,не требует отдельного шага микропрограммы и может быть вы полнен одновременно е другими операциями. Кроме того, облег чается распределение микрокоманд в памяти .и 'использование различными микропрограммами общих микрокоманд. Для уп равления последовательностью выборки микрокоманд в ее со став вводится дополнительное поле адреса А; в нем записываютея старшие п—1 разрядов /г-разрядного адреса сл-еДующей 'микрокоманды и, дополнительное ноле услов,ия У для завис,и условия, по которому формируется младший разряд адреса очередной .микрокоманды. В простейшем случае в поле У запи сывается 0 -или 1, благодаря чему адрес следующей .микро
команды может быть указан точно. |
Пусть, на.пример, в поле А |
записано число |
167, а в поле У — |
число 0. Тогда следующая |
микрокоманда |
безусловно |
берется |
из ячейки 167X2+0 = 334. |
Если У= 1, то |
безусловный |
переход |
будет совершен к адресу |
Т67Х2+4 = 335. В ноле У могут быть записаны и более слож ные условия. Если ввести два поля У, то .можно обеспечить раз ветвление иа четыре направления (в этом случае в поле А записываются п—2 старших разряда).
Микропрограммное управление имеет ряд достоинств, и,з которых следует отметить два наиболее важных. Прежде всего, о.но позволяет иметь программный доступ к арифметическому устройству, что обеспечивает возможность создания эффектив ной и экономичной по количеству оборудования системы авто матического контроля. В большинстве других систем управления вопросы контроля являются более трудными как с логической, так и с аппаратурной точек зрения. Вторым достоинством мик ропрограммных .машин является их способность к выполнению на данной машине программы, составленной в коде другой машины. Это свойство может быть получено -путем введения дополнительного на,бора микропрограмм, соответствующих командам второй машины. Благодаря отмеченным достоинствам ■микропрограммирование становится распространенны,м .методом построения устройств управления современных машин малого и среднего классов.
Микропрограммный принцип управления используется в ма шинах ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-4030, ЕС-1040. Для хранемия мик ропрограмм в этих машинах используются запоминающие уст ройства на .малогабаритных! ферритовых сердечниках с циклом обращения 0,6 икс.
ГЛАВА 18
ЦИФРОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
§ 18.1. Классификация и основные характеристики ЦВМ
Цифровые вычислительные .машины .подразделяют на не сколько поколений, которые .можно -связать .с развитием элект ронной аппаратуры или логической организации ЦВМ. В зави симости от типа используемых элементов различают три поколе ния ЦВМ: первое — ламповые -машины, второе — транзисторные вычислительные машины, третье — машины на интегральных охемах. В .настоящее -время применяются .машины -второго и третьего поколений. К машинам -второго -поколения относятся, например, такие широко .известные машины., как «Мир-2», «Минск-22», «Минск-32» и другие. Одной из особенностей машин второго поколения является их дифференциация по применению (по специализации), в этом поколении появились машины для научных расчетов, для решения экономических -задач, для управ ления. Основные технические характеристики ЦВМ второго по коления приведены в табл. 18.1.
В'.машинах третьего .поколения большинство транзисторных деталей заменяется интегральными схемами, которые по габа ритам значительно .меньше полупроводниковых, приборов, а по надежности превосходят их. Применение интегральных схем позволяет улучшить структуру машин, ввести развитую систему контроля и значительно улучшить эксплуатационные характе ристики. К машинам третьего поколения относятся машины Единой системы ЭВМ.
Наряду с делением ЦВМ на поколения по типу исп-ользуемых элементов в последнее время применяют классификацию их по структурной организации.
Машины первого структурного поколения выполняли один вид работы — вычисления. Они были одиопрограммными и имели синхронную схему управления.
В машинах второго поколения введены независимые устрой ства ввода—вывода, которые могут работать параллельно с
выполнением вычислений. Таким образом, машины второго структурного 'поколения позволили производить одновременно несколько видов работ, последовательно и автоматически! пере ключаясь 'с одной задачи на другую.
В машинах третьего структурного поколения используется мультипрограммный .процессор, обеспечивающий одновременное решение нескольких задач. Связь между процессором, ОЗУ и внешними устройствами осуществляется с помощью каналов обмена. Цифровые вычислительные машины третьего структур ного поколении могут иметь несколько процессоров, набор опе ративных! и внешних запоминающих устройств, группу устройств ввода—вывода и группу дистанционных пультов управления.
Дальнейшее развитие вычислительной техники привело к созданию многопроцессорных и многопрограммных систем.
Современные цифровые вычислительные машины различа ются между собою рядом показателей. Классификация ЦВМ представлена на рис. 18.1. Большинство характеристик, по ко торым производится классификация, рассмотрены в предыду щих главах, поэтому остановимся только на некоторых из них.
.По вычислительной .мощности ЦВМ делят на четыре группы: малые, средние, большие и вычислительные системы большой мощности. Строгих границ между группами нет. Обычно к ма лым мишинам относят ЦВМ со .средним быстродействием до 5 тысяч операций в секунду и емкостью ОЗУ до 2—3 тысяч ячеек памяти. Средними ЦВМ называют машины с быстродей ствием до 20—30 тысяч операций в секунду и емкостью ОЗУ
до 8 тысяч ячеек памяти. К большим |
ЦВМ относятся |
машины |
с развитым многоступенчатым ЗУ, |
обеспечивающим |
емкость |
ОЗУ до сотен тысяч слов, емкость внешних запоминающих уст ройств (В ЗУ )— до нескольких! миллионов машинных слов. Большие ЦВМ имеют среднее быстродействие до 200—300 ты сяч операций в секунду.
Вычислительные системы большой мощности представляют конструктивное объединение нескольких вычислительных машин в единый комплекс. Оперативное ЗУ такого комплекса может хранить до миллиона, а внешнее ЗУ— до миллиарда слов. Комп лекс обеспечивает мультипрограммное управление, что позволя ет получить среднее быстродействие комплекса до нескольких миллионов операций в секунду.
По типу системы счисления, используемой в-ЦВМ, их под разделяют на 'позиционные и непозицишные. Подавляющее большинство .современных машин работают в позиционной дво ичной системе.
По способу организации вычислительного процесса ЦВМ делятся на однопрограммные и многопрограммные, которые
также называются м>ульти1понра,м.м|Н:Ы,ми. В однопропраммныл машинах в каждый' момент времени .реализуется только одна программа. Мультипрограммные машины позволяют одновре менно решать несколько задач, каждую по своей программе. Мультипрограммная работа ЦВМ позволяет увеличить коэф фициент использования оборудования машины.
По .способу прохождения информации ЦВМ делятся .на na ilаллельные, последов ателоные и ;п ара ллельно-поеледонател ьные. В параллельных машинах передача и обработка слов протзводится одновременно но .всем .разрядам, в последовательных' — последовательно разряд за разрядом. Параллельные .машины обладают высоким быстродействием, -но имеют большой аппа ратурный .состав, последовательные машины, наоборот, имеют, небольшой объем аппаратуры, но обладают низким быстродей ствием. Достоинства обоих т.итов машин до некоторой степени ■использованы в параллельно-последовательных машинах, в ко торых обрабатываемая информация делится на группы. Группы
•подаются последовательно, обработка же .внутри каждой груп пы ведется параллельно.над всеми разрядами группы.
По принципу управления ЦВМ делят на макропрограммные, микропрограммные и микроопер анионные. В м.акр'ошро.пра:м1мных машинах но каждому элементу команды (код операции, при знак модификации, адреса) устройство управления вырабаты вает .наборы управляющих сигналов, непосредственно воздей ствующих на исполнительные схемы. Этот принцип управления называют также жестким управлением. К 'машинам с жестким
управлением относятся, |
например, «Минск-22», ЕС-1050, |
ЕС-1060. |
|
В микропрограммных |
машинах команда расчленяется на |
ряд микрокоманд, каждая из которых выполняет одну микро операцию.
В мипрост еранионных машинах каждый разряд макро команды соответствует определенной микрооперации .машины. Содержание команды задается при .составлении программы. В этом случае об вспениваетея произвольный выбор .выполняемых командой функций, но составление программы становится слож ным. Мнкрооперацион'ные машины используются редко.
Кроме рассмотренных общих признаков, цифровые .вычисли тельные машины различаются между собою рядом технических показателей, из которых можно выделить: разрядность маши ны, диапазон представления чисел, среднее быстродействие, сис тему команд, состав и быстродействие внешних устройств, емкость оперативной и внешней памяти, время безотказной ра боты, габариты, вес, потребляемую мощность.
§ 18.2. Цифровая вычислительная машина «Минск-22»
Общие сведения
Машина «Miihck-22» .по своим техническим возможностям относится к классу .малы» машин общего назначения и пред назначена для решения широкого круга задач научно-техничес кого и .планово-экономического характера. Основные техничес кие характеристики «Мшнск-22» приведены в табл. 18.1. Маши на выполнена на полупроводниковых элементах и ферритах.
Она может обрабатывать информацию, которая представля ет собой двоичные и десятичные числа, алфавитно-цифровые слова и логические величины. Машинное слово «Минкж-22» со стоит из 37 разрядов, из которых один (.нулевой) отводится для записи знака. Нумерация разрядов идет'слева, направо: 0, 1, 2, . . ., 36. Машина может оперировать с числами с фиксирован ной и плавающей запятой. В первом случае запятая фиксиру ется перед старшим разрядом. При использовании режима р а боты с плавающей запятой нулевой разряд отводится для записи ■знака 'мантиссы, 1-г28-й разряды — для записи мантиссы, 30-й разряд — для записи знака порядка н 31-г36-й разряды — для записи' порядка числа, 29-й разряд в этом режиме остается свободным. В машине используются нормализованные числа. Диапазон представления чисел X определяется неравенством
2-64< ] Х | < 2 сз.
Десятичные цифры представляются в двоично-десятичном коде, для записи каждой десятичной цифры отводится четыре разряда. Таким образом, десятинное число представляется в машине девятью десятичными разрядами. Десятичное число может быть записано в форме с плавающей запятой, при этом мантисса записывается в 1-г28-м разрядах, порядок числа — в 32-г36-м разрядах, в разрядах 0 .и 30-м записываются знаки мантиссы н порядка, разряды 29 и 31-й не используются. В этом случае порядок представляется двумя десятичными цифрами, из которых старшая может иметь только два значения 0 или 1.
Алфавитно-цифровое слово в машине представляется шести-
.разрядным' двоичным 'кодом, поэтому в ячейке .может быть записано шесть символов, .разряд знака (.нулевой) в этом случае не используется. В набор символов машины входят: десятичные
цифры, |
буквы .русского и латинского алфавитов, знаки + , |
—, |
X, = |
и др. |
ве |
Машинное слово может представлять собой логическую |
личину. Операции, проводимые над логическими величинами, обычно норазрядны, т. е. операция над одним разрядам слова не влияет на содержимое остальных разрядов этого слова.
Команда машины «Мвнск-22» занимает одно машинное сло во. Большинство команд имеет типовую структуру (рис. 18.2,я),
riip.li 'которой (код операции записывается в разрядах 0 -г6-м, при чем в нулевом разряде записывается знак кода, в разрядах 7, 13-г 24-м записывается адрес первого операнда, в разрядах 8, 25-г 36-м— адрес второго операнда. Разряды 7 и 8-й указывают номера блоков МОЗУ, а 13-г24-й и 25-н36-й — номера ячеек МОЗУ. В разрядах 9—12-м записывается адрес индексной ячей ки МОЗУ.
|
Под о п ер а ц и и |
|
|
Индекс а д р ес |
|
, |
|
А д р е с н а я част ь |
|
|
|
|
Вна к К On |
|
Ы длока |
Адрес индекс- |
ЛерВб/й а д р е с |
вт орой а д р ес |
|
|
|
|
МОЗУЩ |
ной оиеики |
|
А / |
|
А 2 |
|
|
|
|
КОп |
|
A f А2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О |
1 |
2 3 4 |
5 в |
7 |
S |
9 10 п |
12 |
13 |
■ |
. . |
24 |
'56. 1 * * |
* |
36 |
|
|
|
|
|
|
о) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Количеетбо повторений цикла t Константа переадресации А1^ |
Константа переадресации А2 |
|
|
п - 1 |
|
|
|
й ! |
|
|
|
|
|
Ь2 |
|
|
0 |
1 |
2 |
11 |
12 |
13 14 |
15 |
|
25 |
S4 |
2 5 26 |
27 |
26 1. |
35 |
56 |
|
|
|
|
|
|
6) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. |
Ш.2. |
|
|
|
|
|
|
|
Индексные ячейки попользуются в машине для .переадреса ции1и формирования .новых команд. Структура индексной ячей ки приведена на рис. 18.2,6. Разряды 0 -г 12-й используются для записи количества повторений цикла п, уменьшенного на единицу. В разрядах 13-г 24-м записываетсяконстанта пере адресации для первого адресакоманды Д1, в разрядах 2'5-г-Збчм — константа .переадресации второго адреса А2 коман ды. В качестве индексных ячеек используются первые 15 ячеек
(1, 2, . . ., 15) МОЗУ.
Суть переадресации с помощью индексных ячеек заключает ся в том, что при выполнении любой команды (кроме операции конца цикла) производится сложение ее адресной части с кон стантами переадресации Д1 и Д2 первого и второго адресов, записанных в индексной ячейке, номер которой указан в 9 т 12-м разрядах выполняемой команды. Бели в этих разрядах записан нуль (0000),то команда выполняется без переадресации.
Для повышения общей производительности машины в ней предусмотрена программная возможность прерывания программ при выводе результатов на печать, при вводе информации с
телетайпа |
и при |
поступлении специальных |
предусмотренных |
программой кодов. |
|
|
■ |
Структурная схема |
|
Структурная |
схема ЦВМ «Мия'СК-22» |
представлена на |
рис. 18.3. |
В состав машины входят: процессор, магнитное опе- |
ративвое запоминающее устройство (МОЗУ), внешнее запо минающее устройство (1ВЗУ) ;на .магнитной ленте, комплект
Рис. 1S.3.
устройств ввода информации (УВД), комплект устройств вы вода результатов решения (УВР). Процессор объединяет в своем составе арифметическое устройство (АУ) и центральное
Рис. 10.4.
устройство управления (ЦУУ). Структурная схема процессора представлена на рис. 18.4. Арифметическое устройство машины
состоят яз параллельного накапливающего сумматора (См), двух триггерных сдвигающих .регистров (Рг1 ,и Рг2) и блока местного управлентя отер адя ям,и (БМУ От).
Центральное устройство управления обеспечивает автома тическое управление всеми устройствами! машины при вводе программы .и' исходных данных, обмене информацией между МОЗУ и ВЗУ, решении задачи в соответствии с программой и выводе результатов решения на устройства вывода. Выбор необходимого режима работы и •контроль за работой машины
.производятся с помощью центрального пульта управления (ЦПУ). В машине используется смешанный способ управления. Выполнением коротких операций управляет ЦУУ, при выпол нении длинных операций (умножение, деление, арифметические операции с числами с плавающей запятой, ввод информации, обмен информацией между МОЗУ и ВЗУ и вывод результатов на печать) ЦУУ отдает управление местным блокам управле ния АУ, ЗУ, устройств ввода и вывода, ВЗУ. После выполнения операции соответствующий .блок местного управления посылает в ЦУУ сигнал конца операции.
Информация из МОЗУ может поступать в сумматор и ре гистр Рг1 арифметического устройства. Связь арифметического устройства с устройствами ввода и вывода производится только через Pirl. Обмен информацией между ВЗУ н МОЗУ произво дится также через Рг1 арифметического устройства.
Магнитное оперативное запоминающее устройство — матрич ного типа с выборкой и записью чисел в параллельном коде. При общей длительности цикла обращения к МОЗУ в 24 мкс время выдачи числа на кодовые шины числа (КШЧ) не пре вышает 6 мкс. Остальное время цикла расходуется на восста новление считанного числа ,и установку схемы МОЗУ в исход ное состояние. Для проверки МОЗУ предусмотрен режим авто номной работы, .при котором оно управляется о,т своего пульта управления. Контроль может производиться вручную с пульта управления и с помощью решения специальных контрольных программ. МОЗУ имеет емкость 8192 .машинных слова и состо ит из двух одинаковых блоков емкостью по 4096 слов каждый.
Структурная схема блока МОЗУ представлена на рис. 18.5. В его состав ©ходят: ферритовый куб, регистр адреса РгА, де шифраторы ДшА и ДшУ, блок считывания и восстановления (БСВ) и блок местного управления (БМУ). Ферритовый куб состоит из 37 матриц, собранных на ферритах марки ВТ-1 с размерами 1,4X1X0,65. Регистр .адреса служит для запомина ния и предварительной дешифрации адреса ячейки МОЗУ, к которой производится обращение. Адрес числа подается в РгА из сумматора по кодовым шинам адреса (КША), управляю щие сигналы записи и чтения поступают в блок местного управ ления из ЦУУ. Дешифраторы ДшА и ДшУ выбирают требуе
