книги из ГПНТБ / Каган Б.М. Цифровые вычислительные машины и системы учеб. пособие

Б. М. КАГАН, М. М. КАНЕВСКИЙ

ЦИФРОВЫЕ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ

МАШИНЫ И СИСТЕМЫ

Под редакцией доктора техн. наук, профессора Б. М. К а г а н а

Издание второе, переработанное

Д оп у щ ен о Министерством вы сш его и среднего специального образования С С С Р

в качестве учебного пособия для студентов вы сш их учебны х заведений,

обучаю щ ихся по специальностям *Автоматизированные системы управления» и €П рикладная математика»

101

«Э Н Е Р Г И Я»

М О С К В А 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие науки и техники, исследование физических явлений, создание новых машин, материалов, процессов, систем управления невозможно без детального изучения закономерностей и установления численных характерис­ тик и соотношений, определяющих их протекание и функционирование. Решение связанных с этим мате­ матических задач, как правило, возможно только чис­ ленными методами, требующими сложных и трудоемких вычислений.

Человечество в своей практической деятельности давно столкнулось с необходимостью выполнения вычис­ лений и многие усилия в прошлом были затрачены на разработку вычислительных методов и создание различ­ ных технических средств, облегчающих производство вычислений.

В середине нашего века развитие атомной физики, ракетной и космической техники потребовало решения вычислительных задач такого большого объема, что

сними нельзя было справиться при помощи имевшихся

вто время средств вычислительной техники — клавиш­ ных или перфорационных машин.

Эта потребность привела к созданию на рубеже 40— 50-х годов электронных автоматических цифровых вычи­ слительных машин (ЦВМ), воплотивших в себе научные

итехнические достижения того времени, в частности в области электронной автоматики.

Особое значение электронных цифровых вычислитель­ ных машин состоит в том, что впервые с их появлением человек получил орудие для автоматизации процессов обработки информации. Это во многих случаях позволя­ ет существенно повысить эффективность умственного

труда. Поэтому электронная вычислительная техника является одним из важнейших элементов, если не самым

важным, переживаемой нами научно-технической рево­ люции.

Внедрение электронных цифровых вычислительных машин в самые разнообразные отрасли человеческой дея­ тельности оказало огромное влияние на многие области науки и техники, породило очень важный процесс их ма­ тематизации и кибернетизации. Примерами являются методы современной экономической науки и теория и техника автоматизированных систем управления.

Электронная вычислительная техника бурно развива­ ется. На наших глазах появились, сменяя друг друга, три поколения цифровых вычислительных машин: ламповые машины, полупроводниковые и машины на интегральных схемах. Элементная база ЦВМ и технология производ­ ства в большей степени определяют процесс развития вы­ числительной техники. Однако не меньшее значение име­ ет и логическая организация вычислительных машин.

Развитие логических принципов построения ЦВМ вызывалось расширением областей применения вычисли­ тельных машин. Первоначально сравнительно узкая сфе­ ра применения их, главным образом для выполнения на­ учных и технических расчетов, в короткий срок сущест­ венно расширилась и охватила почти все области науки, техники, управления и планирования производства, все области человеческой деятельности, связанные с обра­ боткой больших объемов информации. Появились авто­ матизированные системы управления отраслями, пред­ приятиями и производственными процессами, информа­ ционно-вычислительные системы, автоматизирующие

технике возникли и были успешно, решены многие проб­ лемы в области электроники, логической организации, конструирования аппаратуры, технологии изготовления и математического обеспечения. Отметим некоторые из них.

Стремление к повышению надежности и уменьшению стоимости аппаратуры привело к созданию новой элект­ ронно-технологической базы вычислительной техники на основе интегральной электроники.

Расширение сферы применения вычислительной тех­ ники потребовало создания рядов (систем) вычислитель­ ных машин, позволяющих образовывать вычислительные

4

комплексы, обладающие необходимыми характеристика­ ми и составом периферийного оборудования, обеспечи­ вающего ввод в систему, запоминание и хранение, регист­ рацию и отображение информации.

Включение в состав вычислительной системы боль­ шого набора разнообразных периферийных устройств, необходимость обработки информации в реальном масш­ табе времени существенно повлияли на общую логиче­ скую организацию цифровых вычислительных машин и систем. Это привело к созданию унифицированных ка- ^ налов обмена информацией между агрегатами вычисли­ тельной системы, появлению системы многоканального приоритетного прерывания.

Необходимость уменьшения трудоемкости подготов­ ки программ решения задач на ЦВМ, облегчения связи оператора с машиной в процессе решения задач и эксп­ луатационного обслуживания, повышения эффективно­ сти использования дорогостоящего оборудования вычи­ слительных систем потребовали создания соответствую­ щих средств математического обеспечения — операцион­ ных систем, алгоритмических языков, трансляторов, библиотек программ, диагностических программ и т. п. Стала актуальной проблема программной совместимо­ сти различных моделей вычислительных систем.

Были решены проблемы мультипрограммной работы, осуществления автоматического распределения машин­ ного времени при использовании машины одновременно несколькими потребителями (режим коллективного поль­ зования). Реализация этих режимов внесла много ново­ го в логическую организацию машин, потребовала соз­ дания специальных аппаратных и особенно програм­ мных средств управления этими режимами.

Распределение функций между аппаратными и про­ граммными средствами изменяется при переходе от од­ ного поколения машин к другому, от одной модели ма­ шины к другой. Сейчас вычислительную технику следует , рассматривать как единый комплекс аппаратных средств j{ и средств математического обеспечения.

За несколько последних лет существенно изменилось «лицо» вычислительной техники. Утратил в значитель­ ной степени свое значение сам термин «вычислительная машина», который все чаще заменяется термином «вы­ числительная система».

5

В соответствии с Программой КПСС и решениями XXIV съезда КПСС в нашей стране уделяется большое внимание развитию электронно-вычислительной техники и ее широкому применению в производстве, научно-ис­ следовательских и проектно-конструкторских работах, плановых расчетах, в сфере учета, статистики и уп­ равления.

Решения XXIV съезда КПСС предусматривают ши­ рокое развитие работ по созданию и внедрению автома­ тизированных систем управления, основанных на ис­ пользовании экономико-математических методов, элек­ тронно-вычислительной и организационной техники и средств связи. Каждый шаг в этом направлении — созда­ ние социалистическими странами — членами СЭВ Еди­ ной системы электронных вычислительных машин (ЕС ЭВМ )— семейства машин третьего поколения на интегральных схемах.

В книге систематически изложены основы теории и техники электронных цифровых вычислительных машин и систем.

При подготовке второго издания авторы существенно переработали материал книги. Все главы книги подверг­ лись тем или иным изменениям. Отметим наиболее су­ щественные из них.

Значительно переработаны и расширены главы, по­ священные интегральной схемотехнике, структуре про­ цессоров, каналам ввода-вывода. В книгу включена но­ вая глава по логической организации интерфейсов и новые разделы по автоматической диагностике, теории вычислительных систем с распределением времени.

Книга является учебным пособием для студентов ву­ зов, обучающихся по специальностям «Автоматизирован­ ные системы управления» и «Прикладная математика». Она может быть использована также в качестве учебно­ го пособия студентами, специализирующимися по элект­ ронным вычислительным машинам, автоматике и теле­ механике, механизации обработки экономической инфор­ мации. Книга представляет интерес для специалистов, работающих в области разработки и применения вычи­ слительной техники, АСУ и математического обеспе­ чения.

В книге нашел отражение опыт, полученный автора­ ми в процессе исследований и разработок в области вы­ числительной техники во ВНИИЭМ, а также опыт чте-

6

Г л а в а п е р в а я

ОСНОВНЫЕ понятия

1-1. В В Е Д Е Н И Е В И Н Ф О Р М А Ц И О Н Н Ы Е О С Н О В Ы В Ы Ч И С Л И Т Е Л Ь Н О Й Т Е Х Н И К И

Одно из важнейших положений кибернетики состоит в том, что без информации и ее переработки невозможны организованные системы, какими являются живые орга­ низмы и искусственные, созданные человеком управляе­ мые системы.

Информацией мы называем всякие сведения о тех или иных явлениях природы, событиях в общественной жиз­ ни и процессах в технических устройствах. Развитие тео­ рии и техники связи, кибернетики и многих других разде­ лов науки явилось причиной того, что кроме качествен­ ного определения были разработаны и стали широко использоваться количественные меры информации.

Информация, воплощенная и зафиксированная в не­ которой материальной форме, называется сообщением. Сообщения могут быть: а) непрерывными, б) дискретны­ ми (цифровыми).

Непрерывность и дискретность сообщения имеет мес­ то либо во времени, либо по состоянию (по величине), либо и во времени и по состоянию.

Непрерывное сообщение представляется некоторой физической величиной (электрическим напряжением, то­ ком и др.), изменения которой отображают протекание рассматриваемого процесса, например изменения темпе­ ратуры в нагревательной печи. Физическая величина, пе­ редающая непрерывное сообщение, может в определен­ ном интервале принимать любые значения и изменяться в произвольные моменты времени. Иначе говоря, непре­ рывное сообщение конечной длины может отображать бесконечное количество значений некоторой величины, характеризующей протекание процесса, явления и т. д.

8