книги из ГПНТБ / Журавлев, Ю. П. Системное проектирование управляющих ЦВМ

Рис. 1.2.

ветствии с заданной программой и выдавать результа­ ты. Поэтому ЦВМ должна иметь:

—устройство ввода информации,

—запоминающее устройство (память),

—операционное (арифметическое) устройство,

—устройство управления,

—устройство вывода информации.

Для связи между человеком-оператором и машиной в случае стационарных систем машина снабжается пультом ручного управления.

На рис. 1.2 сплошными стрелками показаны инфор­ мационные каналы и направления передачи кодов, а пунктирными— сигнальные магистрали, по которым передаются управляющие сигналы.

У с т р о й с т в о в в о д а информации предназначено для передачи извне в запоминающее или операционное устройства ЦВМ необходимой информации.

В управляющих ЦВМ программы хранятся в памя­ ти постоянно, а вводятся только исходные данные, по­ ступающие с объектов системы уже в виде электриче­

зультатов, а также программы, в другие устройства машины. Запоминающее устройство представляет собой массив я че е к , каждая из которых может хранить одно число или представленный в цифровой форме эле­ мент программы.

20

Ячейка состоит из разрядов, предназначенных для хранения отдельных цифр. Каждой ячейке присвоен свой номер, называемый а д р е с о м .

Обычно память машины состоит из нескольких ЗУ

мять), обладающее высоким быстродействием, но не­

щее меньшим быстродействием. Во внешних запоми­ нающих устройствах хранится информация, которая

в памяти машины. В подавляющем большинстве совре­ менных ЦВМ операционные устройства работают в двоичной системе счисления, в которой все числа представляются с помощью двух цифр: 1 и 0. Числа, записанные в других системах счисления, в таких ЦВМ перед обработкой в АУ должны быть предварительно переведены в двоичную систему счисления.

В процессе переработки информации операционное устройство вырабатывает специальные сигналы, позво­ ляющие в зависимости от результата операции выби­ рать дальнейший путь вычисления.

У с т р о й с т в о у п р а в л е н и я обеспечивает авто­ матическое выполнение процесса переработки информа­ ции машиной в точном соответствии с заданной про­ граммой. Программа состоит из отдельных к о м а н д , каждая из которых содержит предписания, какую опера­ цию, над какими числами выполнить и куда отправить результат операции. Устройство управления принимает из ЗУ очередную команду, расшифровывает содержа­ щиеся в ней предписания и вырабатывает управляющие сигналы для других устройств машины, указывая, что им надлежит делать. Одновременно с выполнением опе­ рации в других устройствах машины УУ определяет адрес следующей команды, которую нужно выполнить.

ния вводом информации в машину, пуском, остановом. Пульт управления снабжен не только клавишами (кнол-

21

ками) управления, но и специальной сигнализацией, позволяющей оператору наблюдать за работой машины.

Каждое из устройств ЦВМ обладает конкретными техническими параметрами, совокупность которых опре­ деляет состав основных технических характеристик ма­ шины. К сожалению, некоторые технические характери­ стики не имеют твердо установившихся определений, что приводит к различному их толкованию. Во избежа­ ние этого неприятного обстоятельства ниже приводится система определений и понятий для основных техниче­ ских характеристик, на основе которой построено даль­ нейшее изложение материала.

В качестве элементов информации, с которыми опе­ рирует ЦВМ, выступают коды операций, коды чисел (коды мантисс, порядков, знаков), коды адресов, раз­ личные признаки дополнительных предписаний в кодах команд и т. д.

Набор разнотипных элементов информации, совокуп­ ность которых содержит предписания, определяющие характер и последовательность функционирования ЦВМ в течение некоторого промежутка времени, называется к о м а н д о й .

Топологическое расположение отдельных предписа­ ний в коде команды принято называть ф о р м а т о м к о м а н д ы .

Количество кодов адресов, содержащихся в коде команды, называют а д р е с н о с т ь ю к о м а н д ы . Раз­ личают одно-, двух-, трех- и многоадресные команды.

Если в команде не содержится ни одного адреса, то

только с одноадресными командами, называются о д н о ­ а д р е с н ы м и , только с двухадресными — д в у х а д р е с ­

ность действий, направленных на реализацию в ЦВМ всех предписаний, содержащихся в коде выполняемой команды. Образно выражаясь, можно сказать, что команда—это «приказ», а операция — его выполнение.

Множество команд с одинаковым элементом инфор­ мации, изображающим код операции, образует команды

22

бДНогб типа. Множеству команд одного типа однозначно соответствует множество операций того же типа.

Быстродействие цифровых машин, таким образом, меняется от задачи к задаче, поскольку для разных за­ дач частоты выполнения тех или иных операций раз­ личны.

Н о м и н а л ь н о е б ы с т р о д е й с т в и е Уном есть количество стандартных операций, выполняемых маши­ ной в единицу времени при реализации некоторой про­ граммы, составленной только из стандартных операций:

Бном= 1/ТсТ)

где Тот — время, приходящееся на выполнение одной стандартной операции.

В качестве стандартной может быть выбрана любая операция, входящая в систему операций машины. Часто в качестве стандартной операции выбирают операцию сложения (так называемая «короткая» операция) или операцию умножения («длинная операция»). Поэтому на практике говорят, что такая-то ЦВМ способна вы­ полнять столько-то сложений или умножений («корот­ ких» или «длинных» операций) в секунду.

Номинальное быстродействие не зависит от класса решаемых задач и позволяет ориентировочно сравни­ вать различные ЦВМ по скорости работы.

Под разрядностью ЦВМ понимается набор следую­ щих технических характеристик:

23

где Rm — разрядность знака порядка, Rn — разрядность порядка, /?зм— разрядность знака мантиссы, RM— раз­ рядность мантиссы (все в &-ичных разрядах).

В машинах с фиксированной запятой

содержащихся в коде команды.

в) Р а з р я д н о с т ь з а п о м и н а ю щ е г о у с т р о й ­ с т в а определяется максимальной длиной элемента ин­ формации, который может быть записан в одну ячейку этого устройства.

г) Р а з р я д н о с т ь о п е р а ц и о н н о г о ( а р и ф м е ­

Q=M (^-разрядных чисел).

Евыв=1/твыв (^-разрядных &-ичных чисел в секунду),

24

ность выдачи машиной правильных результатов при однократном решении задачи данного класса:

H = K r(t)P(T).

Здесь Т — полное время решения задачи указанного класса; t — момент начала решения задачи; Р(Т) — вероятность безотказной работы машины за время Т; Kr(t) — коэффициент готовности машины.

Заметим, что для помехозащищенных алгоритмов справедливо выражение

/> (п « 1 -л > т к (7 г

Определения для таких технических характеристик ЦВМ, как система счисления, форма представления чисел (с плавающей или фиксированной запятой), виды кодов, с которыми работают устройства (прямой, обрат­ ный, дополнительный), общая потребляемая мощность,

Некоторые понятия, такие, как эталонная задача, производительность ЦВМ и другие, определяются дальше.

§ 1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ УПРАВЛЯЮ Щ ИХ ЦВМ

ЦВМ можно разделить на два больших класса. Пер­ вый класс объединяет в себе ЦВМ ш и р о к о г о н а ­ з н а ч е н и я , предназначенные для решения научных, ин­ женерно-технических, планово-экономических и других народнохозяйственных задач в вычислительных и инфор­ мационно-логических центрах учреждений и предприятий страны. К машинам этого класса не предъявляются жесткие требования по времени решения задач, посколь­

25

ку расход собственного машинного времени при решении перечисленных выше задач, как правило, во много раз меньше расхода времени на математическую подготовку задачи, программирование, отладку программы и обра­ ботку результатов. Результаты решения этих задач вне­ дряются в народное хозяйство по мере обработки полу­ ченных результатов специалистами-математиками и дру­ гими научными работниками. Универсальность этих

выполняющие функции управляющих звеньев в системах автоматического управления. Главное отличие машин этого класса заключается в том, что они функционируют в реальном масштабе времени, т. е. результаты решения задач управления используются в качестве управляющих сигналов для управления объектами системы. Запазды­ вание в выработке управляющих сигналов цифровой ма­ шины не должно превышать некоторого предела, опреде­ ляемого инерционностью системы, поскольку качество управления может оказаться неудовлетворительным. Цифровые машины этого класса получили название у п р а в л я ю щ и х ЦВМ. Другие отличия управляющих ЦВМ от цифровых машин широкого назначения обуслов­ лены спецификой построения каналов связи между дат­ чиками информации и объектами системы, с одной сто­ роны, и памятью машины — с другой. Кроме того, про­ грамма работы управляющей ЦВМ составляется только один раз, после чего вводится в память машины и хра­ нится там постоянно. Глубоких структурных отличий между машинами обоих классов нет.

Существует несколько основных признаков, по кото­ рым можно различать типы цифровых машин. В качест­ ве этих признаков, как правило, выбираются важнейшие технические характеристики машины и реализуемые в ней способы переработки информации [4].

Классифицировать управляющие ЦВМ по их важней­ шему признаку — назначению — крайне трудно, посколь­ ку оно в первую очередь определяется назначением всей системы управления, а количество существующих систем управления с различным назначением достаточно вели­ ко. Тем не менее, классификация управляющих ЦВМ по ряду приведенных ниже независимых признаков (незц-

26

висимая классификация) позволяет косвенно отразит)., назначение машины.

машины с фиксированной и с плавающей запятой. В слу­ чае фиксированной запятой числа в машине представле­ ны в естественной форме, а запятая, как правило, фик­ сируется перед старшим разрядом. У машин с плаваю­ щей запятой числа представлены в нормальной форме. Каждое число задается мантиссой и порядком.

П о с п о с о б у о б р а б о т к и и п е р е д а ч и чи­

двух-, трех- и многоадресные машины, если последние оперируют с командами одной и той же адресности. Ма­ шины с переменной адресностью оперируют с команда­ ми различной адресности.

По о р г а н и з а ц и и п о р я д к а в ы п о л н е н и я к о м а н д различают ЦВМ с естественным и принуди­ тельным порядком выполнения команд.

П о с п о с о б у в р е м е н н о г о с о г л а с о в а н и я р а б о т ы о т д е л ь н ы х у с т р о й с т в различают син­ хронные и асинхронные машины. В синхронных ЦВМ каждому типу операций отводится фиксированный про­ межуток времени для выполнения, рассчитанный на мак­ симально возможную длительность реализации операций этого типа. В асинхронных машинах время, отводимое па выполнение операции, определяется фактической ее длительностью и очередная операция начинает выпол­ няться сразу же после окончания предыдущей.

П о с п о с о б у о р г а н и з а ц и и в ы ч и с л и т е л ь ­ ног о п р о ц е с с а различают одно-и многопрограммные (мультипрограммные) машины.

Многопрограммные ЦВМ, в свою очередь, делятся на машины с разделением времени и машины с конструк­ тивным разделением процессов.

Первые из них обладают, как правило, развитой си­ стемой прерываний программ по приоритетам и способ­ ны поочередно обрабатывать по разным программам по­

27

ступающую от различных источников информацию в за­ висимости от очередности и важности последней.

ЦВМ с конструктивным разделением процесса вычи­ слений но своим характеристикам приближаются к ком­ плексам вычислительных средств. Они имеют несколько операционных устройств, способных одновременно обра­ батывать информацию по нескольким различным про­ граммам.

По б ы с т р о д е й с т в и ю различают машины с ма­ лым, средним и большим быстродействием соответствен­

Здесь уместно отметить, что эти цифры весьма услов­ ны, поскольку с каждым годом они все больше и больше отстают от реального быстродействия, достигнутого луч­ шими образцами ЦВМ. В настоящее время известны ма­ шины с номинальным быстродействием в сотни миллио­ нов операций в секунду.

По у с л о в и я м э к с п л у а т а ц и и Ц В М делятся на стационарные и мобильные. К последним, в частно­ сти, относятся управляющие машины, предназначенные для управления движением подвижных объектов.

По т и п у п р и м е н я е м ы х э л е м е н т о в разли­ чают релейные, пневматические, ламповые, полупровод­ никовые машины, а также машины, построенные на ин­ тегральных схемах или оптических элементах.

Количество признаков, по которым можно проводить классификацию, условно. Например, можно различать ЦВМ по габаритам, весу, потребляемой мощности, стои­ мости изготовления и эксплуатации и т. д.

По приведенным выше десяти независимым призна­ кам можно классифицировать и ЦВМ широкого на­ значения.

Подобная классификация все же не позволяет опи­

признаков указывают на особенности не только машины в целом, но и на особенности ее важнейших компо­ нент— операционных устройств, памяти и устройств управления. В то же время некоторые независимые признаки (или характеристики) этих устройств могут существенно дополнить перечень сведений о той или иной ЦВМ. Например, сообщение: «стационарная двух­

28

адресная ЦВМ параллельного действия с фиксирован­ ной запятой на интегральных схемах, асинхронного типа», составленное по независимым признакам класси­ фикации ЦВМ, несет в себе меньше информации по сравнению с сообщением: «стационарная двухадресная ЦВМ параллельного действия с фиксированной запятой, с операционным (арифметическим) устройством комби­ нированного типа, работающим с обратными кодами чисел и построенным па основе сумматоров комбина­ ционного типа, и с центральным устройством управле­ ния асинхронного типа», так как последнее содержит в себе дополнительные сведения о составе и структуре важнейших устройств машины.

Ниже приводится независимая классификация опе­ рационных устройств, а также устройств управления. Классификация ЗУ приводится в гл. 5.

а) Классификация арифметических устройств. В ос­ нову приведенной ниже классификации положены наи­ более существенные признаки АУ, как-то:

—тип операционного блока,

—форма представления чисел,

—способ обработки информации,

—тип сумматора,

—тип элементов, на основе которых выполнено АУ.

По т и п у о п е р а ц и о н н о г о б л о к а различают:

—блочные,

—универсальные,

—комбинированные АУ.

Бл о ч н ы е АУ имеют несколько специализирован­ ных операционных блоков, каждый из которых пред­ назначен для выполнения, как правило, одной опера­

операционный блок, обеспечивающий выполнение лю­ бой заданной операции. Такие АУ более просты по уст­ ройству, но имеют меньшее быстродействие по сравне­ нию с АУ блочного типа.

В к о м б и н и р о в а н н ы х АУ используются, как правило, один или несколько специализированных бло­ ков, способных выполнять отдельные сложные опера­ ции — умножение, деление или извлечение корня, и универсальный блок, с помощью которого выполняются все остальные арифметические и логические операции.

29