книги из ГПНТБ / Основы вычислительной техники учебник

Метод-деления с восстановлением остатка может быть, ис­ пользован только в параллельных устройствах и•целесообразен лишь в случаях, когда попользуется сумматор,- в котором "про­

Время выполнения операции деления можно существенно сократить, если попользовать метод деления без восстановления остатка. При использовании этого метода отпадает операция восстановления остатка и цикл деления выполняется за два такта.

В первом такте частное сдвигается влево на один раз-ряд, а остаток предыдущего цикла увеличивается по отношению к делителю вдвое. Если сдвинутый остаток больше иди равен нулю, то во втором такте из него вычитается делитель, если меньше нуля— делитель прибавляется к остатку. Полученный

.при этом результат, очередной остаток, -может иметь знак плюс или минус. Если остаток больше или ра.вен нулю, .в оче­ редной разряд частного записывается единица, если ме-ньше нуля, в очередной разряд частного записывается -нуль.

При использовании метода деления без восстановления остатка возможно применение обоих рассмотренных вариантов построения устройств деления. Метод деления без восстанов­ ления остатка является более универсальным, он применим как в параллельных, так и в .последовательных устройствах. Однако для устройств деления, использующих сумматор с раз­ делением процессов формирования переносов и суммирования, первый способ оказывается более целесообразным.

Из логических методов используются методы, позволяющие получить несколько разрядов частного за один. т-акт. Предпо­ ложим, что делитель нормализован, т. е. имеет в старшем раз­ ряде 1. Это легко сделать путем одновременного сдвига влево делимого и делителя. Если делимое имеет в старшем разряде нуль, то делитель больше делимого и в старшем, разряде част­

видно, старшие т разрядов частного будут иметь нули. Следо­ вательно, в этом случае -необходимо записать в регистр .частного т нулей и сдвинуть делимое на т разрядов влево. Для опр-еделе-

400

ння следующей цифры частного следует вычесть делитель из оче­ редного остатка. Если при этом полученный остаток будет больше нуля, то в очередной разряд частного 'записывается еди­ ница и полученный остаток снова сдвигается на все старшие разряды, содержащие нули, после чего снова производится вычитание. Если после вычитания полученный остаток будет меньше 'нуля, то в очередной разряд •частного записывается нуль и производится восстановление остатка.

Если делимое имеет единицы в т .старших разрядах, то его следует сдвинуть влево на т разрядов и прибавить к нему делитель, а в очередные т разрядов частного записать единицы. После этого переходят к очередному такту деления.

Использование этого алгоритма позволяет уменьшить сред­ нее количество выполняемых суммирований в цикле и, следо­ вательно, сократить время выполнения деления.

ГЛАВА 15

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

§15.1. Основные характеристики

иклассификация запоминающих устройств

Одной из Ю1Со;бе.генюстей цифровых вычи'слптельных .маннит является то, что в них вычислительный процесс развертывается во времени. Это значит, что прадиазначенная для вычислений исходная информация используется не сразу, а привлекается по мере необходимости. В связи с этим возникает задача хра­ нения информации. В ЦВМ это обеспечивается при помощи запоминающих устройств (ЗУ).

Запоминающим устройством называется часть вычислитель­ ной машины, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации, представленной в кодовой форме.

Основными характеристиками ЗУ ЦВМ являются емкость и быстродействие.

Емкость памяти определяется наибольшим количеством ма­ шинных слов (или двоичных знаков), которое может одновре­ менно храниться в запоминающем устройстве.

Быстродействие ЗУ характеризуется временем обращения. Обращение к ЗУ определяет собой полный цикл записи инфор­ мации .в запоминающее устройство или считывания информации из него.

При записи информации, т. е. при занесении информации в ЗУ на хранение, время обращения складывается из времен поиска нужной ячейки памяти t„, времени стирания /ст ранее записанной информации (если в этом есть необходимость) и времени записи t3:

t03 — tn -f- tcr -j- 13.

При считывании, т. е. выдаче информации из ЗУ в другие устройства вычислительной машины, время обращения скла-

402

дьмзаетея из времени поиска /п, времени считывания te и вре­ мени восстановления ta информации (в случае необходимости):

4 с = 4 + 4 + 4 -

Взапоминающих устройствах ЦВМ хранится -исходная ин­ формация (числа и программа решения задачи), промежуточ­ ные и окончательные результаты вычислений.

Создание запоминающихустройств, обладающих одновре­ менно большой емкостью и быстродействием, встречает извест­ ные .трудности, так как эти требования являются противоречи­ выми. Стремление разрешить имеющееся противоречие привело

ксозданию иерархической организации' памяти ЦВМ и вычи­ слительных систем.

Всовременных ЦВМ общего .назначения в зависимости от

класса машины количество уровней памяти составляет 2—4, а в вычислительных системах различного назначения количество уровней памяти может достигать 6—7.

По своему назначению запоминающие устройства ЦВМ раз­ деляются на оперативные, односторонние и внешние. Такой состав ЗУ позволяет сочетать хранение больших объемов ин­ формации с быстрым доступом к ней в процессе обработки.

§ 15.2. (Оперативные запоминающие устройства

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназна­ чается для информации, непосредственно участвующей в про­ цессе выполнения операций, осуществляемых преимущественно арифметическим устройством и устройством управления. По­ давляющее большинство современных ЦВМ имеют ОЗУ, выпол­ ненные на ферритовых сердечниках с прямоугольной петлей гистерезиса. Такие ОЗУ получили наименование МОЗУ (маг­ нитные оперативные запоминающие устройства).

Широкое применение МОЗУ объясняется рядом положи­ тельных качеств такой памяти: большим быстродействием, вы­ сокой надежностью хранения информации неограниченно дол­ гое время без затраты энергии.

В настоящее время применяются три структуры МОЗУ, ра­ ботающих по принципу совпадения токов: 3-мерная, 2-мерная и 2,5-мернаи. Эти структуры соответственно обозначаются сим­ волами ЗД 2D и 2,ЪЬ (D — первая буква слова dimension — измерение).

. Каждая из этих структур обладает своими достоинствами и недостатками, и целесообразность применения той или гной из них определяется конкретными требованиями к проектируе­ мому ЗУ.

М О З У с т р у к т у р ы 3 0

Запоминающее устройство со структурой 3D называют так­ же МОЗУ матричного тыпа.

Основу МОЗУ составляет магнитная матрица (рис. 15.1), которая состоит из феррнтовьих сердечников для хранения дво­ ичных разрядов 0 п 1. Через сердечники проходит ряд шин. Шины Л и Y называются координатными или адресными, на их пересечении располагаются сердечники. Шина «Выход» яв­ ляется выходной, в :ней формируются кодовые сигналы в мо­ мент считывания. Шина «Зп.» — запрещающая, она использу­ ется при записи в сердечники матрицы 0.

в х о д 1

Л_______

Рис. 16.1.

Запись и считывание двоичных разрядов производятся путем одновременной подачи токов возбуждении I х и I v в адресные шины, на пересечении которых находится выбранный сердечник. Каждый из токов возбуждения создает поле, недостаточное для перемагничиван-ия сердечника. Поэтому токи 1Х и 1у называют полутонами. Полутони 'записи и i04,iiтыва1Н:ия отличаются ■по­ лярностью.

Считанная с сердечников информация выдается в выходную обмотку' в виде кодовых сигналов 0 и 1, отличающихся вели­ чиной амплитуды.

Основным критерием оценки качества работы ферритовых матриц МОЗУ является отношение амплитуды полезного сиг­ нала в выходной шине, соответствующего коду 1, к амплитуде помехи, возникающей при считывании 0. Если выходная шина будет пронизывать все сердечники матрицы в одном и том же направлении', то суммарная э. д. с. ■помехи при считывании, nq-

404

рождаемая полунзбраиными сердечниками, -моЖет достигать большой величины и в некоторых случаях быть сюизмаримой с полезным сигналом. Помеха значительно уменьшается, если применить специальные способы прошивки сердечников мат­ рицы. Наиболее эффективным является способ, когда выходная обмотка -матрицы разбивается на две ,пол.уобмотки (секции) I и II, соединенные последсвдтельно и ориентированные перпенднкул ярно-одна другой (рис. 15.2).

В этом случае э. д. -с. помехи, наведенные при считывании

сполуизбрэнных сердечников, компенсируют друг друга. Имеются и другие апо-собы повышения помехоустойчивости

матриц МОЗУ, однако все они -основываются на взаимной ком­ пенсации помех, создаваемых полуизбра-нными сердечниками, и полностью от помех не предохраняют.

Рассмотренные выше матрицы в МОЗУ типа 3D применя­ ются для хранения одноразрядных чисел. Для хранения га-раз­ рядных чисел используются га одинаковых матриц, которые со­ бираются в единый трехмерный блок, называемый магнитным кубом. В нем принадлежащие одному слову сердечники распо­ лагаются параллельно оси Z, а сердечники одноименных разря­ дов слов располагаются в плоскостях. параллельных плоскости XY. На рис. 15.3 приведена схема МОЗУ структуры 3D с эле­ ментами управления.

Запись и считывание осуществляются одновременно из всех матриц. Для этого соответствующие горизонтальные и вер­ тикальные адресные шины матриц соединяются последователь­ но. На схеме показаны сердечники, относящиеся к одной ячейке памяти. Общее число ячеек памяти МОЗУ равно количеству сердечников в одной матрице.

405

Запись информаций в ячейку памяти МОЗУ производится следующим образом. Кош. аиреса числа поступает по кодовым шинам адреса (КША) и записывается в регистры RGX и RGY. С регистров параллельные двоичные коды адресов подаются на дешифраторы ДСХ и ДСУ, вследствие чего на выходе каж ­ дого из них возбуждается одна из шин. Число выходных шин дешифраторов равно числу соответственно горизонтальных и вертикальным адресных шин матрицы. По сигналу «Запись» спецнальными уоилителями-формирователями выраб атываются импульсы записи Iх и Iу с амплитудой 1/21т. Под действием этих импульсов создаются условия для перемагничивания в со­ стояние «1» сердечников, находящихся на пересечении выбран­ ных шин.

Одновременно с сигналом «Запись» на один из входов конъюнкторов регистра числа подается сигнал «Запрет». Этот сигнал проходит только 'через те конъюнкторы, которые вторым входом связаны с триггерами регистра числа, находящимися в нулевом состоянии. Поступай в шину запрета, соответствую­ щей матрицы, этот сигнал препятствует перемапничиванию избранного сердечника, который остается в нулевом состоянии

( - £ ,) •

Конъюнкторы, связанные с триггерами, находящимися в единичном состоянии, импульс «Запрет» в шину запрета мат­ рицы не пропускают, и в избранных сердечниках этих матриц под действием полутаков 1Х и / у записывается 1.

Для считывания числа из какой-либо ячейки 'памяти МОЗУ в регистры адреса RGX и RGY заносится адрес (номер) ячейки памяти и при .помощи дешифраторов производится выбор соот­ ветствующих шин.

На усилители-формирователи подается сигнал «Считывание», под действием которого вырабатываются импульсы считывания половинной амплитуды отрицательной полярности. Сердечники, находящиеся на пересечении возбужденных шин, устанавлива­ ются в состояние «О».

При этом, если в 'сердечнике был записан код 1, в выходной шине матрицы появляется сигнал единичной амплитуды, а если был записав код 0, выдается помеха. Эти сигналы поступают на выходные усилители Уь У2, . . ., У„ и далее на установочные входы триггеров регистра, в котором считанное число фиксиру­ ется ,и может быть передано в другие устройства машины.

К достоинствам МОЗУ типа 3D относятся:

—высокое быстродействие;

—'возможность построения МОЗУ большой емкости (до

■нескольких десятков тысяч слов);

— простая и экономичная схема управления записью и счи­ тыванием;

497

— сравнительно небольшой расход ферритовых сердечников. Однако такие МОЗУ имеют рад существенных недостатков: —-для построения ферритового куба необходимо применять сердечникт с большим коэффициентом прямоугольное™ и не­

значительным разбросом параметров; ^

—предъявляются жесткие требования к величине разброса по амплитуде токов записи, •считывания, запрета и к точности их синхронизации;

—для компенсации помех от полуизбранных сердечников ферритовых матриц необходима сложная прошивка сердечников.

/Л О З У стр уктур ы 2D

В МОЗУ со структурой 3D, использующих для записи и счи­ тывания совпадение токов, ферритовые сердечники запоминаю­ щих матриц выполняют не только функции, хранения информа­ ции, но и используются в расшифровке адреса числа. В МОЗУ структуры 2D, которая известна также под названием линейной или типа Z, сердечники выполняют только функции запомина­ ния. Основу таких МОЗУ составляют числовые линейки, ис­ пользуемые для хранения одного многоразрядного числа. Чис­ ловые линейки представляют собой двухмерные устройства, в сердечниках которых! по оси X располагаются . слова, а по оси У разряды этих слов. Существуют запоминающие устрой­ ства структуры 2D с одним и двумя сердечниками на двоичный знак (бит).

Схема МОЗУ структуры 2D с одним сердечником на двоич­ ный знак приведена на рис. 15.4. Она представляет собой плоскую ферритовую матрицу с элементами управления и уси­ лителями-формирователями сигналов. Каждый сердечник в матрице служит для хранения одного разряда числа. Ферри­ товые сердечники, расположенные в одном вертикальном ряду матрицы, образуют числовую линейку (ячейку памяти) и служат для хранения одного многоразрядного двоичного числа. В сер­ дечниках горизонтальных рядов записываются одноименные разряды всех чисел.

Через ферритовые сердечники матрицы проходит ряд шин, выполняющих роль обмоток. Адресные шины пронизывают все сердечники каждой числовой линейки. Кодовые и выходные ши­ ны являются общими для одноименных сердечников всех число­ вых линеек. Через .все сердечники матрицы проходит шина под- ■магничив'ания. Током /п, протекающим по этой шине, создается напряженность мапнитного ноля На, под действием которой петля гистерезиса ферритовых сердечников становится несиммет­

4С8

рнцы npir изменении! температурных условий. Кроме того, 'уменьшается амплитуда .помехи' три .считывании нуля.

Д д рес

Выбор числовых линеек для записи или считывания произ­ водится при помощи дешифратора по коду адреса. Для форми­ рования импульсов записи и считывания, отличающихся по

выбранной числовой линейки, которые оказываются под воздействием двух токов половинной ампли­

туды + 1т 2 — кодового и адресного. Сердечники!, -на которые

409