книги из ГПНТБ / Семененко В.А. Вычислительная техника в инженерных и экономических расчетах учеб. пособие для студентов всех специальностей
.pdfМИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СССР
ВСЕСОЮЗНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
В. А. СЕМЕНЕНКО, Ю. В. СТУПИН
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
ВИНЖЕНЕРНЫХ
ИЭКОНОМИЧЕСКИХ РАСЧЕТАХ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
для студентов всех специальностей
і
. f
РЕДАКЦИОННО-ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ОТДЕЛ
МОСКВА 1973
в с е с о ю з н ы й з а о ч н ы й п о л и т е х н и ч е с к и й и н с т и т у т
Кафедра автоматики и телемеханики
В. А. СЕМЕНЕНКО, Ю. В. СТУПИН
УТВЕРЖДЕНО проректором по учебной работе
. 27 декабря 1972 г.
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
ВИНЖЕНЕРНЫХ
ИЭКОНОМИЧЕСКИХ РАСЧЕТАХ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
для студентов всех специальностей
РЕДАКЦИОННО-ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ОТДЕЛ
МОСКВА 1973
Fee. riy&jsw |
? |
И*УЧНС - Vex.-jvi |
v '\ t * :? |
би6лИ0?6і№ КC : r
ЭКЗЕМПЛЯР ' '
ЧИТАЛЬНОГО С ала
ѵ П ш з ...
, , , I о ч
Jw I £
/
|
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
|
|
|
Стр. |
Введение |
. |
................................................................................. |
8 |
|
|
Р А З Д Е Л I |
|
АНАЛОГОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ - АНАЛОГИ
Глава I Принцип построения аналоговых вычислительных машин (АВМ)
§ 1—1. Физическое и математическое моделирование |
. |
. |
|
12 |
||||||||
§ 1—2. Основные структурные элементы АВМ. Машинные |
перемен- |
, |
||||||||||
ные и |
масштабные |
коэффициенты |
...................................... |
|
|
|
14 |
|
||||
Глава II |
Линейные |
решающие элементы электронных |
|
|
||||||||
|
|
|
|
АВМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
§ 2—1. Пассивные |
суммирующие, |
интегрирующие |
и дифференциру |
|
||||||||
ющие |
з в е н ь я ..................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
16 |
|
||
§ 2—2. Типы решающих элементов с электронным усилителем по |
|
|||||||||||
стоянного |
тока |
( У П Т ) ................................................................. |
|
|
|
|
|
20 |
|
|||
§ 2—3. Суммирующие, масштабные и инвертирующие элементы АВМ |
25 |
|||||||||||
§ 2—4. Интегрирующие и дифференцирующие |
элементы АВМ |
. |
26 |
|||||||||
§ 2—5. Погрешность линейных решающих элементов |
|
. |
. 2 9 |
|||||||||
§ 2—6. Характеристики |
УПТ решающих элементов . . |
. |
. 3 3 |
|||||||||
§ 2—7. Реализация типовых звеньев систем автоматического регу |
|
|||||||||||
лирования на линейных решающих элементах |
. |
. |
. 3 7 |
|||||||||
Глава III |
|
Нелинейные элементы |
электронных |
АВМ |
|
|
||||||
§ 3'—іі. Диодные |
универсальные |
функциональные |
преобразователи |
41 |
||||||||
§ 3—2. Функциональные |
элементы на |
рснове |
электронно-лучевых |
|
||||||||
т р у б о к ............................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
44 |
|
||
§ 3—3. Специализированные нелинейные |
элементы . |
. |
. |
. 4 5 |
||||||||
Глава IV |
Множительные и |
делительные |
устройства |
АВМ |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
« |
|
|
§ 4— Г Множительные устройства |
прямого действия |
, . |
. |
. 5 2 |
||||||||
3
§ 4—2. Множительные |
устройства |
непрямого действия . . |
. 5 5 |
||||||||||||||||
§ 4—3. Принципы |
построения |
делительных |
устройств |
. |
. |
. 5 8 |
|||||||||||||
§ 4—4. Электромеханические |
множительно-делительные устройства |
. |
59 |
||||||||||||||||
|
Глава |
V. |
|
Методика набора и решения задач на АВМ |
|
|
|||||||||||||
§ 5— 1. Составление структурной схемы решения |
задачи . |
. |
. 6 1 - |
||||||||||||||||
§ 5—2. Выбор масштабных |
коэффициентов, |
определение |
коэффици |
|
|||||||||||||||
|
|
ентов передачи решающих элементов и напряжений на |
|
||||||||||||||||
|
|
чальных |
условий |
|
............................................................................ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
64 |
||||
§ 5—3. Установка |
начальных |
условий |
и коэффициентов |
|
передачи |
|
|||||||||||||
|
|
решающих элементов |
. |
|
|
. |
. . |
|
' . . . . |
|
69 |
||||||||
§ 5—4. |
Методы |
задания |
функций |
возмущения |
|
. |
. |
. |
. 7 1 |
||||||||||
§ 5—5< |
Оценка |
погрешности |
решения |
|
задач на |
АВМ |
. |
. |
. 7 3 |
||||||||||
§ 5.—6. Состав и компоновка блоков АВМ. Порядок на.бора |
и реше |
|
|||||||||||||||||
|
|
ния |
задач |
.................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
75 |
|||
|
|
|
Глава VI |
Электрические |
|
модели—аналоги |
|
|
|
|
|||||||||
§ 6— 1. |
Подобие явлений. Константы и критерии |
подобия |
. |
. |
77 |
||||||||||||||
§ 6—2. |
Электрические |
модели |
механических систем |
. |
. |
. 7 9 |
|||||||||||||
§ 6—3. Моделирование |
физических |
полей |
. |
|
. |
. . . |
|
84 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
Р А З Д Е Л |
II |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
АРИФМЕТИЧЕСКИЕ |
И ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ |
ЦВМ |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Глава I |
Арифметические основы |
ЦВМ |
|
|
|
|
||||||||||
§ |
1— 1. Позиционные системы |
с ч и с л е н и я ............................................... |
|
|
|
|
|
90 |
|||||||||||
§ |
1—2. Двоичная |
система |
счисления |
|
|
.............................................. |
|
|
|
|
92 |
||||||||
§ 1—Зі |
Перевод чисел из десятичной системы счисления в двоичную |
|
|||||||||||||||||
» - |
и о б р а т н о .............................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
93 |
|||||
§ |
1—4. |
Восьмеричная |
система |
счисления . |
|
. . . . . |
|
96 |
|||||||||||
§ |
1—5. |
Шестнадцатиричная |
системас ч и с л е н и я ................................... |
|
|
|
97 |
|
|||||||||||
§ |
1—6. |
Двоично-десятичная |
системас ч и с л е н и я ................................... |
|
|
|
98 |
|
|||||||||||
§ |
1—7. Формы |
представления |
двоичных чисел |
в |
машине |
|
. |
98 |
|||||||||||
§ |
1—8. |
Представление |
отрицательных |
чисел |
в машине . |
|
. |
. |
102 |
||||||||||
§ |
1—9. |
Способы |
кодирования |
чисел |
с |
учетом |
знака . |
|
. |
.103 |
|||||||||
§ |
1—10. Арифметические действия |
над |
двоичными |
числами |
. |
104 |
|||||||||||||
і&с#) <г?>
|
Глава II |
Логические |
основы |
ЦВМ |
|
|
2—1. |
Основные |
понятия |
алгебры-логики |
. . . . |
109 |
|
2—2. Основные логические связи между высказываниями |
. 109 |
|||||
2—3. Свойства |
конъюнкции и д и з ъ ю н к ц и и ..................................... |
111 |
||||
2—4. |
Синтез логических |
схем . |
.........................................................118 |
|||
|
|
|
|
Р А З Д Е Л |
III |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
ОСН О ВЫ У С Т Р О Й С Т В А Ц ВМ |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Глава I |
Структуры универсальных ЦВМ |
|
|
|
|
|||||||||
§ 1—1. |
Блок-схема |
ЦВМ и назначениеее |
устройств |
. |
. |
. |
118 |
||||||||
§ 1—2. Принцип работы |
Ц |
В |
М ................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
120 |
||||
§ 1—3. Особенности |
структуры |
мини - ЭВМ |
'....................................... |
|
|
|
123 |
||||||||
|
Глава II |
Арифметические |
устройства |
|
|
|
|
||||||||
§ 2—1. Триггерные |
элементы |
................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
125 |
|||||
§ 2—2. Р е г и с т р ы |
.............................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
127 |
|||
§ 2—3. |
.Сумматоры арифметических |
устройств |
|
|
. . |
. |
133 |
||||||||
§ 2—1. |
Особенности |
суммирующих схем в мини-ЭВМ |
. |
. |
. |
139 |
|||||||||
§ 2—5. Арифметические |
устройства |
параллельного |
|
действия |
. |
141 |
|||||||||
§ 2—6. Арифметические устройства параллельного действия машины |
|
||||||||||||||
|
с плавающей за п я т о й |
................................................... |
|
|
|
|
|
|
144 |
|
|||||
§ 2—7. Арифметические |
устройства |
|
последовательного |
действия |
147 |
||||||||||
|
Глава III |
Запоминающие |
устройства |
|
|
|
|
||||||||
§ 3— 1. |
Типы запоминающих |
у с т р о й с т в ............................................ |
|
|
|
|
148 |
||||||||
§ 3—2. |
Запоминающие элементы |
|
. |
|
|
|
...........................149 |
||||||||
§ 3—3. Д е ш и ф р а т о р ы ........................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
149 |
||||
§ 3—4. Типы М |
О |
З У |
................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
153 |
|
|
|
§ 3—15. Постоянные |
запоминающие |
устройства |
на |
магнитных |
сер |
156 |
|||||||||
|
дечниках |
|
................................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
§ 3—6. Магнитные барабаны, ленты |
и |
диски |
. . |
. . |
. |
156 |
|||||||||
|
Глава IV |
|
Устройства |
управления |
|
|
|
|
|
||||||
§ 4—Б Блок-схема |
устройства |
управления |
. |
|
. |
. |
.1 6 1 |
||||||||
§ 4—2. |
Счетчики |
|
|
. |
...........................................................................163 |
||||||||||
§ 4—3. Управление |
командами в Ц В М |
............................... |
|
|
|
166 |
|
|
|||||||
§ 4—4. Микропрограммное управление |
........................................................... |
|
|
|
|
|
|
169 |
|||||||
|
Глава V |
Устройства' ввода — вывода |
, |
|
|
|
|||||||||
§ 5 —1. Типы вводных — выводных устройств |
. |
|
. . . |
. |
. |
17,2 |
|||||||||
§ 5—2. Структура системы |
ввода— выводаЦВМ |
. |
. . . |
|
172 |
||||||||||
§ 5—3. Организация |
работ |
при вводе — выводе |
|
. . . |
. |
173 |
|||||||||
|
|
|
|
Р А З Д Е Л |
IV |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ |
|
|
|
|
||||||||||
|
Глава I |
|
Команды цифровых машин |
|
|
|
|||||||||
§ 1—1. Основные |
п о н я т и я |
.......................................................... |
|
|
|
|
|
|
174 |
|
|
||||
§ 1—2. Системы |
команд |
Ц |
В ................................................ |
М |
|
|
|
|
|
|
176 |
|
|
||
§ I—3. Особенности представления двухадресных команд в ЦВМ и |
|
||||||||||||||
|
примеры |
их использования |
|
. |
. |
і |
. |
. |
. |
.1 8 3 |
|||||
§ 1—4. Особенности |
представления |
команд |
в |
мини-ЭВМ . |
,1 8 3 |
||||||||||
5
Г .іа в а |
II |
Элементарное программирование |
|
|
|
|
|||||
§ 2— 1. Основные |
этапы подготовки -задачи к решению |
па |
машине |
184 |
|||||||
§ 2—‘2. Программирование |
по формулам в машинных командах |
. |
185 |
||||||||
§ 2—3. Программирование по формулам на алгоритмическом языке |
|
||||||||||
АЛГОЛ |
. |
|
|
...............................................................................192 |
|||||||
§ 2—4.Описание циклическихпрограммв |
машинных командах, . |
193 |
|
||||||||
§ 2—5. Программирование |
экономических задач |
на трехадресных |
|
||||||||
ЦВМ |
|
. |
. |
|
. , .............................................. |
|
|
204 |
|||
§ 2—6. Запись |
циклических |
программ |
на АЛГОЛЕ |
. |
. |
. |
209 |
||||
§ 2—7. Циклы |
с |
заранее |
неизвестным |
числом |
прохождений и |
их |
212 |
||||
обработка |
в машинныхкомандах ............................................. |
|
|
|
|
||||||
§ 2—-8. Организация |
циклов |
на АЛГОЛЕ при |
задании |
определен |
|
||||||
ных условий |
....................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
218 |
||
Приложение |
.......................................................................... |
|
|
|
|
|
|
. |
. |
. |
220 |
Л и тература............................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
223 |
I
I
ОТ АВТОРОВ
Учебное пособие «Вычислительная техника в инженерных
и экономических |
расчетах» |
предназначено |
для |
студентов |
|
V курса всех специальностей ВЗПИ. Оно состоит |
из |
5 раз |
|||
делов, каждый из |
которых |
охватывает ту |
или иную |
часть |
|
изучаемого предмета: основы аналоговых вычислительных
машин, |
арифметические |
и логические |
основы |
цифровых |
|||||
вычислительных |
машин, |
основы |
организации |
ЭВМ |
и про |
||||
граммирование. Книга снабжена |
большим |
числом |
примеров |
||||||
и может существенно помочь студентам |
в |
изучении |
курса. |
||||||
Материал, 'выходящий за |
рамки курса, дается мелким шриф |
||||||||
том. Он |
может |
быть |
полезен |
студентам |
специальности |
||||
«Автоматика и телемеханика» и других специальных профи лей.
Материал кңиги построен на основных положениях учеб ного пособия для студентов ВЗПИ «Математические машины и программирование», изданного в 1967 г. Однако все его разделы значительно расширены и переработаны. Раздел «Аналоговые вычислительные машины и электрические моде ли-аналоги» написан кандидатом технических наук, доцен том В. А. Семененко, остальные разделы— старшим научным сотрудником, кандидатом технических наук Ю. В.' Ступи ным.
Большую помощь при подготовке пособия к печати ока зал авторам коллектив кафедры «Автоматика и телемехани ка» электрофизического факультета ВЗПИ и особенно кан дидаты технических наук А В. Балтрушевич, Ш. И. Панцхава и Г. Д. Хлюпин.
Авторы выражают благодарность рецензенту рукописи к. т. н. А. И. Кулаковскому, сделавшему ряд ценных замеча ний.
Особую благодарность за постоянную поддержку и кри тические замечания авторы выражают зав. кафедрой д. т. н. проф. В. Г. Саівастееву и ответственному редактору посо бия— доценту кафедры «Автоматика и телемеханика» ВЗПИ кандидату технических наук Г. Д. Хлюпину.
7
В В Е Д Е Н И Е
Значение электронных вычислительных машин трудно переоценить. Кажется, нет отрасли науки и народного хозяй ства, в которой они не нашли бы применения. Решение раз нообразных задач, требующих большого объема вычислений, составление математических таблиц, вычисление траекторий полета летательных аппаратов, астрономические /вычисления, управление производственными процессами и движением транспорта, быстрая и точная обработки информации, свя занной с учетом и планированием в производстве, сельском хозяйстве, товарообороте и таік далее, 'выполнение информа ционной и библиографичеокой работы, машинный перевод с одного языка на другой, автоматический анализ и обработка
результатов при химических, физических, |
медико-биологиче |
||
ских и |
других исследованиях,— вот далеко |
не полный |
пере |
чень областей применения вычислительной техники. |
раз |
||
' Все |
электронные вычислительные машины можно |
||
бить на два больших класса: |
|
|
|
1. |
Машины непрерывного действия, или аналоговые вычи |
||
слительные машины,— АВМ.
■2. Машины дискретного действия, или цифровые вычи слительные машины,— ЦВМ.
Особенности аналоговых вычислительных машин
Математические величины, е которыми оперируют АВМ, изображаются 'значениями физических величин: токов, напря жений и т. д. Результаты вычислений являются также физи ческими величинами.
Большинство АВМ не обладают свойством универсально сти: их .конструкция определяется тем типом задач, которые решает машина (машины для решения дифференциальных, алгебраических уравнений и т. д.).
Они имеют ограниченную точность вычислений, так как физические величины, участвующие в решении задачи, определяются точностью приборов и элементов (сопротивле ний, конденсаторов, шкал приборов и т. д.).
8
Так как ABM обладают большой скоростью вычислений, их применяют в качестве управляющих машин в системах автоматического управления. Они также применяются при решении научных и технических задач, если точность вычи слений удовлетворяет поставленным требованиям. Напри мер, аналоговая вычислительная машина «Saturn» (Англия) предназначена для выполнения сложных математи ческих вычислений связанных с проектированием атомных реакторов, а небольшое аналоговое устройство, разработанное немецкой фирмой Telefunken, служит для управления работой подъемных механизмов. В СССР разработаны и получили большое распространение машины типов МН-7, МН-8, ЭМУ-10, МЬИО, МН-44, МН-17, МН-18, МПТ-9, «Электрон» и многие другие.
Поскольку подавляющее большинство аналоговых ма шин—Iэлектронные, будут рассматриваться принципы по строения только таких машин.
Особенности цифровых электронных вычислительных машин
Цифровые вычислительные машины оперируют с ди скретными величинами (цифрами).
ЦВМ могут практически решать любые задачи, так как современные математические методы приближенных вычисле ний позволяют почти любую задачу свести к определенной последовательности арифметических и логических действий, которые и выполняются на машине. Таким образом, цифро вые вычислительные машины обладают свойством универ сальности.
Можно построит^ цифровые машины с любой требуемой точностью вычислений, так как точность определяется коли чеством разрядов, участвующих в вычислении, т. е. количе ством оборудования.
Универсальные цифровые вычислительные машины харак теризуются конструктивной сложностью, содержат десятки и сотня тысяч элементов на полупроводниках или на интег ральных 'Схемах.
Первая электронная цифровая вычислительная машина ЭНИАК была построена в Пенсильванском университете (США) в 1946 г. Она содержала 48000 электронных ламп и 1500 реле, потребляла мощность 100 кет и была очень нена дежной и несовершенной. Управление машиной производилось с помощью программы, набираемой вручную на коммута ционных досках и переключателях. За сравнительно короткий срок электронные машины прошли путь трех поколений: от ламповых к .полупроводниковым и от них — к машинам,на интегральных схемах. Преобразилось и управление машиной:
9