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

Г л а в а с е л ь м а я

УСТРОЙСТВА ВВОДА И ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ

Рис. 7-1. Классификация устройств ввода информации.

шины результатов обработки данных. Так как большинство устройств ввода-вывода информации содержат электромеханические узлы, ско­ рость работы которых значительно ниже скорости работы электрон­ ных узлов вычислительной машины (процессоров и др.), то крупные системы снабжаются большим числом устройств ввода и вывода ин­ формации. Каждое устройство при этом может работать параллель­ но с другими и независимо от них. Это повышает производитель­ ность системы в целом.

Известные в настоящее время устройства ввода информации можно разделить на две группы: неавтоматические и автоматические (рис. 7-1). В группу неавтоматических устройств входят пульты управления вычислительных машин и систем, пишущие машинки, те­ летайпы, бухгалтерские и другие клавишные машины. Отличительной особенностью этих устройств является наличие клавиатуры, с ко­ торой человек манипулирует в процессе ввода. В группу автомати­ ческих устройств входят устройства для считывания информации с

420

промежуточного носителя, читающие автоматы, устройства распоз­ навания речи.

больших вычислительных машинах и системах, работающих с авто­ матическим разделением машинного времени. Для обеспечения ввода информации различными операторами с различных мест к системе подключается несколько устройств ввода с клавиатуры Очередность опроса клавиатур определяется автоматически вычислительной ма­ шиной по программе или в соответствии со схемой, находящейся в

шинки одновременно осуществляется печать вводимой информации на бумаге. Это позволяет производить визуальный контроль за пра­ вильностью ввода.

Устройства ручного ввода информации с клавиатуры особенно необходимы для управляющих машин и систем обработки данных. С их помощью оператор вводит в машину различные запросы, на ко­ торые машина дает соответствующие ответы. Запрос и ответ печа­ таются на бумаге. По телеграфным или телефонным линиям связи информация из машины может быть передана на телетайп, удален­ ный на значительное расстояние.

К устройствам ввода с промежуточного носителя информации относятся устройства считывания информации с перфокарт или пер­ фолент, а также магнитных лент.

Почти все современные вычислительные системы имеют устрой­ ства ввода с перфолент или перфокарт или оба вида устройств. Это объясняется тем, что такие устройства сравнительно просты и имеют относительно высокие скорости ввода информации. Однако они требуют предварительной ручной подготовки данных — перфори­ рования перфолент и перфокарт.

Информация наносится на перфокарты и перфоленты с помощью пробивок отверстий (перфораций) *. Таким образом, перфокарты и перфоленты являются носителями информации, а массивы перфо­ карт или перфолент можно рассматривать как внешний накопитель информации.

Трудно сказать, какому виду носителя информации сейчас отда­ ется большее предпочтение — перфокарте или перфоленте. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Перфокарты более дол­ говечны, позволяют легко сменить часть информации (путем простой замены некоторых карт), удобны для хранения, но они дороже, чем перфоленты. Перфокартное оборудование, используемое при подго­ товке перфокарт, вводе и выводе информации, более громоздко и более сложно в эксплуатации, чем оборудование для перфоленты, стоимость его сравнительно высока.

Перфолента быстрее изнашивается, на ней трудно произвести замену части информации, — как правило, для этого требуется пере­ бивка перфоленты. Но перфолента значительно дешевле перфокарт. Оборудование, используемое для подготовки перфолент, а также для ввода и вывода информации с них просто в эксплуатации, стои­

421

ленты широко используются в аппаратуре передачи данных по линиям связи, работающей в комплексе с вычислительными система­ ми. Перфокарты и, в меньшей степени, перфоленты позволяют про­ сто связывать электронные вычислительные машины с механическими счетно-перфорационными и некоторыми клавишными бухгалтерски­

ми машинами.

В настоящее время получили распространение устройства ввода с шаговыми магнитными лентами. Предварительно на ленту наносит­ ся информация, например, с помощью клавиатуры. При этом лента перемещается относительно головки записи шагами — по одному шагу на каждый записываемый символ. При вводе информации в ма­ шину лента движется непрерывно с большой скоростью, что обеспечи­ вает высокую скорость ввода информации.

Рис. 7-2. Классификация устройств вывода инфор­ мации.

К устройствам непосредственного ввода информации относятся устройства, считывающие информацию со специальных бланков, с пе­ чатного текста и с графиков. Хотя подобные устройства достаточно сложны и дороги, их применение весьма целесообразно, так как позволяет исключить ручную переработку данных (перфорация и т. п.), требующую больших затрат труда и зачастую сопровожда­ ющуюся ошибками. В настоящее время ведутся интенсивные иссле­ дования с целью разработки устройств ввода с рукописного текста и устройств ввода информации с голоса.

422

Ниже будут опйсаны Только Наиболее часто встречающиеся устройства ввода информации.

Устройства вывода информации можно разделить на две группы (рис. 7-2):

1)устройства, фиксирующие результаты обработки в машинных кодах, — устройства вывода на промежуточный носитель информации;

2)устройства, фиксирующие результаты обработки в виде текс­ та, графиков и изображений, — различного рода печатающие устрой­ ства, устройства вывода информации на разного рода экраны, гра­ фопостроители.

В первую группу устройств вывода входят перфораторы для пер­ фокарт и перфолент, а также устройства вывода информации на магнитные ленты (в том числе шаговые). В случае использования устройств первой группы информация может автоматически выво­

диться на перфокарту или перфоленту в виде различной комбинации пробивок. Эта форма представления информации удобна для быст­ рого и многократного ввода ее в вычислительную машину и неудобна для человека, когда ему необходимо быстро прочитать полученные при решении задачи результаты. Еще в большей степени сказанное относится к цифровым устройствам вывода на магнитную ленту. Выводные устройства второй группы либо печатают поступающую из Ц В М информацию на бумаге в виде цифр, букв — знакопечатающие устройства, либо отображают ее на различного рода экранах в виде текста, изображений и графиков, либо рисуют графики и текст на бумаге, стекле и т. д .

Сами знакопечатающие устройства можно разделить на механи­ ческие и немеханические.

В состав механических знакопечатающих устройств входят: электрифицированные пишущие машинки, телетайпы, печатающие устройства штангового и стержневого типа, устройства с вращаю­ щимися колесами, печатающие устройства барабанного, цепного и циклоидного типов.

Немеханические устройства обеспечивают существенное повы­ шение скорости вывода данных в вычислительных системах. В этих устройствах используются различные физические методы регистрации знаковой информации — ксерографической, электрохимический, тер­ мический, искровой и др. Н а этой основе удается на несколько по­ рядков увеличить скорость вывода данных по сравнению с электро­

ляются сравнительно редко из-за сложности их эксплуатации, высо­ кой стоимости и низкой надежности. Широкое применение в каче­ стве устройств вывода находят также графопостроители, поскольку в ряде случаев информацию в виде графика понять значительно легче, чем напечатанную в виде таблиц. Особенно необходимы графо­ построители при автоматизации проектирования. Графопостроители в этом случае рисуют на бумаге чертежи и электрические схемы из­ делий, спроектированных на Ц В М , а также рисуют на стекле фото­ оригиналы плат или панелей разрабатываемых с помощью Ц В М но­ вых электронных изделий.

Большие возможности по выводу информации предоставляют устройства вывода на экраны. Особенно широко используются экран­ ные пульты с электронно-лучевыми трубками (Э Л Т ). Эти устройства позволяют выводить на экран тексты, графики и изображения. Нали­ чие клавиатуры превращает их в наиболее совершенные в настоя­

423

щее время устройства для оперативного обмена информацией в си­ стеме «человек—машина».

Современные вычислительные системы имеют в своем составе большое число самых разнообразных аппаратов ввода-вывода ин­ формации. Эти аппараты должны работать как параллельно друг с другом, так и параллельно с обработкой информации в процессоре, чтобы их сравнительно медленная скорость работы не ограничивала общей производительности системы.

ром и оперативной памятью), а также для организации параллель­ ной работы этих аппаратов с другими устройствами системы в ее составе имеются специальные электронные логические устройства.

В больших вычислительных системах аппараты ввода-вывода обычно присоединяются к ее центральной части через так называемые каналы ввода-вывода информации. Они позволяют организовать па­ раллельную работу многих сравнительно медленных аппаратов вво­ да-вывода без значительных потерь времени на обмен информацией с ними (так называемый Мультиплексный режим), а также эффек­ тивно управлять сравнительно быстрыми аппаратами ввода-вывода (селекторный режим). К каналу легко могут быть присоединены ап­ параты ввода-вывода различных типов. Это достигается благодаря унифицированной системе связи (интерфейсу) периферийных уст­ ройств с каналами. Унификация касается информационных и управ­ ляющих сигналов и процедуры передачи этих сигналов. Принципы построения каналов ввода-вывода информации описаны в гл. 9, а ин­ терфейса — в гл. 10

Сами аппараты ввода-вывода присоединяются к каналам через устройства управления (УУ ), в которых унифицированные управля­ ющие и информационные сигналы преобразовываются в сигналы спе­ цифической формы, необходимые для конкретного аппарата вводавывода Устройства управления производят также обратное преоб­ разование поступающих из аппаратов неунифицированных сигналов в унифицированные.

Устройства управления рассмотрены в настоящей главе при опи­ сании аппаратов ввода-выьода.

Следует отметить, однако, что в некоторых вычислительных си­ стемах отсутствует разделение логических устройств, управляющих аппаратурой ввода-вывода, на канал и устройство управления. В малых вычислительных системах, например, функции канала вво­ да-вывода и устройства управления часто реализуются одним устрой­

Информация о типе операции ввода-вывода содержится в коман­ де канала, которая называется «управляющим словом канала».

Приказ содержит специфическую для данного устройства вводавывода управляющую информацию, которая для разных типов уст­

424

ройств может иметь разныя смысл. Приказы дешифруются и выпол­ няются устройством управления и аппаратом ввода-вывода. Часть разрядов команды канала дешифрируется самим каналом и исполь­ зуется для управления каналом. Эти разряды команды канала не передаются в устройства ввода-вывода. Остальные разряды команды канала образуют команду устройства ввода-вывода (команду пери­ ферийного устройства), называемую приказом. Приказ передается каналом в устройство управления аппаратом ввода-вывода.

В устройствах ввода информации с перфоленты (они называются также считывающими устройствами) считывание информации осу­ ществляется путем механического ощупывания отверстий на перфо-

Рис. 7-3, Стартстопное фотосчитывающее устройство.

с обводными роликами; 12 — датчик положения рычага; 13—пружина рычага; 14 — лампа накаливания; 15 — оптический блок; 16 — блок фотоэлементов;

17 — перфолента.

ленте или с помощью фотоэлектрических или емкостных датчиков, реагирующих на наличие отверстий. Эти устройства производят счи­ тывание информации последовательно строка за строкой, т. е. символ за символом (на каждой строке располагается один символ или слог-байт).

Электромеханические считывающие устройства снабжены для ощупывания перфоленты штифтами. Штифты, попадая в отверстия

425

на перфоленте, замыкают контакты, напряжение с которых поступа­ ет в устройство управления, сигнализируя о наличии пробивки на данной дорожке в данной строке перфоленты. В случае отсутствия отверстия штифт упирается в бумагу и контакт не замыкается. Как правило, электромеханические считывающие устройства производят считывание информации с пятипозиционной перфоленты. Скорость считывания 6—60 зн/сек. Электромеханические считывающие устрой­ ства с перфоленты имеют два существенных недостатка: малую ско­ рость работы и большой износ перфоленты. Немеханические считы­ вающие устройства имеют значительно большие скорости работы, более высокую надежность и значительно меньше изнашивают пер­ фоленту. Поэтому в вычислительной технике эти устройства полно­ стью вытеснили механические считывающие аппараты.

Немеханические считывающие устройства бывают двух видов: фотоэлектрические и емкостные. Серийно выпускаемые устройства этого типа считывают информацию с перфоленты со скоростью до 1500 зн/сек.

В фотоэлектрическом считывающем устройстве перфолента про­ ходит над считывающей головкой с несколькими фоточувствитель­ ными элементами, каждый из которых расположен против соответ­ ствующей дорожки на перфоленте. Н ад перфолентой располагается источник света. При совпадении отверстия на перфоленте с отверсти­ ем в фотоголовке свет через световод попадает на фотодиод, в ре­ зультате чего возникает электрический импульс. В емкостном счи­ тывающем устройстве перфолента проходит между пластинами кон­ денсаторов, которые расположены против каждой дорожки на пер­ фоленте. Каждый конденсатор включен в мостовую схему, которая вырабатывает напряжение разбаланса при изменении емкости кон­ денсатора, вызванном перемещением между его пластинами отвер­ стия на данной дорожке перфоленты. Сигналы с фотодиодов или ем­ костных мостов после необходимого усиления и формирования по­ ступают на вход устройства управления.

В зависимости от метода управления движением перфоленты раз­ личают два вида устройств для считывания информации с перфо­ ленты:

1)стартстопные, в которых перфолента при соответствующем управлении может остановиться на любой строке без потери инфор­ мации (пробег ленты при остановке не превышает шага перфорации);

2)нестартстопные, в которых невозможна остановка ленты на любом слоге (при остановке пробег перфоленты превышает шаг пер­ форации и составляет, как правило, несколько шагов).

Немеханические считывающие устройства с перфоленты выполня­ ются в различных конструктивных вариантах: без кассет для перфо­ ленты, с одной подающей кассетой, с приемной и подающей кассе­

тами. Рисунок 7-3 поясняет принцип работы и конструкцию считы­ вающего устройства с перфоленты, в котором применен фотоэлектри­ ческий метод считывания. Устройство имеет подающую и приемную кассеты.

Перемещение перфоленты 17 в прямом или обратном (при пере­ мотке) направлении осуществляется с помощью пары: ведущий ро­ лик 1 и прижимный ролик 2. Ведущие ролики постоянно вращаются в разные стороны с помощью двигателя 3. Для управления прижим­ ными роликами и тормозом служат быстродействующие электромаг­ ниты 4, 5, 6, управляемые усилителями. Они позволяют производить разгон и останов перфоленты за 1—2 мсек-

4 2 6

Кассеты 7 приводятся во вращение двигателями §. Надлежащее взаимодействие быстродействующего стартстопного узла и приво­ да кассет с лентой, имеющих большой момент инерции, достигается при помощи промежуточного хранилища, предотвращающего чрез­ мерные изменения усилий натяжения ленты в динамических режимах (пуск, останов). Наибольшее распространение имеют рычажные хра­ нилища (10, 11). Пружины 13, воздействуя на рычаги, обеспечивают натяжение перфоленты. В динамических режимах, например при пус­ ке, количество ленты в хранилище или уменьшается, или увеличива­

временно над фотодиодами проходит строка с перфорированным слогом (байтом), при этом генерируют импульсы те фотодиоды, ко­ торые освещаются через пробитые в ленте отверстия.

Синхроимпульс усиливается и поступает в устройство управле­ ния, которое заносит информацию (считанный слог) в свой регистр и вырабатывает сигнал «стоп». Этот сигнал включает электромагнит тормоза и выключает электромагнит прижимного ролика, останав­ ливая перфоленту. Стартстопные считывающие устройства обеспечи­ вают останов перфоленты при поступлении сигнала «стоп» так, что­

жет производиться без кассет. В этом случае лента, свернутая в ро­ лик, помещается в специальный контейнер, а свободный конец ленты направляется в выносной бункер.

427

же н и и .

Впоследнее время для привода перфоленты находят применение

малоинерционные двигатели с печатным или гладким ротором, а так­

нератор) торможение прекращается. Устройство готово для считы­ вания следующего слога.

Отсутствие ударных нагрузок, возникающих при работе тормоза и приводных роликов, а также возможность плавно изменять ско­ рость при пуске и останове перфоленты значительно увеличивают срок службы перфоленты и стартстопного устройства.

Емкостные стартстопные вводные устройства имеют те же самые узлы, что и фотоэлектрические, кроме фотоголовки и осветителя, ко­ торые заменяет емкостная головка. Емкостные и фотоэлектрические считывающие устройства допускают ввод информации с 5, 6, 7 и 8- дорожечной перфоленты.

В устройствах ввода информации с перфокарт, как и в устрой­ ствах ввода с перфолент считывание производится механическим ощупыванием или при помощи фотоэлектронных или емкостных чув­ ствительных устройств.

Перфокарты могут подаваться для ускорения ввода в считываю­ щий механизм широкой стороной. При этом производится одновре­ менное считывание информации со всех восьмидесяти колонок, рас­ положенных на одной позиции (строке) перфокарты. Более распрост­ ранены устройства, в которых перфокарты подаются узкой сторо­ ной. В этом случае информация считывается с перфокарт поко-

428

лонно (колонка за колонкой) при помощи 12 считывающих элемен­ тов, расположенных над каждой позицией перфокарты.

На рис. 7-5 показано устройство для считывания с перфокарт. При вводе информации килода перфокарт укладывается в магазин подачи I, откуда карты последовательно одна за другой подаются в механизм считывания.

Карты свободно лежат в магазине подачи. Нижняя перфокарта захватывается подающими ножами 5, совершающими возвраіно-по ступательное движение оі приводного двигателя, и проталкивается через карточную щель механизма подачи (па рисунке не показано; Высота толкающего выступа подающего ножа и ширина карточной

ножей управляет сцепная муфта, не показанная на рисунке, которая обеспечивает считывание перфокарты в определенный момент време­ ни. Пробивки на перфокарте ощупываются проволочными контроль­ ными и рабочими щетками 3 и 4. Перфокарта проходит между щет­ кой и металлическим валиком 2, изолируя их друг от друга. Контакт щетки с валиком происходит только через отверстие в перфокарте.

вия перфокарт в магазине подачи или в узле считывания выдают сигналы в электронное устройство управления.

Движение перфокарты точно синхронизировано с работой меха­ нических контактов, управляемых профильными кулачками. Таким образом, сигналы с перфокарты могут поступать только в тот мо­

ции с перфокарт производят считывание со скоростью 500— 100о карт в минуту при вводе карг широкой стороной и со скоростью 100— 300 карт в минуту при вводе карт узкой стороной.

В фотоэлектрическим считывающем устройстве луч света, про­ ходя через отверстие в перфокарте, попадает на фотодиод или фо­ тотриод, который выдает соответствующий сигнал на усилитель счи­ тывания. При емкостном способе считывания сигналом о наличии от­ верстия в перфокарте является изменение емкости конденсатора, между пластинами которого проходит отверстие в перфокарте. В этих устройствах скорость ввода информации значительно выше, чем при механическом считывании Она достигает 3 000 карт в ми­ нуту при подаче перфокарт широкой стороной и 1000 карт ь минуту при подаче карт узкой стороной. С увеличением скорости движе­ ния перфокарт повышаются требования к точности работы подаю­ щего и транспортирующего механизмов. Например, в фотосчитываю­

429