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

Наряду с использованием в АСУ организационно-эко­ номического типа ЦВМ применяются также в системах непосредственного управления технологическими процес­ сами. Подобные системы содержат управляющие вычис­ лительные машины (УВМ). В этом случае входные и вы­ ходные данные представляют собой в основном физиче­ ские сигналы: поступающие в УВМ с объекта управле­ ния сигналы датчиков и передаваемые из УВМ на объ­ ект управляющие воздействия. УВМ может посылать также сообщения оператору о состоянии технологическо­ го процесса и о рекомендуемых управляющих воздейст­ виях. Такие системы часто называют автоматизирован­ ными системами управления технологическими процес­ сами (АСУ ТП).

1-6. П О Н Я Т И Е О В Ы Ч И С Л И Т Е Л Ь Н О Й С И С Т Е М Е

ИЕЕ А Р Х И Т Е К Т У Р Е

Впоследнее время все чаще вместо термина «цифро­ вая вычислительная машина» употребляется термин циф­ ровая вычислительная система. В этой смене одного тер­

мина другим отражаются происшедшие в последние го­ ды существенные изменения в подходе к проектированию средств вычислительной техники.

Расширение сферы применения вычислительной тех­ ники и в особенности ее использование в автоматизиро­ ванных системах управления для обработки информации в области планирования, экономики, учета привели к включению в состав машины большого комплекса разно­ образных периферийных («внешних») устройств для вво­ да информации, ее запоминания и хранения, регистрации и отображения. Конкретные применения предъявляют различные требования в отношении состава периферий­ ных устройств, а также объемов оперативной и внешней памяти, числа каналов прерывания и т. п.

Это привело к тому, что при проектировании вычис­ лительной техники концепцию вычислительной машины с фиксированным составом оборудования (где главное место занимало само устройство обработки информации) сменила концепция агрегатированной вычислительной системы с переменным составом оборудования, который определяется функциями, выполняемыми системой. При таком подходе отдельные функциональные устройства выполняются в виде агрегатов, которые в нужных но­

29

менклатуре и количествах объединяются в вычислитель­ ную систему. Например, нужный объем оперативной па­ мяти набирается из секций, имеющих фиксированное число ячеек. Одним из агрегатов такой системы оказыва­ ется устройство обработки информации, называемое в этом случае обработчиком информации, или процессо­ ром.

Существенное место в агрегатированных вычисли­ тельных системах занимают специальные устройства — унифицированные каналы обмена информацией между отдельными агрегатами системы, допускающие подклю­ чение в нужном количестве периферийных устройств.

Однако различные области применения вычислитель­ ной техники предъявляют различные требования не толь­ ко к составу и характеристикам каналов и периферийных устройств, к объему оперативной памяти, но и к самим устройствам обработки информации— к процессорам (в части длины машинного слова, скорости обработки ин­ формации, состава команд и т. д.). Поэтому естествен­ ным развитием вычислительных систем явилось созда­ ние рядов моделей процессоров, обладающих различны­ ми характеристиками, к которым через унифицирован­ ные каналы могут подсоединяться любые периферийные устройства, общие для всей данной вычислительной си­ стемы (для всего ряда моделей).

С переходом к вычислительным системам, включаю­ щим ряды моделей процессоров, исключительно актуаль­ ной стала проблема информационной и программной со­ вместимости отдельных моделей ряда.

Информационная совместимость моделей предполага­ ет единые для всего ряда способ кодирования информа­ ции и форматы данных или хотя бы по меньшей мере одинаковые или кратные длины машинных слов в раз­ личных моделях.

Программная совместимость имеет место, если про­ граммы, составленные для одной модели, могут выпол­ няться на других моделях ряда.

Поскольку процессоры являются просто агрегатами вычислительной системы, то вычислительная система мо­ жет содержать одновременно несколько процессоров од­ ного или различных типов, использующих общую или различные оперативные памяти. Такие вычислительные системы называются многопроцессорными. В многопро­ цессорных системах алгоритм решения задачи разбива-

30

ется на части, которые реализуются параллельно во вре­ мени в отдельных процессорах, обменивающихся друг с другом информацией в процессе решения задачи.

При необходимости обработки в реальном времени больших объемов информации, при управлении большим количеством объектов вычислительный комплекс часто выполняется в виде многомашинной вычислительной си­ стемы, состоящей из нескольких связанных каналами об­ мена информацией вычислительных машин, каждая со своими периферийными устройствами. В такой мультиси­ стеме функции по обработке информации и управлению могут распределяться между отдельными звеньями по­ добно обычному административному аппарату управле­ ния, т. е. могут быть выделены системы низшего и более высокого уровня управления и между ними установлены отношения подчинения. Такие многоуровневые, много­ машинные вычислительные системы получили название

иерархических.

Каждая вычислительная машина или система обла­ дает определенными свойствами, такими, например, как возможность обрабатывать информацию той или иной формы (числовую, алфавитно-цифровую, представлен­ ную словами постоянной или переменной длины и т. п.), возможность производить определенные арифметические и логические преобразования, операции,связанные с об­ меном информацией между человеком и машиной, с ор­ ганизацией совместной работы устройств машины, с ди­ агностированием неисправностей и др.

Для придания вычислительной машине и системе оп­ ределённых свойств используют средства двух видов — аппаратные и программные.

Часть свойств машина (система) приобретает благо­ даря введению в ее состав электронного или электроме­ ханического оборудования, специально предназначенно­ го для реализации этих свойств. Это оборудование в вы­ числительной технике называют аппаратными средства­ ми или просто аппаратурой. Арифметическое устройство машины или электронные схемы, управляющие процес­ сом выполнения команды, являются примерами аппарат­ ных средств.

Ряд других свойств системы может реализоваться без специальных аппаратных средств программным путем. В этом случае определенное свойство достигается благо­ даря использованию имеющихся аппаратных средств ма­

31

шины, работающих в предписанном порядке в соответ­ ствии с программой, специально созданной для выпол­ нения машиной данной функции. Машина может не иметь, например, аппаратно реализованной операции из­ влечения квадратного корня. Однако если разработана программа извлечения квадратного корня, использую­ щая аппаратные средства машины, служащие для вы­ полнения арифметических операций, и эта программа до­ ступна потребителю машины и может им использоваться в его программах, то с точки зрения потребителя маши­ на обладает свойством извлекать квадратный корень.

Совокупность программных средств вычислительной машины или системы принято называть математическим обеспечением

При помощи аппаратных средств соответствующие функции выполняются машиной значительно быстрее, чем программным путем. Поэтому одна и та же функция может реализовываться в малых моделях вычислитель­ ных систем при помощи программных средств, а в боль­ ших моделях, для которых быстродействие является од­ ной из важнейших характеристик, — аппаратными сред­ ствами.

Часто для придания машине того или иного свойства используют комбинацию аппаратных и программных средств, что позволяет при сравнительно небольших ап­ паратных затратах достичь высокой эффективности и быстродействия при выполнении машиной соответству­ ющей функции. Например, система автоматического кон­ троля правильности работы машины и коррекции ошибок может быть построена следующим образом: постоянно действующий контроль, чтобы не снижать быстродейст­ вия машины, производится специальными электронными схемами, а коррекция время от времени возникающих ошибок выполняется программным путем.

Сложность современных вычислительных систем за­ кономерно привела к понятию архитектуры вычислитель­ ной системы (говорят также логическая организация си­ стемы), охватывающей комплекс общих вопросов ее по­ строения, существенных в первую очередь для потреби-

32

теля, интересующегося главным образом возможностями машины (системы), а не деталями ее технического ис­ полнения.

С другой стороны, можно говорить об инженерной ре­ ализации вычислительной системы, понимая под этим со­ вокупность инженерных решений, реализующих логичес­ кие возможности системы, заданные ее архитектурой.

Круг вопросов, подлежащих решению при разработке архитектуры вычислительной системы, можно условно разделить на вопросы общей структуры, вопросы логи­ ческой организации представления, хранения и преобра­ зования информации и вопросы логической организации совместной работы различных устройств вычислительной системы.

Кпервой группе относят:

1.Определение состава моделей ряда процессоров и шкалы основных характеристик моделей (быстродейст­ вие, объем оперативной памяти, скорость обмена инфор­ мацией с периферийными устройствами).

2.Определение состава, структуры и характеристик запоминающих устройств.

3.Определение состава и характеристик периферий­ ных устройств системы и количества этих устройств, мо­ гущих одновременно работать с процессором.

4.Определение способа обеспечения информационной

ипрограммной совместимости между различными моде­ лями процессоров.

5.Определение состава основных средств системы ма­ тематического обеспечения и распределение функций между аппаратными и программными средствами в раз­

личных моделях процессоров.

Среди вопросов второй группы можно выделить сле­ дующие:

1.Определение длины машинного слова, способа представления и форматов для кодирования числовой и алфавитно-цифровой информации.

2.Определение метода адресации ячеек оперативной

памяти (относительная, косвенная, непосредственная идр.).

4. Выбор форматов команд, состава и особенностей системы команд.

Среди вопросов, связанных с организацией совмест­ ной работы устройств системы, отметим следующие:

1. Определение способа обмена информацией между отдельными устройствами (агрегатами) вычислительной системы, состава, особенностей построения и характерис­ тик каналов ввода-вывода для связи с периферийными устройствами.

2. Выбор организации и характеристик системы пре­ рывания для осуществления одновременной и асинхрон­ ной работы нескольких устройств машины и оператив­ ной связи с внешним миром.

3. Выбор логической организации и характеристик мультипрограммного, многомашинного и мультипроцес­ сорного режимов и режима разделения машинного вре­ мени.

С архитектурой непосредственно связаны общие воп­ росы инженерной реализации вычислительных систем:

а) тип применяемых электронных схем, принципы по­ строения и состав логических элементов;

б) конструкторско-технолоіические принципы выпол­ нения аппаратуры;

в) структура отдельных устройств системы (процессо­ ров, оперативной памяти, каналов для ввода-вывода ин­ формации и др.).

4. Система контроля правильности работы и диаг­ ностики неисправностей.

Наиболее важные вопросы архитектуры и инженер­ ной реализации вычислительных машин и систем рас­ сматриваются в последующих главах.

1-7. П О Н Я Т И Е О С И С Т Е М Е М А Т Е М А Т И Ч Е С К О Г О

ОБ Е С П Е Ч Е Н И Я

Впредыдущем параграфе указывалось, что'средства математического обеспечения вместе с аппаратными средствами являются двумя взаимосвязанными компо­

нентами современной вычислительной техники.

Система математического обеспечения представляет собой комплекс программных средств, предназначенных для повышения эффективности использования вычисли­ тельной машины (системы), облегчения ее эксплуатации,

34

снижения трудоемкости подготовительной работы и уп­ рощения связи человека с машиной при решении задач.

Возможны различные критерии эффективности ис­ пользования технических средств вычислительной систе­ мы, например:

1) наибольший объем вычислительной работы (коли­ чество операций) или наибольшее количество решенных задач за определенный промежуток времени;

2)минимальное время обработки информации, посту­ пившей в систему;

3)минимальное участие человека в вычислительном процессе и др.

В зависимости от поставленных целей как объем, так

иструктура математического обеспечения могут быть различными.

В ранних вычислительных машинах, а также в неко­ торых выпускаемых в настоящее время малых машинах математическое обеспечение состоит из простого набора отдельных программ. В большинстве современных вычис­ лительных систем математическое обеспечение строится в виде операционной системы, т. е. комплекса связанных между собой программ, обеспечивающего автоматичес­ кий выбор и ввод необходимых для данной задачи про­ граммных средств и автоматическое управление всем хо­ дом вычислительного процесса.

В математическом обеспечении обычно различают две большие части: систему исполнения программ и систему подготовки программ (иногда их называют внутренним и внешним математическим обеспечением).

Система исполнения программ содержит:

1) программу-супервизор (используются также назв ния «диспетчер», «монитор» и др.), являющуюся основ­ ной управляющей программой операционной системы. Супервизор обеспечивает такое взаимодействие входя­ щих в вычислительную систему устройств, а также про­ грамм математического обеспечения, чтобы достигалась максимальная эффективность использования машинно­ го времени. С этой целью в ряде систем супервизор орга­ низует мультипрограммный режим работы и режим раз­ деления машинного времени при одновременном обслу­ живании нескольких потребителей (см. гл. 11).

Супервизор является неотъемлемым элементом всех вычислительных машин последних моделей. Более того, эти машины практически не могут работать без програм­

мы-супервизора. Программа-супервизор обычно содер­ жит несколько десятков тысяч машинных команд;

2)программы управления заданиями, обеспечиваю­ щие прием заданий на выполнение вычислительной рабо­ ты, установку режимов обслуживания оператора при вы­ полнении заданной задачи, выделение конкретного набо­ ра устройств машины для решения данной задачи и др;

3)программы управления данными, обеспечивающие поиск, хранение, загрузку в оперативную память и обра­ ботку массивов данных (файлов). Иногда комплекс про­ грамм управления данными именуют системой управле­ ния вводом-выводом;

4)эксплуатационные программы, состоящие из тесто­ вых и диагностических программ, проверяющих правиль­ ность функционирования оборудования и обнаруживаю­ щих месторасположение неисправностей.

Назначение системы подготовки программ состоит в предоставлении потребителю наибольших удобств при постановке, программировании и решении задач на вы­ числительной машине, снижении трудоемкости и упроще­ нии подготовительной работы, связанной с решением. Это достигается посредством специальных алгоритми­ ческих языков, позволяющих потребителю записать свою задачу в форме, близкой к принятой в математике,

экономике и других областях, а также при помощи программ-трансляторов, автоматически переводящих за­ пись задачи в алгоритмическом языке на машинный язык, т. е. в форму машинной программы, представляющую со­ бой определенную последовательность машинных ко­ манд.

В состав системы подготовки программ принято вклю­ чать:

1) алгоритмические языки: простейшие — типа ма­ шинно-ориентированных языков (автокодов, ассембле­ ров) и более сложные — различные проблемно-ориенти­ рованные языки типа АЛГОЛ-60, ФОРТРАН, КОБОЛ, ПЛ1, языки обработки списков и др.;

2)трансляторы, представляющие собой программы, осуществляющие на ЦВМ автоматический перевод за­ писи задачи на алгоритмическом языке в машинную программу;

3)библиотеки стандартных программ для решения типовых научно-технических задач, задач обработки дан­ ных и др.;

36

4) системные обслуживающие программы, организу ющие компоновку программ из нескольких отдельно транслировавшихся программных модулей, перепись ин­ формации с одних носителей на другие, сортировку и др.

До сих пор речь шла об универсальных средствах ма­ тематического обеспечения. Естественно, что каждый по­ требитель создает и включает в эксплуатируемую им систему математического обеспечения программы реше­ ния своих задач («целевые программы»).

Важным направлением в области математического обеспечения является создание средств математичес­ кого обеспечения для вводных и выводных периферий­ ных устройств, обслуживающих связь человека с маши­ ной, таких как экранные пульты, чертежные машины, читающие устройства, устройства ввода информации с голоса и т. д.

При создании новой вычислительной машины или си­ стемы разработка аппаратуры и математического обеспе­ чения должна производиться одновременно и взаимо­ увязанно. В первую очередь это относится к внутреннему математическому обеспечению (системе исполнения про­ грамм), особенно тесно связанному со структурой вы­ числительной машины.

В настоящее время средства математического обес­ печения должны рассматриваться как вид промышленной продукции отрасли вычислительного машиностроения такой же, как и сами вычислительные машины. В соот­ ветствии с этим должны применяться индустриальные методы при разработке, испытаниях, проверке, размно­ жении средств математического обеспечения. Вычисли­ тельные машины должны поставляться комплектно с си­ стемами математического обеспечения, представленными в такой форме и на таких носителях информации, что­ бы использование этих средств не вызывало затруд­ нений.

1-8. П О К О Л Е Н И Я Ц И Ф Р О В Ы Х В Ы Ч И С Л И Т Е Л Ь Н Ы Х М А Ш И Н И С И С Т Е М

В процессе развития вычислительной техники воз­ никло несколько поколений вычислительных машин, от­ личающихся как элементной базой и конструктивно-тех­

37