Файл: Основы бортовых вычислительных машин.pdf

135
В принципе АВМ может быть реализована на различных физи- ческих переменных: пневматических, гидравлических, электромеха- нических, электронных и т.д. Достоинством электронных ЭВМ явля- ется их высокая надежность и точность, легкость сопряжения блоков между собой, удобство управления и регистрации решений.
По назначению АВМ делятся на специализированные АВМ, ориентированные на решение нескольких или даже одной задачи, и
АВМ общего назначения, ориентированные на решение широкого круга задач. Специализированные АВМ чаще всего используют в ка- честве управляющих. Такими, например, являлись АВМ коллиматор- ных прицелов самолетов МиГ 23, Су 15 и т.д. В управляющих АВМ соединение решающих блоков фиксировано. АВМ общего назначе- ния и сейчас используют для учебных и научно-исследовательских целей. В таких АВМ для удобства коммутации блоков между собой применяется коммутационное (наборное) поле.
Системы дифференциальных уравнений содержат в основном операции умножения на константу, сложения, интегрирования и дифференцирования. Реализация этих операций обеспечивается пре- цизионным операционным усилителем с различными вариантами об- ратных связей и внешних элементов. На рисунке 4.2 представлены схемы операционных блоков АВМ, выполняющих базовые операции.
Достоинством АВМ является высокое быстродействие, доста- точно высокая точность, возможность построения сравнительно не- дорогих полунатурных моделей без дорогостоящих многоканальных аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей. По сравне- нию с цифровыми аналоговые ЭВМ не универсальны, их возможно- сти ограничены количеством и типом операционных и функциональ- ных блоков, а точность ограничена точностью электрических пара- метров этих блоков. Кроме того, операционные блоки подвержены влиянию внешних факторов, таких, например, как нагрев. Поэтому цифровые ЭВМ находят в настоящее время более широкое примене- ние. В основу построения ЦВМ положен принцип программного управления. Рассмотрим основные положения этого принципа.

136
Рисунок 4.2 – Операционные блоки АВМ.

137 2. В ходе вычислительного процесса в машине циркулирует ин- формация двух видов: числовая, относящаяся к данным решаемой задачи (исходные величины, промежуточные и конечные результаты); управляющая, относящаяся к алгоритму решения задачи.
По форме представления машинное слово, принадлежащее к управляющей информации, нельзя отличить от числа, поскольку ко- дируются они одинаково. Такое единство числовой и управляющей информации позволяет обрабатывать в ЦВМ не только числа, но и управляющие слова, т.е. элементы самого алгоритма.
3. Числовая и управляющая информация в течение всего време- ни реализации алгоритма хранится в памяти ЭВМ. Для хранения еди- ницы машинной информации (машинного слова или байта) служит ячейка памяти. В ЦВМ используется адресный принцип обращения к машинному слову. При этом все ячейки памяти нумеруются. Номер данной ячейки называют ее адресом. Адрес ячейки памяти выполняет роль машинного идентификатора (имени) хранящегося в ней слова.
Для того чтобы занести слово в данную ячейку памяти нужно указать ее адрес. Аналогично при извлечении того или иного слова из памяти нужно указать адрес соответствующей ячейки.
4. Алгоритм решения каждой задачи представляется в машине последовательностью управляющих слов – команд. Команда задает все действия ЭВМ на одном шаге вычислительного процесса, а именно, определяет соответствующую этой команде операцию, а также участвующие в ней операнды. В соответствии с этим двоич- ный код команды должен содержать две части: операционную и
операндную.
В операционной части записан код операции (КОП), выпол- няемой по данной команде.
В операндной части команды помещают сведения об операн- дах. В качестве этих сведений могут выступать адреса соответствую- щих операндов. Поэтому операндную часть команды называют также ее адресной частью.
Алгоритм, представленный в терминах команд, называется программой.
5. Принципиальной особенностью ЭВМ, отличающей ее от лю- бого другого средства автоматизации вычислений, является то, что программа решения задачи помещается в память. Выполнение в ЭВМ

138 вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последователь- ной реализации команд. Порядок прохождения команд однозначно определяется программой. Самой первой выполняется команда, зада- ваемая пусковым адресом программы. Пусковой адрес (обычно это адрес самой первой команды данной программы) задается или с пульта управления ЭВМ или формируется аппаратурно.
Адрес следующей команды однозначно определяется в ходе вы- полнения текущей команды. Процесс вычислений продолжается до тех пор, пока не будет выполнена команда, предписывающая пре- кращение вычислений.
4.3.2 Структура и порядок функционирования цифровых БВМ
Бортовая ЦВМ предназначена для решения фиксированного круга задач, что определяет ее значительную специализацию. Для специализированных ЦВМ характерно наличие особенностей в соста- ве и принципах функционирования. Но из всего многообразия струк- турных схем ЦВМ для рассмотрения общих вопросов примем распро- страненную структурную схему, изображенную на рисунке 4.3.
ША
ШД
ШУ
Рисунок 4.3 Обобщенная структурная схема БЦВМ
БЦВМ
U
пит
F
ги
ОЗУ
Процессор
АЛУ УУ
ПЗУ
УВВ
БП

139
На рисунке 4.3 обозначены: УВВ – устройство ввода-вывода;
ОЗУ-оперативное запоминающее устройство; ПЗУ-постоянное запоминающее устройство;
АЛУ-арифметическо-логическое устройство; УУ-устройство управления; БП-блок питания; ША, ШД,
ШУ – шины адреса, данных и управления.
Устройство ввода-вывода служит для связи машины с объектом управления. Конструктивно УВВ может быть оформлено отдельно от
БЦВМ.
Оперативное запоминающее устройство предназначено, главным образом для хранения информации, поступающей от датчиков, а также промежуточных и конечных результатов. В ОЗУ производится как запись информации, так и считывание из него.
Постоянное запоминающее устройство предназначено для хранения неизменной в процессе эксплуатации информации. К такой информации относятся программы работы БЦВМ и константы, используемые при реализации алгоритмов. Информация записывается в ПЗУ на заводе при его изготовлении и не подлежит изменению в условиях эксплуатации. Для хранения информации, значения которой неизменны для одного или нескольких вылетов, используется долговременное запоминющее устройство, позволяющее и запись, и считывание. Изготовление такого ЗУ является наиболее трудоемким, поэтому его емкость обычно значительно меньше емкости ОЗУ и ПЗУ.
Процессор – основное устройство машины, предназначенное для автоматического выполнения последовательности операций, предусмотренных программой решения задачи.
Процессор бортовой ЦВМ функционально состоит из арифметическо-логического устройства и устройства управления.
АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций над двоичными числами. Устройство управления служит для организации вычислительного процесса в соответствии с заданной программой путем принудительной координации работы всех устройств БЦВМ с помощью управляющих сигналов.
Блок питания обеспечивает формирование питающих напряжений, необходимых для работы всех устройств БЦВМ, а также для генерации серий синхронизирующих сигналов.
В радиоэлектронных комплексах современных истребителях Су-
27 и МИГ-31 используются, соответственно, БЦВМ – Ц-100 (2 шт.),

140
БЦВМ Орбита – 20 и А-15А (К, М). В современных модификациях этих самолетов используются БЦВМ Багет 55-04 и Багет 55-06.
Подробнее их состав и основные характеристики будут рассмотрены в следующих главах.
На рисунке 4.4 приведена упрощенная схема выполнения команд в ЦВМ, иллюстрирующая основные положения принципа программного управления. В соответствии с этой схемой порядок выполнения программ следующий.
+1
Рисунок 4.4 – Схема выполнения команд в БЦВМ
В начальный момент времени (момент включения питания или момент поступления с пульта управления соответствующей команды) в счетчик команд (СчК), предназначенный для формирования адреса текущей команды , поступает пусковой адрес программы. Хранение этого адреса в течение всего времени выполнения команды осуществляется в регистре адреса команд
(РгАК). Адрес команды из РгАК поступает в запоминающее
Управляющие сигналы
Пуско- вой адрес
Р
ез ул ьт ат ы
О
пе ра нд ы
Команда
А
др ес к
ом ан
- ды
Адресная часть
Счетчик команд
(СчК)
Дешифратор кода операции
А Л У
Регистр адреса команд
Регистр команд
Схема формирования адреса числа
Регистр
Адреса числа
ЗУ чисел
ЗУ команд
КОП

141 устройство команд. По этому адресу из ЗУ считывается команда и записывается в регистр команд (РгК), где хранится на протяжении всего времени выполнения команды. С регистра РгК операционная
(КОП) и адресная части по-отдельности поступают, соответственно, в дешифратор кода операции и схему формирования адреса числа.
Дешифратор кода операции обеспечивает формирование набора управляющих сигналов, необходимых для реализации команды. Эти сигналы в дальнейшем поступают на все устройства, задействованные в выполнении команды. Схема формирования адреса по адресной части команды и другим признакам, характеризующим способ формирования адреса, обеспечивает получение адреса числа. В зависимости от размеров адресной части возможно одновременное формирование адресов нескольких операндов. Например, адрес первого слагаемого, адрес второго слагаемого и адрес результата. Хранение сформированного адреса в процессе выполнения команды осуществляется в регистре адреса числа (РгАЧ).
В соответствии с полученными адресами из ЗУ чисел извлекаются сперанды и поступают на арифметическо-логическое устройство. АЛУ обеспечивает необходимые действия над операндами и формирует результат операции. Длительное хранение результата осуществляется в ЗУ чисел. По окончании выполнения команды содержимое счетчика команд автоматически увеличивается на единицу младшего разряда. Таким образом обеспечивается формирование следующего адреса последовательности команд и процесс вычислений продолжается.
Последняя команда последовательности содержит признаки, по которым увеличение содержимого СчК не происходит, следовательно дальнейшие вычисления прекращаются.
4.3.3 Основные характеристики БВМ
Возможности ЭВМ как вычислительных средств определяются совокупностью ее технических характеристик, основными из которых являются операционные ресурсы, емкость памяти и быстродействие.
Операционные ресурсы определяются в основном способом представления информации и системой команд.
Способ

142 представления информации – это множество форм, используемых в машине для представления чисел, логических величин и др. Система команд – это перечень команд, определяющих номенклатуру машинных операций и способов адресации (способов формирования адресов операндов и команд).
Рассмотрим некоторые из характеристик, составляющих операционные ресурсы БЦВМ.
В зависимости от способа обработки и передачи информации различают параллельные и последовательные ЭВМ. В параллельных
ЦВМ обработка информации в процессоре, а также передача ее между устройствами машины производится одновременно по всем разрядам. В последовательных ЦВМ каждое машинное слово обрабатывается в процессоре и передается между устройствами машины поразрядно. Ясно, что при прочих равных условиях быстродействие параллельных ЦВМ выше, чем у последовательных.
Но последовательные ЦВМ характеризуются меньшим объемом оборудования.
По способу управления выполнением операций в процессоре
БЦВМ подразделяют на синхронные и асинхронные. В синхронных
БЦВМ на выполнение каждой операции отводится время, определенное для наихудшего сочетания операндов, пусть даже редко встречающегося. Следующая операция в синхронных БЦВМ не начинается, пока не истечет время, отведенное для выполнения текущей операции, даже если она фактичесчки и завершилась.
Время выполнения каждой операции связано с определенным количеством тактовых
(синхронизирующих) импульсов, вырабатываемых внутренним или внешним генератором.
В асинхронных БЦВМ блоки выполнения машинных операций имеют оборудование для фиксации момента фактического окончания текущей операции и выработки сигнала начать следующую операцию. Современные БЦВМ являются синхронными машинами.
В
БЦВМ применяются различные форматы команд: одноадресные и многоадресные, с фиксированной и переменной адресностью. Используются также различные способы формирования адресов операндов и команд: прямая адресация, относительная, косвенная.
Важными характеристиками БЦВМ являются емкости ее ОЗУ и
ПЗУ. Емкость ПЗУ определяется объемом программ и констант,

143 которые необходимо хранить в нем. Емкость ПЗУ ограничена сверху следующим фактором. Процессор разрабатывается в расчете на работу с адресами длиной в r
ПЗУ
разрядов. При этом предельная ем- кость ПЗУ, доступная процессору, составляет величину Е
ПЗУ
=
2
ПЗУ
r
ячеек памяти. Емкость ОЗУ определяется характером решаемых за- дач, темпом прохождения программ их решения в БЦВМ. По анало- гии емкость ОЗУ равна Е
ОЗУ
=
2
ОЗУ
r
, где r
ОЗУ
– разрядность адреса ОЗУ.
Быстродействие БЦВМ характеризуется скоростью, с которой производится обработка информации. Его определяют либо числом операций, выполняемых в единицу времени, либо временем выпол- нения одной операции.
4.3.4 Форматы представления команд и чисел в БЦВМ
Форматом называется количество и назначение разрядов двоич- ного кода, используемого для записи команд, чисел и адресов цифро- вой ЭВМ. БЦВМ предназначена для выполнения управляющих про- грамм, каждая из которых представляет собой последовательность команд. Команда цифровой ЭВМ должна нести информацию о том, что нужно сделать и над чем будут эти действия производиться. По- этому структура команды представлена операционной и операндной частями (см. пункт 4.3.1). При выполнении двуместных операций, та- ких, например, как операция сложения, операндная часть должна со- держать информацию о месте нахождения первого и второго операн- да или значения этих операндов. В тоже время, результат операции
(сумма) тоже следует разместить по заданному адресу, поэтому в об- щем случае формат команды должен быть трех адресным:
, где КОП – код операции (операционная часть команды);
А1, А2, А3- соответственно, адрес первого и второго операнда и адрес результата.
Если один из операндов для дальнейших вычислений не нужен, его адрес используется для хранения результата. Формат команд, в этом случае называется двух адресным: