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

На рис. 4.57 приведен принцип построения матрицы накопителя информации индуктивного типа, в котором не требуется осуществле­

апоследний в свою очередь — появление э.д.с. в выходной шине. Совокупность металлических квадратов наносится на отдельные карты,

анеиспользуемые металлические квадраты перфорируются. Показан­ ная на рис. 4.57 перфокарта определяет записанные информационные коды 1111, 1001 и 1100 в 1, 2 и 3 адресах накопителя информации соответственно.

§ 4.13. АССОЦИАТИВНЫЕ ЗУ

Принцип ассоциативной выборки в ЗУ. Рассмотренные в преды­ дущих параграфах методы выборки информации в ОЗУ при различии технических идей их выполнения имеют следующую общность: при считывании информация извлекается по заданному в программе вы­ числений адресу. В этом случае целью выборки является извлечение информации из данного места (ячейки) ОЗУ без связи с содержимым информации самой ячейки. Предположим, что в процессе решения задачи с обычным (адресным) ОЗУ, в котором возможна только адрес­ ная выборки информации, необходимо определить, имеется ли в ОЗУ число, равное заданному. Алгоритм поиска в этом случае заключается в последовательном считывании всех N чисел из ОЗУ и сравнении каждого с заданным числом. После N операций считывания и срав­ нения могут быть получены ответы: 1) заданное число равно числу в ячейке Л/); 2) заданное число равно числам в ячейках У,-, Nj, N k...

(многозначный ответ); 3) заданное число не равно ни одному из N чисел, записанных в ОЗУ. Таким образом, в процессе выполнения этого алгоритма, поиска практически решается задача, противополож­

в которых эта исходная информация записана.

Методы выборки информации, при которых в ОЗУ производится поиск информации не по адресу, а по признакам самой информации или по некоторым другим критериям, связанным с информацией,

220

называют ассоциативными. Кроме рассмотренного критерия поиска, на равенство широко используют критерии поиска, определяющие: 1) наибольшее по значению число в накопителе; 2) наименьшее по значению число в накопителе; 3) числа, значения которых заданы в определенных пределах; 4) числа, большие, чем заданное; 5) числа, меньшие, чем заданное; 6) ближайшее большее число, ближайшее меньшее число и т. д.

Несмотря на то что ассоциативный поиск можно выполнить с по­ мощью обычного адресного ОЗУ и операционного блока сравнения, неэффективность подобной обработки очевидна из ранее рассмотрен­ ного примера. Операции ассоциативного поиска также можно осу­ ществлять в специальном ЗУ, обладающем возможностями хранения и обработки информации. Такие ЗУ называют ассоциативными ЗУ (АЗУ). Рассмотрим, какие операции выполняются в АЗУ при поиске информации.

Прежде всего в АЗУ при поиске информации производятся опе­ рации просмотра хранимой информации и сравнения каждого объекта информации с заданными признаками. Вся информации и ее признаки в АЗУ записываются в виде кодов, т. е. в АЗУ происходит сравнение кодов записанных чисел с кодом признака. На основании сравнения вырабатывается следующий ответ: хранится или нет в АЗУ информа­ ция с заданными признаками. В случае положительного ответа инфор­ мация может быть извлечена. В большей части разработанных в дан­ ное время АЗУ рассмотренные операции производятся параллельно для всего массива хранимой информации. АЗУ, выполняющее все указанные операции, должно иметь в своем составе' устройство для задания признаков информации, собственно устройства хранения информации и индикатора совпадения, регистрирующего результат опроса: совпадение, несовпадение.

Известные признаки информации, по которым производится поиск, называют признаком опроса. Признак опроса хранится в регистре признаков опроса. Индикаторы совпадения образуют регистр совпа­ дения или регистр результата поиска.

При поиске информации может получиться также и многозначный ответ, если совпадут признаки нескольких слов. Поэтому для считы­ вания многозначного ответа требуется введение дополнительного устройства, которое упорядочивает вывод информации из АЗУ. Вывод информации может осуществляться в случайном порядке или по определенному принципу по заданному алгоритму. Запись информа­ ции в АЗУ производится либо по заданному адресу, либо в любую свободную ячейку. В каждом слове может быть отведен один разряд, указывающий, занята ячейка или нет. Специфической частью АЗУ является запоминающая матрица.

Для создания АЗУ требуются специальные запоминающие эле­ менты, которые должны выполнять функции: 1) хранения информа­ ции; 2) считывания информации без ее разрушения; 3) выполнения логического сравнения заданной информации с хранимой.

Основной функцией ассоциативного запоминающего элемента яв­ ляется функция логического сравнения. Логика работы при этом

221

должна заключаться в том, что при совпадении признака опроса

сзаписанной информацией импульс несовпадения не вырабатывается,

апри несовпадении вырабатывается. Математически это логическое условие записывается в виде операции «исключающее ИЛИ» или

«отрицания равнозначности»:

ставлено в виде матрицы накопителя информации, в которой записано четыре четырехразрядных числа. В регистр признаков опроса РгПО записан код 1001 и необходимо выяснить, имеется ли в АЗУ код, совпадающий с этим кодом. Сравнение производится поразрядно. Вначале старший разряд кода РгПО (самый левый) сравнивается со

значениями старших разрядов всех четырех

ботан сигнал несравнения ни в одном разряде. Состояние «0» триггера РгРП числа 3 есть ответ ассоциативного поиска: код 1001 регистра признака опроса совпадает с кодом в третьей ячейке накопителя.

Методы ассоциативного поиска информации. Ассоциативный поиск информации в АЗУ может быть простым и сложным. При простом поиске выявляют числа, полностью совпадающие с признаком опроса. Простой поиска входит в состав программ сложного поиска.

Наиболее распространенными вариантами программ простого по­ иска являются поиски: параллельный по словам; последовательный по разрядам; полностью параллельный.

Первый вариант поиска по времени выполнения значительно медленней третьего варианта поиска, но при нем можно анализировать состояние индикаторов после каждого опроса, а это необходимо при более сложных алгоритмах поиска.

При сложном поиске иногда нужно опрос производить не по всем

-разрядам признака опроса, а по избранным, поэтому необходимо указывать положение разрядов в матрице. Не участвующие в поиске разряды обозначают символом М. Для маскировки разрядов исполь­ зуют специальный регистр маски, который располагают между ре­ гистром признаков опроса и накопителем информации АЗУ. Структур­ ная схема АЗУ с регистром маски приведена на рис. 4.59. Код при­

22 2

знака опроса заносится в регистр признаков опроса РгГЮ, не участ­ вующие в поиске разряды маскируются соответствующими разрядами регистра маски РгМ. Если в данном разряде регистра маски стоит «О», то при сравнении по всем разрядам чисел вырабатываются сигналы сравнения. Результат сравнения — несравнения записывается в ре­ гистр результатов поиска РгРП. Информация, хранимая в накопи­ теле информации АЗУ НИ АЗУ, обрабатывается по сигналам блока местного управления ЕМУ.

Все виды сложного поиска являются частями упорядоченной вы­ борки, которой называют выборку слов в порядке увеличения или

ки при выработке серии опросов не учи­ маски тывают результаты предыдущих опросов.

Самым простым алгоритмическим методом упорядоченной выборки, требующим несложного оборудования, но обладающим умеренной эффективностью, является метод Фрея — Гольдберга. Перед началом упорядоченной выборки те разряды признака опроса, по которым будет производиться выборка, устанавливают в состояние М.

Алгоритм состоит из двух частей: поиск наименьшего числа, а затем поиск ближайшего большего числа. Для поиска наименьшего признака необходимо крайний слева разряд М привести в состояние «О» и опросить АЗУ: ОММ...М. Если при этом индикатор совпадения показывает «1», т. е. имеются слова с признаком, содержащим в стар­ шем разряде «О», то следующий опрос производится с признаком ООМ...М. В противном случае следующий признак опроса имеет вид 1М...МММ, следующий за ним признак будет 10М...М. Слово подле­ жит считыванию, когда в признаке опроса отсутствуют разряды в со­ стоянии М и результат опроса равен «1». Приведем пример упорядо­ ченной выборки по методу Фрея — Гольдберга для пяти чисел: 1001;

ОНО; 0010; 1111; 1010.

В табл. 4.4 приведены результаты выполнения операций поиска, из которых следует, что для упорядоченной выборки пяти чисел нужно выполнить 25 операций, т. е. пять обращений на поиск.

При поиске по методу Сибера и Линдквиста на выборку одного слова требуется в среднем 2,8 опросов. Этот метод учитывает тот

223

Т а б л и ц а 4.4

факт, что в числе относительную величину его определяют не все разряды, а только старшие. Например, рассмотрим пять десятичных

чисел:

9 7 5 3;

8 9 4 0;

7 5 4 1;

7 4 8 2;

7 4 3 1.

Относительную величину этих чисел определяют их старшие разряды (выделенные цифры), поэтому не надо опрашивать все разряды, необходимо лишь установить максимальное значение старшего раз­ ряда, остальные разряды замаскировать и опросить АЗУ. Если при этом есть только одно совпадение, значит соответствующее число является максимальным. Если же получилось несколько совпадений, как в случае, когда старший разряд равен 7, то нужно размаскировать следующий разряд и в нем отыскать максимальное значение (5).

После каждого опроса индикатор совпадения должен зафиксиро­ вать результат: с данным признаком опроса не совпало ни одно слово («0»), совпало одно слово («1»), совпали два и более слов («Р»).

Регистр опроса и регистр маски изменяют свое состояние в соот­ ветствии с результатом опроса.

При многократном совпадении («Р») самый левый замаскирован­ ный разряд в ассоциативном признаке замещается на «1» (что соответ­ ствует выборке слов в порядке уменьшения их ассоциативных при­ знаков от наибольшего). После каждого опроса, не дающего совпа­ дений или дающего одно совпадение, от самого крайнего справа раз­ маскированного разряда в признаке опроса вычитается «1». При этой операции учитываются переносы и все «1», образованные операцией переносов, замещаются на М.

224

Если в результате опроса выявлено только одно число, у которого произошло совпадение с признаком опроса, то оно является искомым.

На рис. 4.60 приведена блок-схема алгоритма упорядоченной выборки по методу Снбера и Линдквиста над теми же пятью числами:

тивным признаком, которое имеет меньший ассоциативный признак,

Ниже приведена эффективность рассмотренных и других методов упорядоченной выборки, которая оценена как отношение числа «удач­ ных» опросов к общему числу опросов (здесь N — количество чисел, п — число разрядов).

При выборе метода упорядоченной выборки по эффективности для практической реализации надо начинать исследование с метода цикли­

рис. 4.61. В этой схеме информация хранится в триггере с раздельным запуском, выполненным на транзи­ сторах 7\ и Т 2 с импульсным питанием. Транзисторы Т3 и Т4 исполь­ зуют в качестве нагрузочных сопротивлений. Для уменьшения потреб­ ляемой мощности они могут быть нормально закрыты и открываются периодически с малой частотой при изменении напряжения Е' на за­ творе для восстановления информации за счет заряда емкостей в узлах а и б, которые разряжаются за счет токов утечки. Транзисторы Тв и Ти обеспечивают выполнение операций записи и считывания. Схема на транзисторах Т ъ, 7 6, Т7, Т8 позволяет выполнить логическую опе­ рацию «отрицания равнозначности», которая требуется при ассоциа­ тивном поиске.

При записи информационные сигналы в парафазном коде подают

на шины И я И. Потенциал в шине запроса 3 снижается почти до нуле­ вого уровня. Выборка данного элемента производится путем подачи отрицательного смещения на шину выборки А. Транзисторы Д и До открываются, поскольку уменьшается сопротивление канала, и триг­

226

гер устанавливается в то информационное состояние, которое задается

потенциалами на информационных шинах Я и Я.

Сигнал запроса на шине 3 приведет транзистор Т п в открытое состояние. Следовательно, при отсутствии совпадения от источника Е " будет протекать ток в шину А и через открытый транзистор 7\> в шину выборки А. Только в случае полного совпадения заданной информа­ ции и информационного состояния триггера ток в шине А будет отсут­ ствовать.

Рассмотренные ассоциативные запоминающие элементы для по­ строения ЗУ располагают в виде матрицы и объединяют посредством управляющих шин. На рис. 4.62 приведена функциональная схема ас­ социативной запоминающей матрицы из пг- и «-разрядных чисел. Матрица работает следующим образом.

При записи код числа подают на информационные шины Я и Я всех «-разрядов. Подачей отрицательного смещения на шину выборки произ­ водится выборка определенного адре­ са числа и параллельная запись ин­ формации в запоминающие элементы выбранного адреса. Очевидно, что логика работы запоминающих ячеек допускает одновременное считывание и запись в разные запоминающие эле­ менты одного адреса. Также возможна

одновременная запись исходной информации параллельно во все адреса подачей отрицательного сигнала на шины А х ч- А т в какие-то определенные адреса.

В случае ассоциативного поиска на шины А г ч- А т подают поло­ жительные сигналы и шины остаются в запрещенном для выборки состоянии. На входы информационных разрядных шин поступает код числа и требуется определить, есть ли число с заданным кодом в адре­ сах запоминающей матрицы. В каждом запоминающем элементе про­ водится ассоциативный выбор, результат которого проявляется в виде тока адресных шин: если произошло полное совпадение разрядов запрашиваемой информации с соответствующими разрядами некото­ рого числа по адресу А ь то выходной ток на шине отсутствует. Ампли­ туда выходного тока при поиске служит аналоговой мерой степени несовпадения.

8 *

Г л а в а 5

ПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА ЦВМ И ВС

§ 5.1. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРОЦЕССОРНОГО УСТРОЙСТВА

Процессором называют устройство ЦВМ и ВС, выполняющее функции переработки цифровой информации в соответствии с задан­ ным алгоритмом. Чтобы решать любые задачи, ВС должна обладать алгоритмически полным набором команд (операций). Теоретически показано, что алгоритмически полная система команд состоит из одной команды. Однако использование одной универсальной команды вызы­

вает существенные трудности при программировании задач, посколь­ ку количество команд в програм­ мах получается очень большим. Практически система команд содер­ жит несколько десятков и даже сотен команд, что позволяет для написания программы использовать значительно меньшее количество операций. При этом следует решить вопрос о том, какие команды осу­ ществляются аппаратным, а какие программным способом. Принцип микропрограммного управления позволяет изменять систему команд машины при известной совокупно­ сти выполняемых микроопераций. Аппаратная реализация операций

дает возможность увеличить быстродействие устройства, но нецелесо­ образна в том случае, когда малый объем вычислительных операций, данного типа приводит к низкой эффективности использования аппа­ ратных средств.

В ЦВМ и ВС широкое применение нашли процессоры универсаль­ ного типа и функционального типа с набором отдельных операционных блоков. Процессор универсального типа содержит сумматор и три регистра с системой приема, передачи и преобразования информации. В таком универсальном сумматоре можно осуществить все вычисли­ тельные и логические операции.

Повышение скорости работы любого процессора универсального типа ведет к усложнению его структуры, что, как правило, требует

228

применения электронных элементов с большими значениями коэффи­ циентов объединения по входу и разветвления по выходу, а также увеличивает габариты устройства и связанные с ними задержки пере­ дачи сигналов.

Построение специализированных процессоров, ориентированных на определенный тип выполняемых команд (операций), позволяет упростить их структуру и получить максимальное быстродействие для используемой элементно-технологической базы. В этом случае упро­ щаются управляющие цепи, уменьшается количество логических уровней для информационных сигналов, а также снижается величина задержек сигналов в узлах процессорных блоков.

На рис. 5.1 приведена обобщенная структурная схема процессора функционального типа. Данный процессор состоит из двух основных частей: процессорной А, в которой выполняются все преобразования информации, и управляющей Б, в которой вырабатываются сигналы управления операциями и последовательностью выполнения команд.

Управляющая часть процессора содержит блоки: синхронизации БС; управления командами БУК', управления операциями БУОп; управления адресами Б УА; индексной арифметики БИА\ индексное оперативное запоминающее устройство ИОЗУ. Процессорная часть содержит сверхоперативное запоминающее устройство СОЗУ и сово­ купность арифметических операционных блоков АОБ, выполняющих операции над числами с фиксированной и плавающей запятой, пере­ менным форматом, представленными в параллельной и последователь­ ной форме в двоичной и десятичной системах счисления. В процессор­ ной части могут быть также специальные операционные блоки: умно­ жения БУм, деления БДл, Логических операций БЛОп и др. Процес­ сор связан с пультом управления ПУ и оперативным запоминающим устройством ОЗУ ЦВМ или ВС.

§ 5.2. АРИФМЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ БЛОК ДЛЯ ОПЕРАЦИЙ НАД ДВОИЧНЫМИ ЧИСЛАМИ

С ФИКСИРОВАННОЙ ЗАПЯТОЙ

Сложение и вычитание двоичных чисел. В соответствии с действием переместительного закона при сложении слагаемые в сумматор могут подаваться в любом порядке по обоим входам. От этого результат сложения не изменяется. Поскольку операция вычитания не подчи­ няется этому закону, то при вычитании уменьшаемое и вычитаемое должны подаваться только по своим входам, что накладывает особые требования на схемы передачи чисел в устройстве. Кроме того, при разработке специального операционного блока для операции вычита­ ния (вычитателя) необходимо предусматривать построение цепей, позволяющих получить заем «1» из старшего разряда. Если в старшем разряде уменьшаемого стоит «О», то «1» занимается из следующего старшего разряда. Если при просмотре до самого старшего разряда вычитателя выясняется, что уменьшаемое' меньше вычитаемого, то необходимо уменьшаемое и вычитаемое в узлах операционного блока

229