книги из ГПНТБ / Мясников, В. А. Программное управление оборудованием

Мини-ЭВМ отличаются от прочих ЭВМ (малых, средних, боль­ ших) укороченной длиной машинного слова, меньшими габари­ тами, более ограниченными вычислительными возможностями и существенно меньшей ценой. По данным США за 1970—1971 гг., благодаря внедрению более усовершенствованных технологиче­ ских конструцпй и в результате конкурентной борьбы между фир­ мами цена мини-ЭВМ с длиной слова 8—24 разряда снизилась примерно в три раза. Спрос на мини-ЭВМ постоянно увеличива­ ется, а области их применения расширяются. Они незаменимы при управлении в реальном масштабе времени и с успехом заме­ няют большие ЭВМ и различные электронные логические системы.

22. СТРУКТУРА МИНИ-ЭВМ

Автоматизация отраслей народного хозяйства развивается в направлении создания иерархических автоматизированных систем управления и обмена информацией. Эти системы требуют

куда стекается из нижних ступеней большое количество предвари­ тельно обработанной информации, нужны вычислительные центры для ее переработки. Эти центры должны быть оснащены вычисли­ тельными комплексами высокой производительности с большими объемами оперативных и внешних запоминающих устройств, способными работать в режиме разделения времени.

На низших ступенях иерархии — для сбора первичной инфор­ мации управления непосредственно технологическими и хозяй­ ственными объектами — требуются массовые средства вычисли­ тельной техники, предназначенные для работы в реальном времени. Основные требования к этим средствам — небольшая стоимость, простота обслуживания и высокая надежность.

Эти средства должны непосредственно связываться с управля­ емым объектом, обеспечивать связь с оперативным персоналом объекта и с системами управления внешних ступеней иерар­ хии. Логическая организация должна предусматривать воз­ можность значительного расширения функций систем, их модер­ низации.

Этим требованиям наилучшим образом соответствуют совре­ менные мини-ЭВМ, на основе которых строятся управляющие вычислительные комплексы низших ступеней иерархии систем управления.

Управляющие вычислительные комплексы строятся по модуль­ ному принципу, позволяющему компоновать системы различного объема и функционального назначения из набора унифицирован­ ных устройств. Особенности функционирования этих комплексов определяются центральными процессорами. Процессоры представ-

182

ляют собой цифровые вычислительные мини-машины (мини-ЭВМ), снабженные системой прерываний и стандартизованными сопря­ жениями с памятью и внешними устройствами. Теоретически любая такая ЭВМ способна выполнять функции обмена информацией и управления любым объектом при условии, что она обладает доста­ точной производительностью и достаточно быстрой реакцией на внешние запросы с объекта. Однако, поскольку задачи обмена информацией и ее переработки в реальном времени для объектов различного типа имеют свою специфику, то целесообразно иметь несколько моделей мини-процессоров, специализированных каж­ дый для определенного класса объектов.

Первичные объекты автоматизации можно разделить на два типа.

Первый тип характеризуется переработкой информации от дат­ чиков физических величии. Это — непрерывные технологические процессы, системы автоматизации физического эксперимента и т. п. Для этих объектов возможна автоматизация с полным (или почти полным) исключением человека из контура процесса.

Второй тип объектов характерен тем, что в них процессы вклю­ чают человека в качестве обязательного звена. Это — сборочные цехи заводов, склады, магазины и т. п.; обмен информацией в таких системах управления производится через человека (в виде запросов с рабочих мест о требуемых деталях или товарах, ввода данных об их наличии и т. п.). Если обмен информацией между машиной и человеком происходит часто, а сложность вычислений невелика, то для таких объектов целесообразно применять мини-процессоры, работающие в двоично-десятичном коде. Подобные ЭВМ также весьма эффективны для выполнения экономических и финансовых расчетов, замены счетно-перфорационной аппаратуры на машино­ счетных станциях.

Непрерывные технологические процессы весьма разнообразны по функциям и сложности. Определяющие требования к сред­ ствам вычислительной техники для этих объектов — высокая на­ дежность и невысокая стоимость. Поэтому здесь целесообразно построение систем контроля и управления на основе мини-ЭВМ и мини-процессоров с закоммутированным алгоритмом или про­ граммой.

Мини-машины получили бурное развитие за рубежом в течение последних 10 лет. Первые мини-ЭВМ создавались в расчете на мас­ сового потребителя, который в большинстве случаев нуждался в решении сравнительно несложных задач и не располагал сред^ ствами для покупки мощных дорогих машин. Поэтому развитие мини-машин шло под девизом: минимальная стоимость и макси­ мальная простота обслуживания за счет небольшой разрядности и схемной простоты.

Решение этих задач оказалось возможным при появлении на рынке сравнительно недорогой ферритовой памяти большого быстродействия. Это позволило (при сохранении достаточной

183

скорости решения задач) ограничить систему команд машины мини­ мальным числом простейших операций с выполнением более слож­ ных операций программным путем. Аппаратную часть машины стремились по возможности сократить с целью удешевления и упрощения. В состав минимального комплекта таких машин обычно входит процессор с кубом ферритовой памяти не более 4 тыс. слов и телетайп.

С самого начала развития мини-машин выяснилась исключи­ тельная эффективность их применения в системах управления в реальном времени. В первую очередь это касалось локальных систем сбора и первичной обработки информации с объектов в ре­ альном времени с небольшим числом входных данных. Поэтому уже первые мини-машины, как машины третьего поколения, имели возможность расширения памяти и функций путем подключения значительного числа различных периферийных устройств (как ввода-вывода цифровой информации, так и связи с объектом и опе­ ратором, а также снабжались системой приоритетного преры­ вания.

Аппаратные (схемные) упрощения, вызываемые стремлением уменьшить стоимость мини-машин и вполне оправданные в неболь­ ших управляющих системах, при применении мини-вычислителей для более сложных объектов приводят к созданию недостаточно эффективных систем с невысокой производительностью и повышен­ ной стоимостью. При еще большем усложнении систем такие ма­ шины оказываются уже неэффективными.

Последнее является следствием того, что ограниченные воз-, можности адресации и недостаточно удачный подбор команд, кото­ рый в первых мини-машинах объяснялся отсутствием опыта их применения в больших системах, приводят к резкому снижению производительности и неэкономному использованию ферритовой памяти машины, необходимый объем которой с усложнением си­ стемы сильно возрастает.

Развитие мини-машин в последние годы сопровождалось сни­ жением стоимости логических элементов благодаря разработке

иосвоению технологии интегральных схем. Следует ожидать, что

вближайшие годы снижение цен на логические элементы будет продолжаться; что же касается оперативных ЗУ, то темпы сниже­ ния их стоимости вряд ли повысятся.

Стоимость МОЗУ составляет значительную долю от стоимости мини-машины. Это особенно сказывается при применении минимашин в системах управления сложными технологическими объек­ тами, требующих больших объемов ЗУ. При быстром снижении стоимости логических элементов по сравнению со стоимостью МОЗУ сокращение логических возможностей процессоров для снижения стоимости систем в значительной степени теряет свой смысл, ибо повышение логических возможностей, достигаемое увеличением числа недорогих логических элементов, экономит объем сравнительно дорогого МОЗУ, что в конечном итоге приво­

184

дит к снижению стоимости всей системы при существенном повы­ шении ее производительности.

Поэтому в последних, наиболее современных мини-машинах уже не стремятся предельно упростить логику. Их выполняют малоразрядиымп (экономия МОЗУ), ио с гибкой системой .адресации, значительным числом рабочих регистров, которым для гибкости придается универсальное назначение. На основе накопленного опыта применения в автоматизированных системах управления в реальном времени процессоры снабжаются специализирован­ ными командами, наряду с аппаратными методами, позволяющими более рационально организовать многопрограммный режим ра­ боты в реальном времени, добиться экономии МОЗУ в организации программ. Примерами таких ЭВМ являются мини-машины

SUPERNOVA («Data General»), GE-PAC 30-1, 30-2 («General Electric»), PDP-11 («Digital Equipment»).

Новые тенденции в современных мини-машинах наметились

нв организации сопряжений с внешними устройствами (интер­ фейса).

Внастоящее время одной из наиболее перспективных считается одношинная структура интерфейса, в которой процессор, МОЗУ

нвсе внешние устройства подключаются к одной (многопроводной) шине.

Такая система интерфейса обладает исключительной гибкостью. Общая шина позволяет осуществлять связь между любыми подклю­ ченными к ней устройствами, минуя процессор, в том числе между любым из устройств и ферритовой памятью. Асинхронный принцип связей по общей шине позволяет применить в системе устройства

различного быстродействия, допускает постепенную модернизацию системы в процессе эксплуатации путем замены одних устройств другими, более быстродействующими, без каких-либо пере­ делок.

Интерфейс на основе общей шины, достаточно простой по схеме, позволяет удобно компоновать различные системы, в том числе многопроцессорные, образуя системы из малых вычислителей, в ряде случаев конкурентноспособные по производительности с большими вычислительными машинами, но значительно более экономичные.

Производство мини-ЭВМ за рубежом бурно растет. Только в США их выпуском занимается около 100 фирм. Большое число производителей таких машин имеется в Японии, Англии, Франции и других странах. Они применяются главным образом в качестве локальных вычислителей для решения научных и технических задач, обработки экономической и финансовой информации, управления производственными процессами, а также в качестве буферных машин для ввода информации в большие вычислитель­ ные комплексы с предварительной ее обработкой. В связи с разно­ образием областей применения выпускаются мини-ЭВМ различных классов.

185

По данным [1 ], в США мини-ЭВМ применяются в следующих сферах:

На примере мини-машины PDP-8 (табл. 9) покажем, какие из­ менения произошли в производстве мини-машии в США в период с с 1965 по 1972 г.

Из таблицы видно резкое снижение цен от PDP-8 (18 тыс. долл.)

ее производительности: ЭВМ была оснащена медленной па­ мятью и последовательной арифметикой. В PDP-8/I использова­ лись интегральные схемы. Это не привело к повышению производи­ тельности по сравнению с PDP-8, однако РДР-8/1 стоила несколько дешевле и имела меньшие габариты. ЭВМ PDP-8/L примерно во столько же раз была дешевле PDP-8/I, во сколько PDP-8/S де-

186

шевле PDP-8, причем ее характеристики ие ухудшились. Послед­ ними вариантами машины PDP-8 были следующие: PDP-8/E — ЭВМ с шинной организацией (с одной или двумя системами шин) и запоминающим устройством объемом 32К; PDP-8/F — ЭВМ с од­ ной системой шин и запоминающим устройством объемом 16К; PDP-8/M — ЭВМ, предназначенная для использования в качестве подсистемы в больших системах и поэтому имеющая упрощенный пульт ручного управления и индикации.

Приведем основные характеристики одной из современных ми­ ни-машин — Wang-2200 («Wang Laboratories Inc.»), отличающейся большими возможностями и экономичностью. Языком программи­ рования в этой ЭВМ служит BASIC. Транслятор с этого языка раз­ мещается в постоянном ЗУ емкостью 4К, которая по желанию за­ казчика может быть увеличена до 32КРабочие программы ие зани­ мают значительного объема памяти благодаря использованию эко­ номного метода кодирования операторов. Например, оператор ПЕЧАТЬ занимает всего один байт и при записи программы вво­ дится одним нажатием клавиши. Такой метод кодирования почти удваивает емкость памяти по сравнению с обычной системой.

Машина оснащена алфавитно-цифровым дисплеем, позволяю­ щим воспроизводить на экране 16 строк программы (по 64 символа в каждой). По команде можно отображать на экране любой кусок программы, просматривая ее в прямом и обратном направлениях. При прямом просмотре перед оператором автоматически проходит все содержимое памяти.

Кассетное ЗУ на магнитной ленте рассчитано на работу в режи­ мах считывания, записи и модификации программ. Оно постав­ ляется по дополнительному заказу и служит в качестве файла про­ грамм и данных, которые можно извлекать из этого файла по их наименованиям. Для выполнения этих операций обычно требуются два лентопротяжных механизма. Применение дополнительных лентопротяжных механизмов позволяет увеличивать эффектив­ ность использования файлов.

В качестве устройств ввода-вывода можно использовать кла­ вишные пульты, быстродействующие печатающие устройства. Кроме того, для печати можно использовать графопостроитель, воспроизводящий также и буквы. В общей сложности машина может управлять 15 внешними устройствами. Цена ЭВМ Wang-2200 менее 7 тыс. долл.

23. ОРГАНИЗАЦИЯ УПРАВЛЯЮЩЕГО КОМПЛЕКСА НА ОСНОВЕ МИНИ-ЭВМ

Структура комплекса

Рассмотрим структуру некоторого управляющего комплекса на основе мини-машины [57]. Составными элементами комплекса являются процессор, модули оперативной памяти и внешние устрой­

187

ства, которые подключаются к единственному в системе, парал­ лельному, быстрому, асинхронно действующему каналу передачи данных \ называемому общей шиной [53, 54].

Использование общей шипы для объединения всего оборудова­ ния комплекса в систему обеспечивает определенные преимущества по сравнению с вычислительными системами, имеющими традицион­ ную системную структуру, при которой в большинстве случаев требуются три отдельные шины (канала): для связи оперативной памяти с центральным процессором, для программно-управляемых ввода-вывода и для прямого доступа в оперативную память.

На рис. 101 приведена упрощенная блок-схема комплекса с об­ щей шиной, а на рис. 102 — блок-схема системы с традиционной структурой.

Общая шина позволяет эффективно выполнять операции (в том числе с внешними устройствами), легко расширять и модернизи­ ровать ЭВМ:

Однотипная структура обеспечивает единый метод связи для всех устройств комплекса.

Общая шина, являющаяся единственной магистралью во всем комплексе и объединяющая все устройства в систему, позволяет иметь общий для всех устройств комплекса алгоритм связи и, сле­ довательно, унифицированную аппаратуру сопряжения. Процес­ сор использует установленный набор сигналов связи для работы с оперативной памятью и внешними устройствами. Внешние уст­ ройства также используют этот набор сигналов для связи с про­ цессором, памятью и другими внешними устройствами, подклю­ ченными к шине.

Одношинная структура обеспечивает способ адресации внешних устройств, при котором для операций ввода-вывода используются не специальные инструкции ввода-вывода, а инструкции обраще­ ния к памяти.

Модули памяти (оперативные пли постоянные ЗУ), подключае­ мые к общей шине, имеют возрастающие адреса ячеек, начиная с нулевого, в то время как регистры внешних устройств (в том числе и регистры процессора) имеют уменьшающиеся адреса, начи­ ная с максимально возможного.

Как правило, количество адресов в модулях памяти составляет несколько тысяч, но для работы большинства простых внешних устройств комплекса требуются всего два адреса (один — для ука­ зания буферного регистра данных и другой — для регистра управ­ ляющего слова) и до шести адресов — для более сложной аппара­ туры типа накопителей на магнитных дисках (НМД) или лентах

(НМЛ).

Структура с общим каналом позволяет процессору рассматри­ вать регистры внешних устройств (ВНУ) как активные ячейки

1 Здесь и далее всю информацию, передаваемую по параллельным линиям

связи, будем для удобства называть данными, хотя это может быть информация о состоянии устройства или информация, связанная с управлением.

188

Рис. 101. Упрощенная блок-схема вычислительного комплекса с общей шиной:

МРА — модуль расширения арифметики; НМД — накопитель на магнитных дисках; УВАС —■устройство ввода аналоговых сигналов; УВДС — устройство ввода дискретных сигналов; УВКУ — устройство выдачи команд управления; СПР — система прерываний; УВПЛ — устройство ввода с перфоленты; УВДПЛ — устройство выдачи на перфоленту, УВВПМ — устройство ввода-вывода на печатающую ма­ шинку; АКЭП — абонентский комплекс экранных пультов

Рис. 102. Блок-схема вычислительного комплекса с несколькими шинами.

Обозначения те же, что и на рис. 101

оперативной памяти п обращаться к ним с помощью инструкций обращения к памяти. Таким образом, специальные инструкции ввода-вывода становятся ненужными.

Достоинство принятой схемы обращения к ВНУ состоит в том, что процессор может оперировать данными из регистров внешних устройств непосредственно, без предварительной пересылки их в память, используя для этого весь список инструкций и все воз­

Данные могут передаваться из одного буферного регистра в дру­ гой через общую шину, обходя центральный процессор (его реги­ стры) полностью. Благодаря этому возникают не все прерывания и общая производительность процессора увеличивается.

Все устройства комплекса в том числе процессор, подключаются к соответствующим проводам общей шины параллельно, как пока­ зано на рис. 103. Большинство проводов шины служит для двусто­ ронней передачи сигналов. Это означает, что входные провода могут действовать и в качестве выходных, поэтому один и тот же регистр внешнего устройства может использоваться как для ввода, так и для вывода данных. Небольшая часть проводов предназна­ чается для односторонней передачи сигналов и используется в схеме анализа приоритетов устройств.

Обмен между любой парой устройств, подключенных к общей шине, производится по принципу задатчик—исполнитель. При этом только одно устройство может управлять шиной. Это устройство именуется задатчиком. Задатчик всегда управляет работой шины при обмене данными с другим устройством — исполнителем. Ти­ пичным примером такой взаимосвязи является выборка процессо-

190