книги из ГПНТБ / Основы автоматизации для металлургов

Блок-схема ЭВМ для решения системы дифференциальных уравнений показана на рис. 167.

Примером неявных вычислений может служить получение на аналоговой ЭВМ частного от деления двух аналоговых величин

X

которое можно выразить как yz — X = 0.

Блок-схема решения уравнения показана на рис. 168. На один вход компаратора подается напряжение, соответствующее величине X, на другой вход подается выходное напряжение с множительного

длительность аналогового вычисления, учитывая частотные осо­

более высоких частот, чем те частоты, которые могут обрабаты­

лируемое на аналоговой ЭВМ, протекает слишком быстро, при его

в ускоренное. Эти преобразования времени можно осуществить или преобразованием исходных уравнений, или корректировкой переда­

точность усилителей: абсолютные значения аналоговых величин могут находиться в интервале, ограниченном сверху величиной

236

легко решать задачи, структура которых соответствует собственной структуре аналоговой ЭВМ. Типичным примером является аналоговое моделирование контуров регулирования, электрических цепей и др. Недостатком аналогового вычисления является огра­ ниченная точность решения, необходимость нормализации и пре­ образования времени, усложняющие вычисления, а также то обстоятельство, что аналоговая ЭВМ не совсем приспособлена к решению логических, алгебраических, трансцедентных и других подобных уравнений.

При объединении обоих типов ЭВМ возникает так называемая гибридная ЭВМ (рис. 169), которая сочетает преимущества аналоговых и цифровых ЭВМ и отражает современные тенденции

вразвитии аналоговой вычислительной техники.

Внаиболее простом случае гибридная ЭВМ получается путем оснащения аналоговой ЭВМ основными логическими схемами. Высшей формой гибридной ЭВМ является объединение аналоговой и цифровой ЭВМ с помощью аналого-цифровых и цифро-аналого­ вых преобразователей. Наиболее совершенные гибридные ЭВМ образуются путем полного объединения в одной машине обоих методов вычислений. Устройство управления гибридной ЭВМ непосредственно определяет, как будет распределено вычисление между отдельными блоками этой ЭВМ и в какой последовательно­ сти будут проводиться операции.

Наиболее типичными задачами для гибридной ЭВМ являются задачи оптимизации, решение парциальных дифференциальных уравнений, решение систем интегральных уравнений и др. Для программирования на гибридных ЭВМ предназначены специальные языки программирования [11].

4. РАЗДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ У ЦИФРОВЫХ ЭВМ

Разделение времени у цифровых ЭВМ является одним из способов ускорения и повышения экономичности вычислительного процесса.

Быстродействие ' всех блоков ЭВМ не является одинаковым. Автоматическая ЭВМ содержит быстродействующие устройства, к которым относятся арифметическое устройство и устройство управления, а также медленнодействующие элементы, например входные и выходные устройства и внешняя память. Первые ЭВМ и современные малые ЭВМ работают так, что все последующие операции (со всеми подготовительными этапами — поиском команд и операндов в памяти, считыванием, печатанием и др.) проводятся лишь по окончании предыдущей операции. Очевидно, что при таком способе вычислений возникают излишние потери времени; особенно плохо используется арифметическое устройство.

Если, например, ЭВМ' имеет скорость сложения 100000 опера­ ций в секунду и если в процессе вычисления программы осуще­

238

и ожидает окончания печатания), то при этом теряются 3 млн. операций.

Стремление повысить скорости медленнодействующих устройств автоматической ЭВМ наталкивается на многочисленные техниче­ ские проблемы. Поэтому быстродействие всей ЭВМ повышается за счет параллельного выполнения в ЭВМ, насколько это воз­ можно, некоторых операций. Например, в процессе печатания отдельных результатов ЭВМ может продолжать проводить вычис­ ления, последующая команда будет считываться из запоминающего устройства уже в тот момент, когда в арифметическом устройстве обрабатывается предыдущая команда, и т. д. Такой способ одно­ временного выполнения операций в ЭВМ называется внутренним разделением времени (overlaping), в настоящее время он при­ меняется у большинства современных ЭВМ. ЭВМ с внутренним разделением времени полностью используют быстродействующие буферные запоминающие устройства, при этом устройство управле­ ния регулирует передачу в буферные запоминающие устройства данных из медленнодействующих устройств, в этих же устройствах временно накапливается информация, предназначенная для обра­ ботки медленнодействующими устройствами.

Очевидно, что внутреннее разделение времени не решает пол­ ностью проблему загрузки ЭВМ. Так, например, в случае печатания большого количества результатов или необходимости считывания входных данных, считывания с магнитной ленты и т. д., может

Логическим развитием идеи внутреннего разделения времени является так называемое внешнее разделение времени (мультипро­ граммирование), когда автоматическая ЭВМ вычисляет одно­ временно несколько программ, записанных в запоминающем устройстве на магнитной ленте, на дисках или в быстродействую­ щем накопителе. Рабочее время быстродействующего накопителя распределяется между отдельными программами в соответствии с заранее установленным алгоритмом. Наиболее простым алгорит­ мом явилось бы выделение для всех решаемых программ одинакового машинного времени и циклический расчет их (по частям) в течение всего времени работы ЭВМ.

Однако, кроме экономии, обусловленной устранением простоев при вводе программы и манипуляциях с внешними устройствами ЭВМ, при таком распределении времени вычислений не произо­ шло бы существенного сокращения длительности вычисления. Поэтому вместо равномерного выбирают более сложные принципы распределения времени вычисления между отдельными задачами. Одним из вариантов является распределение операций в процессе вычисления по приоритету. Если при вычислении программы задачи поступит команда с малым приоритетом, т. е. команда, вы­ полнение которой могло бы привести к потере времени, вычисление

239

программы прекратится и устройство управления выберет для дальнейшего вычисления такую программу, которая начинается с команды с самым большим приоритетом. Одновременно с началом выполнения новой программы в ЭВМ будут выполняться подгото­ вительные операции для той задачи, решение которой было прекра­ щено в связи с возможной потерей времени.

Число уровней приоритетов можно выбирать различным, многие современные ЭВМ работают лишь с двумя уровнями приоритета. Вычисление по одной программе происходит до тех пор, пока арифметическое устройство не потребует обращения к перифе­ рийным устройствам. После этого вычисления в процессоре прекратятся, а арифметическое устройство продолжит вычисление следующей программы, которая вновь будет выполняться до тех пор, пока не потребуется обращение к медленнодействующему устройству ЭВМ. Эта процедура циклически повторяется.

Число одновременно вычисляемых программ равно в большин­ стве случаев 6—12. Для каждой программы часто резервируют специальный накопитель на магнитной ленте. Переключением программ вычислений, организацией накопления программ во внут­ реннем запоминающем устройстве и вообще всем внешним разделением времени управляет устройство управления ЭВМ совместно с так называемым устройством мультипрограммного управления, которое представляет собой либо стандартную

программного управления в большинстве случаев организует вычисление контрольных (тестовых) программ, при помощи кото­ рых контролируется работа ЭВМ.

Главной задачей описанного способа внешнего разделения времени- является сокращение общей длительности вычислений на ЭВМ. При выполнении собственно вычислений оператор обычно не вмешивается в процесс вычислений и контакт его с ЭВМ очень мал. Для улучшения контакта расчетчика с ЭВМ служит другой тип внешнего разделения времени (time-sharing), который можно кратко охарактеризовать следующим образом.

К центральной ЭВМ, оснащенной быстродействующим внутрен­ ним запоминающим устройством, внешними запоминающими устройствами с подпрограммами и быстродействующим арифме­ тическим устройством, с помощью так называемых абонентских установок присоединено большое количество (обычно порядка не­ скольких десятков) абонентов (участников) вычисления. Каждый абонент (участник) может работать с ЭВМ независимо от осталь­ ных вычисляемых программ. ЭВМ выделяет каждому абоненту определенное время вычисления т и циклически «обслуживает» абонентов (участников). Создается впечатление, что каждый абонент (участник) работает с ЭВМ один. Естественно, что с увели­ чением числа абонентов (участников) длительность вычисления

240

ной- и каждый абонент (участник вычисления), кроме арендной

Поэтому каждый абонент может произвольно прекращать вычисле­ ние, осуществлять настройку программ, проводить обсуждение результатов, изменять программы и т. д. В течение этого времени центральный процессор работает с другими абонентами, и это время в оплату не включается. При этом каждый арендатор ЭВМ имеет в своем распоряжении запоминающее устройство большой

в университетах, в крупных проектных организациях и на пред­ приятиях. Много таких систем применяется для военных целей. Число систем с внешним разделением времени возрастает в геоме­ трической прогрессии. Центры, оборудованные такими ЭВМ, позволяют абонировать вычислительные машины даже аренда­ торам, находящимся на большом расстоянии от ЭВМ.

Общие тенденции развития цифровой вычислительной техники ведут к созданию мультипроцессорных систем, в которых несколько ЭВМ соединены между собой с помощью соединительных устройств в один вычислительный комплекс. Отдельные ЭВМ в такой системе могут взаимно передавать информацию, могут работать с централь­ ным запоминающим устройством большой емкости, могут, в случае необходимости, брать на себя решение части задач другой ЭВМ. Благодаря этому обеспечивается быстрое обслуживание абонент­ ских установок с внешним разделением времени, устраняются потери времени и удешевляется вычислительный процесс в целом.

Указанные тенденции развития ЭВМ будут способствовать тому, что использование ЭВМ станет для каждого работника таким же обычным делом, как пользование телефоном.

Операционная система цифровой ЭВМ

Операционная система цифровой ЭВМ представляет собой ряд программ, позволяющих программисту общаться с ЭВМ. Централь­ ной частью операционной системы у ЭВМ с разделением времени являются блоки мультипрограммного управления (supervisor), которые управляют ходом всего вычисления. Частью операционной системы является программа управления входными и выходными устройствами, программа, позволяющая управлять ЭВМ с пульта (MONITOR) и программа для манипуляций с библиотекой программ (т. е. обычно с запоминающими устройствами на ленте). Иногда особой частью операционной системы считают и программу для перевода с языка символических или условных адресов на машинный код. Программы перевода на машинный код бывают снабжены подпрограммами для связи отдельных блоков перевода.

Основные программы операционной системы в большинстве случаев заложены в быстродействующем постоянном запоминаю­ щем устройстве.

242

Следует отметить, что ЭВМ TESLA 200 оснащена, разумеется, также би­ блиотекой программ, как служебных, например, для параллельной перезаписи информации и т. п., так и проблемно ориентированных — для задач PERT, ста­ тистического анализа и др.

ЭВМ TESLA 200 является программносовместимой с ВМ серии GE-400, по­ этому значительное количество программ ЭВМ этой серии можно без изменения использовать также для ЭВМ TESLA 200.

является язык символических адресов, который является языком самого низкого уровня в системе ZPA 600 и целевым языком устройств при переводе с языков ФОРТРАН И КОБОЛ .

Собственно управление вычислением при мультипрограммировании осущест­ вляется устройством мультипрограммного управления, входящим в конструкцию ЭВМ. Каждой программе присваивается определенный текущий приоритет в за­

244

С точки зрения программирования ЭВМ ZPA 200 совместима с ВМ ZPA 600. Поэтому много программ ZPA 600 можно использовать для ZPA 200, однако, учитывая емкость быстродействующего накопителя ЭВМ, ZPA 200 не позволяет программировать на языке К О Б О Л .

5. СИСТЕМЫ ЦИФРОВЫХ ЭВМ

Дешевые микромодульные схемы ЭВМ третьего поколения оказали большое влияние на формы использования вычислитель­ ной техники. Сравнительно низкая стоимость их дала возможность проектировать агрегатные системы, в которых требуемая конфигу­ рация цифровой ЭВМ достигается компоновкой агрегатных устройств системы. Арендатор системы может выбрать такую конфигурацию, которая для его нужд является оптимальной. В случае повышения требований к вычислениям эта система без особых трудностей может быть расширена.

Основными чертами системы цифровых ЭВМ являются:

1. Совместимость технических средств ЭВМ — комплекса унифицированных конструктивных устройств и алгоритмов связи между ними. Система должна содержать как медленнодействую­ щие (и, следовательно, более дешевые и малогабаритные устрой­ ства), так и быстродействующие (более дорогие) агрегатные узлы: центральные блоки, блоки памяти, входные и выходные устройства. Систему можно расширять либо добавлением новых устройств,, либо заменой центрального процессора, например, более быстро­ действующим. При этом обычно большая часть периферийных устройств сохраняется. Соединяя два или более центральных процессоров, можно получить «мультиЭВМ» — систему, в которой отдельные центральные процессоры работают параллельно (мульти­ процессорную систему).

2. Совместимость средств программирования, означающая, что программы, подготовленные для ЭВМ более низкого ранга, можно использовать без изменения и на ЭВМ более высокой ступени. Часто ЭВМ бывают оснащены компилятором для перевода: программ с языка одной машины на язык другой.

3.Возможность постепенного расширения системы от простей­ шей однопрограммной до мультипрограммной, а затем — мульти­ процессорной.

4.Возможность программирования на языках высокого уровня-

245-