книги из ГПНТБ / Дроздов Е.А. Многопрограммные цифровые вычислительные машины

6Ф7.3 Д75

УДК 681.14.523.8

Над книгой работал коллектив авторов. Введение, гл. I, V (за исключе­

ciKSEi.,;!'' qp

ЧИТАЛ1-,1-;Огп з а л а

Дроздов Е. А. и др.

Д75 Многопрограммные цифровые вычислительные машины. Под ред. проф. А. П. Пятибратова. М., Воениздат, 1974.

406 с. с ил.

Принципы организации функционирования многопрограммных цифровых вычисли­ тельных машин (ЦВМ) третьего поколения. Теоретические основы построения и ра­

Может быть полезна студентам, изучающим цифровые вычислительные машины н автоматизированные системы управления.

При написании книги использованы открытые материалы отечественной и зару­ бежной печати.

6Ф7.3

©Воениздат; 1974

поколению машин относятся созданные советскими учеными и ин­ женерами машины БЭСМ-2, «Стрела», М-3, «Минск-1», «Урал-1», «Урал-2», М-20 и др.

Второе поколение ЦВМ (с 1953 г.) обязано своим появлением транзисторам, изобретенным в 1948 г. Транзисторы полностью за­ менили в качестве активных элементов электронные лампы. В отли­ чие от ламповых ЦВМ транзисторные машины обладают большими быстродействием, емкостью оперативной памяти, надежностью. Существенно улучшены их габаритно-весовые характеристики, уменьшена потребляемая мощность. Большим достижением явилось применение печатного монтажа. Повысилась надеж­ ность электромеханических устройств ввода — вывода, удель­ ный вес которых увеличился. Машины второго поколения об­ ладают большими вычислительными и логическими возможно­ стями.

Особенность машин второго поколения — их дифференциация по применению. Появились машины для решения научно-техниче­ ских задач, экономических задач, для управления производствен­ ными процессами, для управления различными объектами (управ­ ляющие машины).

Наряду с техническим совершенствованием ЦВМ развиваются методы и приемы программирования вычислений, высшей ступенью которых является автоматическое программирование, требую­ щее минимальной затраты труда математиков-программистов.

В период развития и совершенствования Машин второго поко­ ления наряду с однопрограммными были созданы многопро­ граммные ЦВМ. В отличие от однопрограммных машин, в которых программы выполняются только поочередно, в многопрограммных ЦВМ стала возможной одновременная реализация нескольких про­ грамм за счет организации параллельной работы основных устройств машины.

С появлением машин второго поколения (особенно многопро­ граммных) значительно расширилась сфера применения цифровой вычислительной техники. Машины стали использоваться в качестве управляющего и вычислительного органа в автоматизированных и автоматических системах управления, а также в системах передачи информации.

К ЦВМ второго поколения относятся машины отечественного производства «Минск-2», «Раздан-2», «Раздан-3», М-220, БЭСМ-4,

всего широким применением интегральных схем, заменивших боль­ шинство транзисторов и дискретных деталей. Интегральная схема выполняется в виде отдельного прибора, содержащего несколько десятков компонентов, соответствующих дискретным транзисторам,

4

резисторам, конденсаторам. Эти компоненты и связи между ними образуются в одном кристалле кремния методами молекулярной электроники. Интегральная схема представляет собой законченный логический функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме. Благодаря интегральным схемам уда­ лось существенно улучшить технические и эксплуатационные харак­ теристики машин. Этому способствовало также применение много­ слойного печатного монтажа.

В машинах третьего поколения значительно расширился набор различных электромеханических устройств для ввода и вывода ин­ формации. Развитие этих устройств носит эволюционный характер: их характеристики улучшаются гораздо медленнее, чем характери­ стики электронного оборудования.

Математическое обеспечение машин третьего поколения полу­ чило дальнейшее развитие, особенно это касается операционных систем. Развитые операционные системы многопрограммных ма­ шин, снабженных периферийными устройствами ввода — вывода с автономными пультами абонентов, обеспечивают управление рабо­ той ЦВМ в различных режимах: пакетной обработки, разделения времени, запрос — ответ и др.

Четвертое поколение машин начало разрабатываться с 1970 г. Для них характерно применение больших неразборных интеграль­ ных схем или систем (БИС), изготовляемых на кремниевых пласти­ нах. На одной такой пластине размещается несколько сот и даже тысяч схем, каждая из которых эквивалентна отдельной интеграль­ ной схеме. Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее на­ дежности и быстродействия, снижению стоимости. Это в свою оче­ редь оказывает существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру) ЦВМ и на ее математическое обеспечение. Более тесной становится связь структуры машины и ее математического обеспечения, особенно операционной системы.

В таблице приведены обобщенные характеристики ЦВМ четы­ рех поколений. В ней фигурируют такие величины, как номиналь­ ное быстродействие машины vn, измеряемое числом операций, вы­ полняемых ею в единицу времени (on/сек), емкость оперативной памяти ЯозУ) измеряемая количеством слов, которые одновремен­ но могут храниться в памяти, среднее время безотказной работы

вода.

В настоящее время отчетливо проявляется тенденция к унифи­ кации ЦВМ, к созданию машин, представляющих собой единую си­ стему машин наземного ряда и машин бортового ряда. Машины, входящие в состав единой системы машин наземного или бортового ряда, унифицированы по элементной базе, системе команд и дру­ гим характеристикам и различаются главным образом по быстро­ действию и емкости оперативной памяти.

5

ЦВМ в военном деле применяются в основном в трех направ­ лениях:

—для решения научно-технических задач военно-прикладного характера;

—для управления войсками;

—для управления объектами вооружения.

Решение многих научно-технических задач военно-прикладного характера требует проведения либо вычислительных работ в боль­ шом объеме, либо сложных экспериментальных исследований. Ис­ пользование для этих целей ЦВМ дает возможность резко сокра­ тить сроки проведения необходимых вычислений, а в ряде случаев позволяет заменить дорогостоящие экспериментальные исследова­ ния и испытания различных объектов расчетами на машинах, что приводит к значительной экономии средств и времени. К числу за­ дач, решение которых эффективно осуществляется на ЦВМ, отно­ сятся теоретические исследования эффективности различных видов вооружения, определение конструктивных характеристик объектов вооружения, обработка результатов испытаний различных лета­ тельных аппаратов, расчет траекторий ракет, снарядов, бомб, со­ ставление таблиц стрельбы, расчет последствий ядерных взрывов И др. Решение этих задач осуществляется, как правило, с помощью универсальных ЦВМ.

Машины, используемые для управления войсками, обеспечи­ вают в первую очередь решение следующих основных задач управ­ ления: 1) сбор, обработка и индикация данных о противнике и о своих войсках, а также о местности, погоде и других факторах, влияющих на ведение боевых действий; 2) «проигрывание» различ­ ных вариантов боя или операции с целью подготовки необходимых сведений для командира или начальника, принимающего оконча­ тельное решение. Применение ЦВМ для решения этих задач суще­ ственно повышает оперативность работы штабов.

Структура машин, применяемых для управления объектами во­ оружения, может быть как универсальной, так и специализирован­ ной. Зачастую такие машины выполняют функции вычислительно­ го и управляющего органа в некоторой системе управления. Ин­ формация, получаемая от различных источников информации или объектов управления для ввода в ЦВМ, а также поступающая от машин к объектам управления, в большинстве случаев носит не­ прерывный характер (угловое перемещение, изменение электриче­ ского напряжения, тока, временного интервала). В самих же маши­ нах операции производятся с дискретными величинами. Поэтому связь ЦВМ с источниками информации и объектами управления должна осуществляться с помощью преобразователей непре­ рывных величин в дискретные и дискретных величин в не­ прерывные.

Развитию средств вычислительной техники в нашей стране при­ дается большое значение. Из года в год расширяется парк цифро­ вых вычислительных машин, совершенствуется их техническая ба­ за — микроэлектроника, создаются все новые и новые вычислитель­

7

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