построены с учетом того, чтобы информация, закодированная в них, дешифриро­ валась и «понималась» устройством управления наиболее простым способом. Каждая микрокоманда обычно зани­ мает 2—3 сотни разрядов, и каждый ее разряд несет индивидуальную логическую нагрузку, смысл которой формулируется в терминах управляющих сигналов. Например, некий разряд микрокоманды может означать сигнал очистки (обнуления) какого-то регистра, посылку сигнала в цепочку сдвигов, посылку сигнала в цепь пере­ носов и т. д. Организация управления по микропро­ граммному принципу открывает широкие возможности для гибкого изменения возможностей машины и набора тех действий, которые она выполняет. Схемное построе­ ние открывает возможность выполнять многие действия значительно быстрее, чем микропрограммирование, но суживает возможности расширения репертуара команд, жестко закоммутированных в схемах управления. Умест­

роить здание любой произвольной архитектуры, из крупных панелей можно строить здания только опреде­ ленного типа — правда, значительно быстрее.

В состав математического обеспечения малых вычи­ слительных машин входят пакеты подпрограмм, реали­

28

зующих алгоритмы, часто встречающиеся в практике инженерных расчетов.

Одним из важных достоинств малых машин является их дешевизна и простота использования. Это наклады­ вает особые условия на разработку математического обеспечения этих машин. Дешевизна по необходимости определяет существенные ограничения на технические параметры таких машин — их оборудование должно быть минимальным по стоимости и, соответственно, по объему.

Перед разработчиками математического обеспечения встает трудная задача, требующая особой изобретатель­

машины. Для решения этой задачи требуется разработка таких алгоритмов и численных методов, программы ко­ торых занимали бы минимальное место в памяти. Вторая задача — учитывая небольшое быстродействие малых ЭВМ, отыскать алгоритмы решения, требующие по воз­ можности минимального числа операций. Эти две за­ дачи обычно противоречивы: алгоритмы, минимизирую­ щие пространство памяти, как правило, увеличивают время счета. Условия для отыскания компромисса априори плохо определены, так как разработчики математического обеспечения и аппаратуры стараются создать машину широкого профиля применения. Соответ­ ственно возникает задача анализа частоты применений тех или иных численных методов в инженерных расчетах. Однако трудность состоит в том, что внедрение ЭВМ в инженерные расчеты резко меняет картину примени­ мости численных методов. Эти рассуждения общего ха­ рактера приведены для того, чтобы у читателей не созда­ лось впечатление, что понятию «малая машина» отвечает понятие «простое математическое обеспечение». В неко­ тором смысле программное оборудование малых машин более сложно.

1.1. Машины «Проминь», МИР, МИР-1 и -2. Машина «Проминь», разработанная в Институте кибернетики АН УССР под руководством академика В. М. Глушкова, представляет собой малогабаритную вычислительную машину, работающую в двоично-десятичной системе счи­ сления с 6 десятичными знаками, с плавающей запятой.

29