книги / Элементы автоматики и счетно-решающие устройства

честве, равном' числу разрядов регистра, или сдвинуто вправо на число разрядов, равное количеству поданных импульсов сдвига. При параллельном вводе записываемого числа разрядные импуль­ сы подаются на соответствующие триггеры одновременно.

Последовательная цепочка триггеров может быть использована и как двоичный счетчик (рис. 9. 10, 6 ) последовательности входных

импульсов с количеством разрядов, также равным количеству триггеров. В этом случае оба входа триггера объединяются в так называемый «счетный вход» и при каждом следующем входном импульсе триггер перебрасывается в другое состояние, т. е. на его выходе поочередно появляются то 1, то 0. Входные импульсы по­ даются на триггер самого младшего разряда.

Рассмотрим последовательность работы трехразрядного двоич­ ного счетчика (рис. 9. 10,6), предполагая, что в исходном состоя­ нии на выходах всех триггеров были нули (в счетчике число 000).

Первый входной импульс перебросит Ti в состояние 1 (в счетчике число 0 0 1), второй вернет его в состояние 0, а импульс с Ti пере­ бросит Т2 в состояние 1 (в счетчике число 0 10 ) и т. д. до седьмого

импульса (в счетчике число 111 и он заполнен). Очевидно, что вось­ мой импульс приведет счетчик в исходное состояние. Записанное в счетчике число может быть выведено в виде параллельного кода или в виде последовательного кода через дополнительный регистр.

Тороидальные магнитные сердечники, изготовленные из ферри­ та и некоторых других специальных магнитных материалов, имеют почти прямоугольную форму гистерезисной петли (рис. 9. 11, а)

и поэтому могут находиться в двух различных устойчивых состоя­ ниях, характеризуемых остаточной индукцией + Br (1 в двоичной системе) и —Вг (0 в двоичной системе), т. е. выполнять функции

ферромагнитного триггера (ФТ). Такие триггеры характеризуются малыми габаритами и потребляемой мощностью и высоким быстро­ действием и поэтому нашли самое широкое применение в каче­ стве запоминающих элементов для современных электронных циф­ ровых вычислительных машин.

На рис. 9.11,6 показана схема простейшего ферромагнитного триггера. Если во входную обмотку wBх подать положительный

импульс, создающий напряженность магнитного поля в сердечнике Я > Я т , то он намагнитит сердечник до индукции Br ( 1 ). При этом

за счет резкого изменения магнитной индукции в выходной обмот­ ке оувых возникает импульс. Далее сердечник остается в намагни­ ченном состоянии и все последующие положительные входные им­ пульсы этого состояния не изменяют. При поступлении в обмотку сдвига досд отрицательного импульса, создающего в сердечнике на­ пряженность магнитного поля —Я < —Ят , он перемагнитится до значения магнитной индукции —Вг (0) и далее остается в этом

состоянии до поступления следующего положительного входного импульса. При перемагничивании сердечника в выходной обмотке

также создается импульс. Обмотки могут выполняться в виде про­ водников (шин), проходящих внутри сердечника.

На рис. 9. II, в приведена схема трехразрядного двоичного сдви­ гающего регистра на ферромагнитных триггерах (ФТ), работа которой принципиально не отличается от работы схемы рис. 9. 10, а. Диоды Д определяют направление сдвига (вправо), а цепочки RC

создают необходимую задержку импульсов на один разряд. Импульс вводимого кода, поступая на обмотку wBX ферротриг­

гера ФТз, перемагничивает его сердечник. Импульс сдвига, посту­

пающий в обмотки шсд всех сердечников, восстановит магнитное

Рис, 9.11. Ферромагнитный триггер (б) с прямоугольной гистерезисной петлей (а) и схема- (в) сдвигающего регистра

состояние сердечника ФТ3. При этом в его выходной обмотке wDh; возникает импульс, перемагничивающий сердечник ФТ2. Следова­

тельно, единица вводимого кода передвигается на - один разрял вправо. Следующий импульс вводимого кода опять перемагнитмг сердечник ФТ3, а следующий импульс сдвига вернет ФТ3 и ФТ

в исходное состояние, причем импульс в обмотке ®Вых ферротриг гера ФТ2 перемагнитит сердечник ФТ1, а импульс в обмотке wDh- ферротриггера ФТ3 перемагнитит ФТ2 и т. д., т. е. за каждый так!

работы схемы вводимый код будет передвигаться на один разря вправо.

Схема запоминающего регистра на ферритовых сердечника\ показана на рис. 9.12. Сердечники перемагничиваются током вс

личиной /о. Если на входы х\, у\, у2 и t/3 подать импульс тока + ~

то все сердечники намагнитятся, так как суммарные действия токог

в обмотках W\ и W2 эквивалентны действию тока /<>. Это состояние

сердечников условно считается нулевым. Для записи единицы в каком-либо сердечнике необходимо подать отрицательный им­

пульс тока величиной — одновременно на вход х\ и вход нужного

сердечника. Тогда этот сердечник перемагнитится и в нем будет «записана» 1. Записанный код может храниться практически не­ ограниченно долго. Чтобы считать код, записанный в регистре,

Запись

Рис. 9. 12. Запоминающий регистр на ферритовых сер­ дечниках

новки регистра в состояние «О».

Те сердечники, в которых были записаны «1», при этом перемагнитятся и в их обмотках считывания w3 наведутся э. д. с. Те же

сердечники, в которых были записаны «О», не перемагнитятся, и в их обмотках считывания э. д. с. не возникнут, что будет соответ­ ствовать коду «О» при считывании.

Для запоминания большого количества многоразрядных чисел регистры могут объединяться в матрицы, в которых каждый сер­ дечник перемагничивается только в том случае, если импульсы по­ ступают одновременно в вертикальную и горизонтальную шины данного сердечника. Каждый горизонтальный ряд представляет собой один запоминающийся регистр (см. рис. 9. 12) и определяет записываемое многоразрядное число, а номер вертикальной шины определяет записываемый в нем разряд (рис. 9. 13)

Аналогично предыдущему в состояние «О» все сердечники уста­

навливаются подачей импульсов тока + на все входы матрицы.

Запись кодов осуществляется как и в предыдущей схеме, а счи­ тывание — путем последовательной подачи импульсов тока +

на входы х \ и уз, затем х з и уз, затем Хз и уз и т. д. (если, например,

надо считать число с нижнего регистра).

Рис. 9. 13. Ферритовая матрица на три четырехразряднык двоич­ ных числа

Петля гистерезиса ферритового сердечника не имеет строго пря­ моугольной формы. Поэтому уже при подаче в его обмотку им­

пульса — он может частично перемагнититься и навести в обмотке

считывания э. д. с. помехи, которые имеют во всех сердечника \ одинаковый знак и, складываясь, могут исказить результат считы­ вания. Для частичной компенсации этого явления обмотка считы­ вания, как это показано на рис. 9. 13, обходит все сердечники пет­ леобразно, меняя свое направление в каждой диагонали. При таком расположении э. д. с. помех в каждой петле имеют разные знаки и частично взаимно компенсируются.

Для дальнейшего увеличения объема запоминаемой информа­ ции применяются «матричные кубы», в которых каждая матрица используется только для одного разряда запоминаемых чисел, а общее количество разрядов запоминаемых чисел определяется количеством матриц.

Из электромеханических способов запоминания чисел наиболь шее распространение получила магнитная запись (магнитные ба

рабаны, диски и ленты), при которой для хранения чисел исполь­

зуется ферромагнитное покрытие поверхности запоминающего эле­ мента (барабана, диска, ленты), перемещающегося около специ­ альных магнитных головок, служащих для записи и считывания двоичных чисел. Запись осуществляется посылкой положительного

(1) или отрицательного (-0) импульса в магнитную головку. При этом создается определенная намагниченность небольшого участка ферромагнитного покрытия, соответствующая одному разряду двоичного числа и сохраняющаяся до посылки размагничивающего импульса («стирание» записи). При движении ферромагнитной поверхности мимо магнитной головки отдельные намагниченные участки создают так называемую «магнитную дорожку», соответ­ ствующую двоичным цифрам записываемого числа (последова­ тельная запись). Применяя несколько магнитных головок, можно таким образом записать несколько магнитных дорожек, т. е. нуж­ ное количество разрядов. При параллельной записи каждая магнит­ ная головка может записывать только один определенный разряд данного числа.

Считывание записи производится при помощи таких же магнит­ ных головок. Когда намагниченный участок проходит мимо голов­ ки, то в ее обмотке индуктируется импульс э. д. с., форма которо­ го зависит от характера намагниченного участка и определяет, какой двоичной цифре (1 или 0) соответствует данный участок.

9.2. 4. Основные функции устройства управления

Процесс вычислений в ЦВМ полностью автоматизирован, при­ чем, как уже указывалось, работа всех ее устройств координирует­ ся устройством управления. Построение и схема устройства управ­ ления не являются типовыми, так как зависят от назначения ма­ шины, количества адресов в командах, способов заполнения и счи­ тывания (параллельный или последовательный), характеристик других устройств и т. д. ЦВМ осуществляет процесс вычислений путем последовательного выполнения ряда команд, записанных в программе. Поэтому, помимо некоторых вспомогательных функ­ ций (пуск, останов и т. п.), основными функциями устройства управления является последовательное осуществление всего ком­ плекса операций, задаваемых командами. Каждая команда выпол­ няется за один цикл работы устройства управления, который затем повторяется для выполнения другой команды и т. п.

Каждый цикл состоит из серии тактов, количество которых в цикле обычно постоянно и должно обеспечивать выполнение всех операций, предусматриваемых командами. В течение каждого так­ та управляющее устройство в зависимости от получаемой команды коммутирует соединения между отдельными узлами ЦВМ таким образом, чтобы получить комбинацию, необходимую для выполне­ ния данной операции.

Для осуществления отдельных тактов в состав управляющего устройства всегда входит распределитель импульсов (коммутатор),

питаемый от специального генератора импульсов, выдающий за каждый цикл работы серию управляющих тактовых импульсов для выполнения каждой команды. Такой способ управления называется синхронным. Иногда применяется асинхронный способ управления

ЦВМ, в котором генератор импульсов, жестко задающий частоту тактовых импульсов и длительность цикла, отсутствует. При асин­ хронном способе управления окончание выполнения любой опера­ ции (считывание, запись и т. п.) отмечается специальным импуль­ сом, который выполняет роль следующего тактового импульса.

iy i

РТН

тн

г z 9 а

Рис. 9.14. Упрошенная блок-схема устройства управления трехадресной ЦВМ

Такой способ приводит к некоторому схемному усложнению, но в ряде случаев применяется, так как позволяет легче обнаружить неисправность в отдельных узлах ЦВМ и согласовывать работу устройств с различным быстродействием.

Для того чтобы получить представление об основных функци­ ях устройства управления, рассмотрим в качестве примера упро­ щенную блок-схему (рис. 9.14) трехадресной универсальной ЦВМ параллельного действия. Для упрощения на схеме не показаны устройства ввода исходных данных и программы, а также вывода окончательных результатов из машин. Считая, что программа и ис­ ходные данные уже введены в запоминающее устройство (ЗУ), рассмотрим только последовательность выполнения отдельных вы­ числительных операций, задаваемую тактовыми импульсами управ­ ления (ТИ) от распределителя импульсов (РТИ), питаемого гене­ ратором импульсов (ГИ). На схеме обозначены места подведения тактовых импульсов с указанием их очередного номера. Для упро-

шения описания не рассматриваются тактовые импульсы, необхо­ димые для некоторых вспомогательных операций.

Описание работы устройства управления удобнее выполнить в соответствии с последовательностью тактовых импульсов, т. е. по отдельным тактам в порядке их очередности:

Такт 1 . В регистр-счетчик команд РСК предварительно введен

адрес первой команды программы. Импульс THi открывает схему Hi и адрес первой команды передается в запоминающее устройст­

во ЗУ.

Такт 2 . Импульс ТИ2 открывает схемы И2. Одновременно в ЗУ

подается импульс «считывания», по которому содержание первой команды из ЗУ передается в регистр команд РК. Регистр команд состоит из регистра кода операций РКО, регистра первого адреса Р1А, регистра второго адреса Р2А и регистра адреса результата РАР. На схеме в целях упрощения (как и в других частях схемы) показано по одной схеме И2 для каждого регистра. В действитель­

ности при параллельном способе передачи чисел на каждый ре­ гистр должно быть столько схем И2, сколько он имеет разрядов.

Такт 3. Импульс ТИз добавляет единицу к числу, установлен­

ному в РСК, подготовляя таким образом адрес следующей по по­ рядку команды.

Такт 4. Импульс ТИ4 открывает схему И4 и адрес первого чис­

ла из Р1А передается в ЗУ.

Такт 5. Импульс ТИ5 открывает схему Иб,7. Одновременно по­

дается сигнал «считывания» и число из первого адреса ЗУ переда­ ется в арифметическое устройство АУ.

Такт 6. Импульс ТИ6 открывает схему Иб и адрес второго числа из Р2А передается в ЗУ.

Такт 7. Импульс ТИ7 открывает схему И5, 7. Одновременно по­

дается сигнал «считывания» и число из второго адреса ЗУ переда­ ется в АУ.

Такт 8. Импульс ТИ8 открывает схему И8. При этом код опера­ ции из РКО через дешифратор Д подается в АУ, определяя, какую операцию надо произвести с двумя занесенными туда числами. Арифметическое устройство выполняет нужную операцию и в нем образуется результат. Назначение дешифратора — в зависимости от числа, соответствующего коду данной операции, создать на одном из своих выходов сигнал, нужный для выполнения данной операции. Схемы дешифраторов рассмотрены в гл. X.

Такт 9. Импульс ТИд открывает схему Ид и адрес результата

из РАР передается в ЗУ.

Такт 10. Импульс ТИю открывает схему Ию и результат из АУ

передается в ячейку ЗУ с адресом результата, где и записывается при одновременной подаче импульса записи.

Таким образом заканчивается выполнение первой команды, и так как на РСК уже набран адрес следующей команды, то в сле­ дующем цикле работы РТИ будет аналогично выполняться вторая команда и т. д., до полного выполнения программы.

Такой порядок относится к выполнению обычных программ. Как уже указывалось выше, в более сложных задачах могут при­ меняться разветвляющиеся программы, в которых после выполне­ ния ряда операций необходимо выполнить логическое действие для определения дальнейшего хода вычислений. В этих программах применяются так называемые «команды условного перехода», по которым ход вычислений должен изменяться, т. е. необходим пе­ реход не к следующей очередной команде, а к некоторой другой, адрес которой заложен в команде условного перехода в регистре РАР. Вид логического действия закладывается в РКО для данной

Вылоды

Рис. 9.15. Логическая схема простейшего дешифра­ тора

команды условного перехода. В этом случае вырабатывается сиг­ нал условного перехода, который отпирает схему Иц, и адрес нужной команды из РАР через схему ИЛИз подается в РСК. Тогда

в следующем цикле РТИ машина будет выполнять эту команду, отойдя от нормальной последовательности выполнения команд.

В устройстве управления, как правило, используются узлы (счетчики, регистры, логические и запоминающие элементы и т. п.), уже рассмотренные выше. Новыми узлами являются дешифратор и распределитель тактовых импульсов. Типовые схемы дешифра­ торов и распределителей тактовых импульсов рассматриваются в разд. 9.3 и гл. X. Поэтому здесь остановимся более подробно только на их назначении в структуре устройства управления.

Логическая схема, приведенная на рис. 9. 15, поясняет функ­ ции дешифратора. На ее вход подается код (в данном случае двух* разрядный двоичный) операции, который может иметь четыре зна­ чения: 00; 01; 10 и 11.

Схема составлена из логических элементов И и НЕ. Очевидно, что в зависимости от поданного на вход кода операции сигнал (1)

появляется только на одном определенном ее выходе (например, на Р при коде 00), т. е, включит схему, нужную для выполнения

данной операции. Обычно схемы НЕ выполняются на триггерах, а схемы И — в виде диодной матрицы. Естественно, что, усложняя схему, легко увеличить разрядность входного кода и количество выходов.

8bix0d!,i

Рис. 9. 16. Логическая схема простейшего рас­ пределителя тактовых импульсов

Одним из вариантов распределителя тактовых импульсов, ис­ пользуемых в ЦВМ, является комбинация генератора импульсов ГИ, цифрового счетчика ЦС и только что рассмотренного дешиф­ ратора Д. Такая комбинация в простейшем исполнении показана на рис. 9. 16. Легко убедиться, что при работе ГИ сигналы на вхо­ де Д, снимаемые с разрядов счетчика, будут составлять такие по­ следовательные во времени комбинации: 00; 01; 10; 11. При этом сигнал на выходах дешифратора будет последовательно за четыре такта перемещаться вправо от выхода Р к выходу 5. В этом слу­

чае за каждый такт происходит необходимая коммутация узлов устройства управления ЦВМ. Четвертый импульс от ГИ приведет схему в исходное состояние (сигнал на выходе Р) и далее цикл ра­

боты будет повторяться.

На рис. 9. 16 показано состояние схемы в момент прихода пер­ вого импульса (сигнал на выходе Q).

9.3. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНЫХ ВЕЛИЧИН В ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРОВЫХ В НЕПРЕРЫВНЫЕ

Цифровые вычислительные устройства широко используются в автоматических системах управления производственными про­ цессами и обработки разнообразной информации. В этом случае входные и выходные сигналы имеют непрерывную (аналоговую) форму и для включения ЦВУ в такие системы необходимы про­ межуточные преобразователи непрерывных величин в цифровые и цифровых — в непрерывные. Ввиду большого разнообразия ис­ ходных непрерывных величин создавать подобные преобразователи для каждой из них нецелесообразно. Поэтому большинство преоб­ разователей строится на три основных вида непрерывных вели­ чин — интервал времени, угол поворота и электрическое напряже­ ние. Преобразовать другие исходные величины в одну из этих основ­ ных обычно легко при помощи разнообразных датчиков (см. гл. I)

Преобразователи непрерывных величин в цифровые имеют и са­ мостоятельное значение как цифровые измерительные приборы, обладающие рядом существенных преимуществ перед обычными стрелочными приборами — удобным отсчетом, отсутствием пере­ ходных процессов, удобством передачи показаний на большие рас­ стояния, высокой точностью в широком диапазоне измерения и т. п.

Цифровое значение величин, представленное в виде некоторого кода в принятой системе счисления, чаще всего преобразуется в ве­ личину электрического напряжения при помощи преобразователей код—напряжение. Такие преобразователи, кроме того, в большин­ стве случаев являются основной частью точных преобразователей электрического напряжения в цифровой код, использующих прин­ цип обратной связи. Поэтому вначале целесообразно рассмотреть основные принципы построения преобразователей код—напряжение.

9.3.1. Преобразователи код—напряжение (ПКН)

Число (или его условное представление — код) может быть за­ дано либо количеством импульсов, либо состоянием коммутирую­ щих элементов (например, триггеров регистра или счетчика) в принятой системе счисления. В первом случае необходим ПКН «накапливающего» типа, в котором выходное напряжение возра­ стало бы строго определенными порциями в соответствии с количе­ ством импульсов, поступивших на вход. Во втором случае выход­ ное напряжение снимается с некоторой схемы из активных сопро­ тивлений (дискретного делителя напряжения или тока), питаемой от источника постоянного по величине «опорного» напряжения. Необходимая комбинация сопротивлений делителя, определяемая входным кодом, набирается при помощи переключателей, управ­

ляемых состоянием коммутирующих элементов (реле или тригге­ ров), образующих входной код (изображение числа).