книги из ГПНТБ / Основы вычислительной техники учебник
..pdf
«коитрзяьггьш эчземлдяр!
681.3
0—75
О сновы
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
Т Е Х Н И К И
Учебник
Под редакцией кандидата технических наук, доцента М. А. Иващенко
МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ СССР
1974
УДК 681.3 0—75
»ГЧ-» гг■""н чга я |
Иващенко М. А., Устинов А. А., |
|
■-ч оскал |
||
"сГлкп:. V ч .:1 |
Коптяжин К. В., Худяков Б. С. |
|
о к з г :.МПЛЯР |
|
|
ч и т а л ь ?-:ОГО ^ЗАЛД |
Основы |
вычислительной техники. |
|
Учебник. |
1974. |
Рассматриваются' основные вопросы теории, принципы по строения и эксплуатации аналоговых к цифровых вычислитель ных машин. Главное внимание уделено математическим осно вам и физическим принципам построения элементов и уст ройств вычислительных машин, предназначаемых для автома тизации процессов управления. Анализируются перспективные направления развития средств вычислительной техники с точки зрения их микроминиатюризация и создания аналого-цифровых вычислительных устройств.
Таблиц 45. Иллюстраций 336. Библиографий 68.
Рецензенты:
Кафедра автоматики и вычислительной техники КВИАВУ ВВС,
доктор технических наук, профессор П. И. Чинаев,
ПРЕДИСЛОВИЕ
Значение вычислительной техники, применяемой в самых разнообразных областях современной пауки, народного хозяй ства и военного дела, непрерывно возрастает.
В настоящее время вычислительная техника широко пред ставлена аналоговыми и цифровыми вычислительными машина ми, а также специальными вычислительными устройствами раз личного принципа действия и назначения. Масштабы и области применения вычислительной техники быстро расширяются. « ...в перспективе нам предстоит создать общегосударственную автоматизированную систему сбора и обработки информации. Это делает важным не только производство соответствующей техники, но и подготовку значительного числа квалифицирован ных кадров»
Целью настоящей книги является изложение основных вопро сов теории, .принципов построения и функционирования анало говых и цифровых вычислительных машин, а также специальных вычислительных устройств, предназначаемых для автоматизации процессов управления. Учебник состоит из введения и двух раз
делов.
Введение содержит общие сведения о цифровой и аналоговой вычислительной технике. Приведены рекомендуемые термины и определения /понятий вычислительной техники, рассматриваются проблемы автоматизации управления, дается краткий истори ческий обзор развития вычислительной техники.
В первом разделе (гл. 1—8) рассматриваются основные воп росы теории, принципы построения и функционирования анало'. говых вычислительных машин. Описываются типовые аналого вые вычислительные устройства и процессы программирования аналоговых вычислительных машин (подготовки и решения за« дач).
1Материалы XXIV съезда КПСС. Политиздат, 1971, стр. 67—68.
3
Во втором разделе (,гл. 9—19) содержатся теоретические ос новы построения н принципы функционирования цифровых вы числительных машин, их элементов и устройств. Рассматрива ются аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи информации. Главное внимание уделено математическим основам и физическим принципам построевня (Цифровых и -аналого-циф ровых вычислительных устройств, анализируются направления их мпкромнн1гатю.рнзации.
Введение и гл. 1, 5, 7, 19 написаны М. А. Иващенко; гл. 9, 10, 12, 13, 15— К. В. Коптяншным; гл. 8, 11, 14, 16, 17, 18 —
А. А. Устиновым; гл. 2, 3, 4, 6 и § 7.3— Б. С. Худяковым.
При .написании книги авторы использовали, главным обра зом, отечественные работы в области вычислительной техники, а также опыт преподавания дисциплины аналогичного наиме нования.
ВВЕДЕНИЕ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦИФРОВОЙ И АНАЛОГОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ
§ В.1. Основные понятия и определения вычислительной техники
Предметом изучения дисциплины «Основы вычислительной техники» являются аналоговые и цифровые 'вычислительные уст ройства и машины. Содержание этой дисциплины составляют ■вопросы, связанные с теоретическими основами построения и функционирования вычислительных устройств и -машин, а так же исследованием показателей их качества.
Теория вычислительных /машин представляет собой систему основных понятий, законов и принципов, обобщенно отражаю щих эту область пауки и техники. Процесс научного познания вы числительных машин включает в себя этапы накопления исход ного фактического материала, осмысливания этого материала и опытной проверки теоретических обобщений. Различают экс-- периментальный и теоретический уровни научного познания и соответственно экспериментальные и теоретические методы ис следования. В неразрывном единстве теории .и практики осу ществляется диалектический процесс развития вычислительной техники.
Качественный ц количественный анализ и синтез составляют основные задачи исследования вычислительных устройств и машин.
Задача анализа представляет собой мысленное расчленение вычислительной машины на составные элементы и устройства с целью изучения их структуры и внутренних связей. Эта задача связана с оценкой показателей качества функционирования вы числительной машины (устройства). На практике задача ана лиза часто сводится к оценке вариантов, отличающихся по структуре, значениям параметров, режимам работы и т. п. Оцен
5
ка этих вариантов осуществляется путем определения и сравне
ния основных показателей качества.
Задача синтеза заключается в определении такой структуры и параметров вычислительного устройства, которые удовлетво ряли бы заданным требованиям по качеству функционирования. Общая задача синтеза — это задача математической 'Оптимиза ции на основе требуемых показателей качества. В настоящее время еще не созданы методы ее решения, поэтому в инженерной практике применяются частные постановки задачи синтеза вы
числительных машин и устройств.
Вычислительная техника имеет своп понятия и терминоло гию, которые являются отражением накопленных в этой области знаний. В настоящей книге применена терминология, рекоменду емая Министерством высшего и среднего специального образо вания СССР для учебных заведений [2, 17].
Основные термины и определения понятий аналоговой и циф ровой вычислительной техники приведены ниже.
Вычислительная техника — совокупность средств (системы, машины, устройства, приборы, номограммы и др.), предназна ченных для ускорения и'автоматизации процессов, связанных с решением математических задач по заданному алгоритму.
Различают аналоговую и цифровую вычислительную технику. Средства аналоговой вычислительной техники предназначены для выполнения вычислительных операций над аналоговыми ве личинами. Средства цифровой вычислительной техники предна значены для выполнения вычислительных операций над цифро выми кодами.
Обработка информации — процесс преобразования исходных данных в искомый результат. Она производится либо вручную (в уме), либо при помощи вычислительных машин и специаль ных приборов. Процесс обработки информации на вычислитель
ных машинах связан с выполнением вычислительных |
операций |
в соответствии с заданными алгоритмами. |
|
Вычислительная машина — комплекс технических |
средств, |
имеющих общее управление, предназначенных для решения ма тематических задач.
Вычислительная машина общего назначения — вычислитель ная машина, предназначенная для решения широкого круга ма тематических задач.
Специализированная вычислительная машина—вычислитель ная машина, предназначенная для решения узкого круга мате матических задач. Специализация вычислительной машины мо жет определяться не только характером решаемых задач и ог раниченностью их круга, но и наличием в машине элементов (устройств) специального назначения, например, таких как устройства сопряжения с радиотехническими станциями, являю
6
щимисяисточниками. информации, -устройства отображения ре зультатов обработки информации и т. д.
Аналоговая вычислительная машина (АВМ ) — машина, про изводящая вычислительные операции над аналоговыми величи нами.
Цифровая вычислительная машина (ЦВМ) — машина, про изводящая вычислительные операции над цифровыми кодами.-
Аналого-цифровая вычислительная машина ( А Ц ВМ ) — ма шина, производящая вычислительные операции над аналоговы ми величинами и над цифровыми кодами.
Вычислительная система (вычислительный комплекс) — со вокупность взашмосвязанных ,и согласованно действующих одно родных или 'Неоднородных вычислительных машин и других уст ройств, обеспечивающих автоматизацию процессов приема ис ходной информации от ее источников, обработки информации и выдачи результатов потребителям.
Устройство вычислительной машины — часть вычислитель ной машины, имеющая определенное функциональное назначе ние.
Элемент вычислительной машины — простейшая схема вы числительной машины, выполняющая элементарную функцию.
Программа — преобразованная форма алгоритма, записан ного на языке конкретной машины.
Математическое обеспечение вычислительной машины или системы — комплекс программных средств, предназначенных для повышения эффективности использования машины (систе мы), облегчения ее эксплуатации и снижения трудоемкости под готовительной работы при решении задач на ней.
Программирование аналоговых вычислительных машин (процесс подготовки задач) излагается в настоящей книге.
Вопросы математического обеспечения цифровых вычисли тельных машин изучаются в самостоятельной дисциплине «Ал горитмизация и программирование».
Оценку вычислительных устройств, машин и систем произво дят по следующим показателям:
—универсальность;
—возможность работы в реальном масштабе времени;
—точность;
—производительность;
—надежность;
—помехозащищенность;
—экономичность;
—готовность и др.
Такие показатели как универсальность и возможность работы в реальном масштабе времени не требуют .пояснений. Другие показатели рассмотрим более подробно,
7
Точность информации, получаемой на вых'оде машины (сис темы) в результате решения задачи, относится /к категории об общенных показателей качества функционирования вычисли тельных машин. Погрешности ® выходной информации склады ваются из погрешностей, возникающих в машине .при выполнении вычислений, и погрешностей, появляющихся при передаче ин формации по каналам связи, при сопряжении между собой ма шин с различными техническими параметрами (разрядностью, формой представления чисел и т. и.).
Производительность цифровой вычислительной машины. Сле дует различать номинальную и эффективную производитель ность. Номинальная производительность или номинальное бы стродействие измеряется средним числом операций (команд), выполняемых машиной «в секунду при условии ее работы только с оперативным запоминающим устройством.
Эффективная производительность ЦВМ или эффективное быстродействие выражается числом приведенных операций, вы полняемых в единицу времени с учетом затрат времени на ввод и вывод информации, на обнаружение и устранение отказов, на контроль достоверности результатов вычислений, на обмен ин формацией между оперативной и внешней памятью в процессе решения задачи.
Надежность вычислительной машины (системы) определяет ся как способность сохранять требуемые свойства при заданных условиях работы в течение определенного промежутка времени. Вероятность безотказной работы машины за время т при задан ных условиях работы, наработка на отказ и среднее время вос становления являются количественными показателями надежнос ти машины (системы).
Экономичность вычислительной машины (системы) оценива ется затратами на ее разработку, создание и эксплуатацию.
Готовность вычислительной машины (системы) характеризу ется быстротой и качеством выполнения операций по подготовке ее к применению. К числу подготовительных операций относятся: включение и измерение контролируемых параметров, решение тестовых задач, проверка работы в различных режимах и т. д.
§ В.2. Проблемы автоматизации управления
XXIV съезд КПСС уделил большое внимание проблемам со вершенствования управления. Научно-техническая революция породила необходимость решения новых задач управления, не известных или не имевших существенного значения до сих пор.
. Одно из главных направлений развития вычислительной тех ники связано с созданием автоматизированных систем управле-
ния, включающих человека (группу людей) и вычислительные машины в качестве органических компонентов.
Вычислительная техника и автоматизированные системы уп равления— могучее средство ускорения научно-технического прогресса, повышения производительности общественного труда. Их широкое применение позволит быстрее решить задачи по дальнейшему совершенствованию управления .народным хозяй ством.
Огромные качественные преобразования, которые происходят в народном хозяйстве при создании материально технической ба зы коммунизма, предъявляют новые требования к управлению на основе достижений науки и техники. Широкое внедрение вы числительных машин в сферу управления народным хозяйством придает современному научно-техническому прогрессу поистине революционный характер. Основными направлениями внедрения вычислительной техники являются: создание автоматизирован ных систем управления отраслями и предприятиями, автомати зация процессов производства, создание сети вычислительных центров. В перспективе предстоит создать общегосударственную автоматизированную систему сбора и обработки информации для учета, планирования и управления народным хозяйством в тесной увязке с развитием автоматизированных систем всех уровней.
Вычислительная техника принадлежит к числу таких научнотехнических отраслей, развитие которых имеет глубокие соци альные последствия. В трудах В. И. Ленина показана несовмес тимость огромных возможностей, открываемых перед человече ством бурным ростом науки и техники, с узкими рамками капи талистических производственных отношений. Особенно остро проявляется это противоречие при решении задач управления в государственном масштабе.
В социалистическом обществе нет социальных препятствий для создания автоматизированных систем управления. Создание таких систем для решения задач управления позволяет органи чески соединитьдостижения научно-технической революции с преимуществами социалистической системы хозяйства.
Научно-технический прогресс в, наше время стал одним из важнейших плацдармов экономического соревнования социалис тической и капиталистической систем хозяйства. Выиграть со ревнование на поприще развития науки и техники — значит обеспечить социализму победу всемирно-исторического значения. Уже в .настоящее время суммарная производительность (мощ ность) электронных вычислительных машин определяет инфор мационно-интеллектуальную мощь страны. По мере усложнения производства и дальнейших успехов науки и техники развитие средств автоматизации обработки информации будет все более
9.