книги из ГПНТБ / Основы технической эксплуатации ЭЦВМ

Ay комбинированного типа изображена на рис. 1-2. ТаН как в ЭЦВМ все математические операции могут быть сведены к алгебраическому сложению, то основной ча­ стью такого АУ является сумматор, выполняющий опе­ рацию сложения двух чисел. Для хранения исходной информации используются приемные регистры, а для

Исходные числа из ОЗУ

Рис. 1-2. Структурная схема АУ комбинированного типа.

хранения результатов арифметических операций — ре­ гистр результата операции. Выработка определенной последовательности сигналов, каждый из которых воз­ действует на соответствующий функциональный элемент АУ, осуществляется блоком управления АУ. Выработка управляющих сигналов в блоке управления АУ произ­ водится под воздействием кода операции, поступающего в АУ из устройства управления ЭЦВМ.

Арифметические устройства комбинированного типа получили большее распространение, чем АУ блочноготи-

10

па, так как их техническая реализация требует меньше­ го количества оборудования. Однако для увеличения быстродействия АУ блочного типа обладают значительна большими потенциальными возможностями.

Естественно, что в зависимости от состава арифмети­ ческих и логических операций, методов их выполнения, принятой системы счисления, разрядности чисел, формы их представления (с фиксированной или плавающей за­ пятой) будут меняться состав АУ и основные его харак­ теристики.

По типу применяемых сумматоров АУ делятся на комбинационные, накапливающие и комбинационно-на- капливающие. ■Элементарные сумматоры комбинацион­ ного типа имеют два входа. На каждый вход поступает сигнал, который соответствует коду числа, участвующе­ го в выполнении требуемой операции. Если пренебречь переходным процессом в схеме комбинационного сум­ матора, то результат на выходе устройства появляется практически одновременно с поступлением сигналов на входах.

Существенной особенностью комбинационного сум­ матора является то, что результат на выходе устрой­ ства появится только при одновременном поступлении сигналов на каждый из входов. При снятии сигнала, хо­ тя бы с одного из входов, результат на выходе мгно­ венно исчезает.

Сумматоры накапливающего типа содержат элемен­ ты памяти, поэтому сумма на их выходе сохраняется после съема входных сигналов. При сложении на вход накапливающего сумматора подается одно число, кото­ рое прибавляется к хранимой сумме и изменяет ее зна­ чение.

Результат на выходе накапливающего сумматора хра­ нится до прихода специального стирающего сигнала. В современных АУ можно встретить сочетание схем на­ капливающих и комбинационных типов.

По способу приема чисел в арифметическое устрой­ ство- и характеру выполнения в нем операций над разрядами чисел различают АУ: параллельного, по­ следовательного и последовательно-параллельного действий.

В АУ параллельного действия время приёма числа равно времени ввода одного разряда, так как все раз­ ряды вводятся в устройство одновременно. Действия над

11

кодами чисел также производятся во всех разрядах од­ новременно.

В АУ последовательного действия разряды вводимо­ го в устройство числа поступают последовательно один за другим. Действия над кодами чисел также произво­ дятся последовательно разряд за разрядом.

Арифметическое устройство параллельного действия является по сравнению с АУ последовательного дейст­ вия более быстродействующим, однако АУ параллель­ ного действия требует значительно больше входных каналов и аппаратуры.

В АУ параллельно-последовательного действия по­ ступление разрядов чисел может осуществляться после­ довательно, а операции над числами выполняться парал­ лельно.

Основными характеристиками АУ являются быстро­ действие и состав выполняемых устройством арифмети­ ческих и логических операций.

Развитие схем АУ идет по пути увеличения быстро­ действия, уменьшения габаритов и повышения надежно­ сти.

Запоминающее устройство (ЗУ) служит для приема, хранения и выдачи в другие устройства машины число­ вой информации. Под числовой информацией понимают­ ся исходные данные, промежуточные результаты вычис­ лений, постоянные величины, значения табличных функ­ ций, команды программы и окончательные результаты решения.

Основными характеристиками ЗУ являются емкость, характеризуемая количеством кодовой информации, которая может одновременно храниться в нем, время обращения к ЗУ, характеризуемое скоростью приема и выдачи чисел и команд, и надежность, характеризуемая достоверностью хранящейся в ней информации.

Работу ЗУ при записи и считывании информации можно проследить по структурной схеме ЗУ, представ­ ленной на рис. 1-3. Основной частью ЗУ является нако­ пительный блок, предназначенный для непосредственно­ го хранения числовой информации.

По сигналу считывание, подаваемому от устройства управления (УУ) ЭЦВМ в блок управления ЗУ, код адреса числа, которое требуется выбрать из ЗУ, посту­ пает на регистр адреса. Далее по командам от блока управления ЗУ производится расшифровка адреса, и

12

с помощью блока считывания выбранное из накопитель­

гіодовы'е

шины

числа

Рис, 1-3. Структурная, схема запоминающего устройства.

13

действующие на накопительную среду, и записывается ■по заданному адресу.

В конкретных ЗУ возможны некоторые отклонения от рассмотренной типовой схемы.

По назначению ЗУ делятся на внутренние- и внеш­ ние. Внутренние ЗУ обладают значительно большим по сравнению с внешним ЗУ быстродействием, но обладают относительно небольшой емкостью. Время обращения к внутреннему ЗУ составляет несколько микросекунд и даже долей микросекунды при емкости от сотен слов до нескольких десятков, а иногда и сотен тысяч слов.

Внутреннее ЗУ может состоять из оперативного и долговременного запоминающих устройств (ОЗУ и ДЗУ). В ЭЦВМ, предназначенных для решения широкого круга задач, внутреннее ЗУ, как правило, представлено только оперативным запоминающим устройством. Опе­ ративное ЗУ обычно работает непосредственно с АУ при выполнении арифметических и логических операций и используется для запоминания промежуточных резуль­ татов вычислений, а также той части информации, взя­ той из внешнего ЗУ, которая необходима для производ­ ства текущих вычислений. Скорость работы ОЗУ долж­ на быть соизмерима с работой АУ. Оперативное ЗУ выполняется таким образом, чтобы в него можно было

В более ранних типах вычислительных машин ОЗУ выполнялись на линиях задержки, а затем на электрон- нр-лучевых трубках. Оперативные запоминающие уст­ ройства современных ЭЦВМ строятся на ферритовых сердечниках с прямоугольной петлей гистерезиса. В ОЗУ на ферритовых сердечниках сочетаются сравни­ тельно большие скорости работы, высокая надежность и малые габариты.

Ферритовые тороидальные сердечники располагают­ ся правильными рядами в виде плоской, или пространст­ венной решетки. Каждый сердечник служит для запоми­ нания одной двоичной цифры. В зависимости от направ­ ления намагничивания в сердечнике записываются нуль или единица.

14

Запись и считывание записанной информации осуще­ ствляются путем намагничивания сердечников с помо­ щью токов, пропускаемых по проводам, которые прони­ зывают эти сердечники. Каждый из проводов, пронизы­ вающих тороид, образует для данного сердечника один виток обмотки.

Оперативные ЗУ на ферритовых сердечниках разли­ чаются по способу расположения сердечников, схемам их соединения и принципам формирования сигналов записи и считывания. В настоящее время наибольшее распространение получили два типа ОЗУ, различающих­ ся по принципу формирования сигналов записи и считы­ вания. Это ОЗУ матричного типа и ОЗУ типа Z.

В ОЗУ матричного типа все сердечники пронизыва­ ются двумя проводами, выполняющими функции пер­ вичных обмоток. Эти провода, именуемые координатны­ ми или адресными шинами, позволяют выбрать задан­ ный сердечник с целью записи или считывания из него информации. Считывание информации будет происхо­ дить в результате совместного действия токов в коорди­ натных шинах1. Для выдачи считываемых двоичных цифр всех чисел одного разряда служит специальный провод, пронизывающий последовательно все сердеч­ ники и выполняющий функции вторичных обмоток.

может произойти только в одном выбранном сердечни­ ке. Таким образом, в ОЗУ матричного типа функции выбора и хранения информации совмещаются в одном элементе.

В отличие от ОЗУ матричного типа, в которых функ­ ции выбора и хранения информации совмещаются в од­ ном элементе, в ОЗУ типа Z эти функции при считыва­ нии полностью разделены. В таких ОЗУ считывание осуществляется е помощью специальных - ключей, что позволяет выработать мощный сигнал считывания. При выборе заданного ключа в его выходной обмотке, на­ груженной на ряд запоминающих сердечников-, служа­ щих для хранения кода одного числа, возникает ток,

1 Величина токов выбирается такой, чтобы один ток не пере­ магничивая сердечник, а два тока, действующих одновременно, пере­ магничивали его.

15

который перемагннчивает сразу все сердечники выбран­ ного числа. В обмотки остальных запоминающих сер­ дечников этот ток не попадает и нарушения хранящей­ ся в них информации не происходит. Такой метод вы­ борки позволяет осуществлять считывание чисел боль­ шими токами, что уменьшает время считывания. В ОЗУ типа Z запись информации производится по принципу совпадения полутонов в первичных обмотках соответст­ вующего запоминающего сердечника.

Недостатком ОЗУ на ферритовых сердечниках явля­ ется зависймость их магнитных свойств от температуры.

Развитие схем ОЗУ идет по пути повышения их быстродействия. Повышение быстродействия достигает­ ся за счет применения быстродействующих элементов (например, на тонких магнитных пленках), за счет со­ вмещения во времени отдельных этапов работы, пост­ роения многоступенчатой системы памяти и т. д.

В последние годы в некоторых вычислительных ма­ шинах наряду с оперативным ЗУ применяют сверхопе­ ративное ЗУ, используемое для храпения только той части информации, к которой при решении задачи при­ ходится наиболее часто обращаться. Сверхоперативные ЗУ строятся на быстродействующих элементах и имеют емкость до нескольких сотен слов.

Долговременное запоминающее устройство (ДЗУ), именуемое иногда односторонним накопителем или по­ стоянной памятью, служит для хранения программ специализированных машин, стандартных подпрограмм вычисления часто встречающихся функций, констант и других величин, остающихся неизменными в течение всего времени эксплуатации этого устройства. Информа­ ция закладывается в ДЗУ во время изготовления уст­ ройства и при многократном считывании не разрушает­ ся. Иными словами, ДЗУ работает односторонне, толь­ ко выдавая хранимую информацию, но не принимая ее. В связи с этим в ДЗУ отсутствует аппаратура для записи и перезаписи информации. Отсутствие операции записи и перезаписи информации позволяет выполнить ДЗУ более быстродействующим, а уменьшение количе­ ства аппаратуры в нем по сравнению с ОЗУ делает долговременное запоминающее устройство более про­ стым по конструкции и меньшим по габариту.•

Долговременные ЗУ используются главным образом в ЭЦВМ специального назначения. Правда, в последнее

16

Время ДЗУ встречаются п в некоторых вновь разраба­ тываемых универсальных ЭЦВМ.

. Долговременные ЗУ могут быть выполнены на фер­ ритовых тороидальных сердечниках с прямоугольной петлей гистерезиса, собранных в матрицы, соответствую­ щим образом 'прошитых. Кроме того, ДЗУ выполняются

состояний.

Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) связано с ОЗУ и по мере необходимости между этими устройст­ вами производится обмен информацией. Из ВЗУ в ОЗУ выдаются данные, необходимые для выполнения оче­

Внешнее ЗУ позволяет хранить в течение значитель­ ных промежутков времени большой объем информации, измеряемый в некоторых машинах несколькими милли­ онами, а иногда и десятками миллионов чисел.

При большой емкости ВЗУ скорость записи и считы­ вания информации из него значительно меньше, чем в ОЗУ. Среднее время поиска информации в ВЗУ может доходить до нескольких минут, поэтому для сокраще­ ния времени решения задачи обмен информацией между ВЗУ и ОЗУ производится сравнительно большими груп­ пами чисел.

Применяемые в настоящее время в ЭЦВМ ВЗУ вы­ полняются на магнитных лентах, барабанах или дисках. Запись, считывание п стирание информации осуществ­ ляются с помощью магнитных головок. При записи им­ пульсы тока, проходящие через обмотку магнитной головки, создают в ее сердечнике магнитный поток, ко­ торый, замыкаясь через движущийся носитель, намаг­ ничивает небольшую его область непосредственно под головкой. В зависимости от наличия или отсутствия тока либо от направления тока в обмотке на магнитном но­ сителе будут записываться коды единиц и нулей. При считывании намагниченный участок носителя, попадая в процессе движения под головку, навбдит в ее обмотке э. д. с., соответствующую информации, записанной на носителе. Магнитный носитель может использоваться многократно. Стирание ненужной информации обычно

2 — 180

Осуществляется специальной магнитной головкой. Вели­ чину зазора между головкой и носителем стремятся вы­ полнить по возможности минимальной (в современных внешних запоминающих устройствах она имеет, порядок 10—50 мкм).

Запись информации на носитель можно осуществ­ лять либо с размагничиванием, когда магнитный мате­ риал носителя будет иметь одно из трех состояний (по­ ложительное, отрицательное и нулевое), либо с перемагничиванием, когда магнитный материал носителя будет иметь только два состояния (положительное и отрица­ тельное). Второй способ предпочтительнее, так кай по­ зволяет получить более высокие скорости работы и яв­ ляется более надежным.

Как говорилось выше, ВЗУ имеют очень большую емкость, а емкость ВЗУ на магнитных лентах практиче­ ски неограничена, так как ленты с записанной на них информацией являются сменными. Вообще, емкость ВЗУ на магнитных лентах, барабанах и дисках зависит от их размеров, от методов записи и конструкции маг­ нитных головок.

Внешние ЗУ на магнитных лентах, барабанах и дис­

с большими скоростями. При этом должны соблюдаться постоянная скорость и величина зазора между головка­ ми и носителем. Серьезной проблемой является переза­ пуск магнитного барабана после его даже кратковре­ менной остановки, так как, во-первых, требуется время, чтобы барабан остыл, в противном случае при жестком креплении головок его поверхность может получить ме­ ханические повреждения и, во-вторых, требуется значи­ тельное время для того, чтобы барабан приобрел свою динамическую форму, способствующую правильному функционированию (установление необходимых зазоров по всей образующей барабана).

Кроме внутреннего и внешнего ЗУ в ЭЦВМ, связан­ ных с источниками и потребителями информации, иног­ да применяют промежуточное ЗУ, чаще всего именуемое буферным запоминающим устройством (БЗУ).-

18

ЗУ на магнитных лентах, барабанах и дисках, а также ЗУ на ферритовых сердечниках.

Характерной особенностью БЗУ является наличие независимых каналов по приему и выдаче информации, а также отсутствие регенерации при считывании, так как информация в БЗУ подлежит однократному исполь­ зованию.

Устройство управления (УУ) предназначено для автоматического управления ходом вычислительного процесса. С помощью устройства управления в машине решаются следующие задачи:

синхронизация работы всех устройств; обеспечение выполнения операций по 'заданной про­

грамме (выборка очередной команды из ЗУ, хранение команды в течение цикла, преобразование адресной и

машины довольно трудно, так как УУ органически свя­ зано со всей машиной и воплощает в себе большинство характерных особенностей ее структуры. При рассмотре­ нии УУ следует иметь в виду, что его структура зави­ сит от системы ■команд, порядка их выборки, формы представления чисел, структуры команды, типов уст­ ройств, входящих в состав машины, и т. д. Существен­ ное влияние на структуру и принцип действия УУ ока­ зывает применяемый в машине способ управления выполнением операций. По способу управления выпол­ нением операцией современные ЭЦВМ делятся на син­ хронные, асинхронные и смешанные.

Синхронные машины имеют жесткий цикл, т. е. с помощью УУ в таких машинах на выполнение любой команды отводится вполне определенное время. В син­ хронных машинах для выработки управляющих сигна­ лов используется одно устройство управления, имену-1 емое обычно центральным. Одним из основных блоков такого устройства является блок формирования такта.