Файл: Плиско В.А. Электронные машины в военном деле.pdf

После следующего нажатия кнопки лампа снова загорается и так далее.

Триггеры после включения машины устанавливаются в нулевое положение. Мы условились, что при этом сигнала на

выходе нет. Через неоновые лампы, включенные на выходе,

ток не идет, и они не светятся. Затем в случае подачи сигнала в цепь установки «1» какого-нибудь триггера последний из­

меняет свое состояние, переходя из положения «О» в поло­ жение «1». Появляется сигнал на выходе, и неоновая лампа загорается. При следующем поступлении сигнала триггер снова изменяет свое состояние на обратное («1» на «О»), и неоновая лампа гаснет. Таким образом, поступление сигна­

лов в цепь установки «1» триггера воздействует на него и на неоновую лампу так же, как нажатие кнопки на настольную

лампу. Подача сигналов в цепь установки «О» всегда при­ водит к установлению нулевого положения триггера.

Каждый триггер сумматора служит для фиксирования цифры одного разряда двоичного числа, подаваемого на

сумматор.

Схема триггера регулируется так, что при переходе его

из положения «1» в положение «О» создается сигнал, посту­ пающий в цепь установки «1» триггера следующего разряда.

Этот сигнал соответствует единице переноса из младшего разряда в старший.

Допустим, требуется сложить два двоичных числа: три

(11) и два (10). Перед началом счета все триггеры сумма­ тора устанавливаются в положение «0». Далее на сумматор передается код первого числа (11). Сигналы поступают на вход триггеров первого и второго разряда, так как лишь в этих разрядах первого числа есть единицы. В результате триггеры первого и второго разряда установятся в положе­ ние «1». Загорятся неоновые лампы на выходе этих тригге­ ров. При подаче второго числа (10) сигнал будет только на

единицы из 2-го разряда в 3-й. Триггер 3-го разряда устано­ вится в положение «1», зажжется неоновая лампа в его вы­ ходной цепи. Будут гореть лампы в выходных цепях триг­ геров 1-го и 3-го разрядов сумматора, т. е. зафиксируется

код суммы поданных на него двоичных чисел: 101 = 1Х2°-Ь

+ 0Х2>+ 1 X 22 = 5 (3 + 2 = 5).

9

Операция сложения является основной операцией в электронных цифровых машинах. Произведя сложение мно­ жимого столько раз, сколько единиц во множителе, можно осуществить операцию умножения. Операцию вычитания можно выполнить, изменив специальным образом вычитае­ мое и прибавив к нему уменьшаемое. Вычитая из делимого делитель соответствующее число раз, можно производить операцию деления.

При операциях умножения и деления перед каждым тактом сложения или вычитания коды исходных чисел в устройствах машины автоматически сдвигаются подобно тому, как это делается при умножении или делении на бу­

двоичной системы при вычислениях на ЭЦМ обусловли­ вается простотой представления чисел при помощи элемен­ тов с двумя устойчивыми состояниями и простотой арифме­

тических действий в двоичной системе.

Рис. 2. Схема запоминающего регистра со сдвигом

Триггеры в ЭЦМ применяются не только для построения сумматоров, но выполняют и другие функции. Наиболее важными из них являются запоминание кодов чисел и счет количества импульсов, что осуществляется в блоках запоми­ нающего регистра и счетчика импульсов. 1

Запоминающий регистр (рис. 2) служит для запомина­

ния чисел (в арифметическом устройстве ) или команд

10

(в устройстве управления) в ходе выполнения той или иной операции.

Он состоит из триггеров и клапанов совпадения К. В от­ личие от сумматоров в нем отсутствуют цепи переноса. Кла­ паны совпадения устроены так, что сигнал на их выходе (в) будет только тогда, когда совпадают во времени сигналы на

обоих входах (а, б).

Одни входы (б) клапанов К подсоединены к магистрали

(набору электрических проводников), связывающей регистр с устройством запоминания чисел (накопителем). На другие входы (а) подается сигнал от устройства управления «прием

кода числа или команды на регистр». Перед подачей числа все триггеры регистра устанавливаются на нуль.

На рис. 2 ячейки, обозначенные C3i, СЗ и Ki, являются

элементами цепей сдвига вправо на один разряд. Для осу­ ществления сдвигов в обоих направлениях на различное число разрядов имеется нужное количество подобных цепей. Так как все они действуют одинаково, рассмотрим работу цепи сдвига на рис. 2.

Здесь C3i — схема задержки, осуществляющая задержку

входного сигнала, положим, на 0,2 мксек, СЗ — на 0,6 мксек,

Ki — клапаны совпадения.

Схемы задержки — радиотехнические устройства, обес­ печивающие задержку подаваемого на них сигнала во вре­ мени. От устройства управления поступает сигнал «сдвиг вправо на один разряд» на один вход Ki (б) и на вход C3i.

На другой вход Ki (г) поступает такой уровень напряжения от триггера своего разряда, чтобы сигнал на выходе Ki (л)

был в тех разрядах регистра, в которых триггеры находились в положении «1».

Если триггер, к выходу которого присоединялся клапан

Ki, находится в положении «0», то сигнал сдвига через этот клапан не пройдет.

Через 0,2 мксек после подачи сигнала сдвига последний установит все триггеры в положение «0».

Сигнал с выхода (л) клапана Ki, поступающий на схему задержки СЗ, появится на ее выходе через 0,4 мксек после установки запоминающего регистра в положение «0».

Следовательно, сигнал сдвига (при сдвиге вправо) уста­ навливает каждый триггер данного разряда в положение, в котором находился перед сдвигом триггер соседнего стар­ шего разряда.

11

Так осуществится сдвиг кода числа вправо на один разряд. Такие же цепи сдвига могут быть в других блоках машины.

Счетчик импульсов, часто применяемый в ЭЦМ, отли­ чается от сумматора тем, что сигналы на него подаются только на один (младший) разряд. Число, устанавливаемое на счетчике, равно числу импульсов, поданных на его вход.

Схема счетчика приведена на рис. 3. Он состоит из тригге­ ров и цепей переноса, работающих точно так же, как и в сумматоре.

счета

Рис. 3. Схема счетчика импульсов

Пусть на схему подано 8 импульсов. Первый из них установит триггер младшего (4-го) разряда в положение «1». Второй импульс установит в положение «О» триггер 4-го разряда и в положение «1» — триггер 3-го разряда. После двух импульсов на счетчике установится двоичный код «10» (в десятичной системе это будет число «2»), Тре­ тий импульс установит триггер 4-го разряда в положение

«1». На счетчике установится двоичный код «11» (в десятич­ ной системе это будет число «3»). Четвертый импульс уста­

новит в положение «О» триггеры 4-го и 3-го разрядов и в положение «1» — триггер 2-го разряда. На счетчике устано­ вится код «100». Пятый импульс установит в положение «1» триггер 4-го разряда. На счетчике будет код «101». Шестой импульс установит в положение «О» триггер 4-го разряда и в положение «1» — триггер 3-го разряда. На счетчике будет код «110». Седьмой импульс установит в положение «1»

триггер 4-го разряда. На счетчике будет код «111». Восьмой импульс установит в положение «О» триггеры 4, 3 и 2-го разрядов и в положение «1» — триггер 1-го разряда. На

12

счетчике будет код «1000» (в десятичной системе это соот­ ветствует числу «8»).

Отсюда видно, что для подсчета количества импульсов, равного 2"— 1, нужно иметь счетчик из п разрядов.

Так, при п = 3 мы можем подсчитать, что 23 — 1=7 им­ пульсам. Восьмой импульс приводит схему в исходное состо­

яние: все триггеры устанавливаются на «0».

К сумматору (рис. 1) добавляются один или несколько

запоминающих регистров, цепи изменения кода чисел при вычитании и цепи сдвигов чисел, необходимые при выполне­

нии операции умножения и деления. Сумматор в сочетании с указанными цепями образует арифметическое устройство машины, которое позволяет производить над числами все че­ тыре арифметических действия.

В математике разработаны так называемые численные методы, позволяющие решить задачу практически любой сложности с помощью формул, которые основаны только на арифметических действиях.

Для обеспечения автоматической работы машины задача,

подлежащая решению, записывается в виде программы вы­ числений. Она представляет собой последовательность команд и исходных чисел. Коды исходных чисел и команд вводятся в машину в виде сочетания электрических сигна­ лов и помещаются (накапливаются) в специальном блоке машины — накопителе. Затем устройство управления маши­ ной в заданной программой последовательности обеспечи­ вает подачу чисел из накопителя в арифметическое устрой­

ство, где и производятся требуемые расчеты.

Из рассмотрения простейших принципов работы ЭЦМ

можно заключить, что значительное быстродействие элект­ ронных машин обусловливается использованием счетных эле­ ментов, построенных на электронных схемах.

Такие счетные элементы просты в изготовлении и сравни­ тельно малы по габаритам. Поэтому в сумматоре электрон­

ных машин можно отводить на изображение чисел сколь

угодно большое количество разрядов, которым определяется точность вычислений.

Управление работой машины осуществляется электрон­ ными методами. Поскольку коммутация электронных схем и цепей легко осуществима и выполняется с большими скоро­ стями, в данном случае несравненно проще, чем, например, в

электромеханических системах, достигается автоматичность

работы.

13

ТИПЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Электронные вычислительные машины можно разделить на два основных класса.

К первому классу относятся электронные цифровые ма­

шины (ЭЦМ).

Название «цифровые» характеризует ту их особенность, что подлежащие расчету величины представляются в виде чисел с помощью цифр (каждая цифра изображается опре­ деленным электрическим состоянием цепи или схемы).

Второй основной класс электронных машин составляют

так называемые электронные моделирующие устройства

(электронные модели).

В них все исходные числа решаемой математической за­ дачи заменяются пропорциональными величинами электри­ ческих напряжений. Сложение, вычитание, умножение и т. п. преобразования электрических напряжений выполняются на

электронных моделях с помощью схем на электронных лам­ пах. При этом, например, при сложении напряжение на вы­ ходе схемы должно1 быть точно равно сумме напряжений на входе. Точность результата производимых действий в этом

случае зависит от точности изготовления деталей схемы (со­ противлений. конденсаторов и др.) и от стабильности режи­ мов питания электронных ламп. Последнее делает затрудни­ тельным получение в электронных моделях результата вы­ числений с погрешностью, меньшей чем 1—3%. При прохо­

ждении напряжений в процессе вычислений от одной схемы модели к другой эти погрешности накапливаются.

Таким образом, на моделях задачи решаются не чис­ ленно, т. е. путем математических действий над числами, а

аппаратурно, т. е. с помощью специально сконструированных устройств и схем, реализующих известные методы математи­ ческих преобразований электрических напряжений. Количе­ ство известных в настоящее время способов математических

преобразований электрических напряжений ограничено.

Для операций же с кодами чисел может быть использо­ ван весь столь разнообразный и гибкий математический ап­

парат. Благодаря этому на ЭЦМ может быть решена прак­ тически любая задача с помощью известных математических методов. Электронные схемы в ЭЦМ должны реагировать

только на два крайних значения входных сигналов и поэтому не требуют высокого постоянства параметров деталей и ре­ жимов питания ламп. Каждый подобный элемент сравни­ тельно прост в изготовлении и надежен в работе. Чем

14

больше таких элементов, тем больше цифр можно изобра­ зить, тем выше будет точность вычислений.

Электронные модели по сравнению с ЭЦМ характеризу­

ются такими основными недостатками, как низкая точность вычислений, накопление погрешностей и сложность произ­

водства и наладки основных элементов.

Эти недостатки электронных моделей обусловили то по­ ложение, что при проведении научно-технических исследо­ ваний они применяются для определения качественных ха­

рактеристик различных процессов. При необходимости по­ лучения наиболее точных количественных соотношений, ха­ рактеризующих тот или иной физический процесс, лучшие результаты дают ЭЦМ.

Как указывалось, электронные модели могут широко ис­ пользоваться для испытаний реальных объектов в лабора­ торных условиях.

Таким образом, в вопросах научно-технических исследо­ ваний ЭЦМ и электронные модели дополняют друг друга.

В вопросах же производства вычислений с целью автомати­ ческого управления различными объектами предпочтение

должно быть отдано ЭЦМ.

В свою очередь основные классы электронных вычисли­ тельных машин можно разделить на группы и подгруппы.

На рис. 4 представлен возможный вариант классификации электронных машин (общепринятая классификация еще не установлена).

Моделирование на электронных моделях основано на том, что многие физические процессы в различных областях природы описываются одними и теми же уравнениями выс­

шей математики. Поэтому исследование процессов, происхо­ дящих, скажем, в системах, составленных из механических элементов, можно заменить исследованием процессов в мо­ делях этих систем.

В этом случае модели механических систем составляются из электрических элементов. Исследования систем из элек­

трических элементов могут быть проведены с наибольшей точностью (ввиду разработанной методики и наличия боль­ шого числа точных приборов) и с меньшей затратой средств (электрические элементы, как правило, дешевле и проще в

изготовлении, чем механические). По указанным причинам исследования электрических моделей механических систем ускоряют и удешевляют проведение исследовательских ра­ бот.

15

Электронные модели позволяют решать различные урав­ нения или системы уравнений.

Электронные модели подразделяются на так называемые интеграторы, предназначенные для решения систем уравне­

ний высшей математики, и счетно-решающие устройства и тренажеры, реализующие одну определенную математиче­

скую задачу.

Рис. 4. Возможный вариант классификации электронных вычис лительных машин

Электронные модели обладают точностью вычислений по­ рядка единиц процентов, потребляют мощность от единиц до нескольких десятков киловатт, имеют вес в несколько сотен килограммов, требуют площадь для размещения в несколько десятков квадратных метров.

Количество ламп в электронных моделях достигает не­ скольких сотен, а в специализированных моделях — несколь­ ких тысяч.