§22.17. Понятие о программировании

исходными данными. Затем разрабатывают способ решения задачи, при этом широко используют численные методы решения дифференциальных, алгебраических и других уравнений.

Программирование состоит из разработки алгоритма решения задачи и записи его на одном из алгоритмических языков, с которого и осуществляется перевод на язык машины. Составление

программ непосредственно на машинном языке производится редко и только для задач ограниченной сложности. При разработке программ широко используют стандартные

подпрограммы для решения типовых задач и вычисления наиболее распространенных функций (тригонометрических, экспоненциальных, логарифмических).

Один из наиболее распространенных алгоритмических языков АЛГОЛ-60 ориентирован на программирование решений главным образом математических задач. В его алфавит включены арабские цифры, строчные и прописные буквы латинского и русского алфавитов, знаки арифметических и логических операций, знаки отношений («больше», «меньше», «не больше», «не меньше», «равно», «не равно»), разделители, указатели следования и некоторые другие символы.

Для алгоритмического описания процессов решения задач по обработке данных используют КОБОЛ. Применяют и другие алгоритмические языки, например ЯЛС, ФОРТРАН. При решении задачи программой предусматривается определенная точность, которая выражается через максимально допустимую погрешность вычислений. Если погрешность выходит за допустимые пределы, то увеличивают количество машинных операций (при использовании итерационных методов) или количество разрядов в записи числа. При этом увеличивается количество ячеек памяти, необходимое для хранения чисел, и существенно возрастает время решения задачи.

Во избежание ошибок, возникающих вследствие сбоев аппаратуры, промахов программистов и операторов, до запуска программа проходит длительный процесс отладки на машине. Сначала проводится отладка по отдельным этапам решения задачи, а затем и комплексная.

Развитие методов программирования привело к созданию операторного метода, в котором алгоритм решения задачи записывается на алгоритмическом языке логических схем (ЯЛС) и автоматически передается в машину. В СССР был разработан транслятор — программирующая программа ПП-1. Широко применяют математическое обеспечение ЦЭВМ, под которым понимают комплект вспомогательных программ, позволяющих решать ряд задач без разработки для них специальных программ, помочь программисту при выполнении ряда работ и поддерживать наиболее выгодный режим работы ЦЭВМ.

Одним из способов повышения производительности ЦЭВМ стало мультипрограммирование, при котором программа рассчитывается на одновременное решение нескольких задач. Такая возможность появляется при более полной загрузке отдельных блоков машины. Например, во время записи данных для решения одной задачи в ВЗУ арифметическое устройство может выполнять арифметические операции для другой задачи.

Карточка № 22.17 (317).

Понятие о программировании

§22.18. Технические характеристики и применение ЦЭВМ

Важнейшая характеристика ЦЭВМ — быстродействие, которое измеряется количеством операций, выполняемых процессором в течение одной секунды. Наибольшее значение этой характеристики для универсальной ЦЭВМ — около полумиллиарда операций в секунду, а при объединении нескольких ЦЭВМ в единый комплекс — миллиарды операций в секунду. Это позволяет решать задачи, которые раньше были практически неразрешимы из-за громоздкости вычислений, а также сопрягать ЦЭВМ с системами автоматического управления, работающими в реальном масштабе времени. Быстродействие типовых ЦЭВМ значительно ниже и составляет от десятков тысяч операций в секунду до миллиона.

Важной характеристикой ЦЭВМ является также емкость оперативной памяти. Обычно память разбивается на ячейки по восемь двоичных разрядов. Эти ячейки нумеруются по порядку. Номер ячейки служит ее адресом, емкость составляет 1 байт и позволяет записать один символ (букву, цифру, знак).

Важную роль в оценке возможностей машины играет разрядность ее процессора. Чем больше разрядов отводится на запись двоичных чисел, с которыми работает машина, тем выше точность вычислений при заданном быстродействии.

В настоящее время в СССР применяются ЦЭВМ различных марок. Наряду с машинами Единой системы (ЕС), построенной по агрегатному принципу (блоки машин собирают из набора стандартных секций), используются внесистемные универсальные машины «Минск», «Урал», БЭСМ, а также специализированные на решение задач определенного класса мини-ЭВМ и микроЭВМ. Размеры микроЭВМ не превышают нескольких десятков сантиметров.

Цифровые электронные вычислительные машины используют в системах автоматизации управления и планирования, материально-технического снабжения, в энергетике и на транспорте, в здравоохранении и образовании, в городском хозяйстве, в библиотечном деле. С помощью ЦЭВМ предсказывают погоду, производят сложные инженерно-технические расчеты,

проектируют новые механизмы и машины, в том числе и ЦЭВМ.

Одна из важнейших тенденций в развитии вычислительной техники — создание больших информационных систем с сетью вычислительных центров, банков данных и автоматизированных систем управления.

Технические данные некоторых машин (серии ЕС и мини-ЭВМ) приведены в табл. 22.1 и

22.2.

Использование новых принципов и совершенствование технологии интегральных микросхем (см. гл. 21) позволили довести степень интеграции до такого уровня, при котором в

объеме одного кристалла с линейным размером в несколько миллиметров оказалось возможным разместить сотни тысяч активных и пассивных элементов электроники.

При этом количество стало переходить в качество: появилась возможность органичного объединения арифметического устройства, логических элементов и триггеров оперативной памяти

с устройством управления и сокращения до минимума длины линий (доли микрометра) и времени (доли микросекунды) передачи внутренних сигналов управления.

Так возник микропроцессор, решающий разнообразные математические и логические задачи с точностью и скоростью соизмеримой, а иногда и не уступающей тем, которые достигнуты в современных больших электронных вычислительных машинах. Такие кристаллы с помощью устройств ввода — вывода информации включаются в системы автоматического управления, практически неограниченно расширяя их возможности, вплоть до наделения элементами интеллекта.

Области применения микропроцессоров расширяются. Соответственно умножаются и требования, предъявляемые к ним. Естественно, что одна даже многофункциональная схема не в

состоянии удовлетворить всем потребностям практики с учетом технологических и экономических ограничений. Установлено, например, что двукратное увеличение разрядности двоичных чисел, с которыми оперирует микропроцессор, приводит к увеличению его стоимости примерно в десять раз.

Микропроцессоры отличаются друг от друга сложностью, возможностями и стоимостью. Микропроцессор, предназначенный для решения одной задачи в конкретной системе автоматического управления, проще универсального микропроцессора, рассчитанного на применение в различных САУ или в микроЭВМ. Важнейшие характеристики микропроцессора — разрядность и быстродействие. Разрядность определяет точность обработки информации и, следовательно, точность работы САУ, а быстродействие — возможность работы устройства в реальном масштабе времени, что существенно для многих, в том числе и управляющих технологическими процессами, систем. Серийно выпускаются микропроцессоры с разрядностью 4, 8, 16, 32. В некоторых микропроцессорах предусмотрена возможность удвоения количества разрядов. Быстродействие составляет от 200 тыс. до 2 млн. опер/с.

Широко применяются два типа микропроцессоров: с аппаратным и микропрограммным устройством управления.

Рис. 22.23. Принципиальная схема микропроцессора с

аппаратным управлением

Микропроцессор с аппаратным управлением рассчитан на решение жестко фиксированной задачи или группы однотипных задач. Вычислительный процесс и логика его работы определены

характером внутренних соединений элементов схемы и не могут быть изменены в процессе эксплуатации. Принципиальная схема взаимодействия основных блоков микропроцессора, имеющего аппаратное управление, приведена на рис. 22.23. Схемные блоки связаны много проводными шинами, формируемыми в процессе изготовления кристалла БИС. Для уменьшения количества внешних соединений кристалла одни и те же линии используются как для ввода, так и для вывода данных. Специальное устройство (в схему на рис. 22.26 оно не включено) осуществляет разделение процессов ввода и вывода во времени. Входные данные (например, сигнал от предшествующего звена САУ) поступают в устройство управления (УУ), которое вырабатывает фиксированную последовательность команд, выполняемых арифметическо-логи- ческим устройством АЛУ и регистрами. Полученные в результате работы микропроцессора

данные (выходной сигнал) через шину ввода — вывода передаются в последующее звено системы автоматического управления.

Группа регистров содержит регистры общего назначения и специальные регистры. Регистры общего назначения (обычно их 16) служат оперативной памятью микропроцессора. От их количества зависят его разрядность и быстродействие. Специальные регистры используются для счетчика команд, выработки признака результата и некоторых других функций.

Микропроцессоры с аппаратным управлением выполняются в одном кристалле. Микропроцессоры с микропрограммным управлением имеют универсальное назначение.

Они могут решать различные математические и логические задачи в зависимости от сменных программ, вводимых в память микропроцессора. Может меняться и длина их разрядной сетки.

Микропроцессоры с микропрограммным управлением обычно изготовляются на основе нескольких кристаллов БИС, в том числе блока центральных процессорных элементов ЦПЭ, блока микропрограммного управления БМУ и памяти для микропрограмм (рис. 22.24). Блок ЦПЭ состоит из нескольких кристаллов БИС, каждый из которых аналогичен микропроцессору с аппаратным управлением.

Рис. 22.24. Схема микропроцессора с микропрограммным

принципом управления