книги из ГПНТБ / Белоногов Г.Г. Автоматизированные информационные системы

да—вывода графической информации, устройства считы­ вания алфавитно-цифровой информации, алфавитноцифровые печатающие устройства, выносные пульты с пишущей машинкой, а также с индикатором на элек­ троннолучевой трубке; устройства подготовки, контроля

иразмножения перфокарт и перфолент;

—иерархический способ построения памяти (этот способ касается построения как оперативных, так и внешних ЗУ), гибкая система защиты памяти и простое перемещение программ по полю памяти;

— для уменьшения потерь времени па обнаружение и устранение отказов и сбоев предусматривается система аппаратного контроля; эта система обеспечивает макси­ мальный охват оборудования контролем, полный кон­ троль передачи информации, выдачу информации о ха­ рактере и местоположении ошибок, необходимой для построения эффективной системы диагностических про­ грамм;

—возможность построения многомашинных систем путем связи машин через внешние каналы, через общие поля внешней или оперативной памяти, а также путем объединения в многопроцессорные системы;

—для организации мультипрограммной работы в ре­ жиме разделения времени или пакетной обработки задач предусматриваются аппаратные средства защиты и рас­

пределения памяти, разветвленная система прерываний и аппаратные средства для обеспечения одновременной работы всех внешних устройств.

В ЭВМ третьего поколения принята двоичная систе­ ма кодирования данных. Наименьшей единицей обраба­ тываемой информации в них является 8-разрядный код (байт). Этим кодом изображаются буквы алфавита, циф­ ры и служебные символы.

Если работа ведется только с десятичными цифрами, то для них используется 4-разрядное двоичное кодиро­ вание и в одном байте помещаются две цифры. Более крупными единицами являются слово (4 байта), Ѵ2 сло­ ва (2 байта) и двойное слово (8 байтов). Число с пла­ вающей запятой представляется словом или двойным словом. Числа, представленные с фиксированной запя­ той, могут иметь длину 2 или 4 байта. Числа в десятич­ ной системе счисления и алфавитно-цифровая информа­ ция представляются полями переменной длины до 256 байтов.

2 9 0

Команды имеют длину в Ѵг слова, 1 слово, 1 Ѵг слова. По модифицированному адресу в команде допускается непосредственная адресация к оперативной памяти с точностью до байта. Команды построены по двухадрес­

ной системе.

Набор операций предусматривает широкие возмож­ ности обработки информации. Все операции разбиты на следующие группы:

а) стандартный набор операций, включающий в себя операции над числами с фиксированной запятой, логи­ ческие и управляющие операции;

б) дополнительный набор операций для решения ин­ формационно-логических задач, включающий операции с полями переменной длины и десятичными числами; , в) дополнительный набор операций для решения на­ учно-технических задач — операции над числами с пла­

вающей запятой; Как правило, ЭВМ третьего поколения включают

всебя следующие основные группы устройств:-

—центральный процессор с центральным устройст­

вом управления, арифметическим логическим блоком и оперативной памятью;

—основную оперативную память;

—селекторные и мультиплексный каналы с подка­ налами;

—устройства ввода—вывода информации;

—устройства управления устройствами ввода — вы­ вода информации.

Ц е н т р а л ь н ы й п р о ц е с с о р предназначен для выполнения основных операций обработки информации. В основу построения процессоров положены два глав­ ных принципа:

—повышение быстродействия за счет введения па­

раллельного выполнения команд на различных уров­ нях;

—реализация логики работы машины как аппара­ турными, так и программными средствами.

Арифметическое устройство процессора обычно раз­ бивается на несколько блоков: вычислитель с фиксиро­ ванной запятой, вычислитель с плавающей запятой и вы­ числитель для операций над полями переменной длины и десятичной арифметики.

Система ввода—вывода управляет обменом информа­ ции между оперативной памятью и внешними устрой­

291

ствами, в число которых входит память на магнитных барабанах, дисках и лентах, перфокарточные и перфо­ ленточные устройства ввода и вывода, печатающие устройства, сопряжение с линиями связи и с реальными объектами, операторские пульты управления и др.

Для получения совместимости по вводу — выводу все каналы выполняются логически одинаковыми. При этом канал рассматривается как логически самостоятельная единица, которая осуществляет обмен информацией меж­ ду внешними устройствами и основной памятью под об­ щим управлением процессора. Внешние устройства под­ соединяются к каналу при помощи стандартной системы соединений, называемой стандартным сопряжением вво­

внешних устройств и оно позволяет присоединять к ка­ налу до восьми устройств управления внешними устрой­ ствами или до 256 внешних устройств. При передаче информации через стандартную аппаратуру сопряжения основным элементом принят байт.

Каналы делятся на м у л ь т и п л е к с н ы е и с е л е к ­ т о р н ы е . Мультиплексные каналы предназначены для обеспечения одновременной работы сравнительно медленнодействующих устройств (главным образом устройств ввода—вывода). Количество одновременно работающих устройств ограничивается пропускной спо­ собностью этих каналов. Селекторные каналы предна­ значены для обеспечения поочередной работы (в моно­ польном режиме) сравнительно быстродействующих устройств (главным образом внешних ЗУ и других ЭВМ).

В состав ЭВМ, как правило, входит несколько ступе­ ней оперативной памяти. Малая оперативная память (наиболее быстродействующая)— это первый каскад оперативной памяти. В большинстве случаев она ис­ пользуется в качестве индексных регистров и регистров для выполнения операций с плавающей запятой. Второй каскад оперативной памяти может образовывать основ­ ная оперативная память с побайтовой адресацией. Основ­ ная оперативная память является автономным, логиче­ ски достаточно сложным блоком, который имеет собст­ венную систему запоминания и обработки запросов про­ цессора и каналов внешних устройств. Оба эти каскада оперативной памяти могут находиться либо в централь­

292

ном процессоре, либо раздельно (основная память в виде автономного устройства).

Третий каскад образует оперативная память мульти­ плексного и селекторных каналов. Следующим каскадом памяти являются информационные накопители на маг­ нитных барабанах, дисках или магнитных лентах, пред­ назначенные для хранения информации большого объе­ ма. В состав накопителей на магнитных лентах может входить несколько десятков лентопротяжных устройств емкостью до 1,5 и более миллионов слов каждое. В за­ рубежной практике в комплект машин третьего поколе­ ния (например, в системе ІВМ/360) включаются накопи­ тели на магнитных картах весьма больших емкостей и достаточно малого времени выборки данных (до 600 мс).

Центральное устройство управления имеет специаль­ ную аппаратуру, обеспечивающую в необходимом случае прерывание выполняемой программы с возможностью продолжения ее решения. Кроме того, в центральном устройстве управления на специальных регистрах запо­ минается информация о состоянии автономных устройств ЭВМ. В малых ЭВМ функции управления обычно реали­ зуются, по микропрограммному или смешанному схемно­ микропрограммному принципу. В связи с тем, что при многопрограммной работе в основной и оперативной па­ мяти может находиться одновременно несколько про­ грамм, в ЭВМ предусматриваются специальные средст­ ва защиты памяти, реализованные аппаратным спосо­ бом. Система защиты препятствует возможным искаже­ ниям в самих программах и в промежуточных резуль­ татах со стороны других программ, выполняемых цен­ тральным процессором.

Центральный процессор имеет свою управляющую (операционную) программу (систему). Операционная система центрального процессора организует многопро­ граммную работу комплекса и выполняет целый ряд дополнительных функций: контроль работы системы, ми­ нимизацию времени выполнения подготовительных опе­ раций, слежение за состоянием устройств ввода — выво­ да информации, обслуживание запросов на прерывание в соответствие с установленными приоритетами и т. д.

Система контроля осуществляет контроль по четности всех пересылок информации. Реакцией на обнаруженные сбои является прерывание основных программ и подклю­ чение к выполнению необходимых диагностических про­

2 9 3

цедур. Кроме этих причин система автоматического пре­ рывания реагирует на сигналы прерывания от устройств

Кроме того, в комплексе технических средств исполь­ зуются устройства подготовки информации, которые предназначаются для подготовки и контроля правиль­ ности представления информации в виде пробивок на перфокартах и перфолентах. В их состав входят устрой­ ства подготовки перфокарт, контрольно-считывающие устройства, репродукторы перфокарт и контрольно-ввод­ ные устройства, предназначенные для контроля на иден­ тичность двух массивов перфокарт.

2 9 4

ЭВМ, используемые в АСУ, должны сопрягаться с ка­ налами связи. Для этого используется специальная ап­ паратура сопряжения. Аппаратура сопряжения предна­ значена для обеспечения передачи данных с определен­ ной степенью достоверности и для одновременного ди­ станционного обмена информацией по каналам связи между ЭВМ и ее абонентами. В качестве таких абонен­ тов могут быть использованы другие ЭВМ. В этом случае говорят об автоматическом межмашинном обмене инфор­ мацией в системе. Кроме того, в качестве абонентов могут быть использованы печатающие устройства, уст-

,ройства наглядного отображения, ленточные и рулонные телеграфные аппараты и другие устройства.

Ввод информации в ЭВМ с каналов связи может осу­ ществляться принудительно или по разрешению, выда­ ваемому из ЭВМ. Каждый знак передаваемой информа­ ции сопровождается соответствующим адресом (номе­ ром канала), с которого он принят. Ввод информации может осуществляться одновременно со всех (до не­ скольких десятков) каналов или в любом сочетании.

Две или несколько ЭВМ могут быть сопряжены в еди­ ную вычислительную систему (комплекс) совместно ра­ ботающих машин. Такое объединение вычислительных машин в единую систему позволяет:

—получить значительные вычислительные мощности, недоступные для отдельных ЭВМ;

—достичь требуемых мощностей на меньшем объеме оборудования за счет более эффективного его исполь­

зования;

—повысить техническую надежность (живучесть) системы за счет дублирования основных устройств систе­ мы (при этом выход из строя одного из устройств в боль­ шинстве случаев не приводит к полному отказу вычисли­ тельной системы, а лишь частично снижает ее произво­ дительность) ;

—использовать совместно общие массивы информа­ ции, а также организующие, управляющие и диагности­ ческие программы.

Создание комплексов вычислительных средств на базе отечественных серийных ЭВМ второго поколения свя­ зано с большими затратами на переоборудование вы­ числительных машин и, как правило, не .дает желаемых результатов. Это объясняется тем, что ЭВМ второго по­ коления мало приспособлены для создания вычислитель­

2 9 5

ных систем. Возможности для комплексирования машин не были заложены в их «архитектуру» в период проек­ тирования.

Указанные недостатки в определенной степени учитьщ ваются при проектировании и разработке ЭВМ третьего поколения. Эти ЭВМ спроектированы так, что можно осуществить между машинами (процессорами) несколь­ ко типов связей, которые отличаются между собой ско­ ростью передачи информации.

Различают три уровня связей. Первый уровень — связь между машинами осуществляется путем использо­ вания общей внешней памяти. Второй уровень — исполь­ зуется непосредственная связь между каналами ввода —• вывода информации. Третий уровень — связь осущест­ вляется на уровне оперативной памяти.

Организация межмашинного обмена через общее по­ ле внешней памяти (магнитные диски, барабаны, ленты) представляет собой самый простой вариант реализации вычислительной системы. Для реализации этого ва­ рианта требуются технические средства, которые входят в комплектацию любой ЭВМ, а именно: селекторный или мультиплексный канал, устройство управления внешни­ ми запоминающими устройствами (УУВЗУ) и сами внешние ЗУ.

Основным устройством, обеспечивающим возмож­ ность объединения машин в систему, является УУВЗУ, которое обеспечивает связь одних и тех же блоков ВЗУ с каналами различных машин. Это осуществляется через так называемый переключатель каналов. Переключатель каналов в каждый данный момент подключает к УУВЗУ только один канал. УУВЗУ работает с тем каналом, ко­ торый первым прислал запрос на обращение к общей внешней памяти. Для любого другого канала УУВЗУ занято, пока не закончится обмен. Если во время обмена второй канал пытается связаться с этим УУВЗУ, то ему выдается байт состояния с указателем «ВЗУ занято». Второй канал хранит запрос к этому УУВЗУ. Как только работа с первым каналом закончена, второму каналу выдается байт состояния с указателем «ВЗУ работу окончило» и УУВЗУ переключается на обслуживание

296

только для каждых двух. Достоинством этого способа комплексирования ЭВМ является простота объединения машин в систему, недостатком — малая скорость обмена, так как обмен между ОЗУ вычислительных машин осу­ ществляется не непосредственно, а через промежуточное звено — общую внешнюю память, а обмен информацией между тремя и более машинами происходит в несколько

этапов.

Второй тип связи между машинами предполагает ис­ пользование межканального обмена. Для такой связи необходимо использовать адаптер (устройство управле­ ния) типа «канал — канал», так как канальный интер­ фейс не симметричен для передач в прямом и обратном направлении. Адаптер должен связывать два канала через стандартное устройство сопряжения ввода — вы­ вода. По отношению к каждому из каналов адаптер вы­ ступает как одно из устройств управления внешними устройствами. Информация с использованием адаптера «канал — канал» должна передаваться побайтно со ско­ ростью, определяемой скоростью работы канала. В слу­ чае, если адаптер соединяет селекторный канал с муль­

с каждым из каналов как по инициативе канала, так и по инициативе адаптера: формировать и передавать в ка­ нал, с которым он соединяется, байт состояния, харак­ теризующий возможность выполнения присланной из канала команды; принимать и выполнять команды, при­ сылаемые двумя каналами; принимать на буферный ре­ гистр данные из одного канала и передавать их в дру­ гой.

Достоинством второго типа связи между машинами является обмен информацией, минуя промежуточную среду, недостатком — необходимость использовать спе­ циальный адаптер и зависимость скорости обмена ин­ формацией от быстродействия сопрягаемых каналов. Для очень интенсивного обмена информацией требуется взаимодействие на третьем уровне — на уровне опера­ тивной памяти. Следует отметить, что обмен информа­ цией между машинами на первых двух уровнях техни­ чески реализуется легче, чем на третьем уровне, однако обмен информацией на уровне оперативной памяти осуществляется с больщей скоростью. Это обстоятельст-

ство особенно важно для больших ЭВМ, поскольку ско­ рость обмена информацией существенно влияет на про­ изводительность всей вычислительной системы. Кроме того, при связи.на первых двух уровнях могут возник­ нуть некоторые ограничения на число процессоров, ко­ торые должны обмениваться информацией между собой.

Настоящий период времени характеризуется резким скачком в развитии науки и техники, а также значитель­ ным возрастанием сложности управления народным хо­ зяйством. Возросло и количество задач, для решения которых требуются ЭВМ.

Ряд задач, возникающих при создании систем автома­ тизации комплексных научных экспериментов, при авто­ матизации проектирования больших технических ком­ плексов и сооружений, при создании АСУ высших звень­ ев (отрасль, народное хозяйство и др.), не могут быть эффективно решены в рамках технических возможностей ЭВМ третьего поколения. Так, АИС, предназначенные для обслуживания оперативного планирования и управ­ ления материально-техническим снабжением в масшта­ бе экономического района (союзная республика), как показывают расчеты, должны удовлетворять следующим основным требованиям. По экономическому району за год необходимо обработать до 2Х І09 сообщений (доку­ ментов). Если исходить из объема одного сообщения в ІО3 байт и необходимости хранения всей этой инфор­ мации с целью последующей ее статистической обработ­ ки, то суммарный объем памяти, необходимый для хра­ нения этой информации, составит 2Х І012 байт. При этом необходимая производительность ЭВМ по приему и пер­ вичной обработке сообщений может составить до ЗХ Х1013 оп/смену. Связи между предприятиями в этом слу­ чае могут характеризоваться оперативной матрицей объемом до ІО13 байт. Время преобразования этой ма­ трицы при быстродействии ЭВМ, равном ІО9 оп/с, соста­ вит около трех суток.

Особенности информационного обеспечения при авто­ матизации управления большими научными и проектноконструкторскими организациями, группами предприя­ тий и крупными административными руководящими органами делают необходимым решение ряда информа­ ционно справочных задач в условиях жестких времен­ ных ограничений. Так, для объемов хранимой оператив­ ной информации ІО7—ІО10 байт и многоаспектной органц-

298

йаЦии хранимых массивов необходимое время ответа мо­ жет составить 1 м и меньше. Количество таких запросов при дистанционном обслуживании до ІО3 абонентов мо­

жет быть до ІО4 в сутки.

Исходя из приведенных приближенных количествен­ ных оценок, основные характеристики ЭВМ четвертого поколения можно определить следующим образом:

—быстродействие — до 10 млрд, оп/с;

—объем оперативной памяти — до ІО9 байт на про

цессор;

— объем внешней памяти — до 1012 байт;'

— структура машин должна позволить объединить до сотни процессоров и обеспечить режим мультипроцессор­ ной обработки информации.

В качестве элементной базы таких ЭВМ, как было указано выше, могут выступать большие интегральные схемы (БИС), содержащие в своем составе более сотни простых интегральных элементов. Указанное выше бы­ стродействие ЭВМ четвертого поколения в 10 млн. оп/с и более требует принципиально новых системотехниче­ ских и технических методов построения ЭВМ. При этом,

мость одного вентиля не превышала бы нескольких ко­ пеек.

Принципиальным вопросом элементной базы являет­ ся также надежность БИС, от которой в значительной степени будет зависеть надежность ЭВМ и АСУ в целом. Исходя из этого, надежность больших интегральных схем может быть определена интенсивностью отказов порядка 1/107 в час.

Высокий уровень интеграции в элементах, приведет, вероятно, к развитию в машинах четвертого поколения идей схемной интерпретации.

Это, в свою очередь, должно привести к качественно­ му скачку в методах программирования, в языках про­ граммирования и операционных системах. Характерным при этом является то, что сложность создания операци­ онных систем требует безусловного решения вопроса об автоматизации их разработки и отладки. Только это по­