книги из ГПНТБ / Нечаев А.Н. Устройство и работа электронных цифровых машин
.pdfство или блок, в котором возникла неисправность, и его приходится определять путем выполнения диагностиче
ских программ.
Параллельная работа трех и большего числа машин позволяет определить неправильно работающую машину сравнением получаемых результатов, 'выключить ее и отремонтировать при непрерывной работе исправных. Таким образом, с увеличением числа резервных машин надежность системы возрастает, «о в еще большей сте пени увеличивается ее стоимость.
Использование специальных кодов для представле ния чисел и команд позволяет обнаруживать факт воз никновения неисправности по искажению кода. Сущест вуют коды, с помощью которых можно даже определить, какой именно разряд кода искажен. Кроме основной ин формации, необходимой для работы машины, эти коды содержат некоторую дополнительную (избыточную) ин формацию, которая дает возможность контролировать хранение и передачу основной информации.
Например, для контроля работы машины, оперирую щей с десятичными двоично-кодированными числами, могут быть использованы коды типов 8—4—2—1, 2—4— 2—1, код с избытком 3 и т. п., в которых, как мы уже говорили, каждая десятичная цифра представляется о помощью четырех двоичных разрядов, допускающих 16 различных комбинаций. Десять из этих комбинаций слу жат для представления десятичных цифр, а шесть яв ляются запрещенными комбинациями, при появлении которых схема контроля останавливает машину, сигна лизируя о возникшей неисправности. Недостаток такого метода состоит в том, что после возникновения неисправ ности машина до появления запрещенной комбинации может сделать еще несколько тактов и получить ряд ис
каженных результатов, что затрудняет поиск места воз никшей неисправности.
Для обнаружения одиночкой ошибки служит также двоичный код с проверкой на четность. Один разряд этого кода является избыточным и служит только для целей контроля. Перед передачей кода специальная схе ма проверяет количество единиц, содержащихся в его основной части. При четном количестве единиц в допол нительном разряде кода записывается нуль, при нечет ном— единица. Таким образом, полный код всегда со
182
держит 'четное количество единиц. Перед 'поступлением в арифметическое устройство код, принятый по каналам связи от других устройств, проверяется на четность. На рушение четности свидетельствует о том, что при хране нии или передаче произошло искажение кода. Такой контроль в достаточной степени эффективен, так как вероятность одновременного возникновения в машине двух и более неисправностей очень мала.
Код с обнаружением и исправлением ошибок имеет несколько дополнительных разрядов. Например, для ко да с обнаружением и исправлением одиночной ошиб ки, содержащего в основной части 25 двоичных разря дов, необходимо использовать 5 избыточных разрядов в качестве проверочного числа. Проверочное число опреде ляется содержанием основной части кода. Проверяя основную и избыточную часть кода, можно установить номер разряда, в котором при хранении или передаче кода произошла ошибка. При увеличении количества разрядов в коде с исправлением ошибок доля избыточ ных разрядов уменьшается.
Все проверочные коды требуют использования спе циальной контролирующей аппаратуры или' дополни тельных затрат машинного времени. Причем очевидно, что чем более эффективным, с точки зрения контроля, является код, тем большие затраты необходимы для реализации контроля. Основной недостаток таких кодов заключается в том, что их можно использовать только для контроля хранения и передачи кода информации. Контроль правильности выполнения арифметических и логических операций над числами, записанными в этих кодах, производить нельзя. Поэтому работа арифметиче ских устройств (и вообще устройств, преобразующих информацию) в .настоящее время пока контролируется методом дублирования, выполнением двойных просчетов или специальными приемами.
С точки зрения эффективности и экономичности конт ролирующих схем, наиболее целесообразно одновремен но применять проверочные коды и резервировать обору дование машины. Это дает возможность создать маши ны, в которых автоматически обнаруживаются ошибки, определяются места неисправности, выключается из ра боты блок и, наконец, устраняется ошибка в вычисле ниях, Машина выдаст оператору сигнал о возникшей не
183
исправности и укажет неисправный блок. Применение таких «саморемонтирующихся» машин позволит созда вать системы чрезвычайно высокой надежности.
Эффективность использования ЭЦМ
Эффективность использования электронных цифро вых машин оценивается по различным критериям, зави сящим от типа, назначения и характера работы. Однако во всех случаях учитывается надежность работы н коэф фициент готовности машины.
Одной из основных характеристик работы электрон ных цифровых управляющих машин (ЭЦУМ), применяе мых для непрерывного автоматического управления раз личными объектами и технологическими процессами, яв ляется, как мы уже говорили, надежность, которая обыч но характеризуется вероятностью нормального (безот казного) функционирования машины в течение всего времени выполнения задания в установленном для си стемы управления объеме.
Работа электронных цифровых вычислительных ма шин (ЭЦВМ) и информационно-логических машин (ИЛМ) обычно оценивается величиной коэффициента готовности. Коэффициент готовности ЭЦМ характери зуется вероятностью того, что данная машина будет ра ботоспособна в любой произвольно выбранный момент времени. Величина коэффициента готовности определяет уровень надежности устройств и ремонтопригодности машины, а также действенность применяемой в ней си стемы контроля. Достижение возможно большего коэф фициента готовности особенно важно для эффективного применения ЭЦМ в информационных системах, где непланируемые простои машины могут вызвать большие эксплуатационные потери.
Коэффициент готовности ЭЦМ определяется отноше нием времени полезного действия машины к полному
рабочему времени (времени нахождения во включенном состоянии).
Для больших цифровых вычислительных машин, по строенных >на электронно-ламповых элементах, коэф фициент готовности 0,7 считается обычным, 0,85 — хо рошим и 0,95 — труднодостижимым,
184
Электродная цифровая машина может использовать ся 'в одну, две смены или круглосуточно. Большие ЭЦВМ обычно эксплуатируют круглосуточно. Наличие большого количества важных задач и значительные потери време ни на ввод машины после ее включения (особенно это относится к машинам, построенным на электронных лампах) делают нецелесообразным ежедневное выклю чение машины. Для профилактического ремонта уст ройств и источников питания машину выключают обыч но всего три-четыре раза в год.
Рабочее время машины также нельзя использовать полностью для решения задач: оно состоит из полезного времени и времени потерь. Полезное время машины включает время отладки программ, решения задачи и повторных просчетов (в случае программного контроля двойным счетом). Потери машинного времени состоят из непроизводительных простоев машины при обнаруже нии и устранении неисправностей, а также при проведе нии профилактического обслуживания ее устройств.
Статистические данные об эксплуатации больших электронных цифровых вычислительных машин показы вают, что рабочее время в среднем распределяется сле дующим образом: исправное состояние машин 70%; из них 20% затрачивается .непосредственно на решение за дач, 20% — на контроль правильности вычислений мето дом двойных просчетов, 20% — на отладку программ и 10% составляют непроизводительные простои в исправ ном состоянии.
Таким образом, время простоев машин в неисправном состоянии составляет в среднем 30%, из которых 15% затрачивается на проведение профилактических работ и 15% — на обнаружение и устранение неисправностей, возникших в процессе работы.
Количество рабочего времени машины, затрачивае мое на отладку программ, зависит от вида решаемых за дач и. квалификации программистов. При решении одно типных задач, при внимательном составлении программ, при умелой работе программистов на пульте управления, а также при автоматизации отладки доля этого времени уменьшается.
Простои исправной машины вследствие недостаточ ной загрузки свидетельствуют либо о плохой работе про граммистов, либо об отсутствии задач для решения на
185
Машине, либо, наконец, о неудовлетворительной органи зации дела.
Итак, действительно полезное время (расходуемое непосредственно на решение задач) составляет всего 20% полного рабочего времени. Такой низкий процент исполь зования дорогих машин, да еще при достаточно высокой стоимости их эксплуатации, не может не вызвать стрем ления к сокращению непроизводительных затрат машин ного времени путем разработки и проведения мероприя тий, направленных на повышение эффективности исполь зования ЭЦМ.
Время, затрачиваемое на контроль правильности вы числений методом двойных просчетов, применяемым в большинстве современных ЭЦМ, на обнаружение воз никновения ошибки в вычислениях, на нахождение и замену вышедшего из строя элемента и на проведение профилактики, составляет до 50% рабочего времени. Ве личина этих затрат в значительной степени зависит от надежности устройств машины и эффективности приме няемых методов контроля за правильностью работы ма шины. Поэтому полезное время машин можно сущест венно увеличить лишь путем повышения надежности и применения эффективных методов контроля.
Большое значение для определения эффективности использования машины имеет величина эксплуатацион ных затрат. Эксплуатационные расходы при использова нии ЭЦМ включают в себя следующие статьи.
Подготовка и программирование задач для решения на машине. Величина этих затрат определяется произ водительностью машины, количеством времени, отводи мого непосредственно на решение задач, характером за дач и разнообразием их типов и, наконец, квалифика цией программистов. Число программистов для различ ных типов машин — от 20 до 100 человек.
Содержание обслуживающего персонала. Величина этих затрат зависит от объема и сложности оборудова ния, входящего в состав машины, величины полезного машинного времени, зависящей от надежности уст ройств машины и квалификации инженерно-технического состава. Число инженеров и техников, обслуживающих машину (при круглосуточной работе),— 10—30 человек.
Электроэнергия. Эти затраты определяются типом и количеством элементов, из которых построена машина
186
(электронные лампы, полупроводниковые триоды, фер-
•риты и др.)> наличием вентиляционных и холодильных установок.
Замена вышедших из строя деталей и ремонт, кото рые зависят от количества и надежности элементов, ис пользуемых в машине.
Амортизация и затраты на модернизацию машины определяются стоимостью изготовления машины и пер спективностью ее параметров. Перспективность парамет ров машины определяет срок службы м-ашины до ее мо рального износа (обычно 10—15 лет).
Затраты, связанные с амортизацией капитальных соо ружений (зданий), занятых под машину, вспомогатель ное оборудование и обслуживающий персонал.
Накладные расходы включают в себя расходы на содержание административно-управленческого аппарата, а также затраты, связанные со снабжением, хранением и транспортировкой деталей и узлов, заменяемых в про цессе эксплуатации машины. Величина их зависит от организационной структуры вычислительного центра или учреждения, использующего вычислительные машины.
Таким образом, стоимость эксплуатации электронной цифровой машины за некоторый период времени можно вычислить как сумму затрат по отдельным статьям экс плуатационных расходов.
Эксплуатация большей ЭЦВМ (например, типа «Стрела», БЭСМ-2, «Урал-4») обходится в год в 150—
200 тыс. руб.
Основной характеристикой электронных цифровых вычислительных машин является номинальное быстро действие, измеряемое количеством различных операций, выполняемых за одну секунду. Однако номинальное бы стродействие не выражает действительного быстродей ствия машины, поскольку оно не учитывает частоты вы полнения отдельных операций, потерь машинного вре мени на выполнение операций ввода — вывода информа ции, обращение к магнитным лентам и простои машины. В связи с этим возникла необходимость для оценки про изводительности -ЭЦВМ использовать понятие эффектив ного быстродействия.
Эффективное быстродействие ЭЦВМ можно опреде лить из среднего времени выполнения одной операции,
187
которое в свою очередь зависит от частоты, повторения отдельных операций при решении конкретного класса, задач. Наиболее точным является определение среднего времени выполнения операции на ЭЦВМ по всем ариф
метическим и логическим |
операциям, операциям ввода |
и вывода и обращения к |
внешним запоминающим уст |
ройствам. Частоты операций ввода — вывода и обраще ния к внешним запоминающим устройствам более зави сят от характера задачи, чем частоты арифметических и логических операций. Определение среднего времени обращения к внешним ЗУ осложняется зависимостью от количества блоков, их емкости и емкости оперативного запоминающего устройства машины. Количество опера ций ввода — вывода в значительной степени зависит от типа задач, решаемых на машине. При решении информа ционно-логических задач ввод — вывод занимает во мно го раз больше времени, чем при решении вычислитель ных задач.
Среднее быстродействие, подсчитанное с учетом ча стоты повторения и времени выполнения всех операций (сложения, вычитания, умножения, логических операций, операций передач и остальных), составляет, например, для машины «Стрела» 2600, а для машины «Урал-4» — 4500 операций в секунду. При таком быстродействии один миллион операций машина «Стрела» выполняет за 6—7 минут, а машина «Урал-4» — за 3—4 минуты. Одна ко если учесть, что машина «Урал-4» имеет 40 блоков магнитных лент (вместо трех в «Стреле»), два магнит ных барабана, быстродействующее печатающее устрой ство (в «Стреле» их нет), а также, что скорость вывода на перфокарты в 2 раза выше, то при решении информа ционных задач окажется, что эффективное быстродейст вие будет меньше среднего номинального у машины «Стрела» почти в 20 раз, а у машины «Урал-4» — только в 5 раз.
Академик В. М. Глушков ввел два универсальных критерия. Один из них — критерий максимального эффек тивного быстродействия — дает конструкторам возмож ность при разработке новых машин определять их основ ные параметры: номинальное быстродействие, емкость оперативного запоминающего устройства, скорость обме на информацией между устройствами ввода — вывода и внешним запоминающим устройством, надежность маши
158
ны и др. Второй — критерий минимальной стоимости эф фективного быстродействия — помимо упомянутых фак торов учитывает также сложность машины. Это позво ляет использовать его для сравнения вычислительных машин различных классов.
Расчеты показывают, что стоимость выполнения одно го миллиона операций на машине «Стрела» составляет 3—4 руб., на машине «Урал-4» — 2—3 руб., а на малых машинах, например на машине «Урал-1»,— 15—20 руб., т. е. в 5—10 раз больше, чем на больших. Попутно сле дует отметить, что стоимость выполнения одного мил лиона операций квалифицированным вычислителем на счетно-клавишном автомате составляет 1500—2000 руб., и эту работу он выполняет за полтора-два года.
На основании этих сопоставлений можно сделать вы вод, что с увеличением производительности машины стои мость выполнения операций на ней уменьшается-. Поэто му наиболее экономически эффективно применение вы сокопроизводительных машин. Однако не всякий потре битель имеет объем задач, который мог бы полностью загрузить машину высокой производительности. Кроме того, различные задачи целесообразно решать на маши нах различных типов. Именно поэтому многие электрон ные вычислительные машины на предприятиях, в научноисследовательских институтах и лабораториях не исполь зуются полностью. Достижение высокой эффективности электронной вычислительной техники — большая народ нохозяйственная задача, над решением которой пред стоит еще много поработать. По-видимому, проблема по вышения эффективного использования электронной вы
числительной техники будет решена путем |
развитии |
к р у п н ы х в ы ч и с л и т е л ь н ы х ц е н т р о в , |
рассчи |
танных на обслуживание предприятий и учреждений са мых различных областей народного хозяйства на основе
договоров.
С ростом серийного выпуска электронных вычисли тельных машин такие центры приобретают все большее значение. Создание единой государственной сети вычис лительных центров вызывается необходимостью рацио нальной и полной загрузки высокопроизводительных электронных вычислительных машин крупными и слож ными вычислительными работами, что возможно только при централизации этого дела.
Существование сети крупных вычислительных цент ров, загрузка которых должна планироваться централи зованно, исключит распыление специалистов и вычисли тельной техники, обеспечит эффективное использование кадров и вычислительных машин. Вычислительные цент ры имеют больше возможности найти квалифицирован ных специалистов для обслуживания различных машин и программирования задач любого профиля. Возмож ность составить обширную библиотеку программ позво лит таким центрам решать экономические задачи с наи меньшей затратой времени и средств. При централиза ции значительно проще решить задачу квалифицирован ной эксплуатации ЭЦМ, уже имеющихся на предприя тиях.
Машины малой и средней производительности целе сообразно использовать там, где эксплуатация больших машин экономически нецелесообразна, например на от дельных предприятиях, в учебных заведениях и т. п.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ МАШИНЫ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ И ЭКОНОМИКЕ
Сложность и масштабы современных научных иссле дований не позволяют решать большинство научно-тех нических проблем только путем экспериментирования или при помощи элементарных приемов расчета. Очень ча сто решение математических задач, возникающих при исследовании физической сущности явления, затрудняет ся тем, что эти задачи очень сложны.
Для большинства задач, встречающихся в практике научных исследований и конструировании, разработан ные математиками методы дают возможность получить пригодный для использования численный результат пу тем выполнения определенного количества простейших арифметических операций (сложение, вычитание, умно жение, деление). Таким образом, решение любой мате матической задачи, для которой имеется алгоритм (точ ное правило, определяющее порядок действий для полу чения из исходных данных искомого результата), можно всегда свести к выполнению одних лишь арифметических операций. Но нередко количество таких операций дости гает сотен миллионов, и выполнить их в приемлемые сро ки вручную или с применением обычных медленнодей ствующих вычислительных средств (арифмометров, счет но-клавишных и счетно-перфорационных машин) невоз можно. Поэтому при научных исследованиях в различ ных областях, при конструировании современной аппара туры и во многих других случаях-, связанных с выполне нием трудоемких вычислительных работ, используются мощные вычислительные средства — электронные цифро вые вычислительные машины (ЭЦВМ). Они позволяют получать численные результаты за несколько часов.
191