книги из ГПНТБ / Преснухин, Л. Н. Цифровые вычислительные машины учебное пособие

В современных быстродействующих средствах электронной техники используют видеоимпульсное представление информации. При этом длительность фронтов видеоимпульсов равна т, а полоса пропускания линии связи Af должна быть равной 1 /т, что приводит к необходи­ мости построения широкополосных линий связи. Переход к более высокочастотной части спектра электромагнитных колебаний дает возможность кодировать информацию модуляцией высокочастотных колебаний и поэтому наложить требование резонансности, а не широ­ кополосности. Кроме того, возможны фазовые методы кодирования информации.

Использование электромагнитных колебаний оптического диапа­ зона открывает новые пути построения сверхбыстродействующих вы­ числительныхсистем, в которых на элементном уровне не требуется выполнение простейших арифметических и логических операций. Особенности процессов дифракции и интерференции света позволяют осуществить такие операции, как интегрирование функций, преобразо­ вания Фурье, Лапласа, свертки и автокорреляции и т. д. Для оптиче­ ских машин характерно получение результатов одного шага вычисле­ ний со скоростью, определяемой скоростью света. Возможность выпол­ нения сложных операций позволяет вести непосредственные преобра­ зования световых «картин» (изображений, образов) переменной ярко­ сти, при этом получаемая скорость вычислений эквивалентна 10й -е -т- 1015 операциям в секунду современных вычислительных средств.

Для создания световых ВС необходима новая элементно-техноло­ гическая база: наличие оптически активных "материалов, меняющих свою прозрачность или оптическую толщину, новых материалов носи­ телей информации, а также принципов организации световых машин на основе лазерной техники, явлений -интерференции, дифракции, голографии и др.

Несмотря на то, что для создания средств вычислительной тех­ ники требуются значительные капиталовложения во многие области науки и техники, экономическая целесообразность этого направления оправдывается. Так, за первые 25 лет существования вычислительной техники скорость вычислений при ее использовании по сравнению с ручным счетом возросла в сто миллионов раз, при этом стоимость одной машинной операции приблизительно в сто тысяч раз дешевле стоимости одной операции ручного счета.

Данные по измерению параметров одного класса бортовых вычисли­ тельных машин американского производства, приведенные в табл. В.1, говорят о том, что значительное уменьшение объема машины (в 20 раз), веса (более чем в 10 раз), потребляемой мощности (в 10 раз), рабочей частоты (в 40 раз) за 10 лет за счет использования новой элементно­ технологической базы позволило увеличить показатель надежности ”в 50 раз и снизить стоимость машины в 20 раз. Так же следует отметить, что скорость улучшения параметров за 1962—1967 гг. и 1967—1972 гг. приблизительно одинакова, за исключением значительно большего увеличения показателя надежности. Подобные тенденции улучшения параметров средств вычислительной техники справедливы для всех классов вычислительных машин и систем.

11

Г л а в а 1

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ

ИРАБОТЫ ЦВМ И ВС

§1.1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЦВМ

Определим ЦВМ как комплекс технических средств, объединен­ ных общим управлением и предназначенных для автоматического вы­ полнения преобразований цифровых кодов в соответствии с заданным алгоритмом (алгоритм — совокупность предписаний (команд), выпол­ нение которых машиной приводит к решению поставленной задачи путем преобразования исходных цифровых кодов в цифровые коды результата).

Автоматизация преобразований информации в вычислительной машине обеспечивается тем, что совокупность команд алгоритма (программа) записывается в запоминающее устройство машины и вы­ полняется в заданной последо­ вательности автоматически без участия оператора.

ЦВМ обладают алгоритмиче­ ской универсальностью, высоки­ ми точностью вычислений и быстродействием.

Универсальность ЦВМ опре­ деляет способность решения ма­ шиной различных вычислитель­

ных задач, вследствие включения в состав команд набора операций, позволяющих реализовать любой алгоритм преобразования информа­ ции. Обрабатываемую информацию можно представить в дискретной форме с достаточно высокой точностью и осуществлять ее преобра­ зование в цифровой форме.

, Точность вычислений ЦВМ определяется количеством обрабаты­ ваемых разрядов. В ЦВМ можно получить высокую, практически любую заданную точность вычислений, за счет увеличения количества электронного оборудования.

Быстродействие ЦВМ обеспечивается высокими предельными ча­ стотами работы ее электронных элементов и логической организацией, при которой возможна реализация высокого быстродействия элементов.

Структурная схема ЦВМ, изображенная на рис. 1.1, состоит из арифметического устройства АУ; запоминающего устройства ЗУ; устройства ввода — вывода УВВ; устройства управления УУ, имею­ щих определенное функциональное назначение, и характерна для вычислительных машин первого и, отчасти, второго поколений.

13

Устройство управления ЦВМ. Ввод исходной и командной инфор­ мации в ЗУ через устройства ввода осуществляют по сигналам УУ, причем в машинах первого и второго поколений при вводе информа­ ции работали информационные регистры АУ. Процесс вычислений начинается после окончания ввода информации. По сигналам УУ исходные числа из ОЗУ пересылаются в АУ, затем над ними выпол­ няется операция команды; результат операции посылается обратно

вОЗУ или остается в АУ, если он необходим для выполнения следую­ щей команды. Обмен информацией между. ОЗУ и ВЗУ происходит через АУ (передаются массивы чисел и вычисления не производятся).

Таким образом, каждое устройство ЦВМ осуществляет свои ра­ бочие функции только часть времени, все остальное время оно нахо­ дится в режиме ожидания. Значительные потери рабочего времени машины связаны с медленной работой УВВ.

Для более эффективного использования каждого устройства ЦВМ.

всостав последней необходимо ввести электронные цепи, обеспечи­ вающие их автономное функционирование. Чтобы упростить синхро­ низацию работы ЦВМ с автономностью устройств, применяют асинх­ ронный принцип управления, при котором начало выполнения ка­ ждой последующей операции определяется сигналом фактического окончания выполнения предыдущей операции. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При

этом роль распределителя работ принимает на себя ОЗУ, которое в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет за­ просы остальных устройств. АУ вместе с цепями управления назы­ вают устройством обработки информации, или процессором.

§1.2. МУЛЬТИПРОГРАММНЫЕ ЦВМ И ВС

СРАЗДЕЛЕНИЕМ ВРЕМЕНИ

По мере развития элементной базы и технологии изготовления ЦВМ повышаются надежность и быстродействие их работы. Для полного использования технических возможностей устройств ЦВМ все более широко применяют метод совмещения различных операций при работе машины. В простом случае этого достигают параллельной работой устройств и их составных частей в момент выполнения одной команды (например, во время выполнения заданной операции из ОЗУ осуществляется выборка следующей команды и подготовка электрон­ ных цепей к ее выполнению). Возможно совмещение подготовки и выполнения нескольких команд одной программы. В ЦВМ предус­ мотрены специальные технические средства для анализа нескольких команд программы и подготовки исходных данных для их выполнения. Например, если результат данной операции потребуется для выполнения какой-то ближайшей операции, то он пересылается не в ОЗУ, а в спе­ циальный регистр АУ и остается в нем для временного хранения. Но анализ работы различных устройств ЦВМ показывает, что даже с ис­ пользованием различных уровней совмещения при выполнении одной программы наблюдают значительную неравномерность их загрузки.

15

В одной ЦВМ одновременно возможно выполнение нескольких программ, т. е. мультипрограммная обработка информации. При этом достигают высокого уровня совмещения операций за счет совме­ щения подготовки и выполнения команд нескольких независимых программ. При мультипрограммной обработке устройства последова­ тельно выполняют отдельные команды или совокупность команд, отно­ сящиеся к различным программам.

Мультипрограммная обработка информации в ЦВМ вызывает осо­ бенности построения и обслуживания последних. Действительно, если машина одновременно решает несколько задач, то для сопровождения каждой из них требуются специальные средства. Поскольку при этом один оператор на пульте управления не может вести отладку и конт­ роль работы ЦВМ, в ее состав вводят несколько пультов управления, за каждым из которых работает оператор, прослеживая только решение одной задачи, т. е. возникает новая форма использования ЦВМ, при которой происходит разделение рабочего времени машины для нескольких операторов. При достаточно высоком быстродействии ма­ шины у каждого оператора создается иллюзия того, что только он один работает с ЦВМ.

Разделение времени позволяет устранить потери машинного вре­ мени, связанные с вмешательством оператора в работу ЦВМ из-за сравнительно низкой скорости реакций оператора, необходимости выполнения им определенных действий вне машины и медленного ввода информации с пульта управления. При мультипрограммной ра­ боте ЦВМ в вынужденные паузы работы одного оператора к машине имеют доступ другие операторы, что позволяет обеспечить загрузку внутренних устройств машины и тем самым снизить непроизводитель­ ные затраты машинного времени.

Разделение времени облегчает возможность использования высо­ копроизводительных ЦВМ для широкого круга пользователей. При решении задачи передачи информации по каналам связи возможно пульт управления машиной вынести на довольно большое расстояние от ЦВМ, т. е. создать сеть дистанционных пультов управления. В этом случае пользователь имеет надежное, компактное и достаточно простое в использовании устройство связи с машиной и освобожден от обслу­ живания сложной вычислительной системы (ВС).

Таким образом, мультипрограммная работа, разделение времени, дистанционный доступ к ЦВМ при обработке информации позволяют создать единую сложную сеть вычислительных средств, доступную пользователю и имеющую практически неограниченные возможности.

Вследствие все возрастающей логической и аппаратурной слож­ ности современные ЦВМ называют вычислительными системами.

§ 1.3. УНИФИЦИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ КАНАЛЫ СОПРЯЖЕНИЯ ВС

Параллельная работа большого количества периферийных устройств в современных ВС изменяет характер цепей связи периферийных УВВ информации и процессора: каждое периферийное устройство

16

должно иметь технические средства для автономного функционирова­ ния и связи с запоминающим устройством ВС. Однако при этом суще­ ственно увеличивается объем аппаратных средств периферийных уст­ ройств и усложняется система управления магистралями приема и выдачи информации. Практическим решением данной проблемы слу­ жит построение унифицированных информационных каналов сопряже­ ния (унифицированных устройств обмена информацией).

В унифицированные каналы сопряжения объединяются технические средства, имеющие общие для всех периферийных устройств функции и обеспечивающие выполнение операций ввода — вывода в режиме разделения времени для любого периферийного устройства с мини­ мальной автономией функционирования.

К унифицированным информационным каналам сопряжения предъ­ являют определенные требования при работе с унифицированным набором внешних (периферийных) устройств:

'1) наличие унифицированного формата кодовых и управляющих сигналов, посылаемых и принимаемых информационным каналом со­ пряжения, и преобразование их в стандартную форму представления информации в системе;

2)наличие общих входных и выходных магистралей (стандартных цепей связи) для передачи и приема информации периферийными устройствами, допускающих подключение и переключение большого количества различных периферийных устройств;

3)установление законов функционирования отдельных перифе­ рийных устройств, позволяющих получить закономерное выполнение программы ввода — вывода определенными устройствами в заданной последовательности в соответствии с заранее установленным приори­ тетом.

Основой эффективного использования оборудования ввода — вы­ вода является система прерывания программ. Когда УВВ полностью

подготовлено к работе, оно посылает сигнал запроса — прерывания, по которому центральный процессор вычислительной системы приоста­ навливает работу над выполнением программы и выполняет программу ввода — вывода.

Особенность электромеханических УВВ информации — конечное время запуска их в работу и практическая невозможность остановки в любой момент. Начав работу, эти устройства выдают массив инфор­ мации в определенном ритме. Как правило, ввод и вывод отдельных числовых или символьных значений с помощью периферийных уст­ ройств нецелесообразен и производится оператором вручную с пульта управления.

Поскольку даже кратковременное прерывание работы высокоско­ ростных. ВС для проведения операций ввода — вывода неэкономично,- в их составе иногда имеются периферийные ЦВМ, специально пред­ назначенные для связи и выполнения программ с УВВ информации. Периферийная ЦВМ или периферийный процеоеар--выполняет -также, подготовительные операции по преобразованию фбрмата^вкоданых данных периферийных устройств в формат данных ВС и чис|Л;(|Й^ё§До.й системы счисления в другую и т. д. - -pp"

л 1 А Л Ч Г . О Г О З А Т ^ ;

Таким образом, наличие информационных каналов сопряжения, осуществляющих обмен информацией между периферийными УВВ и основным ЗУ и управляющих этим процессом, позволяет освободить от данных функций процессор. Это, в свою очередь, дает возможность процессору вести преобразование информации практически парал­ лельно с выполнением операций ввода — вывода техническими сред­ ствами информационных каналов сопряжения.

Типы и функции унифицированных информационных каналов со­ пряжения рассмотрим на примере вычислительной системы ЕС ЭВМ, где посредством информационных каналов автономное УУ каждого УВВ связано с центральным процессором и основным оперативным ЗУ.

Спомощью каждого информационного канала можно:

1)получать команды на ввод — вывод информации от процессора;

2)обращаться к любому периферийному устройству, адрес кото­ рого задан в команде ввода — вывода;

3) направлять запросы прерывания в процессор в соответствии

санализом приоритетных сигналов;

4)обращаться в основное ЗУ для выборки управляющей инфор-1 мации, необходимой при определении адресов, количества и типа передаваемой информации;

5)расшифровывать, контролировать, хранить и передавать сигналы

управляющей информации; 6) обеспечивать промежуточное хранение передаваемой информа­

ции, подсчитывать количество передаваемых байтов и вести контроль по их четности;

7) сохранять информацию о текущем своем состоянии и пере­ сылать по запросам эту информацию в процессор или основное ЗУ.

В системе ЕС ЭВМ имеются селекторные и мультиплексный инфор­ мационные каналы.

Селекторный информационный канал — канал, способный работать в поточном режиме передачи информации. При этом обеспечивается электрическое подключение одного периферийного устройства и пере­ дача массива информации в определенном темпе; только после отклю­ чения одного периферийного устройства возможно подключение и на­ чало работы другого периферийного устройства.

Мультиплексный информационный канал обеспечивает возможность работы как в поточном, так и в мультиплексном режиме. В послед­ нем случае имеется несколько подканалов, т. е. технических средств для обеспечения работы с отдельными периферийными устройствами, позволяющих вести одновременную работу с несколькими УВВ ин­ формации. При этом по одной информационной магистрали байты информации передаются между ячейками ЗУ и периферийными уст­ ройствами в одиночном режиме. Параллельная работа периферийных устройств обеспечивается средствами подканала, который, получив управляющую информацию, функционирует со своим периферийным устройством автономно, подготавливая и принимая информацию. В состав подканала входит ЗУ того или иного типа, в котором хра­ нится информация об адресах, передаваемой информации, а также

18

производится запоминание сигналов управляющей информации. Счет­ чик байтов подканала подсчитывает количество переданной инфор­ мации.

§ 1.4. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ВС С МУЛЬТИПРОГРАММНОЙ ОБРАБОТКОЙ ИНФОРМАЦИИ И ВС

С РАЗДЕЛЕНИЕМ ВРЕМЕНИ

Структурная схема ВС с мультипрограммной обработкой информа­ ции. Рассмотрим вариант структурной схемы ВС с мультипрограм­ мной обработкой информации (рис. 1.2). Такая ВС состоит из оператив­ ного запоминающего устройства ОЗУ, разделенного на к авто­ номных секций, устройства об­ работки информации — процес­ сора Пр, селекторного СК и мультиплексного М К каналов, местных устройств управления (М УУ) внешними УВВ инфор­ мации. Количество и номенкла­ тура УВВ информации, подклю­ чаемых к ВС, определяется воз­ можностью информационных каналов.

Процессор.Яр имеет сложную структуру и в частном случае может состоять из совокупности операционных блоков, а также специального быстродействую­

щего буферного запоминающего устройства (БЗУ). Схема управления БЗУ обеспечивает просмотр команд до их исполнения и пересылку требуемых чисел из секции ОЗУ в БЗУ. В результате к моменту исполнения команды каким-либо операционным блоком все исходные числа оказываются подготовленными в БЗУ, откуда извлекаются с большой скоростью. Результат операции также пересылается в БЗУ (если он не используется в последующих командах, то затем пересы­ лается в ОЗУ). ■

Автономность работы устройств, отдельных операционных блоков и развитая система параллелизма, основанная на системе прерываний, позволяют получить высокую производительность ВС с мультипро­ граммной обработкой информации.

Структурная схема ВС с разделением времени. В ВС с разделением времени наряду с развитой системой УВВ информации предусматри­ вают средства ее связи с дистанционными пультами управления, число которых может достигать сотен и тысяч единиц. Для удовлетворения запросов пользователей в такой системе ОЗУ и процессор должны обеспечивать высокую производительность ВС. Один из возможных вариантов построения структурной схемы ВС с разделением времени

19