И В. С. Ямпольсний о основы автоматики и электронно- вычислительной техники нститутов

Аппаратурная совместимость обеспечивается стандартизацией элементов, узлов и устройств, электрических разъемов моделей и электрических параметров сигналов. Аппаратурная совместимость создает возможность подключения к процессору любой ЭВМ самых разнообразных периферийных устройств, возможность для нара­щивания и развития любой ЭВМ.
В рамках машин третьего поколения странами — членами СЭВ разработаны и серийно производятся машины Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) и Системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ).
В 70-е гг. появились машины четвертого поколения, элементной базой которых являются большие интегральные схемы (БИС), со­держащие десятки тысяч транзисторов на одном кристалле. Исполь­зование БИС позволило заменить энергоемкую и нетехнологичную ферритовую память полупроводниковой, что привело к резкому увеличению емкости памяти данных и программ. Увеличение ем­кости оперативной памяти, а также применение БИС в перифе­рийных устройствах позволили создать «интеллектуальные» тер­миналы и «дружественное» программное обеспечение, значительно упростившие общение человека с ЭВМ. Развитие элементной базы постепенно изменяет соотношение между программными и аппара­турными средствами таким образом, что многие операции, вы­полнявшиеся в ЭВМ первых поколений программным путем, теперь выполняются аппаратурными средствами. Это приводит к повы­шению быстродействия и, что еще более важно, к существенному снижению затрат на программирование. Еще одним характерным признаком машин четвертого поколения является постепенная за­мена электромеханических внешних устройств электронными.
Практически все виды ЭВМ построены на основе фундаменталь­ных принципов, описанных в § 1.5. Однако в зависимости от кон­кретной области применения разработано несколько основных типов ЭВМ, существенно отличающихся по своим количественным ха­рактеристикам, структуре аппаратурных и программных средств и объему подключаемых к ним периферийных устройств. В наиболее общем виде средства ВТ можно подразделять на сверхпроизводи- тельные ЭВМ (системы), ЭВМ общего назначения, малые ЭВМ, микроЭВМ и микропроцессоры. В таблице 6.1 показаны основные области применения различных типов ЭВТ. Необходимо отметить, что успехи в области микроэлектроники и программного обеспечения

Область применения	ЭВМ сверхпроизво­дительные и общего назна­чения	Малые ЭВМ	Микро- ЭВМ	Микропро­ цессоры
1. Решение научно-технических
задач	+
2. Инженерные расчеты сложных
систем	+
3. Обработка планово-экономичес­
кой информации объединения,
отрасли и т. д.	+
4. Информационно-справочные
системы	. +	+
5. Автоматизация проектирования	+	+
6. Автоматизация научных иссле­
дований и испытаний сложных
систем		+	+
7. Автоматизация управления тех­
нологическими процессами		+	+
8. Первичная обработка информа­
ции в местах ее зарождения		+	+
9. Автоматизированные системы
обучения		+	+
10. Встроенные устройства контроля
и управления приборами, маши­
нами, отдельными технологичес­
кими установками			+	+
'11. Блоки и устройства автоматичес­
кой и вычислительной
техники				+

делают приведенное распределение достаточно условным, так как границы между типами машин существенно меняются за 5... 10 лет.
Сверхпроизводительные машины используются для решения осо­бо сложных технических задач, задач обработки больших объемов данных в реальном времени, задач экономического планирования в государственном масштабе. Такие машины должны обладать очень большой производительностью, превышающей 10 млн. операций/с. Повышению быстродействия еще на один-два порядка начинают мешать уже фундаментальные физические ограничения. В самом деле, скорость распространения сигналов в линиях не может пре­вышать скорость света. Поэтому, если на обмен сигналами между двумя устройствами выделяется время, не превышающее 1 не, то максимальное расстояние между устройствами должно быть мень­ше 30 см.
В этих условиях естественным способом дальнейшего увеличения производительности является создание многомашинных или много­процессорных вычислительных систем, позволяющих распаралле­ливать вычислительный процесс. В качестве примера можно указать на многопроцессорную вычислительную систему четвертого поко­ления «Эльбрус-2», созданную под руководством члена-корреспон-
дента АН СССР В. С. Бурцева, которая имеет быстродействие до 100 млн. операций/с. Структура подобной вычислительной систе­мы показана на рисунке 6.1. Особенностью такой структуры яв­ляется введение коммутатора межмодульных связей, который обес­печивает взаимодействие каждого центрального процессорного модуля с одним из модулей памяти или вспомогательным про­цессором управления вводом — выводом. Помимо более высокой про­изводительности многопроцессорные системы обладают и более высокой надежностью, так как система остается работоспособной, пока исправен хотя бы один модуль каждого типа.
Сейчас определяются основные контуры машин пятого поко­ления, в которых должны использоваться СБИС, содержащие до 10. млн. транзисторов на одном кристалле. Предполагают, что быстродействие сверхпроизводительных систем пятого поколения достигнет 100 млрд. операций/с.
ЭВМ общего назначения. Машины первого поколения пред­назначались для решения только научно-технических задач, не требовавших ввода и вывода большого объема информации. Во втором поколении ЭВМ появились специальные машины, ориен­тированные на планово-экономические, учетные и статистические за­дачи, т. е. задачи обработки данных. Эти задачи связаны с вводом, хранением и выводом очень больших массивов цифро-буквенной информации, что привело к существенному расширению количества и типов внешних (периферийных) устройств ЭВМ. В первую очередь к ним относятся внешние запоминающие устройства (ВЗУ) на магнитных дисках и лентах, устройства ввода — вывода информации с перфокарт и перфолент, устройства ручного ввода данных (клави­атуры дисплеев и электрифицированных пишущих машинок) и ввода данных, поступающих по каналам связи (телетайп), устройства отображения и регистрации (дисплеи, печатающие устройства, гра­фопостроители).
Машины третьего поколения в основном разрабатывались и выпускались в виде серий, что позволило комплектовать из стан-

§
Модули
памяти
Коммутатор
межмодульных
связей

Процессоры управления Вводом- - Выводом
~
Qj
гг
о»
S *
I-
§ г
I"
г
и
6.1
3 =J а:

дартных блоков аппаратурных и программных средств такую вычислительную систему, которая необходима для конкретного поль­зователя. Поэтому машины, входящие в единую систему ЕС ЭВМ, оказались пригодными для решения как научно-технических задач, так и задач обработки данных, и их стали называть электронно- вычислительными машинами общего назначения. Эти ЭВМ имеют высокое быстродействие (от десятков тысяч до миллионов операций в секунду), большую оперативную память (сотни тысяч — миллионы машинных слов), многоразрядное машинное слово (4...8 байт) и широкий набор периферийных устройств.
Для обеспечения одновременной работы внешних устройств в состав ЭВМ общего назначения включаются вспомогательные про­цессоры, управляющие каналами ввода — вывода информации (рис. 6.2). При этом мультиплексный канал одновременно обслу­живает несколько параллельно работающих «медленных» пери­ферийных устройств, а селекторный канал предназначается для монопольного обслуживания одного из нескольких быстродействую­щих устройств. Чтобы обмен информацией между модулями ЭВМ и быстродействующими периферийными устройствами протекал с максимально возможной скоростью, используется параллельный способ передачи данных по 45—72-разрядным трактам передачи.
Универсальность машин общего назначения, заключающаяся в большой скорости переработки информации при'больших потоках входных и выходных данных, приводит к повышенной сложности аппаратурных и программных средств, высокой стоимости их про­изводства и эксплуатации. Поэтому такие машины целесообразно применять только для решения достаточно крупных задач (табл. 6.1).
Мини-ЭВМ применяются для решения более простйх, но и более распространенных задач, перечисленных в таблице 6.1. В этих случаях можно ослабить требования к быстродействию, объему оперативной памяти, количеству внешних устройств и скорости обмена информацией с ними; одновременно ужесточаются требова­ния к стоимости производства и эксплуатации ЭВМ, ее массога­баритным параметрам, условиям эксплуатации.
М ини-ЭВМ имеют все характерные черты больших ЭВМ, а отличаются от них в первую очередь меньшей разрядностью трак­тов обработки и передачи информации: 16-разрядные против 32...64- разрядных в ЭВМ общего назначения. Вторым существенным,отли-




а о
•О «О
t—j
СЗ
Qj СХ
е-е
=3 W
сх
Oj
с

Наращивание
памяти

Наращивание .
ПУ (6.3

Общая шина

чием малых ЭВМ от больших является магистрально-модульная структура (рис. 6.3), основу которой составляет общая много­разрядная линия связи (общая магистраль, общая шина). Все устройства машины выполняются в виде конструктивно закончен­ных модулей и подключаются к общей шине, через которую произ­водится обмен информацией.
В результате эти два отличия позволили резко уменьшить объем аппаратурных средств, снизить стоимость, уменьшить габариты и массу, упростить обслуживание и ремонт ЭВМ. Страны — члены СЭВ разрабатывают и производят семейство малых ЭВМ — СМ .ЭВМ, обладающих информационной, программной и аппаратурной совместимостью. Машины этого семейства предназначены для крупносерийного производства и легко приспосабливаются к реше­нию разнообразных задач в различных условиях эксплуатации.
Микропроцессорная техника и микроЭВМ. Развитие техники потребовало максимального приближения управляющих систем к объекту управления. С 1972 г. (начало выпуска первых микроЭВМ) становится типичной ситуация, когда не только отдельный цех или технологическая линия, но даже и отдельный станок или измери­тельный прибор имеет свой центр управления — микроЭВМ. При­менить децентрализованное управление, повышающее надежность и экономичность систем, оказалось возможным только после по­явления достаточно дешевых малогабаритных и универсальных элементных модулей: больших интегральных схем микропроцессо­ров (БИС МП).
Схемы, изготовленные методами интегральной технологии, при массовом производстве оказываются значительно дешевле эквива­лентных им схем, собранных из дискретных приборов. Причем чем сложнее такая схема, тем она дешевле дискретного эквива­лента (для МИС примерно в 5 раз, СИС — 50 раз, БИС — тысячи раз). В то же время чем сложнее ИС, тем уже область ее приме­нения: логический элемент нужен для построения триггера, счетчика, регистра, арифметического устройства, устройства памяти и т. ял счетчик находит уже значительно меньшее применение, а БИС электронных часов вообще имеет единственную область примене­ния. Значит, специализация БИС приводит к сокращению объема производства и, следовательно, к резкому возрастанию стоимости БИС. Применение специализированных БИС становится выгодным

только при высокой серийности изделий, например БИС часов или микрокалькуляторов. Разрешение этого противоречия (высокая степень интеграции — узкая специализация) было найдено в про­изводстве универсальных БИС, логика работы которых опреде­ляется не только внутренними связями, но и подаваемыми извне командами, т. е. программным управлением. Такая стандартная универсальная БИС получила название микропроцессора (МП БИС), так как она получена методами микроэлектронной техно­логии и способна, как и основное устройство ЭВМ — процессор, работать по изменяемой программе. Таким образом, микроэлек­тронная промышленность выпускает ограниченный набор (но зато массовым^ тиражами) универсальных БИС, а потребитель создает из них специализированную систему, используя необходимую для этой системы программу.
МП БИС, вобравшие в себя достижения интегральной техноло­гии и универсальность вычислительной техники, обладают сравни­тельно низкой стоимостью (десятки рублей), высокой серийностью и универсальностью применения. МП БИС в настоящее время стала наиболее совершенной элементной базой для построения самой разнообразной аппаратуры, она пришла на смену ИС, подобно тому, как в свое время транзисторы пришли на смену электронным лампам.
На основе МП БИС строят МП системы или микроЭВМ. Объеди­нив на одной плате большие интегральные схемы микропроцессора, ОЗУ, ПЗУ и устройства управления вводом — выводом, мы получим одноплатную микроЭВМ, стоимость которой будет составлять не­сколько сотен рублей. Структура такой ЭВМ представлена на рисун­ках 1.10 и 6.3.
По своим логическим возможностям и скорости выполнения основных операций микроЭВМ практически не уступает мини-ЭВМ. Однако из-за ограниченного числа выводов корпусов БИС в микро­ЭВМ не удается организовать адресацию большого объема памяти, подключение большого количества внешних потребителей и источ­ников информации, обмен многоразрядной информацией. Поэтому области применения микроЭВМ ограничены задачами, не связан­ными с обменом большими объемами информации.
Внедрение микропроцессоров и ЭВМ на их основе создало реальные возможности использования ЭВТ в сфере народного образования, которая становится одной из областей массового при­менения микроЭВМ. Однако создание массовой вычислительной техники — это, по сути дела, создание персональных ЭВМ (ПЭВМ), которые находятся на нашем рабочем месте. В этом отношении ПЭВМ становятся как бы бытовой техникой, и к ним применимо большинство требований, предъявляемых к сложной бытовой тех­нике: небольшая стоимость, высокая надежность, простота экс­плуатации и ремонта.
Стоимость ПЭВМ не должна существенно превышать стоимости другой бытовой техники (телевизора, видеомагнитофона). Практика показывает, что сложная бытовая техника становится массовой, когда ее стоимость не превышает одно-трехмесячной зарплаты работника. Таким образом, даже на первом этапе развития массовой вычислительной техники ее стоимость должна быть не выше 1000 рублей.
Очевидно, что при массовом внедрении вычислительной техники в школы ее надежность, простота эксплуатации и ремонта должны быть такими, чтобы ее обслуживанием занимался минимальный по численности персонал. К концу 12-й пятилетки в школах должны работать около 500 тыс. ПЭВМ, и во избежание чрезмерно больших затрат материальных и трудовых ресурсов на их эксплуатацию и обслуживание необходимо, чтобы сами ЭВМ были чрезвычайно надежными, а их конструкция и математическое обеспечение позво­лили вести эксплуатацию любому учителю.
Универсальные микроЭВМ, к числу которых относятся и ПЭВМ, все же не являются основным потребителем микропроцессорных БИС. Наибольшее распространение получают специализированные микроЭВМ. Благодаря малой стоимости, массе и габаритам высоко­надежные микропроцессорные системы находят разнообразное при­менение в качестве встроенных устройств контроля и управления различными машинами, технологическими установками, бытовыми приборами, средствами связи и т. п. Обычно специализированная микропроцессорная система выполняет очень ограниченный набор алгоритмов, и поэтому она может иметь небольшой объем ПЗУ и ОЗУ, простое устройство ввода — вывода, малоразрядный процес­сор. В результате специал.изированная система зачастую получается много проще и дешевле универсальной микроЭВМ.
Многообразны типы ЭВТ, значительно отличаются их возмож­ности и параметры. Однако принципы, положенные в основу работы этой техники, едины. Центральным блоком, реализующим переработку информации в любом типе ЭВМ, является процессор. В следующих параграфах мы рассмотрим структурную схему и взаимодействие отдельных узлов и устройств процессора.
$ 6.2. ПРОЦЕССОР. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Центральное место в структуре любой ЭВМ занимает процессор, т. е. устройство, непосредственно осуществляющее обработку циф­ровой информации в соответствии с заданной программой. Любое устройство переработки информации можно разделить на два блока: операционный и управляющий (рис. 6.4).