книги из ГПНТБ / Дроздов Е.А. Многопрограммные цифровые вычислительные машины

щиеся переносы передаются на ОС-3 соседних старших разрядов, где они учитываются при образовании конечных значений цифр суммы. В предельном случае сигнал переноса, возникший на вы­ ходе ОС-3 младшего разряда, может передаваться последователь­ но от одного ОС-3 к другому, включая ОС-3 знакового разряда.

Одноразрядные двоичные сумматоры ОС-3 рассчитываются на одновременное поступление всех входных сигналов, включая и сиг­ нал переноса из соседнего младшего разряда. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы длительность кодовых сигналов слагаемых была больше времени максимальной задержки сигнала переноса при его последовательной передаче от ОС-3 младшего разряда к ОС-3 старших разрядов.

Анализ схем ОС-3, приведенных на рис. 5.9, б и 5.9, г, показы­ вает, что между входом Pi- 1 и выходом Pi ОС включены два логи­ ческих элемента (элементы И и ИЛИ или два элемента И — НЕ). Это означает, что в схеме каждого ОС-3 сигнал переноса задержи­ вается двумя логическими элементами. При формировании сигнала переноса в данном разряде он задерживается относительно кодо­ вых сигналов слагаемых также двумя логическими элементами. Поэтому можно записать, что

Общее время задержки переноса возрастает с увеличением ко­ личества разрядов, через которые он проходит. Максимальное вре­ мя задержки переноса имеет место тогда, когда он проходит через все разряды сумматора. В схеме рис. 5.11 этому условию отвечает сложение числа, имеющего единицу только в младшем разряде, с «отрицательным» нулем в обратном коде, т. е. сложение чисел Х = = 0, 0 ... 01 и У = 1, 1 ... 11. В этом случае сигнал переноса фор­ мируется в схеме OC-3i и далее проходит через п схем ОС-3, по­ ступая по цепи циклического переноса на вход ОС-Зь т. е. ОС-3 младшего разряда. Таким образом, максимальное время задержки

Время Тз.п.макс отсчитывается от начала действия кодовых сиг­ налов слагаемых. Кодовый сигнал суммы S, начнет действовать на выходе сумматора через время T3.n.M&KC+ tc, ГДе хс— время за­ держки сигнала суммы в одном ОС-3. Поскольку рассматриваются комбинационные схемы, то для их правильной работы необходимо обеспечить действие входных сигналов до тех пор, пока не будет осу­ ществлена выдача суммы через вентили В2. Выдачей суммы управ­ ляют синхронизирующие импульсы СИ2, которые можно подать

180

на В2 только после завершения в схеме сумматора всех переход­ ных процессов. Поэтому длительность синхронизирующих импуль­ сов СИ[, определяющих длительность кодовых сигналов слагаемых, подаваемых на входы сумматора,

Рис. 5.12. Временная диаграмма работы комбинацион­ ного сумматора параллельного действия

Это время является и временем суммирования двух чисел на комбинационном сумматоре параллельного действия. Если учесть необходимость разделения во времени кодов пар чисел, по­ даваемых для сложения на сумматор, то в рассматриваемом при­ мере оказывается возможным производить не более 50—60 тысяч сложений в секунду. Это показывает, что возможности комбина­ ционных сумматоров параллельного действия с цепями последо­ вательных переносов по быстродействию ограничены, что связано в первую очередь с характеристиками используемых элементов по задержке кодовых сигналов.

Достаточно эффективным и относительно просто реализуемым способом повышения быстродействия многоразрядных комбина­ ционных сумматоров параллельного действия является способ раз­ биения сумматоров на малоразрядные группы и организации до­ полнительных цепей межгрупповых (внегрупповых) переносов. Внутри групп разрядов сохраняются цепи обычных межразрядных переносов, которые строятся как последовательные или параллель­

181

ные. Цепи внегрупповых переносов также могут быть последова­ тельными или параллельными. Таким образом при разбиении сум­ маторов на группы разрядов общие цепи переносов могут быть последовательно-последовательными, последовательно-параллель­ ными (параллельные переносы внутри групп), параллельно-после­ довательными (параллельные переносы между группами) и парал­ лельно-параллельными. Наибольшим быстродействием обладают сумматоры с цепями параллельно-параллельных переносов, наи­ меньшим— с цепями последовательно-последовательных перено­ сов [19].

§ 5.5. Накапливающие сумматоры

Накапливающие сумматоры строятся на статических триггерах со счетными входами и рассчитываются на параллельный ввод раз­ рядов слагаемых. Чтобы статический триггер со счетным входом мог выполнять функции одноразрядного накапливающего суммато­ ра, он кроме обычных статических выходов должен иметь и импульсный, образуемый за счет подключения к его единичному ста­ тическому выходу дифференцирующей цепочки или статико-им­ пульсных логических элементов. Тогда состояние триггера, выра­ жаемое вполне определенными статическими сигналами на его выходах, отвечает значению суммы, а сигнал переноса образуется на импульсном выходе при перебросе триггера из состояния 1 в состояние 0. Используемые в накапливающих сумматорах триггеры имеют по одному счетному входу; коды цифр слагаемых и коды переносов подаются на них разновременно один за другим. К на­ капливающим сумматорам относится также объединение комбина­ ционного сумматора с регистром суммы, который обычно имеет цепи сдвига кодов.

Для сокращения времени суммирования чисел на триггерах на­ капливающих сумматоров в их схемы включаются цепи так назы­ ваемого сквозного переноса. Идея реализации такого переноса заключается в том, что импульс переноса, возникающий при сум­ мировании цифр любого разряда слагаемых, передается в направ­ лении старших разрядов мимо всех триггеров, находящихся в со­ стоянии 1. Он проходит до ближайшего триггера, находящегося в состоянии 0, перебрасывает его в состояние 1 и дальше не пере­ дается. Те триггеры, мимо которых прошел импульс переноса, перебрасываются в состояние 0. Это отвечает принципу передачи единицы переноса в тот ближайший старший разряд, в котором не будет образовываться единица дальнейшего переноса:

,0,0001111 — 1-е слагаемое

+0.00С0001 — 2-е слагаемое

0,0001110— промежуточная сумма

^—1— единица первичного переноса 0,0010000— окончательное значение суммы.

182

Осуществление сквозных переносов в накапливающих сумма­

тора со сквозным переносом, рассчитанного на сложение чисел с п цифровыми разрядами в модифицированном дополнительном коде, приведен на рис. 5.13. Импульсные выходы триггеров по этой схеме образованы с помощью дифференцирующих цепочек Д.

Цепь сквозного переноса в схеме составляют элементы груп­ пы Иь управляемые по потенциальному входу триггерами сумма­ тора, и группы ИЛИ|. Элементы группы И2 являются вентилями поразрядных переносов. Они пропускают импульсы переносов, воз­ никающих при суммировании цифр слагаемых, в цепь сквозного

переноса только при действии стробирующего импульса СтИ. Им­ пульс, поступивший в цепь сквозного переноса, проходит до того элемента группы Иь отвечающий которому триггер находится в состоянии 0; через линии задержки D он поступает на вход триг­ гера, находящегося в состоянии 0, а также на входы тех тригге­ ров, которые находились в состоянии 1 и мимо которых он прошел по цепи сквозного переноса.

Линии задержки необходимы для того, чтобы сигнал переноса проходил через элементы группы И! до переброса соответствую­ щих триггеров сумматора в состояние 0. Элементы группы И2 обеспечивают некоторую задержку импульсов поразрядных пере­ носов, с тем чтобы они поступали в цепь сквозных переносов толь­ ко после завершения в триггерах переходных процессов, вызывае­ мых действием кодовых импульсов второго слагаемого.

Предположим, что в триггеры сумматора введено первое сла­ гаемое 00,1 ... 011, к которому прибавляется как второе слагае­ мое число 00,0 ... 001. Тогда к моменту ввода второго слагаемого

183

в состоянии 1 находятся триггеры Тг/г, .... Тг2 и Тг1; отвечающие им элементы И", . . . , V\\ открыты по своим потенциальным входам.

При вводе второго слагаемого на элементы группы И2 подается стробирующий импульс СтП, поэтому импульс переноса, возникаю­ щий в схеме младшего разряда сумматора, через элемент И| по­

ступает в цепь сквозного переноса. По цепи сквозного переноса импульс проходит до Hj, поступая через линии задержки на вхо­

ды триггеров Тг2 и ТгЗ. Триггер ТгЗ перебрасывается в состоя­ ние 1, а триггер Тг2 — в состояние 0.

При перебросе триггера Тг2 в состояние 0 на выходе диффе­ ренцирующей цепочки, подключенной к его единичному статиче­ скому выходу, образуется импульс так называемого вторичного переноса. Однако этот импульс не поступает в цепь сквозного пе­ реноса, так как действие стробирующего импульса СтИ, открываю­ щего элементы группы Иг, к моменту образования импульсов вто­ ричного переноса прекращается. В сумматоре устанавливается правильное значение суммы 00,1 ... 100.

Если при вводе кода второго слагаемого импульсы поразряд­ ных переносов образуются в выходных цепях нескольких разрядов сумматора, т. е. на выходах нескольких дифференцирующих це­ почек, то распространение импульсов по цепи сквозного переноса и приведение триггеров в состояния, отвечающие коду суммы, ана­ логичны процессам, описанным при рассмотрении примера, приве­ денного выше.

В накапливающем сумматоре со сквозным переносом цепь пе­ редачи переносов от младших разрядов к старшим аналогична цепи переносов простейшего многоразрядного комбинационного сумматора параллельного действия. Поэтому и быстродействие этих сумматоров практически одинаково, если не учитывать время, необходимое для ввода первого слагаемого в триггеры накапли­ вающего сумматора со сквозным переносом.

Триггерный накапливающий сумматор можно построить без дифференцирующих цепочек и линий задержки. В этом случае необходимо дополнительно использовать логические элементы, включаемые между триггерами сумматора и регистра, в котором размещается код второго слагаемого, а само суммирование вы­ полнять в два такта. Во время первого такта осуществляется получение поразрядной суммы по модулю два, т. е. без учета пе­ реносов; во время второго такта производится учет переносов с образованием полной суммы.

184

Г л а в а VI

ОПЕРАТИВНЫЕ И ПОСТОЯННЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

§6.1. Типы и характеристики запоминающих устройств

Всовременных ЦВМ используются различные типы ЗУ, отли­ чающиеся по назначению, физико-химическим принципам действия, способам хранения информации, по характеру обращения к ЗУ, по техническим характеристикам и т. д. Однако независимо от типа

ЗУ в качестве элементарных носителей информации применяются бистабильные двухпозиционные запоминающие элементы в ди­ скретном или интегральном исполнении, обеспечивающие хранение двоичной цифры— 0 или 1. Каждый такой элемент должен допу­ скать простое управление его состоянием (запись информации), длительное хранение зафиксированного состояния (хранение ин­ формации), возможность распознавания состояния (считывание информации), возможность возвращения в исходное состояние (стирание информации).

По назначению (см. гл. I) ЗУ разделяются на сверхоператив­ ные (СОЗУ), оперативные (ОЗУ), постоянные (ПЗУ), буферные (БЗУ) и внешние (ВЗУ).

По физико-химическим принципам действия классификация ЗУ затруднительна из-за исключительного разнообразия физико-хими­ ческих явлений, лежащих в основе действия запоминающих эле­ ментов (электромагнитные, сегнетоэлектрические, ультразвуковые, криогенные, электронные и другие явления). В той или иной сте­ пени используются ЗУ на ферритовых сердечниках, на магнитных барабанах, дисках, лентах, на ультразвуковых линиях задержки (ртутных и магнитострикционных), на полупроводниковых прибо­ рах, на магнитных пленках, на интегральных ферритовых элемен­ тах, электростатические, криогенные, оптические, оптоэлектронные

идругие ЗУ.

Внастоящее время наибольшее распространение получили ЗУ на ферритовых сердечниках, на магнитных барабанах, дисках,

185

лентах. Широкое применение получают также ЗУ на тонких маг­ нитных пленках и интегральных схемах.

По способам хранения информации ЗУ делятся на статические и динамические. В статических ЗУ физический код информации (импульсы, распределение магнитных или электрических состоя­ ний и т. д.) остается неподвижным относительно носителя инфор­ мации в течение всего времени хранения.К статическим относится большинство используемых в настоящее время типов ЗУ. В ди­ намических ЗУ кодовые сигналы находятся в непрерывном дви­ жении относительно носителя информации. К таким устройствам относятся ЗУ на ультразвуковых линиях задержки, в которых код информации циркулирует по замкнутому контуру, запись и считы­ вание осуществляются в строго определенные моменты времени, когда импульсы кода выбранного слова проходят мимо элементов записи — считывания.

По характеру обращения различают ЗУ с адресным обраще­ нием (или адресной выборкой) и ЗУ с ассоциативным обращением (ассоциативной выборкой).

Поиск необходимой информации в ЗУ с адресным обращением (в адресных ЗУ) осуществляется по адресу — номеру запоминаю­ щей ячейки, в которую во время записи была помещена эта ин­ формация. Следовательно, при записи кроме кода записываемого слова в ЗУ должен подаваться код адреса ячейки, куда это слово помещается для хранения. При считывании в ЗУ подается код адреса ячейки, из которой необходимо извлечь информацию. Адрес ячейки определяется либо ее местоположением в простран­ стве (в статических ЗУ), либо ее положением во времени (в ди­ намических ЗУ).

В ЗУ с ассоциативным обращением (в ассоциативных ЗУ) вы­ борка осуществляется не по адресу, а по некоторому признаку, со­ держащемуся в самом хранимом слове, т. е. по содержанию. Сло­ во в большинстве ассоциативных ЗУ (АЗУ) состоит из двух частей. Первая часть представляет собой ассоциативный признак, по ко­ торому данное слово отыскивается среди других слов. Вторая часть содержит основную информацию слова. В процессе поиска информации в АЗУ извлекаются те слова, ассоциативные призна­ ки которых совпадают с заданными на входе известными призна­ ками информации, называемыми признаками опроса.

По признаку последовательности обращения к требуемой ячей­ ке адресные ЗУ разделяются на три группы: с последовательным, с циклическим и с произвольным доступом.

В ЗУ с п о с л е д о в а т е л ь н ы м д о с т у п о м обращение к заданной ячейке требует последовательного прохождения мимо других ячеек. Например, в ЗУ на магнитной ленте отыскание зоны с нужной информацией производится путем последовательного просмотра номеров зон при перемотке ленты.

В ЗУ с ц и к л и ч е с к и м д о с т у п о м (периодического типа) информация, содержащаяся в некоторой ячейке памяти, переме­ щается циклически относительно записывающе-считывающего эле­

186

мента и, следовательно, может быть прочитана в определенные моменты, разделенные интервалом времени, который называется циклом работы ЗУ. Периодические ЗУ могут быть как статиче­

дущих типов ЗУ время, затрачиваемое на запись или считывание информации по определенному адресу, не зависит от того, к какой именно ячейке производится обращение. Это время определяется быстродействием коммутационных схем, обеспечивающих выбор заданной ячейки. ЗУ с произвольным доступом являются наи­ более быстродействующими, они могут быть только статического типа.

При оценке и сравнении различных типов ЗУ, при решении вопроса о целесообразности применения того или иного типа в кон­ кретной ЦВМ используется ряд параметров (характеристик) ЗУ. Важнейшими из них являются емкость, быстродействие, надеж­ ность, габаритно-весовые характеристики, стоимость.

Емкость (Е) выражается максимальным количеством инфор­ мации, которая одновременно может храниться в ЗУ. В качестве единиц информации используются бит (двоичная единица или нуль), байт (один байт равен восьми битам), слово определенной разрядности.

Для сравнения различных типов ЗУ удобно использовать удель­ ную емкость у, выраженную в битах на единицу физического объе­ ма, у = £/Ц

Емкостью ЗУ в значительной степени определяются возможно­ сти ЦВМ с точки зрения широты диапазона и сложности задач, которые могут решаться на машине.

Быстродействие ЗУ определяется его временными характери­ стиками— временем обращения т0бр и временем полного цикла -щ. Время обращения, называемое также временем выборки,— это промежуток времени от момента посылки в ЗУ адреса требуемой ячейки до момента появления считанного кода на выходных кодо­ вых шинах. Время цикла представляет собой минимальное время между последовательными обращениями к ЗУ. Оно складывается из времени обращения и времени, затрачиваемого на запись (реге­ нерацию) считанного кода. Быстродействие ЗУ может характери­ зоваться частотой обращения к нему F= 1/хц.

Быстродействие внешних и буферных ЗУ на магнитных бараба­ нах, дисках, лентах удобнее оценивать количеством информации (в битах, байтах, словах), записываемой или считываемой в еди­ ницу времени, поскольку при обращении к этим видам памяти информация считывается (записывается) массивами.

Надежность ЗУ, как и любого другого устройства, оценивается вероятностью сохранения основных параметров в заданных преде­ лах в течение определенного промежутка времени при работе в заданных условиях. Она зависит от типа и количества элементов, используемых для построения ЗУ, от принципа работы ЗУ, of

187

чувствительности элементов и узлов ЗУ к изменению внешних условий.

Габаритно-весовые характеристики ЗУ ЦВМ имеют большее или меньшее значение в зависимости от назначения и условии эксплуатации машины. Если для универсальной машины, работаю­ щей в стационарных условиях, вес и габариты не играют основной роли, то для специализированной ЦВМ, работающей в нестацио­ нарных условиях и тем более находящейся на борту какого-нибудь летательного аппарата, эти характеристики очень важны. Однако во всех случаях для построения ЗУ желательно использовать ма­ логабаритные элементы, так как это не только улучшает габаритно­ весовые показатели ЗУ, но и повышает его экономичность.

Для оценки ЗУ специализированных ЦВМ, работающих в не­ стационарных условиях, большое значение имеют такие характе­ ристики, как чувствительность к изменению окружающей темпера­ туры и влажности, к вибрациям, толчкам, ударам, ускорениям, к воздействию различных физических полей и т. д.

§ 6.2. Трехмерные оперативные запоминающие устройства на ферритовых сердечниках

В современных ЦВМ оперативная память, как правило, строит­ ся на ферритовых сердечниках с прямоугольной петлей гистерези­ са. Она получила название МОЗУ — магнитное оперативное запо­ минающее устройство. Долголетие МОЗУ объясняется такими ее положительными качествами, как достаточно высокое быстродей­ ствие (время цикла для различных схем МОЗУ колеблется от не­ скольких сотен наносекунд до 10—20 мксек) и емкость (от не­ скольких десятков тысяч до нескольких миллионов бит), высокая надежность работы, возможность хранения информации неограни­ ченно долгое время без затраты энергии.

В зависимости от организации системы выборки необходимой ячейки памяти различают следующие типы МОЗУ:

— трехмерные (трехкоординатные) МОЗУ, или МОЗУ типа ЗД (от английских слов three dimensional — три измерения, три коор­ динаты); в отечественной литературе они называются также МОЗУ матричного типа, МОЗУ с записью и считыванием по принципу совпадения полутоков;

— двухмерные (двухкоординатные) МОЗУ, или МОЗУ типа 2Д, иначе называемые МОЗУ с линейной выборкой, МОЗУ типа Z; в таких устройствах запись производится по принципу совпадения полутоков, а считывание осуществляется полным током;

-2 -^ - -мерные МОЗУ, или МОЗУ типа 2 у - Д, занимающие по

своим свойствам и организации системы выборки промежуточное положение между двухмерными и трехмерными МОЗУ.

Указанные типы МОЗУ относятся к статическим ЗУ с адресным обращением и с произвольным доступом к ячейкам памяти.

188

Наибольшее распространение получили трехмерные МОЗУ. В них используется матричный способ расположения сердечников, предназначенных для хранения одноименных разрядов запоминае­ мых чисел. Рассмотрим принципы построения разрядных матриц МОЗУ типа ЗД.

Разрядные матрицы МОЗУ типа ЗД. В разрядной матрице трехмерного МОЗУ (рис. 6.1) ферритовые сердечники располага­ ются рядами по столбцам и строкам, образуя обычно квадраты. Через каждый сердечник матрицы проходят по крайней мере три

Рис. 6.1. Схема разрядной матрицы трехмерного МОЗУ

шины. Две из них — адресные (координатные) шины лу и у, — служат для выборки требуемого сердечника при обращении к ма­ трице. Третья шипа, пронизывающая все сердечники матрицы, является выходной. В ней индуктируются импульсы э. д. с. при считывании информации с сердечника. Выходная шина объединяет сердечники, принадлежащие к одному разряду запоминаемых чи­ сел, поэтому она еще называется разрядной. Кроме трех указан­ ных шин обычно используется четвертая шина, проходящая через все сердечники разрядной матрицы в одном направлении. Это шина запрета, ее назначение указывается ниже. При записи или считывании информации на одну из шин х и на одну из шин у, на пересечении которых находится нужный сердечник, подаются импульсы тока /* и /„ с амплитудой 0,5/т (/т — величина тока, необходимая для создания поля с напряженностью Нт, обеспечи­ вающего надежное перемагничивание сердечника). Ток с амплиту­ дой 0,51т принято называть полутоном, он создает поле с напря­

189