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

Адресность ЦВМ и ее быстродействие. Оценим время выполнения одной операции в машине при использовании одно- и трехадресных команд.

Пусть необходимо для получения числа С выполнить операцию

ton — время выполнения операции.

Предположим, что быстродействие ЗУ в среднем можно определить

Для рассмотренной операции в одноадресной машине требуется

выполняется операция над числами Л и В (время выполнения этой команды Т2 = to6р 4- ton);

Т р е т ь я к о м а н д а . Результат С пересылается в ЗУ (время выполнения команды Т 3 = fo6p).

7Д, кроме времен Т ъ Т 2, Т 3, включает в себя время обращения То6р к ЗУ за командой (Т0 = to6p). Таким образом, общее время выполне­ ния операции

Дs = Т’о.-р Тх+ Та= 4^0бр + ^оп •

Следовательно, адресность вычислительной машины существен­ ного влиянияна ее быстродействие не оказывает.

Адресность на быстродействие машины оказывает влияние только при одноадресном кодировании команд, так как общее количество команд одноадресной машины превышает количество команд трехад­ ресной машины.

Емкость ЗУ и адресность ЦВМ. Если емкость ЗУ 2'”«, то для зада­ ния адреса любой ячейки необходимо использовать т й-разрядные двоичные коды. Для кодирования общего количества Р различных операций, реализуемых в машине, необходимо иметь 1пР = т оп раз­ рядов. Кроме того, тм разрядов в коде команды о тв о д и тс я служеб­ ной части. Таким образом, общее число разрядов в трехадресной команде

mk = mon + mM + 3ma.

По мере развития вычислительной техники наблюдается тенден­ ция увеличения общего количества операций, выполняемых машиной,

30

а также возрастает число модификаций операций. Это обстоятельство приводит к удлинению операционной и служебной частей команд. Увеличение общей емкости запоминающего устройства усиливает эту тенденцию вследствие увеличения разрядов адресной части. В ре­ зультате длина команд трех- и двухадресных машин может превышать длину слов операндов. Практическим выходом из этого положения является переход к одноадресным машинам, либо использование спе­ циальных запоминающих устройств для хранения команд.

Адресность ЦВМ и особенности АУ. В одно- и двухадресных маши­ нах требуется сохранение результата предыдущей операции в АУ. Результат обычно сохраняют либо в сумматоре, либо в специальном регистре АУ.

Ц В М с п е р е м е н н о й а д р е с н о с т ь ю . Для современ­ ных вычислительных систем с иерархией ЗУ характерно использование модульных команд с переменной адресностью. В этом случае команды структурно состоят из отдельных ча­ стей — байтов, содержащих восемь двоичных разрядов. Количество и соче­ тание байтов в операционной и адресной частях команд может быть различным, что позволяет менять структуру и длину (количество разрядов) команд. Команды

снеполным количеством разрядов могут

вэтом случае относиться либо к сверх­ оперативным ЗУ, либо к отдельному массиву буферного или основного ЗУ. Адрес массива обеспечивается предыду­ щими командами или определенными

признаками в служебной части команд. В качестве примера рассмотрим си­ стему кодирования команд с перемен­

ной адресностью вычислительных систем ЕС ЭВМ и ИБМ-360. Длина формата команд равна двум, четырем или шести байтам. Всего в системе используют пять основных форматов команд: один двухбай­ товый, один шестибайтовый и три четырехбайтовых. Длина команды зависит от количества адресов и типа устройства хранения информа­ ции. В частности, двухбайтовые команды не позволяют обращаться к основному запоминающему устройству, а шестибайтовые команды позволяют указать два адреса основного запоминающего устройства.

Рассмотрим основные форматы команд (рис. 1.7). Каждый формат команды обозначают своим форматным кодом, указывающим характер выполняемой команды. Форматный код R R обозначает команду типа регистр — регистр, определяющую обращения к регистрам сверх­ оперативного ЗУ. Байт 1 этой команды (разряды 0 -н 7) используют для кодирования операций; байт 2 содержит два четырехразрядных кода адресов R x и Д2 сверхоперативного ЗУ. При выполнении команды типа R R результат записывают по адресу первого регистра R x.

Форматный код R X обозначает операцию типа регистр — основ­ ное ЗУ. В команде этого типа первые восемь разрядов используют

31

для кодирования операции, следующие четыре разряда задают адрес регистра сверхоперативного ЗУ. Оставшиеся разряды команды опре­ деляют индексируемый адрес основного ОЗУ. Этот адрес формируют из: базового адреса В команды, который представляет собой 24-раз- рядный код, записанный в регистр В сверхоперативного ЗУ; смеще­ ния D, представляющего собой 12-разрядиый код, непосредственно записанный в 20 ч- 31 разрядах команды. Смещение позволяет выпол­ нять относительную адресацию 4096 байтов, следующих по порядку за байтом, заданным базовым адресом или за байтом, адрес которого получен индексацией базового адреса; индекса X , представляющего собой 24-разрядное число, записанное в регистре сверхоперативного ЗУ с номером X.

При выполнении команды типа R X содержимое регистра записы­ вается в ячейку основного ОЗУ, адрес которой получается сложением числа D с содержимым регистров В я X сверхоперативного ЗУ.

Форматный код RS определяет такую же команду, как и формат­ ный код RX, только в данном случае не производится индексация команд, и команда выполняется как трехадресная. Первый операнд вы­

В этом случае второй байт в виде двух четырехразрядных групп Lx

иL2 используют для задания количества байтов в операндах. Для задания адресов в ОЗУ используют третий и четвертый байты для первого операнда и пятый и шестой — для второго. Адресация в ОЗУ для этой команды производится так же, как и для команды R S, т. е.

первый адрес равен коду Dx плюс содержимое регистра Въ а второй адрес — сумме кода D2 с содержимым регистра В2.

§ 1.10. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦВМ И ВС

Классификация ЦВМ и ВС. Классификацию ЦВМ и ВС проводят по: назначению; используемой системе счисления; форме представле­ ния чисел; способу передачи кодов чисел; характеру временной орга­ низации работы устройств; организации структуры машины; коли­ честву выполняемых программ; форме обслуживания; условиям экс­ плуатации.

Р а з д е л е н и е Ц В М и ВС п о н а з н а ч е н и ю . По на­ значению ЦВМ делят на универсальные и специализированные.

Универсальными ЦВМ называют такие машины, в которые зало­ жена алгоритмическая универсальность. Это означает, что выполняе­ мый машиной состав команд позволяет получить преобразование инфор­ мации в соответствии с любым заданным алгоритмом. В результате на

32

одной и той же ЦВМ возможно решение задачи расчета заработной платы и траектории движения космического корабля.

Специализированную ЦВМ предназначают для решения определен­ ного класса задач, а иногда только для решения одной конкретной задачи.

Развитие автоматизированных систем управления (АСУ) различны­ ми объектами (например, ракетами, самолетами, судами), автоматиза­ ция управления проведением технологических процессов и отдельными отраслями и т. д. требует разработки ЦВМ для выполнен'ия определен­ ных функций. Вследствие особенностей процессов управления, свя­ занных с непрерывностью протекания во времени, к специализирован­ ным ЦВМ предъявляют повышенные требования надежности. Их суще­ ственными характеристиками является простота управления, малые габариты, вес и .потребляемая мощность.

Р а з д е л е н и е Ц В М и В С п о т и п у и с п о л ь з у е м о й с и с т е м ы с ч и с л е н и я . В зависимости от типа используемой системы счисления ЦВМ делят на десятичные, двоичные и др. По­ скольку обычно используемая система счисления является десятич­ ной, то при работе ЦВМ в другой системе счисления требуется выпол­ нение операции перевода чисел. Если объем вводимой и выводимой информации значителен, то рационально в ЦВМ использовать деся­ тичную систему счисления, несмотря на усложнение отдельных уст­ ройств машины вследствие двоичного характера работы используемых электронных элементов.

Развитие микроэлектронных элементов и дальнейшая разработка теории структуры ЦВМ вызывают интерес к другим системам счисле­ ния, например к системе счисления в остаточных классах, с отрица­ тельными основаниями и т. д.

Р а з д е л е н и е Ц В М и В С п о ф о р м е п р е д с т а в л е ­

В универсальных ЦВМ, вследствие возможности решения задач с раз­ личными диапазонами представимых чисел, предпочтительно исполь­ зование представления чисел с плавающей запятой. Для специализи­ рованных ЦВМ, вследствие определенности перерабатываемого диа­ пазона чисел, возможно использование представления чисел с фикси­ рованной запятой. Поскольку скорость выполнения операций в маши­ нах с представлением чисел с фиксированной запятой выше, а обору­ дование проще, чем в машинах с представлением чисел с плавающей запятой, то часто в универсальных ЦВМ это представление чисел используют наряду с представлением чисел с плавающей запятой. Комбинированное использование обоих представлений кодов чисел при решении различных задач позволяет повысить производительность ЦВМ.

Р а з д е л е н и е Ц В М и В С п о с п о с о б у п е р е д а ч и к о д о в ч и с е л . По способу передачи кодов чисел ЦВМ делят на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

ЦВМ последовательного действия — машина, в которой операции над числовыми кодами осуществляются последовательно разряд за разрядом.

ЦВМ параллельного действия — машина, в которой операции над числовыми кодами осуществляются одновременно по всем разрядам.

В ЦВМ параллельно-последовательного действия операции над числовыми кодами осуществляются последовательно по группам и параллельно по всем разрядам каждой группы.

При последовательной обработке кодов разряд за разрядом значи­ тельно уменьшается количество оборудования ЦВМ по сравнению с параллельной обработкой всех разрядов одновременно. Снижение скорости вычислений в этом случае компенсируется высокой надеж­ ностью. Кроме того, в ЦВМ последовательного действия возможно эффективное использование простых ЗУ на линиях задержки, магнит­ ных барабанах, динамических ЗУ на униполярных полупроводнико­ вых приборах.

Р а з д е л е н и е Ц В М по х а р а к т е р у в р е м е н н о й о р г а н и з а ц и и р а б о т ы у с т р о й с т в . По характеру вре­ менной организации работы устройств ЦВМ делят на синхронные и асинхронные.

Синхронная ЦВМ — машина, в которой начало и конец выполне­ ния операций задаются УУ; время выполнения операций в этом случае не зависит от величин, участвующих в операции кодов.

В асинхронной 'ЦВМ начало выполнения каждой следующей опера­ ции определяется по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.

Вследствие фиксированной длительности тактов синхронной ЦВМ количество и последовательность вырабатываемых УУ управляющих импульсов определенная, что упрощает построение управляющих схем. Однако при асинхронном принципе управления может быть получен значительный выигрыш по времени выполнения задач. Практически часто в одной ЦВМ совмещают синхронный и асинхронный принципы управления для выполнения различных групп операций.

Р а з д е л е н и е Ц В М п о о р г а н и з а ц и и и х с т р у к ­ т у р ы . ЦВМ может иметь определенную жесткую или модульную структуру.

При жесткой структуре количество устройств ЦВМ фиксированно и машина может быть использована только в одном определенном виде.

Использование модульной структуры дает возможность включать и отключать отдельные модули, при этом изменение количества рабо­ тающих устройств вызывает только изменение производительности ЦВМ, а не прекращение ее работы.

В зависимости от количества используемых процессоров ЦВМ или ВС могут быть однопроцессорными или многопроцессорными.

Р а з д е л е н и е Ц В М и ВС п о к о л и ч е с т в у в ы п о л ­ н я е м ы х п р о г р а м м . Поскольку ЦВМ может быть спроектиро­ вана так, что в ней -выполняется одна или несколько программ вычи­ слений одновременно, то их делят на однопрограммные и мультипро­ граммные.

В мультипрограммных ЦВМ и ВС может быть достигнута высокая производительность за счет параллельной работы блоков при выпол­

34

нении различных программ или независимых участков одной про­ граммы.

Развитие ЦВМ постоянно вызывало изменение взаимоотношений между пользователем и машиной. Машины первых поколений безраз­ дельно передавались в индивидуальное пользование. Пользовательоператор загружал ЦВМ решением одной задачи, отлаживал про­ грамму за пультом, что, естественно, приводило к простоям ма­ шины.

Для лучшего использования машинного времени был совершен переход к пакетной обработке информации или операторскому счету. Подготовленные программы задач в этом случае в виде пакета пер­ фокарт или перфоленты передаются программистом оператору машины и записываются во внешние ЗУ. В процессе работы машины (одно­ программной или мультипрограммной) задача с большой скоростью вводится в ЦВМ без участия пользователя, отладку программы и решение задачи проводит оператор с пульта управления. Пользователю направляются лишь замечания по ошибкам в программе или резуль­ таты решения задачи.

Пакетная обработка позволяет значительно повысить эффектив­ ность использования технических средств ЦВМ, но формализует от­ ношения между пользователем и машиной.

Непосредственное же общение пользователя и машины в процессе решения задачи позволяет по существу вести исследование различных вопросов, оперативно менять исходные данные и определять детали характера протекания процессов в наиболее интересной области зна­ чений переменных.

При решении поставленной задачи в режиме пакетной обработки информации оператором может быть легко потеряна часть информации или получены данные, относящиеся к мало интересной области пере­ менных.

В режиме разделения времени мультипрограммных вычислительных систем третьего и четвертого поколений пользователь получает воз­ можность прямого доступа к ЦВМ на основе коллективного использо­ вания машины. Разработка скоростных каналов передачи информации и дистанционных пультов управления (ДПУ) машиной позволяет сде­ лать высокопроизводительную ВС легко доступной каждому пользо­ вателю. Развитые ДПУ обеспечивают диалоговый режим работы поль­ зователя и машины, дают возможность перейти от метода работы по заранее составленной жесткой программе к методу взаимодействия с машиной в процессе решения задачи на основе анализа промежуточ­ ных результатов и расчета различных вариантов.

Р а з д е л е н и е Ц В М п о у с л о в и я м э к с п л у а т а ­ ц и и . По условиям эксплуатации ЦВМ можно разделить на стацио­ нарные и мобильные. К мобильным ЦВМ предъявляют значительно более жесткие требования по характеру внешних воздействий (удары, вибрация, температурный диапазон и т. д.).

Основные параметры ЦВМ и ВС. К этим параметрам ЦВМ относят: производительность; адресность команд; разрядность числовых ко­ дов; надежность; габариты; вес; потребляемая мощность.

П р о и з в о д и т е л ь н о с т ь ЦВМ и ВС. Быстродействие ЦВМ можно охарактеризовать количеством выполняемых операций и раз­ личными их устройствами в единицу времени. Однако при решении задач время работы машины существенно зависит от количества корот­ ких (сложение, вычитание) и «длинных» (деление, умножение) опера­ ций, объема ОЗУ и его быстродействия, объема исходной информации и т. д. Поэтому характеристикой быстродействия ЦВМ является ее производительность, определяющая алгоритмически среднее значение количества выполняемых операций в единицу времени при решении определенного класса задач.

А д р е с н о с т ь к о м а н д ЦВМ и ВС. Адресность команд ЦВМ определяется количеством адресов в коде команды. Наиболее часто используют одно-, двух- и трехадресные машины. По мере раз­ вития ЦВМ наблюдают тенденцию перехода к одноадресным машинам с большим числом модификаций команд, а также к машинам с пере­ менной адресностью команд.

Р а з р я д н о с т ь ч и с л о в ы х к о д о в ЦВМ. Этот параметр определяет максимальное количество разрядов машины, которое может содержать числовой или командный код. Разрядность в основ­ ном связана с точностью вычислений, увеличение числа разрядов повышает точность, однако снижает быстродействие и увеличивает количество электронного оборудования.

Н а д е ж н о с т ь ЦВМ. Надежность ЦВМ определяется средним временем их работы между отказами. Отказы в ЦВМ носят различный характер; как правило, надежность ЦВМ повышается по мере совер­ шенствования технологических методов изготовления машин и совер­ шенствования их конструкций. Так, микроэлектронные ЦВМ значи­ тельно надежнее машин на дискретных радиодеталях и полупроводни­ ковых приборах, хотя их структура стала значительно сложнее, а количество компонент увеличилось. Применение в микроэлектрон­ ных ЦВМ логических и аппаратных методов контроля их работы также увеличивает надежность этих машин.

Г а б а р и т ы , в е с и п о т р е б л я е м а я м о щ н о с т ь ЦВМ. Эти параметры наиболее важны для специализированных ЦВМ. Использование микроэлектронной техники при изготовлении специа­ лизированных ЦВМ значительно улучшает эти характеристики по сравнению с характеристиками обычных машин. Дальнейшее развитие больших интегральных схем (БИС) и методов их компоновки приведет к еще большему снижению габаритов, веса и потребляемой мощности ЦВМ.

§ 1.11. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛОГИЧЕСКОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦВМ И ВС КАК КОНЕЧНЫХ ЦИФРОВЫХ АВТОМАТОВ

Основные этапы логического проектирования ЦВМ и ВС. При логическом проектировании ЦВМ и ВС необходимо выполнить следую­ щие этапы разработки.

36

п р о г р а м м - и р о в а н и я . Алгоритмическим или входным языком ЦВМ и ВС называют совокупность символов и правил, не зависящих от конструкции средств вычислительной техники и предназначенных для записи алгоритмов решения задач. Алгоритмические языки, как правило, являются проблемно-ориентированными, максимально при­ ближенными к потребностям пользователя.

Внутренним языком ЦВМ и ВС называют систему команд и пра­ вила записи рабочих программ в ЗУ машины. Внутренний язык ма­ шины зависит от конструкции и логической организации средств вычислительной техники, и определяет систему, адресность и формат команд ЦВМ и ВС. В зависимости от заданных параметров и внутрен­ него языка машины определяется специфика логической структуры проектируемой ЦВМ или ВС, количество электронного и периферий­ ного оборудования, надежность и удобство эксплуатации.

Для выполнения работ на этом этапе разработки необходимо проанализировать предполагаемые алгоритмы решения задач, опре­ делить эффективность выбранной системы команд при решении типич­ ных задач, установить связь программирования с внутренним языком машины, в частности возможность непосредственного программирова­ ния на внутреннем языке машины и трудоемкость автоматической трансляции программ при использовании автоматического програм­ мирования.

Отрыв решения одних задач от других может привести к оптималь­ ной конструкции и структуре ЦВМ, но наряду с этим — к сложным методам математического обеспечения и большим затратам машинного времени на трансляцию программ. Поэтому в результате экономиче­ ская эффективность использования ЦВМ или ВС может оказаться низкой.

количество и типы основных функциональных устройств, состав пери­ ферийных устройств, решают вопросы построения связей между ними и согласования потоков информации посредством мультиплексных и селекторных каналов, выбирают тип структуры машины в целом.

А н а л и з и с и н т е з э л е к т р о н н ы х у з л о в и о п е ­ р а ц и о н н ы х б л о к о в ЦВМ и ВС н а о с н о в е в ы б р а н ­ н о г о б а з и с а ф у н к ц и о н а л ь н о п о л н о й с и с т е м ы л о г и ч е с к и х э л е м е н т о в . Исходными данными для этого этапа разработки служат характеристики устройств ЦВМ и ВС, опре­ деленные во время синтеза их логических структур, а также инфор­ мация ,о доступной электронно-технологической базе их производства.

Выявив оптимальную структуру каждого узла ЦВМ и ВС и струк­ туру их связей, можно удовлетворить требованиям, поставленным при синтезе устройств. Поскольку узлы и блоки ЦВМ и ВС можно рас­ сматривать как комбинационные автоматы * или автоматы с памятью,

* Здесь и в дальнейшем имеется в виду цифровой автомат.

37

то для их анализа и синтеза можно применить теорию цифровых автоматов.

На всех трех этапах логического проектирования ЦВМ и ВС боль­ шое внимание уделяют обеспечению надежности их работы, снижению стоимости проектирования и изготовления. Поэтому процесс проекти­ рования особенно на первых стадиях всех этапов разработок носит итерационный характер.

Существенную информацию о достоинствах и недостатках синтези­ рованных узлов, блоков, устройств и структуры ЦВМ и ВС в целом дает цифровое моделирование работы последних на существующих ЦВМ. Автоматизация логического проектирования ЦВМ и ВС позволяет существенно снизить затраты на проектировании при получении ре­ шений, удовлетворяющих поставленным требованиям оптимально­ сти.

Синтез логической схемы заключается в преобразовании и мини­ мизации логических выражений, полученных на стадии анализа, с целью определения наиболее экономичной схемы из исходных логи­ ческих элементов, т. е. основной задачей синтеза является построение структурной логической схемы, воспроизводящей полученную пере­ ключательную логическую формулу. При этом на этапе синтеза рас­ сматривают систему заданных функционально полных систем логи­ ческих элементов (переключательных функций).

Систему логических элементов называют функционально полной, если существует общий конструктивный прием, позволяющий строить из логических элементов заданной системы корректные комбинацион­ ные схемы, имеющие любые заданные переключательные выходные функции.

Систему переключательных функций (логических переключатель­ ных элементов), образующую функционально полную систему логи­ ческих функций, называют базисом. Можно показать, что существует несколько наборов базисных переключательных функций в множестве двоичных переключательных аргументов.

Разработка основ алгебры логики связана с именем ирландского математика XIX в. Д. Буля и поэтому носит название булевой алгебры. Исчисление высказываний булевой алгебры производится в виде использования переключательных функций. Переключательной функ­ цией называют математическое выражение, связывающее между собой элементарные двоичные логические переменные, принимающие только два определенных значения «О» и «I».

ЦВМ и ВС как конечные цифровые автоматы. ЦВМ и ВС осуществ­ ляют переработку цифровой информации, причем процесс переработки протекает во времени. Поэтому в общем случае ЦВМ и ВС можно представить в виде двух основных частей: комбинационной, работа которой не зависит от времени, и запоминающей, Осуществляющей последовательное преобразование информации.

Функциональная схема цифрового автомата приведена на рис. 1.8, где / запоминающая, а II комбинационная части автомата.

В комбинационной части ЦВМ и ВС совокупность выходных сигна­ лов iji (t) однозначно определяется поступившими на ее вход инфор­

38

мационными и управляющими сигналами xt (i). Поэтому комбина­ ционную часть можно рассматривать как простейший комбинацион­ ный автомат с одним внутренним состоянием, заданным схемным соединением электронных логических элементов комбинационной части ЦВМ и ВС.

Комбинационная часть выдает результат сразу же после оконча­ ния переходных процессов. При снятии входных сигналов выходные

ных состояний, то запоминающая часть автомата реализует функ­ циональную связь между последовательностями состояний, а не от­ дельными состояниями. Поэтому запоминающий или последовательный автомат может по-разному реагировать на одинаковые входные состоя­ ния (реакция автомата зависит от всей последовательности предыдущих входных сигналов и изменения внутренних состояний). Входами авто­ мата является множество Z-Lсигналов обратной связи информационной части, которые после переработки поступают в информационную часть в виде сигналов W,. Основной особенностью цифрового автомата является наличие дискретного (причем в реальных автоматах) мно­ жества внутренних состояний и возможность скачкообразного перехода автомата из одного информационного состояния в другое.

Время т изменения состояния автомата всегда конечно, причем после перехода автомата в новое состояние следующий переход воз­ можен через время At, которое носит название интервала дискретности автомата. Если интервал дискретности At = const (т <; At), то авто­ мат называют синхронным, если же At ф const — асинхронным.

Результатом функционирования цифрового автомата является вы­ работка конечного числа выходных информационных сигналов, завися­ щих как от входных сигналов, так и от внутреннего состояния авто­ мата. Если обозначить конечные состояния автомата как qx, q„, ..., qk, то множество состояний автомата Q можно определить следующим

образом: * ........ ?„!•

Вырабатывая выходные сигналы, автомат, как правило, переходит из состояния qt в состояние q} (i ф j). Поэтому в автомате реализуется последовательный накапливающий способ обработки информации,

39