Файл: Каган Б.М. Цифровые вычислительные машины и системы учеб. пособие.pdf

количеством хранимых слов, а его быстродействие — временем обращения, т. е. продолжительностью опера­ ции записи или считывания нужного слова. Быстродей­ ствие ОЗУ должно соответствовать скорости работы электронного АУ.

Решение многих задач требует памяти большой ем­ кости для хранения необходимого количества информа­ ции. Однако технически трудно и дорого строить быстро­ действующее ЗУ большой емкости. Поэтому ЦВМ обыч­ но помимо ОЗУ емкостью в несколько тысяч или

из ВЗУ в ОЗУ передается информация, необходимая для следующего этапа решения задачи.

Для получения нужной общей емкости памяти и обеспечения достаточно быстрого обмена информаци­ ей между ОЗУ и ВЗУ последнее обычно содержит не­ сколько групп устройств с разными емкостями и вре­ менами обращения (см. гл. 7).

Если быстродействие ОЗУ оказывается недостаточ­ ным для получения нужной скорости работы машины, используют сверхоперативное запоминающее устройство

(СОЗУ) на несколько десятков или сотен слов, включа­ емое между АУ и ОЗУ (рис. 1-1). Ячейки СОЗУ хранят главным образом промежуточные результаты и другую информацию, многократно используемую на текущем этапе вычислений.

Устройство управления автоматически без участия человека управляет вычислительным процессом, посы­ лая сигналы всем другим устройствам, предписывающие" им те или иные действия. В частности, оно указывает ОЗУ, какие слова должны быть переданы в АУ и в дру­ гие устройства, включает АУ на выполнение нужной операции и помещает полученный результат в ОЗУ.

Автоматическое управление процессом решения за­ дачи достигается на основе принципа программного уп­ равления, являющегося основной особенностью элект­ ронных цифровых вычислительных машин.

Алгоритм решения задачи численным методом состо­ ит в выполнении некоторой последовательности арифме­

15

тических и логических операций над исходными данны­ ми и промежуточными результатами. Поэтому такой алгоритм можно задать указанием, какие следует про­ извести операции, в каком порядке и над какими слова­ ми. Если при этом в качестве операций используются лишь те простейшие действия, выполнение которых обес­ печено конструкцией машины, то такое описание алго­ ритма называется программой решения задачи на ЦВМ.

Программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписываетопределенное действие из числа предусмотренных конструкцией машины и указывает, над какими словами это действие производится. Про­ грамма представляет собой совокупность команд, запи­ санных в определенной последовательности, обеспечи­ вающей решение задачи на ЦВМ.

Пусть, например, нужно вычислить

па —b

г= -------. ab+ с

Тогда, считая, что все арифметические операции не­ посредственно выполняются ЦВМ, программу вычисле­ ний можно представить следующей последовательно­ стью команд.

1- я команда: вычесть из числа а число Ь. 2- я команда: умножить числа а на число Ь.

3- я команда: прибавить к результату действия 2-й команды число с.

4- я команда: разделить результат действия 1-й команды на результат действия 3-й команды.

Для того чтобы устройство управления могло вос­ принять команды, они должны быть закодированы опре­ деленным образом (см. гл. 2).

Идея использования программного управления для построения устройства, автоматически выполняющего арифметические вычисления, была высказана английским математиком Чарлзом Бэббиджем еще в 1833 г. Однако его попытки построить механическое устройство, про­ долженные после его смерти дочерью поэта Байрона, не увенчались успехом и предложение было забыто.

Фактически эта идея была реализована лишь спустя 100 лет, когда в США в 1944 г. была построена на элект­ ромагнитных реле вычислительная машина «МАРК-1» с управлением от перфоленты. Машина последовательно считывала с перфоленты и выполняла указания о необ­ ходимых операциях.

16

(или снижения скорости вычислений) без повышения требований к точности работы самих электронных схем.

Первые отечественные электронные вычислительные машины были созданы научными коллективами, руково­ димыми академиком С. А. Лебедевым, Ю. Я. Базилев­ ским и членом-корреспондентом АН СССР И. С. Бру­ ком. Эти работы сыграли большую роль в развитии электронной вычислительной техники в нашей стране.

В настоящее время наша промышленность выпуска­ ет для нужд народного хозяйства ЦВМ различных мо­ делей от малых машин типа «НАПРИ» и «МИР» для расчетов в КБ заводов до уникальных по быстродейст­ вию машин БЭСМ-6, способных выполнять около 1 млн. сложений в секунду. Начато серийное производство ЦВМ на интегральных электронных схемах. Интенсивно ведутся научные исследования и конструкторские рабо­ ты, направленные на создание более производительных, надежных и дешевых ЦВМ.

1-3. П Р И Н Ц И П Д Е Й С Т В И Я М А Ш И Н Ы Д Л Я А В Т О М А Т И Ч Е С К О Й О Б Р А Б О Т К И Д А Н Н Ы Х

Для научных и технических задач, решаемых на ЦВМ, типичными являются относительно небольшие объемы входных (исходных данных) и выходной информации (ре­ зультатов расчета) и очень большое количество вычис­ лений, которые необходимо проделать в процессе реше­ ния задачи.

Совсем иной характер носят задачи планово-эконо­ мические, учета, статистики и т. п., для решения которых в настоящее время широко применяются ЦВМ. Эти зада­ чи связаны с вводом в машину и запоминанием очень большого количества исходных данных. Сама же обра­ ботка данных требует выполнения сравнительно неболь­ шого числа логических и математических операций. По окончании обработки выводится и печатается большое количество информации, причем результаты обработки должны печататься в отредактированной форме в виде таблиц, ведомостей и т. д.

Задачи подобного типа получили название задач об­ работки данных, а ЦВМ, предназначенные для их реше­ ния, называются машинами для автоматической обра­ ботки данных (МАОД), а иногда информационными си­ стемами.

18

При работе ЦВМ в режиме обработки данных важно, чтобы исходная информация и окончательные результа­ ты были представлены в форме, не требующей специ­ альной (ручной) перекодировки поступающих сведений в код машины и перекодировки результатов обработки в общепринятую форму — в виде таблиц, ведомостей и т. и. Для этого должна иметься возможность ввода в машину, обработки и вывода из машины текстовой, т. е. алфавит­ но-цифровой информации, представляющей собой после­ довательность символов — цифр, букв, математических знаков, знаков препинания и некоторых других. Учетная, плановая и экономическая информация состоит из слов переменной длины. Поэтому машины для обработки дан­ ных конструируют так, чтобы можно было хранить в памяти и обрабатывать слова переменной длины.

Jй 5

I .п г 'е е ® "

* С Г -- З Т Г ® - '

Рис. 1-2. Структура машины для автоматической обработки данных.

Собственно обработка данных производится электрон­ ным процессором, содержащим арифметическое и логиче­ ское устройство, устройство управления, а иногда и сверх­ оперативное ЗУ. Для МАОД характерно наличие боль­ шего количества внешних или периферийных устройств, состоящих из запоминающих устройств на магнитных ба­ рабанах, дисках и лентах, способных хранить очень боль­ шой объем информации (миллионы чисел и других дан­

ных), и устройств, осуществляющих ввод и вывод дан­ ных, их регистрацию и отображение.

Возникает проблема организации взаимодействия бы­ стродействующего процессора с большим количеством сравнительно медленнодействующих периферийных уст­ ройств. Если при каждом обращении к периферийному устройству процессор будет ожидать окончания операции и только после этого переходить к выполнению следую­ щей команды, технические средства машины, в первую очередь, процессор, будут использоваться плохо и произ­ водительность машины будет очень низкой.

Для эффективного использования технических средств необходима параллельная работа процессора и перифе­ рийных устройств. Такой режим организуется при помо­ щи системы прерывания и мультиплексного и селектор­ ных каналов ввода-вывода информации. Периферийные устройства связываются с каналами через собственные устройства управления (УУ).

Мультиплексный канал может одновременно обслу­ живать несколько медленнодействующих периферийных устройств — печатающих устройств, устройств ввода ин­ формации с перфолент и перфокарт, устройств вывода информации на перфоленты и перфокарты и др. Селек­ торный канал связывает процессор и оперативную память с периферийными устройствами, работающими с высокой скоростью передачи информации (магнитные диски, лен­ ты и др.), и может одновременно обслуживать только одно такое устройство.

Если при выполнении программы возникает необхо­ димость в работе периферийного устройства, например нужно напечатать группу чисел, процессор выдает кана­ лу указание произвести нужную операцию, а затем сам продолжает выполнять основную программу. После за­ вершения операции периферийное устройство посылает сигнал прерывания, который приостанавливает выполне­ ние программы, и процессор снова переходит к программе обслуживания периферийного устройства и т. д. В ре­ зультате процессор почти все время работает параллель­ но с периферийными устройствами.

Связь МАОД с внешним миром также строится по­ средством системы прерывания. Пусть система произво­ дит обработку данных и в это время извне, например, по линии связи, поступает запрос на ввод в систему новой информации. Этот запрос порождает сигнал прерывания,

20

который приостанавливает выполнение текущей програм­ мы и приводит в действие программу, управляющую вво­ дом информации с линии связи.

Еще недавно считалось, что машины для обработки* данных должны существенно отличаться от машин, реша­ ющих научные и технические задачи, для которых быст­ родействие является важнейшей характеристикой. В по­ следнее время наблюдается стирание различий между этими двумя типами машин. Современные крупные вы­ числительные машины универсальны, они могут исполь­ зоваться как для решения научно-технических задач чис­ ленными методами, так и в режиме автоматической обра­ ботки данных. Такие машины имеют высокое быстродей­ ствие, ОЗУ большого объема, гибкую систему команд,, широкий набор вводных и выводных устройств и способ кодирования информации, учитывающий требования об­ работки данных.

Дальнейшим развитием идеи параллелизма в исполь­ зовании технических средств машины является мульти­ программный режим работы, при котором комплекс уст­ ройств машины одновременно обрабатывает несколькопрограмм, а специальная управляющая программа («су­ первизор») распределяет между отдельными программа­ ми технические средства, обеспечивая максимальное ис­ пользование машинного времени. Этой же цели служит режим автоматического распределения машинного време­ ни между несколькими потребителями, связанными с ма­ шиной каждый посредством своего пульта («режим кол­ лективного пользования») и организованный так, что» каждому потребителю кажется, что машина обслуживает только его одного. Реализация этих режимов требует до­ полнительной аппаратуры и специальных программ.

Часто системы обработки данных должны работать, в реальном масштабе времени, т. е. в темпе с процессом,, информация о котором автоматически поступает в систе­ му и обрабатывается *. Это означает, что результаты об­ работки информации должны получаться в такие сроки,, чтобы можно было успеть ими воспользоваться для воз­ действия на сам процесс.

значают режимы обработки данных соответственно с участием про­ цессора и без него (на автономных устройствах).

21