книги из ГПНТБ / Нечаев А.Н. Устройство и работа электронных цифровых машин

Достоинства матричной системы ЗУ — простота принципа запоминания информации и сравнительно не­ большие мощности, затрачиваемые на управление.

Следует, однако, подчеркнуть, что существующие ферриты практически имеют петли гистерезиса, сильно отличающиеся от прямоугольных, поэтому при воздейст-

сердечник происходит его частичное размагничивание. Матричные системы имеют ряд существенных недо­

статков. К ним относятся в первую очередь высокие тре­ бования к характеристикам сердечников как со стороны магнитных свойств (высокая прямоугольность гистерези­ са, устойчивость к многократному воздействию поля

у у

—— ), так и со стороны однородности, вследствие чего

стоимость ферритовых колец, пригодных для установки в матрицы, довольно высока. С другой стороны, отсутствие магнитных материалов с идеально-прямоугольной пет­ лей гистерезиса налагает достаточно жесткие требования в отношении разброса по величине и стабильности рабо­ чих ампервитков, создающих напряженность поля. Весь­ ма существенно и то обстоятельство, ч'то конструирова­ ние цепей считывания в таких системах осложняется в связи с изменением амплитуды выходного сигнала в за­ висимости от кодов, записанных в матрице. Это особенно сказывается при построении запоминающих устройств большой емкости.

Можно построить запоминающее устройство таким образом, что при считывании ампервитки считывания бу­ дут прикладываться одновременно ко всем разрядам только одного выбираемого в данный момент числа; при

адреса в импульсы тока по выбранным шинам в направ­ лениях х и у . Через все координатные трансформато­ ры проходит общая обмотка. Протекающий по этой об­ мотке постоянный ток смещения создает намагничиваю­ щие ампервитки awcu и тем самым определяет рабочую

142

Рис. 51. Схема запоминающего устройства типа Z на 16 чисел.

точку А . Таким образом, каждый координатный транс­ форматор является схемой совпадения, срабатывающей при совпадении ампервитков awx и aws. При подаче кода адреса дешифраторы Д х и Цу возбуждают каждый по одной шине, и на пересечении этих шин оказывается выбранной единственная схема совпадения, которая фор­ мирует в своей выходной обмотке импульс тока в запо­ минающие сердечники данного числа.

Те координатные трансформаторы, на которые дейст­ вуют только ампервитки awx или awy (полувыбранные), выдадут в свои числовые линейки только ток помехи, вызванный отклонением формы петли, гистерезиса от прямоугольной.

Каждый координатный трансформатор работает на линейку из запоминающих сердечников. Известно, что сопротивление, оказываемое сердечником протекающему по его обмотке току, меняется в зависимости от того,

143

перемагничивается при этом сердечник или нет. Особен­ но сильно это сказывается при работе с магнитными материалами, имеющими прямоугольную петлю гистере­ зиса. В этом случае сопротивление сердечника при счи­ тывании кода «1» может быть в несколько раз больше, чем при считывании кода «О».

Поэтому при эксплуатации устройств типа Z возни­ кает проблема стабилизации тока, поступающего от ко­ ординатного трансформатора в числовую линейку. Эта проблема принципиально легко может быть решена вве­ дением балластного сопротивления последовательно с запоминающими сердечниками. Но если количество разрядов в числе велико, такое решение оказывается энергетически невыгодным. Обычно в запоминающем устройстве вместо балластного сопротивления приме­ няется числовая линейка с двумя рядами сердечников: верхний ряд служит для запоминания кодов, а ниж­ ний — для стабилизации нагрузки на координатный трансформатор в каждом разряде числа.

Принципиальная схема одной линейки запоминающе-

Считыванив

Рис. 52. Принципиальная схема и диаграмма ра­

боты числовой линейки запоминающего устройства типа Z.

144

го устройства и диаграмме ее работы представлены на рис. 52. Каждая пара сердечников помимо обмотки чис­ ловой линейки имеет еще две совершенно идентичные об­ мотки, из которых одна служит для записи кодов в дан­ ный разряд, а другая используется для считывания. Обе эти обмотки являются общими для всех сердечников ЗУ, расположенных в данном разряде.

Координатный трансформатор выдает в свою линей­ ку две полуволны токов /z, и /*,. Ток Д, имеет боль­ шую амплитуду и осуществляет форсированное перемаг- 'йичиваиие одного из сердечников пары, т. е. считывание; ток Л. имеет другую полярность и используется для за­ писи вместе с током по обмотке записи.

Для того чтобы осуществить запись кода «1», по об­ мотке записи одновременно с действием тока Д, подает­ ся положительный импульс тока. Для записи кода «О» по обмотке записи необходимо подавать импульс тока отрицательной полярности. .На диаграмме (рис. 52) схе­ матически изображена последовательность токов считы­ вания и записи.

После импульса тора Д,, в момент времени tu пер­ вый сердечник окажется в положении «О», а второй — в положении «1». В момент времени Д вместе с током Д на оба сердечника действует ток записи кода «1» (на ри­ сунке он заштрихован). Полярность тока такова, что в первом сердечнике он сложится по абсолютной величине с током /г, и осуществит запись кода «1» в первый сер­ дечник. Во втором сердечнике ток записи «1» вычтется из тока Д, и суммарные ампервитки не смогут изменить его состояния. Если принять, что при перемагничивании каждый сердечник индуцирует ЭДС положительной по­ лярности, то при записи «1» первый сердечник выдает большой положительный импульс, а второй — неболь­ шой отрицательный. В обмотке считывания появится суммарный положительный импульс.

Данная система требует двойного количества сердеч­ ников, но зато она позволяет использовать дешевые сердечники более низкого качества, чем в матричной си­ стеме. Кроме того, система типа Z позволяет произво­ дить форсированное считывание, повышая при этом ско­ рость выборки и амплитуду выходного сигнала.

Одной из особенностей устройств типа Z является то, что при считывании ток выборки поступает только на

УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ

Устройство управления (УУ) электронной цифровой машины обеспечивает автоматическое проведение вычис­ лительного процесса начиная с момента ввода програм­ мы и до окончания предусмотренных ею вычислений. Программа состоит из серии следующих друг за другом команд (из них каждая соответствует выполнению одной операции). В большинстве машин выполнение одной команды — это один цикл работы машины.

За время выполнения команды, определяющей дейст­ вие с числами, устройство управления трехадресной ма­ шины обеспечивает:

а) выборку кода команды из оперативного запоми­ нающего устройства и расшифровку его для того, чтобы определить тип выполняемой операции и ячейки запоми­ нающего устройства, из которых необходимо выбрать числа, участвующие в операции;

б) выборку кодов чисел из оперативного запоминаю­ щего устройства и передачу их в арифметическое устрой­ ство;

в) непосредственное выполнение операции; г) выдачу результата выполнения операции из ариф­

метическогоустройства в оперативное запоминающее устройство.

Имеются также команды, определяющие операции другого характера: автоматический ввод в машину про­ граммы вычислений и исходных данных, условные и без­ условные передачи управления, передачи кодов из опе­ ративного запоминающего устройства во внешние и об­ ратно, вывод из машины и печатание окончательных ре­ зультатов и т. п.

Схема устройства управления определяется основ­ ными характеристиками машины, прежде всего — с ис ­ т е м о й к о д и р о в а н и я к о м а н д и с п о с о б о м их

сл е д о в а н и я .

Всовременных машинах применяются одноадрес­

ные, двухадресные и трехадресные системы команд. Си­ стемы с большим числом адресов широкого распростра­ нения не получили.

Так как команды и числа обычно хранятся в одном и том же ЗУ, выбор той или иной системы команд дол­ жен соответствовать количеству разрядов чисел, с кото­ рыми оперирует машина. В одноадресных машинах обычно в одной ячейке ЗУ хранятся две команды, т. е. количество разрядов кода команды равно примерно по­ ловине разрядов кода числа. В двухадресных и трехад­ ресных машинах в одной ячейке запоминающего устрой­ ства обычно хранится одна команда.

Количество разрядов в коде команды в значительной мере определяется емкостью запоминающего устройства, так как в адресах необходимо предусматривать возмож­ ность указания максимальной по номеру ячейки.

Одноадресную систему команд имеют машины «Урал-1», «Урал-2» и «Урал-4»; машина М-3 выполнена

п р е д с т а в л е н и е м ч и с е л с ф и к с и р о в а н н о й

за п я т о й .

Внекоторых машинах (БЭСМ, «Стрела» и др.) по­ ложение запятой указывается для каждого числа —

плавающей запятой необходимо предусмотреть дополни­ тельно операции с порядками. Например, при сложении и вычитании чисел их порядки необходимо предвари­ тельно выравнивать, сдвинув соответствующим образом

148

цифровые части чисел, участвующих в операции. При умножении и делении чисел необходимо дополнительно предусмотреть соответственно сложение или вычитание порядков. Представление чисел с плавающей запятой по­ вышает точность вычислений и в большинстве случаев по­ зволяет обойтись без выбора масштабов. Но эти преиму­ щества достигаются за счет усложнения арифметическо­ го устройства и схемы управления его работой.

Тип а р и ф м е т и ч е с к о г о у с т р о й с т в а также влияет на выбор схемы устройства управления. Как уже говорилось выше, в электронных вычислительных маши­ нах могут быть использованы арифметические устрой­ ства, различные по принципу действия суммирующих схем: накапливающие и кодово-позиционные, с парал­ лельным и последовательным вводом разрядов чисел, над которыми производится операция, с последователь­ ной и одновременной передачей единицы переноса и др. В зависимости от типа и порядка работы арифметическо­ го устройства выбирается логика и схема устройства управления.

Вкачестве оперативного запоминающего устройства

вмашинах используются линии задержки, магнитные ба­

рабаны, накопительные электронно-лучевые трубки, и магнитные сердечники. Тип и с п о л ь з у е м о г о з а п о ­ м и н а ю щ е г о у с т р о й с т в а , порядок работы и сиг­ налы, необходимые для управления его действиями, определяют схему устройства управления.

Используемые в машинах системы внешних запоми­ нающих устройств на магнитных лентах или дисках тре­ буют от устройства управления возможности автомати­ ческой передачи данных из внешнего запоминающего устройства в оперативное и обратно непосредственно или через промежуточное ЗУ. Эти данные обычно передаются группами, что обеспечивает достаточно высокую ско­ рость передачи (до 20 тыс. чисел в секунду).

В значительной мере схема устройства управления определяется т р е б о в а н и я м и у д о б с т в а э к с п л у ­ а т а ции . Для удобства эксплуатации и проверки пра­ вильности работы машины устройство управления дол­ жно обеспечивать функционирование машины в следую­ щих четырех режимах:

а) автоматический режим — машина последовател но выполняет команды программы до команды «останов»

149

или до момента возникновения какой-либо ненормально­ сти в вычислениях, .появляющихся вследствие неисправ­

шина автоматически останавливается после выполнения

лам — машина останавливается при выполнении коман­ ды, имеющей контрольный сигнал, записанный програм­ мистом в коде команды. Этот режим используется при отладке на машине вновь составленных программ.

Все арифметические и логические операции, кроме операции управления, выполняются с участием арифме­ тического устройства. Каждая операция состоит из эле­ ментарных действий, следующих друг за другом в опре­ деленной, специфической для каждой операции, после­ довательности. Большинство этих действий (сброс ре­ гистра, ввод числа, сдвиг на один разряд и т. п.) одина­ ково для многих операций, поэтому управление ими обычно централизуется.

На выполнение некоторых операций (сложение, вычи­ тание, умножение и т. п.) требуется значительно больше времени, чем необходимо для выполнения остальных опе­ раций. Поэтому при полной централизации управления время одного такта (цикла) работы машины опреде­ ляется временем наиболее продолжительной операции. В этом случае машина работает с фиксированным так­ том. Такой способ управления дает незначительную эко­ номию в количестве аппаратуры и значительный проиг­ рыш в затрате времени на производство вычислений. Машина, в которой начало и конец выполнения каждой операции задается устройством управления, называется с и н х р о н н о й ЭЦМ.

Для ускорения процесса вычисления управление каж­ дой из таких операций, в той ее части, которая вызывает значительное замедление и по времени зависит от кодов чисел, целесообразно производить от отдельного местно­ го управления (работа с переменным тактом). Управле­ ние выдачей чисел из оперативного запоминающего

150

устройства и записью результата, а также некоторыми другими элементарными операциями следует произво­ дить от центрального управления.

Система смешанного управления операциями по ко­ личеству применяемой аппаратуры экономнее, чем чисто местное управление (как в машине «КИЕВ») для всех операций, и она дает экономию во времени по сравне­ нию с чисто центральным управлением. Машина, в ко­ торой начало выполнения каждой последующей опера­ ции определяется сигналом окончания выполнения пре­ дыдущей операции, называется а с и н х р о н н о й ЭЦМ.

Устройство управления предназначено для автомати­ ческого управления работой машины в соответствии с программой, введенной в ее запоминающие устройства, а также для управления по командам и сигналам, выда­ ваемым оператором с пульта ручного управления (ПРУ). Пульт ручного управления позволяет оператору вмеши­ ваться в работу машины при вспомогательных и конт­ рольных режимах.

Все режимы работы электронной вычислительной машины по их назначению и степени важности можно разбить на три группы: основные, вспомогательные и наладочные.

При работе в основном режиме, когда производится непосредственное выполнение вычислений, устройство управления обеспечивает:

а) последовательное автоматическое выполнение ос­ новной программы, команды которой хранятся в опера­ тивном запоминающем устройстве;

б) выполнение условных и безусловных переходов-по

которых машин); г) групповые передачи чисел и команд между запо­

минающими устройствами:- из устройств ввода в опера­ тивное или промежуточное запоминающее устройство (ввод); из оперативного или промежуточного запоми­ нающего устройства на устройства вывода (вывод); между оперативным, промежуточным и внешним запоми­ нающими устройствами (обмен); из одних ячеек опера­ тивного запоминающего устройства в другие (перепись);

151