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

нологическим исполнением, так и логической организа­ цией (архитектурой).

Электронная аппаратура составляет основу цифро­ вых вычислительных машин и систем, поэтому смена по­ колений машин связана, в первую очередь с развитием электронной аппаратуры.

К первому поколению относятся ламповые ЦВМ, про­ мышленный выпуск которых начался в начале 50-х го­ дов. В качестве активных элементов в электронной ап­ паратуре использовались электронные лампы. Осталь­ ными компонентами являлись обычные дискретные резисторы, конденсаторы и трансформаторы. Почти все компоненты, применяемые в ламповой аппаратуре ЦВМ, заимствовались из радиолокационного, радиовещатель­ ного и связного оборудования. Исключение составляла лишь аппаратура оперативных запоминающих устройств, которая уже в середине 50-х годов использовала специально разработанные для оперативных памятей ЦВМ ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса.

Для электромеханических устройств ввода-вывода первоначально использовалась стандартная телеграф­ ная аппаратура: телетайпы, ленточные перфораторы, трансмиттеры и аппаратура счетно-перфорационных ма­ шин. Затем специально для ЦВМ были разработаны электромеханические запоминающие устройства на маг­ нитных лентах, барабанах и дисках, а также быстродей­ ствующие печатающие устройства.

К первому поколению ламповых ЦВМ относятся соз­ данные советскими учеными и инженерами вычисли­ тельные машины БЭСМ-2, «Стрела», М-3, «Минск-1», «Урал-1», «Урал-2», «Урал-4», М-20 и др. Производство и внедрение этих машин имело большое значение для создания отрасли электронного математического маши­ ностроения, для развития методов применения вычисли­ тельной техники в различных областях.

Однако применение электронных ламп сдерживало развитие логических и вычислительных возможностей цифровых вычислительных машин. Ламповые цифровые вычислительные машины имели большие габариты, по­ требляли большую мощность, имели малое быстродей­ ствие, малую емкость оперативной памяти, недостаточ­ ное математическое обеспечение и, что особенно важно, имели невысокую надежность.

38

В транзисторных вычислительных машинах и систе­ мах второго поколения, появившихся в конце 50-х годов, транзисторы полностью заменили в качестве активных элементов электронные лампы. Это существенно повы­ сило надежность, снизило потребление мощности и уменьшило размеры ЦВМ. Было достигнуто улучшение всех основных характеристик вычислительных машин и систем, которое сопровождалось снижением их стои­ мости.

Важным достижением явилось также применение в машинах второго поколения печатного монтажа, при котором нужная схема электрических соединений, вы­ травливается на тонкой медной фольге, наклеенной на поверхности плоского листа изоляционного материала, и в некоторых машинах — монтажа накруткой, при ко­ тором зачищенный конец одножильного провода накру­ чивается на вывод, имеющий острые грани, и обеспечи­ вается получение высоконадежных соединений без на­ грева и применения припоя. Метод монтажа накруткой допускает автоматизацию с помощью программно-уп­ равляемой монтажной машины.

Повысилась надежность периферийных электромеха­ нических устройств, удельный вес которых в машинах и системах второго поколения увеличился.

Все это позволило создать более сложные цифровые вычислительные машины и системы, обладающие боль­ шими вычислительными и логическими возможностями и высокой производительностью. Одна из самых боль­ ших цифровых вычислительных систем второго поколе­ ния IBM 7030 насчитывала около 250 000 транзисторов. Если бы она была выполнена на электронных лампах, то примерно каждый час одна из ламп выходила бы из строя и система была бы практически неработоспособ­ ной. Применение же транзисторов более чем на порядок повысило надежность ЦВМ. Стало возможным создание небольших дешевых ЦВМ для сравнительно простых научных или экономических расчетов, обладающих вы­ числительными возможностями, примерно соответству­ ющими большим ЦВМ первого поколения.

Характерной особенностью ЦВМ второго поколения явилась их дифференциация по применению. Появились машины для научных расчетов, для решения экономиче­ ских задач и, наконец, ЦВМ для управления производ­ ственными процессами (управляющие машины).

39

В нашей стране были созданы полупроводниковые машины (второго поколения) для различных назначений: ЦВМ для научных и технических расчетов «Минск-2», «Раздан-2», «Раздан-3», М-220, БЭСМ-4, БЭСМ-б, малые ЦВМ «НАИРИ» и «Мир», системы обработки данных «Минск-22», «Минск-32», «Минск-23», «Урал-14», управляющие вычислительные машины «Днепр-1»,

ВНИИЭМ-3 и др.

Расширение сети вычислительных центров потребо­ вало создания устройств для передачи цифровой инфор­ мации по линиям связи, позволяющих связывать отдель­ ные ЦВМ, расположенные в разных местах, в сложные цифровые вычислительные системы.

Увеличение емкости памяти ЦВМ, внедрение много­ ступенчатых (иерархических) систем памяти с разным временем обращения способствовали развертыванию ра­ бот по автоматизации программирования. Большое раз­ витие получили различные алгоритмические языки, кото­ рые позволили существенно упростить программирова­ ние. В этот же период времени появились мультипро­ граммные вычислительные машины и машины, работаю­ щие в режиме автоматического распределения машин­ ного времени, а также математическое обеспечение этих режимов работы.

Таким образом, если первое поколение ЦВМ зало­ жило основы логического построения ЦВМ, то второе по­ коление ЦВМ привело к созданию разнообразных слож­ ных цифровых вычислительных машин и систем, позво­ ливших существенно расширить сферу использования цифровой вычислительной техники, перейти к созданию автоматизированных систем управления предприятиями и отраслями на основе электронных систем обработки данных, систем автоматизации производственных про­ цессов с управляющими вычислительными машинами.

Большие цифровые вычислительные машины второго поколения насчитывают сотни тысяч транзисторов и дио­ дов, до миллиона резисторов и конденсаторов. Все эти компоненты соединяются с помощью миллионов витых, сварных, паяных и разъемных соединений в общую си­ стему. Понятно, что разрабатывать, изготовлять и экс­ плуатировать такие сложные системы было достаточно трудно и что дальнейшее усложнение их уже было поч­ ти невозможно. Выход из создавшегося положения был найден при переходе к третьему поколению цифровых

40

вычислительных машин и систем — машинам и систе­ мам на интегральных схемах, которые появились в се­ редине 60-х годов.

В машинах третьего поколения большинство транзис­ торов и дискретных деталей заменяется интегральными схемами, каждая из которых выполнена в виде отдель­ ного прибора. Такой прибор в корпусе по размерам примерно равном транзистору, содержит несколько де­ сятков компонентов, соответствующих дискретным тран­ зисторам, резисторам и конденсаторам. Эти компонен­ ты интегрально, неразборно, соединены между собой и образуют законченный логический функциональный блок, который соответствует сложной транзисторной электронной схеме, но имеет надежность и стоимость (при массовом производстве), приближающиеся к на­ дежности и стоимости отдельного транзистора. При этом общее количество разъемных компонентов в ЦВМ зна­ чительно уменьшается, повышается ее надежность, а стоимость снижается.

Применение интегральных схем требует коренного изменения методов компоновки и монтажа ЦВМ; плот­ ность монтажа существенно увеличивается; должна быть обеспечена также высокая скорость распростране­ ния сигналов и хорошая защита от помех. В вычисли­ тельных машинах третьего поколения это решается пу­ тем применения многослойного печатного монтажа. Об­ щее число слоев может превышать 10, хотя наибольшее распространение получил четырехслойный печатный мон­ таж, при котором внутри плоского листа изоляционного материала располагаются слой земляных шин и слой шин питания, а снаружи— два слоя сигнальных про­ водников.

Современные ЦВМ и системы третьего поколения имеют обычно три уровня монтажа:

1. Многослойные сменные печатные платы с разъе­ мами, на которых, как правило, с одной стороны при­ паивается 10— 15 интегральных схем.

2.Многослойные печатные панели, на которых с по­ мощью разъемов может устанавливаться до 100 и более многослойных сменных печатных плат.

3.Шкафы, в которых монтируются панели, предва­ рительно собранные в рамы. Обычно в шкафу находит­ ся 3—4 рамы, в каждой из которых размещено от 4 до 12 панелей. Панели в шкафу соединяются с помощью

41

плоских кабелей, оканчивающихся контактными разъ­ емами, которые вставляются подобно сменным много­ слойным печатным платам в соответствующие разъемы

панелей.

Такая конструкция электронного оборудования обе­ спечивает его стандартизацию и технологичность, упро­ щающие процессы разработки, монтажа и наладки, поз­ воляет реализовать те возможности повышения надеж­ ности, улучшения характеристик и снижения стоимости, которые открываются в результате использования ин­ тегральных схем.

Применение интегральных схем, стоимость которых при массовом производстве оказывается ниже стоимости соответствующих схем на дискретных компонентах, су­ щественно влияет на логическую организацию машин третьего поколения. Удешевление электронных схем поз­ воляет применять так называемые 2,5-мерные оператив­ ные памяти на ферритовых сердечниках (см. гл. 4), об­ ладающие большим быстродействием при большой емкости, и расширять логические функции каналов и уп­ равляющих устройств для периферийного оборудования ЦВМ. Хотя количество использованных электронных схем при этом возрастает, стоимость аппаратуры увели­ чивается незначительно из-за сравнительной дешевизны схем, а характеристики аппаратуры существенно улуч­ шаются.

В устройствах управления процессоров ЦВМ треть­ его поколения, построенных по микропрограммному принципу, широко применяют постоянную память, поз­ воляющую без больших затрат оборудования реализо­ вать сложные системы команд ЦВМ третьего поколения.

К особенностям ЦВМ третьего поколения следует от­ нести и развитую систему диагностики неисправностей. Это значительно улучшает их эксплуатационные воз­ можности.

Набор различных периферийных устройств в ЦВМ третьего поколения существенно расширился и обычно содержит несколько десятков различных устройств вво­ да-вывода и электромеханических запоминающих уст­ ройств большой емкости. Однако конструкции перифе­ рийных электромеханических устройств ЦВМ значи­ тельно более стабильны, чем электронных устройств, претерпевающих наиболее существенные изменения. По­ этому развитие электромеханических устройств носит

42

эволюционный характер, и их характеристики улучша­ ются постепенно и значительно медленнее, чем характе­ ристики электронного оборудования. Большинство пери­ ферийных устройств ЦВМ третьего поколения представ­ ляет собой усовершенствованные периферийные устрой­ ства ЦВМ второго поколения. Однако и здесь, особенно в области разработки запоминающих устройств на маг­ нитных дисках и лентах, были достигнуты существенные улучшения.

Большим шагом вперед на пути улучшения связи че­ ловека с вычислительной машиной явилось широкое применение в ЦВМ третьего поколения устройств ото­ бражения информации на экране электронно-лучевой трубки (экранные пульты).

Эти устройства имеют цифровую клавиатуру и свето­ вое перо, которые позволяют оператору вводить в ЦВМ информацию в алфавитно-цифровой и графической форме.

Конструкции современных ЦВМ третьего поколе­ ния весьма разнообразны, и комплект устройств, вхо­ дящих в состав ЦВМ, изменяется в очень широких пределах.

На рис. 1-5 в качестве примера показана одна из мо­ делей ЦВМ третьего поколения (ЕС 1030), выпускаемая нашей промышленностью.

Отличительной особенностью аппаратуры, входящей в состав ЦВМ третьего поколения, является то, что од­ новременно разрабатываются аппаратура и технологи­

и автоматизации изготовления аппаратуры, в том числе с помощью ЦВМ, и применению методов поточного про­ изводства.

Широкое внедрение автоматизации проектирования при разработке ЦВМ третьего поколения приводит к то­ му, что основной объем документации, необходимой для монтажа, разрабатывается с помощью ЦВМ. В резуль­ тате окончательная монтажная документация изготовля­ ется в форме, пригодной для хранения ее на магнитных лентах, магнитных дисках или перфокартах. Это обес­ печивает возможность перехода к автоматизации ряда процессов производства ЦВМ на основе применения цифровых методов управления.

43

Как правило, смена поколений ЦВМ происходила че­ рез каждые 5—8 лет. Это дает основание ожидать, что в ближайшие годы появится четвертое поколение ЦВМ. И хотя трудно сделать точные предположения о харак­ теристиках ЦВМ четвертого поколения, некоторые про­ гнозы все-таки можно составить уже сейчас.

Четвертое поколение будет поколением ЦВМ на ин­ тегральных системах, использующих большую степень интеграции. Вместо отдельных интегральных схем в ло­ гических схемах и схемах памяти будут использоваться большие неразборные интегральные системы, изготов­ ляемые на кремниевых пластинах (диаметром 40 - 75 мм). На одной такой пластине размещается несколь­ ко сотен или даже тысяч схем, по своим возможностям эквивалентных отдельным интегральным схемам, кото­ рые соединяются между собой с помощью многослойной системы металлизации, располагающейся на этой же пластине.

Большая степень интеграции будет способствовать дальнейшему снижению стоимости электронной аппара­ туры, повышению ее надежности, увеличению плотности компоновки и повышению быстродействия. Экономичес­ кое воздействие ожидаемого снижения стоимости элек­ тронного оборудования, по-видимому, существенным об­ разом повлияет на архитектуру ЦВМ четвертого поколе­ ния. В процессорах и каналах ввода-вывода широко будут использоваться перекрытия во времени и паралле­ лизм при выполнении операций. В состав процессоров будут добавлены специальные схемы, обеспечивающие эффективную их работу в режимах мультипрограммиро­ вания, разделения времени и многопроцессорной обра­ ботки. Изменится, возможно, и иерархия памятей за счет введения сверхбыстродействующей оперативной памяти на интегральных схемах. Создание дешевых сверхбыст­ родействующих памятей на интегральных системах и ис­ пользование их для хранения некоторых служебных про­ грамм позволит использовать аппаратуру для выполнения части функций, которые сейчас выполняются средст­ вами математического обеспечения. В первую очередь это коснется различных стандартных подпрограмм, си­ стем подпрограмм диагностики и программ ввода-выво­ да. В результате еще более тесной станет связь матема­ тического обеспечения с архитектурой вычислительных систем.

45

В заключение обзора развития вычислительной тех­ ники приведем некоторые данные об основных характе­ ристиках современных вычислительных машин. Скорость вычислений колеблется от нескольких десятков тысяч сложений в секунду для малых ЦВМ до нескольких сотен тысяч или миллионов для больших машин, время обращения к памяти составляет величину порядка 1 мксек, емкость оперативной памяти колеблется от 4000 до нескольких сотен тысяч слов, скорость обмена информацией с периферийными устройствами может до­ стигать нескольких сотен тысяч слов в секунду. Конеч­ но, производительность машин зависит не только от ука­

Под системой счисления понимается способ представ­ ления любого числа посредством некоторого алфавита символов, называемых цифрами. Существуют различные системы счисления. От их особенностей зависят нагляд­ ность представления числа при помощи цифр и слож­ ность выполнения арифметических операций.

Римская непозиционная система счисления является примером системы с очень сложным способом записи чисел и громоздкими правилами выполнения арифмети­ ческих операций.

Огромными преимуществами в наглядности пред­ ставления чисел и в простоте выполнения арифметиче­ ских операций обладают позиционные системы счисле­ ния. Этим объясняется то выдающееся значение для раз­ вития вычислений, которое имело создание арабами позиционной десятичной системы счисления, используе­ мой нами в повседневной жизни.

Система счисления называется позиционной, если одна и та же цифра имеет различное значение, опреде­ ляющееся позицией цифры в последовательности цифр, изображающей число. Это значение меняется в одно­

46