книги из ГПНТБ / Основы автоматизации для металлургов

Люди, пользующиеся ЭВМ, не обязаны знать в деталях соб­ ственно конструкцию ЭВМ, так же как владелец машины, имею­ щий шофера, может ничего не знать о конструкции автомобиля и управления им. Однако необходимо, чтобы каждый, пользующийся вычислительной машиной, был настолько ознакомлен с основами конструкции и программирования на ЭВМ, чтобы мог судить о воз­ можностях самого устройства и областях его применения. Знание основных принципов конструкции ЭВМ при этом позволит гораздо быстрее понять принципы программирования, что необходимо при обсуждении возможностей использования ЭВМ на предприятии.

2.ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

ИПРОГРАММИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ ЭВМ

Попытки автоматизировать вычислительные работы относятся еще к временам средневековья. К наиболее старым «вычислитель­ ным машинам» относятся счеты, которые применялись в Китае еще 300 лет до нашей эры. Примерно около 300 лет назад были со­

шины и др.), которые позволили механизировать выполнение ариф­ метических операций.

Разработчики этих устройств стремились максимально меха­ низировать и работу оператора, поскольку необходимость его уча­ стия в процессе вычислений нарушала непрерывность вычислитель­ ного процесса. В результате этих стремлений были созданы счетноаналитические машины, производство которых было начато в конце

сло «записывается» (кодируется) на перфокарте соответствующей комбинацией отверстий. Данные, записанные на перфокарту, в ма­ шине дешифруются, и, согласно заранее зафиксированной про-і грамме, машина выполняет с дешифрованными данными соответ­ ствующие операции. Вид операции, которая должна быть выпол­ нена, может быть также закодирован на перфокарте.

Счетно-аналитические машины пригодны главным образом для выполнения таких вычислительных работ, когда одна и та же опе­ рация проводится с большим количеством чисел, а число операций невелико. (Впервые такие машины конструкции Голлерита были использованы для обработки информации по переписи населения в США в 1890 г.)

Собственно цифровая вычислительная машина, снабженная па­ мятью, впервые была предложена еще в 1833 г. X. Бэбэджем, про­ фессором Кэмбриджского университета. Но проект этот чисто тео­ ретического характера, так как он превосходил технические воз­ можности того времени. Первая автоматическая вычислительная машина последовательного действия с управлением от перфоленты, MARK I , была сконструирована в США в 1937—1944 гг. Затем

176

была создана конструкция вычислительной машины MARK I I . Воз­ можности этих вычислительных машин были довольно ограничен­ ными, так как механические элементы (реле), из которых машина состояла, не позволяли достичь тех параметров, которые требова­ лись потребителям [21, 40].

Скорость операций на этих машинах, емкость памяти, а тем самым и возможности их использования возросли при применении электронных элементов в их конструкции. В быстром развитии электронных вычислительных машин большую роль сыграло их применение для военных целей. Первая ЭВМ с внутренней па­ мятью, марки ENIAC, была сконструирована для военных целей в связи с созданием водородной бомбы в США в 1945 г. В 1951 г. появилась первая коммерческая ЭВМ UNIVAC (табл. 20).

рокого применения была недостаточной. Современные ЭВМ имеют

Первые электронные вычислительные машины получили назва­ ние ЭВМ первого поколения. В результате замены электронных ламп транзисторами были получены ЭВМ второго поколения. Эти ЭВМ имеют много преимуществ по сравнению с ЭВМ первого по­ коления — большую надежность, большую скорость, более низкую стоимость, более низкие экслуатационные расходы и расходы по установке. В результате замены транзисторов интегральными схе­ мами возникли ЭВМ третьего поколения, которые имеют такие же преимущества по сравнению с ЭВМ второго поколения, какие имели ЭВМ второго поколения по сравнению с ЭВМ первого по­ коления. Именно интегральные схемы позволили создать агрегат­ ные ЭВМ и увеличить скорость более чем до 1 млн. операций в се­ кунду (рис. 113).

Цифровая ЭВМ осуществляет вычисления на основе програм­ мы, заложенной в памяти ЭВМ. При проведении вычислений программа дешифруется устройством управления ЭВМ, которое настраивает вычислительное (арифметическое) устройство и осталь­ ные части ЭВМ так, чтобы могла быть выполнена заданная ин­ струкция (команда) программы.

Отдельные команды программы, выраженные обычно комбина­ циями чисел, и отдельные данные, закодированные в памяти соот­ ветствующим образом, занимают в памяти одну ячейку, длина ко­ торой обычно равна одному слову (например, 16 или 32 разряда). Слова в памяти пронумерованы целыми числами, определяющими адрес каждой ячейки. Поэтому часто говорят, что какая-либо ко­ манда или переменная записана в памяти ЭВМ по определенному адресу.

Команда программы должна содержать информацию о том, какую операцию и с какими переменными следует производить. Вид операции определяется так называемым кодом операции, об­ разованным, например, комбинацией трех восьмиричных цифр или буквенно-цифровыми знаками. Переменные, участвующие в опера­ ции, определяются указанием адресов в команде, по которым эти переменные записаны в памяти. Часть ячейки памяти, в которой записаны номера адресов, содержащиеся в команде, называется адресной частью команды.

Такая запись информации в программе аналогична записи, ко­ торую делает человек при^ вычислении простых математических и логических операций. Код операции соответствует знаку опера­ ции, адреса соответствуют операндам.

Кроме этой основной информации, команда содержит часто и адрес, по которому записана следующая команда.

Некоторые команды, например служащие для остановки вычис­ лений, могут иметь адресную часть незаполненной. •

В зависимости от числа адресов в команде ЭВМ часто подраз­ деляют на одноадресные, двухадресные и т. д. Иногда бывают и «полутораадресные» ЭВМ, команды которых содержат код опера­ ции, адрес операнда и адрес последующей команды.

Благодаря тому, что в команде указываются адреса следую­ щих команд, последовательность записи программы при вычисле­ ниях можно нарушать, можно создавать в программе циклы и не­ сколько раз использовать отдельные участки программы.

С командами, записанными в памяти ЭВМ, вычислительная ма­ шина при необходимости может работать как с обычными числами. Прибавлением констант к их адресной части или их вычитанием ЭВМ может изменять содержащиеся в команде адреса; прибавле­ нием констант к коду операции или их вычитанием может изме­ нять коды операции (модифицировать команды) и т. п.

Каждая математическая или логическая операция, которую должна осуществить ЭВМ, должна быть запрограммирована так, чтобы она была расчленена на элементарные операции, которые можно реализовать при помощи вычислительного устройства.

Возможные формы элементарных операций у разных ЭВМ раз­ личны. Основными элементарными операциями у большинства цифровых ЭВМ являются сложение, вычитание, сравнение двух

вычисления у= (а + Ь)2, может быть представлена в форме табл. 21, аналогичной записи на с. 173. В табл. 21 код операции 137 означает передачу данных из ячейки памяти с адресом, приведенным в адрес­ ной части команды, в регистр арифметического вычислительного устройства. Код операции 337 означает сложение содержания ячейки с адресом, приведенным в адресной части команды, и со­

При описанном способе для записи программы в машинном коде используются десятичные или восьмеричные цифры. Однако в собственно ЭВМ значения как переменных, так и команды за­ кодированы соответствующими двоичными кодами, так как у ЭВМ, работающих с электрическими сигналами, операции с двоичными цифрами являются более простыми (например, единица харак­ теризуется наличием электрического напряжения, нуль — отсутст­ вием его).

Следует отметить, что программист, который программирует задание в машинном коде, обычно подготавливает программу в де-

180

сятичных (или в восьмеричных либо в буквенно-цифровых) сим­ волах. Перекодирование информации в соответствующие двоичные коды осуществляется уже автоматически как при подготовке про­ граммы для ЭВМ, например после записи программы с помощью телетайпа на перфоленте, где каждой цифре соответствует ком­ бинация отверстий на перфоленте (отверстие соответствует двоич­ ной цифре 1, 'а пропуски — цифре 0), так и при вводе в ЭВМ (после перфорации лента с записанной на ней программой и дан­ ными вводится в устройство для считывания перфоленты, которая формирует комбинацию электрических импульсов, соответствую­ щих комбинации отверстий на перфоленте). Эти импульсы со счи­ тывающего устройства поступают в ЭВМ, где дешифруются с те­ летайпного кода в код машины и в двоичной форме записываются в памяти ЭВМ.

Рассмотрим более подробно, как записываются числа и ко­ манды в памяти с этой точки зрения. Данные (числа, с которыми проводится вычисление) обычно записаны в ЭВМ в каком-либо из двоичных кодов (например, в двоично-десятичном коде, когда каж­ дая десятичная цифра закодирована отдельно, либо в двоичном коде, когда все десятичное число переведено в соответствующую двоичную систему, например, в дополнительный код).

Пример записи числа в памяти ЭВМ показан на рис. 114, где двоичное число записано в памяти ЭВМ в одной ячейке длиной 38 двоичных знаков, в которую можно заложить информацию ем­ костью 38 бит (бит — один двоичный разряд). Данные могут быть заложены в память и обрабатываться с фиксированной или плава­ ющей запятой. Разница при записи чисел с фиксированной и пла­ вающей запятой показана на рис. 114, а, б.

Число с фиксированной запятой можно, например, понимать как число, абсолютное значение которого меньше единицы. При этом все числа, с которыми проводятся вычисления, необходимо пе­ ревести в соответствующую форму, поставив запятую перед стар­ шим разрядом числа. Преимуществом вычисления с фиксирован­ ной запятой является легкость проектирования арифметического устройства и эффективное использование емкости памяти; недо­ статком является необходимость проведения контроля и возмож­ ной корректировки положения запятой при программировании опе­ рации. Этот недостаток устраняется при проведении вычисления с плавающей запятой, когда числа выражены в форме характери­

(рис. 114, б) за счет снижения точности мантиссы. Большинство современных скоростных ЭВМ позволяет проводить вычисление с плавающей запятой. Команды записаны в памяти также в двоич­

181

код операции). Далее команда содержит информацию о том, с ка­ кими переменными следует производить операцию (т. е. адреса •операндов). У одноадресных машин указывается только один адрес (адрес одного операнда), в качестве второго операнда в операции используется та переменная, которая записана в регистре арифме­ тического устройства как результирующее состояние после выпол­ нения предыдущей операции (которой может быть, в случае необ­ ходимости, передача числа из памяти в регистр арифметического устройства).

Команда содержит информацию о том, по какому адресу сле­ дует записать результат операции. У одноадресных машин резуль­ тат операции записывается в регистр арифметического устрой­ ства; для передачи в память следует использовать отдельную команду, которая имеет в адресной части соответствующий адрес памяти.

182

Программирование, особенно программирование объемных про­ грамм, значительно упрощается при использовании относительных адресов. В этом случае отдельные части программы подготавли­ ваются таким образом, что в команде указывается не точный адрес в памяти, а только его «относительное значение» по отноше­ нию к какому-нибудь адресу, считающемуся основным. Компо­ новку программы и придание относительным адресам действитель­ ных значений осуществляет автоматически цифровая ЭВМ, осна­ щенная специальными компонующими программами.

Аналогично, при программировании на языке символических адресов адреса в командах указываются заранее оговоренными символами (например, индексными буквами). Перевод программы в машинный код •— т. е. придание символическим адресам действи­ тельных значений, также автоматически осуществляет ЭВМ, снаб­ женная языком символических адресов.

Основные устройства цифровой ЭВМ

При проектировании цифровой ЭВМ использованы соответству­ ющие элементы (электронные, магнитные и др.), при помощи кото­ рых реализуются все требуемые функции устройства.

Эти элементы являются агрегатными и в зависимости от функ­ ций делятся на две основные группы: логические элементы, служа­ щие для оценки и преобразования информации, и звенья запоми­ нания, позволяющие хранить информацию в ЭВМ.

Из агрегатных элементов составляются функциональные узлы ЭВМ (устройства для сложения закодированных чисел, устройства,, осуществляющие логические операции, запоминающие схемы и др.); из функциональных узлов ЭВМ составляются функциональные блоки (арифметическое устройство, запоминающее устройство. . . ) . (Кроме указанных двух групп основных элементов ЭВМ, для ее создания требуется большое количество вспомогательных устройств, например источники питания и др.).

Конструкцию отдельных элементов ЭВМ мы подробно рассмат­ ривать не будем. Приступим непосредственно к описанию свойствосновных блоков ЭВМ.

Арифметическое (вычислительное) устройство

Арифметическое (вычислительное) устройство осуществляет арифметические и логические операции с числами или с буквенноцифровой информацией, согласно заранее установленным прави­ лам. В настоящее время арифметическое устройство является' самой быстроработающей частью ЭВМ. ЭВМ второго поколения достигали скорости порядка 106 операций сложения в секунду;, современные ЭВМ третьего поколения — порядка 107 операций

183.

сложения в секунду. По отношению к скорости работы арифмети­ ческого устройства остальные элементы ЭВМ являются более мед­ леннодействующими. (Проблема согласования во времени работы отдельных устройств ЭВМ в современных машинах решается при помощи так называемой системы разделения времени, о которой будет кратко сообщено далее.)

Специфика ЭВМ в значительной мере определяется конструк­ цией арифметического устройства. Арифметическое устройство представляет собой собственно рабочую часть машины, тогда как

Дополнительные блоки могут быть как включены в состав ЭВМ, так и использованы автономно для вычислений с плавающей запя­ той, для проведения сложных арифметических операций с интер­ претирующими программами и т. п.

Конструкция каждого из указанных блоков также является аг­ регатной. При этом используются стандартные логические эле­ менты и запоминающие звенья, выполненные при помощи инте­

устройства выходит за рамки данной книги, поэтому для иллю­ страции мы ограничимся только примером, где упрощенно пока­ зана схема параллельного двоичного сумматора.

Сумматор должен провести сложение двух (обычно многознач­ ных) двоичных чисел. Это означает, что сумматор должен быть вы­ полнен в виде схемы, на вход которой подается параллельно ком­ бинация импульсов, реализующих эти числа (например, наличие сигнала соответствует цифре 1, отсутствие сигнала — цифре 0), а на выходе образуется такая комбинация выходных сигналов, ко­ торая будет соответствовать результату суммирования рассмат­ риваемых исходных чисел (рис. 115).

Работу блока можно описать на примере сложения двух двоич­ ных, в данном случае четырехразрядных чисел х и у:

184

Выразим все возможные комбинации в виде таблицы (табл. 22) и определим по ней все возможные логические связи при сложении

для сложения трех двоичных однозначных чисел. Алгоритм сложе­ ния можно легко вывести на основании табл. 23, где записаны со­

РЗ Р2 Pi Р0

«4 S3 S2 Si So

185