Файл: Дроздов Е.А. Многопрограммные цифровые вычислительные машины.pdf

ные центры и автоматизированные системы управления на основе ЦВМ. Широким фронтом ведутся работы по дальнейшему совер­ шенствованию математического обеспечения ЦВМ.

В директивах XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану разви­ тия народного хозяйства СССР на 1971 —1975 гг. поставлена зада­ ча увеличить за пятилетие выпуск ЦВМ в 2,6 раза, освоить серий­ ное производство нового комплекса машин на базе интегральных схем. Очень важная роль отводится средствам вычислительной тех­ ники в решении задач совершенствования планирования народного хозяйства и управления.

1

Г л а в а I

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОПРОГРАММНЫХ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН

§ 1.1. Общие сведения о многопрограммных ЦВМ

Многопрограммные ЦВМ — результат дальнейшего развития однопрограммных машин, поэтому принципы построения и органи­ зации функционирования этих машин в основе своей являются об­ щими. Следовательно, многопрограммные машины имеют те же узлы, блоки и устройства, которые обеспечивают выполнение основ­ ных операций: прием и преобразование информации (исходных данных, программ решения задач) к виду, принятому в машине, хранение информации, обработка информации (решение задач), регистрация результатов обработки и передача их в каналы связи, если это необходимо. Решение любой задачи на машине также сво­ дится к выполнению определенной последовательности элементар­ ных операций (арифметических, логических, дополнительных), при­ чем весь процесс решения задачи автоматизирован: машина в соответствии с заложенной в нее программой автоматически выби­ рает числа, участвующие в выполнении данной операции, выпол­ няет операцию, запоминает полученный результат и совершает переход к следующей операции.

Однако многопрограммные машины имеют и существенные от­ личия от однопрограммных. Основные из них заключаются в сле­ дующем.

Возможность работы в многопрограммном режиме, при котором одновременно реализуются несколько программ: команды разных программ или разные команды одной и той же программы выпол­ няются одновременно работающими разными устройствами машины. При этом в каждый данный момент процессор выполняет толь­ ко какую-то одну команду. В многопрограммных ЦВМ, как прави­ ло, имеются средства распределения памяти между различными программами, система защиты памяти, система прерываний и при­ оритетов, датчик времени. Оперативная память таких машин имеет обычно большую емкость.

9

Большинство многопрограммных ЦВМ строится таким образом, чтобы можно было организовать различные режимы работы, отли­ чающиеся порядком обслуживания программ абонентов и сте­ пенью их воздействия на вычислительный процесс: режим пакетной обработки, режим работы с разделением времени, режим запрос — ответ и др. Организация режима работы с разделением времени связана с необходимостью разветвленной сети внешних устройств ввода — вывода.

Для многопрограммных машин характерно широкое применение модульных структур. Это прежде всего относится к запоминающим устройствам и к устройствам ввода — вывода, состав которых (ко­ личество модулей) определяется нуждами потребителей.

Многопрограммные ЦВМ в большей степени приспособлены для построения на их базе многомашинных вычислительных систем. Связь между процессорами в системах осуществляется через об­ щие внешние устройства ввода — вывода. Возможна и непосред­ ственная связь через общее поле оперативной памяти.

Состав математического обеспечения многопрограммных ма­ шин значительно шире, чем однопрограммных. Это особенно ка­ сается тех машин, в которых предусмотрены различные режимы работы.

Кроме отмеченного в многопрограммных ЦВМ более широко реализована возможность работы с машинными словами перемен­ ной длины, а также возможность выполнения операций с числами, представленными не только в двоичном, но и в двоично-десятичном коде.

Рассмотрим состав и назначение основных устройств многопро­ граммной ЦВМ по структурной схеме (рис. 1.1). К их числу отно­ сятся арифметическое устройство (АУ), запоминающие устрой­ ства (ЗУ), устройства ввода данных (УВД), устройства вывода результатов (УВР), устройство управления (УУ), пульт ручного управления и сигнализации, селекторные каналы (СК), мульти­ плексный канал (МК). Арифметическое устройство и устройство управления составляют процессор машины.

Каждое устройство представляет собой функционально незави­ симую по преобразованию информации часть машины. В кон­ структивном отношении не все устройства представлены в виде автономной, самостоятельной части машины. Устройства вклю­ чают в себя следующие функциональные части: элементы, узлы,

блоки.

Э л е м е н т — простейшая функциональная часть ЦВМ, выпол­ няющая элементарную операцию над одной или несколькими циф­ рами алфавита. К числу элементарных операций относятся: запо­ минание цифры алфавита, реализация одной из элементарных ло­ гических операций (см. гл. III), формирование сигнала (кодового, управляющего, синхронизирующего) по форме, длительности, ам­ плитуде. Примеры элементов: триггер, ферритовый сердечник с об­ мотками, логические элементы И, ИЛИ, НЕ, усилитель, формиро­ ватель и др.

-10

Уз е л — функциональная часть машины, составленная из эле­ ментов и выполняющая операцию над одним числом. К узлам от­ носятся счетчики, регистры, коммутаторы и т. д.

Б л о к — функциональная часть машины, составленная из эле­ ментов и узлов и выполняющая операции над числами или управ­ ление выполнением этих операций. Примеры блоков: блок сумма­ тора, блок регистров, блок местного управления операциями, блок центрального управления операциями и др. Иногда блоки выделя­ ются как самостоятельные конструктивные части.

Рис. 1.1. Структурная схема многопрограммной ЦВМ

Арифметическое устройство служит для выполнения арифмети­ ческих и логических операций над кодами чисел и команд. Основ­ ным блоком АУ большинства ЦВМ является блок сумматора, осу­ ществляющий операцию сложения двух чисел. Выполнение всех других арифметических операций сводится к выполнению операции сложения и некоторых вспомогательных операций, таких, как сдвиг числа, обращение кода числа (см. гл. II) и др.

Запоминающие устройства предназначаются для приема, -хране­ ния и выдачи информации (чисел и команд). В ЦВМ имеется не­ сколько типов ЗУ, различающихся по своим основным характери­ стикам — быстродействию и емкости. Это объясняется тем, что ни один из Используемых в настоящее время типов ЗУ не удовлетво­ ряет полностью двум противоречивым требованиям: высокой ско­ рости приема и выдачи информации и большой емкости. В совре­ менных многопрограммных ЦВМ используется по крайней мере два типа ЗУ — оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

П

Оперативное запоминающее устройство служит для приема, хранения и выдачи чисел, участвующих в ближайшем ряде опера­ ций. Запись и выдача информации из ОЗУ осуществляется отдель­ ными числами. В ходе выполнения операции числа, участвующие в ней, по сигналам из устройства управления последовательно извле­ каются из ОЗУ и пересылаются в АУ. Результат выполнения опера­ ции из АУ отправляется на хранение в ОЗУ. Оперативная память состоит из отдельных ячеек, служащих для запоминания, как пра­ вило, одного числа. Все ячейки нумеруются подряд и каждой из них присваивается постоянный номер — адрес ячейки. Оперативные ЗУ характеризуются большим быстродействием (время выборки одного числа составляет несколько микросекунд) и сравнительно небольшой емкостью.

В ОЗУ многопрограммных ЦВМ хранится несколько одновре­ менно реализуемых программ. Для предотвращения искажения ин­ формации при одновременном размещении в ОЗУ нескольких про­ грамм предусматриваются меры по защите программ от взаимного влияния. Реализация этих мер осуществляется системой защиты па­ мяти, которая представляет собой комплекс аппаратно-программных средств (см. гл. VIII).

Внешнее запоминающее устройство предназначено для хранения информации, не участвующей в ближайшем ряде вычислений. В процессе решения задач между ОЗУ и ВЗУ происходит обмен группами (массивами) чисел, размещенными в отдельных зонах ВЗУ. Емкость ВЗУ доходит до десятков миллионов чисел, скорость записи или считывания составляет десятки тысяч чисел в секунду.

В ряде машин, главным образом специализированных, предна­ значенных для решения ограниченного числа задач, кроме ОЗУ и ВЗУ имеется еще один вид быстродействующей памяти — постоян­ ное запоминающее устройство (ПЗУ). В ПЗУ хранятся постоянные величины (константы), участвующие в решении задач, и програм­ мы. Информация в ПЗУ записывается только один раз при кон­ струировании машины, и в дальнейшем она не изменяется. При считывании информация в ПЗУ сохраняется.

Для ЗУ большой емкости характерна модульная структура. На­ пример, ОЗУ может включать не один, а несколько модулей (кубов памяти, или накопителей) с автономными или общими схемами уп­ равления записью и считыванием информации.

Устройство ввода данных служит для восприятия вводимой ин­ формации (исходных данных и программ), представленной в виде некоторой системы пробивок на перфокартах или перфолентах, преобразования ее в электрические кодовые сигналы и передачи в ЗУ машины. Если в ЦВМ решается задача при непрерывно изме­ няющихся исходных данных, то в состав ее входных устройств дол­ жны входить преобразователи непрерывных величин в дискретные.

Устройство вывода результатов служит для преобразования вы­ водимого из машины числового материала, представленного элек­ трическими сигналами, в систему пробивок на перфокартах или перфолентах или для печатания результатов решения задач на бу­

12

мажных лентах. Оборудование вывода состоит из печатающих устройств и аппаратуры записи информации на перфоленты или перфокарты (выходные перфораторы). Печатание может носить цифровой, буквенный или буквенно-цифровой характер. В специа­ лизированных ЦВМ, управляющих некоторыми объектами, выход­ ные устройства должны преобразовывать информации из дискрет­ ной формы в непрерывную (управляющие воздействия). Поэтому в составе выходных устройств таких машин должны быть преобра­ зователи типа код — аналог.

Устройство управления служит для управления взаимодействием всех функциональных устройств машины, которое необходимо для реализации вычислительного процесса, производимого по заранее составленным и введенным в машину программам. Координация работы всех устройств, блоков и узлов машины осуществляется с помощью синхронизирующих и управляющих сигналов, вырабаты­ ваемых в УУ. Синхронизирующие сигналы обеспечивают совме­ щение срабатывания элементов ЦВМ во времени, а управляющие сигналы задают необходимую последовательность срабатывания этих элементов.

Пульт ручного управления и сигнализации предназначается для запуска и останова машины и контроля за ее работой. При необхо­ димости ручное управление позволяет осуществить контроль пра­ вильности вычислений путем выполнения введенной программы по отдельным операциям. Сигнализация сообщает о возникающих в машине неисправностях.

Если в машине реализован режим работы с разделением време­ ни, в ее состав входит мультиплексный канал и один или несколько селекторных каналов.

Мультиплексный канал представляет собой логически само­ стоятельный агрегат, осуществляющий организацию взаимосвязи между ЦВМ (процессором) и ОЗУ машины, с одной стороны, и группой сравнительно медленно действующих устройств ввода — вывода, с другой стороны. В качестве такого агрегата может исполь­ зоваться ЦВМ. Мультиплексный канал работает по методу уплот­ нения передач путем разделения во времени действий по обслужи­ ванию нескольких одновременно работающих устройств ввода — вывода.

Селекторный канал — это логически самостоятельный агрегат, осуществляющий организацию взаимосвязи между ЦВМ (процес­ сором) и ОЗУ машины, с одной стороны, и группой внешних запоми­ нающих устройств, с другой стороны, в режиме предпочтения, или в монопольном режиме. В селекторном канале исключена возмож­ ность одновременной работы нескольких ВЗУ, все средства канала монополизируются в течение некоторого времени одним ВЗУ.

Кроме рассмотренных устройств, связанных между собой систе­ мой магистралей, в состав любой универсальной ЦВМ входят внеш­ ние устройства, которые не имеют электрической связи с машиной.

Внешние устройства служат для подготовки исходных данных и программ к вводу в машину. С помощью внешних устройств

13