Архитектура вычислительных систем

Для управления технологическими процессами создан целый ряд мини-ЭВМ. Хотя архитектура этих мини-ЭВМ различна, функции, которые они выполняют в системе управления, остаются неизменными, а это позволяет так унифицировать периферийные устройства, что они оказываются совместимыми с различными типами ЭВМ. Это дает возможность говорить о некотором обобщенном управляющем вычислительном комплексе (УВК). Рассмотрим вкратце основные компоненты уп­равляющего вычислительного комплекса.

1. Центральный процессор (ЦП). Центральный процессор — это ядро ЭВМ; он осуществляет общее управление арифметического процессора-расширителя обеспечивает высо­кую скорость современных, относительно недорогих мини-ЭВМ.

2. Запоминающие устройства (ЗУ). В мини ЭВМ обычно используется несколько типов запоминающих устройств. Оперативная память на магнитных сердечниках имеет время выборки 1 мкс, т. е. является довольно медленной по сравнению с другими устройствами. Однако использование в этом виде памяти свойств ферромагнетиков позволяет сохранять информацию даже при аварии электропитания. Сверхоперативная память на простейших металлоксидных силиконовых полупроводниковых элементах значительно дешевле и имеет время выборки ~500 нс. Сверхоперативная память на более сложных биполярных транзисторных интегральных схемах имеет время выборки еще меньше — до 300 не. Однако оба последних типа запоминающих устройств менее надежны, чем первый, поскольку при авариях по питанию информация в них не сохраняется. Надежная работа этих ЗУ обеспечивается за счет автономных источников питания в виде аккумуляторных батарей. Запоминающие устройства специального назначения, такие, как постоянная и полупостоянная память, обычно используются для хранения стандартных программ пуска, ввода-вывода и т. п., а также для хранения наиболее часто используемых данных. Эти устройства требуют специальной техники для перепрограммирования или изменения записанной в них информации. Запоминающие устройства, как правило, имеют дополнительные разряды для контроля по паритету, что существенно для диагностики отказов и тестирования. В системе PDP 11/55 используются все перечисленные виды памяти. Хотя стандартным способом может быть организована адресация только к 64 К байт (или 32 К слов) памяти, введение разделов памяти объемом до 32 К слов каждый дает возможность адресации к 128 К слов.

3. Внешняя память. В табл. приведены характеристики различных видов устройств внешней памяти для мини-ЭВМ, позволяющих организовать хранение больших объемов данных, при этом, однако, время выборки значительно больше, чем для оперативной памяти. Наиболее дешевым из устройств внешней памяти является накопитель на магнитной ленте, имеющий самое большое время доступа, что объясняется необходимостью перематывать ленту к началу каждый раз при поиске нужных файлов.

Характеристика некоторых запоминающих устройств (данные на 1980 г.)

Впрочем, быстродействие магнитной ленты достаточно для работы с последовательными файлами, такими, как тексты больших программ или банки данных. Значительно более быстродействующими являются накопители на магнитных дисках нескольких разновидностей: диски с фиксированными головками, или магнитные барабаны, диски с подвижными головками, гибкие диски. Обычно диски выполняются в виде съемных пакетов; это позволяет использовать сменные файлы с данными или библиотеки подпрограмм. Диски с фиксированными головками характеризуются небольшой емкостью, но очень малым временем доступа и временем обмена; их выгодно использовать при организации быстрого обмена данными между оперативной памятью и дисковыми файлами. Диски с подвижными головками характеризуются примерно таким же временем обмена, но значительно большим временем доступа; они также имеют значительно большую емкость. Гибкие диски — это очень дешевые устройства, обладающие относительно невысокими показателями функционирования; они широко используются с микроЭВМ.

4. Таймер. Таймер позволяет планировать и выполнять задания в соответствии с определяющими временными параметрами, такими, как интервалы сбора данных, моменты выдачи управляющих воздействий и т. п. Таймер обеспечивает режим разделения времени при работе ЦП с различными периферийными устройствами и абонентами. Каждый раз при запуске ЭВМ в нее вводятся текущее время и дата; после этого счет времени ведется таймером автоматически. Важным средством для организации работы в реальном времени являются прерывания. Каждая из выполняющихся на ЭВМ задач имеет определенный приоритет. При необходимости получить доступ К ЦП (например, для ввода данных) задача выдает прерывание, и если ее приоритет выше, чем приоритет выполняющейся в данный момент задачи, эта последняя будет переведена и состояние ожидания, а выполняться начнет задача, выдавшая прерывание. С помощью аппарата прерываний можно организовывать иерархическую структуру системы приоритетов, что позволяет немедленно выполнять высокоприоритетные задачи (например, вводданных) и откладывать выполнение низкоприоритетных ( например, вывод на печать). Обычно время ожидания для задач, выполнение которых отложено, не превышает долей секунды, что, конечно, не сказывается на качестве обслуживания.

5. Устройство связи с объектом. Устройство связи с объектом предназначено для ввода-вывода аналоговых или цифровых сигналов. Модули для обмена цифровыми сигналами могут вы­полнять параллельную передачу данных с двухсторонней синхронизацией (16-битовый входной и 16-битовый выходной сигналы для 16-битовой ЭВМ) со скоростью обмена, близкой к скорости ЦП, и последовательную передачу данных с односто­ронней синхронизацией с фиксированной скоростью обмена. Двухсторонняя синхронизация обычно используется для организа­ции связи между разными ЭВМ, для связи с мультиплексорами и другими быстродействующими логическими устройствами. Односторонняя синхронизация служит для связи с медленными терминалами, такими, как графические дисплеи. Скорость последовательной передачи данных измеряется в бодах (1 бод = = 10 символ/с). Обычно скорость передачи колеблется от 30 до 960 символ/с в зависимости от типа устройства.

В состав аналоговой части УСО входят преобразователи аналог- цифра (АЦП) и цифра —аналог (ЦАП). АЦП преобразует входной аналоговый сигнал (например, в виде напряжения), лежащий в заданном диапазоне изменения, (например, сигналом, а если таковой отсутствует — с потенциалом земли. При /max = 4096 текущее значение цифрового кода / обычно принимается в интервале —2048 +2047. Для положительных значений разрешающая способность АЦП определяется по формуле: разрешение = 10 В/2047 — 0,00489 В; таким образом, ошибка квантования, определяемая как ±1/2 разрешения, есть ±0,00244 В, а относительная ошибка преобразования оценивается по формуле: относительная ошибка = 0,00244 В/(диапазон измерений, В), так что большую точность можно получить при использовании всей шкалы (т. е. 10 В) за счет добавочного усиления (см. ниже). Скорость АЦП составляет обычно 50 000—100 000 преобразований в секунду; особо быстродействующие модели характеризуются еще большими величинами скорости.

ЦАП является обращением АЦП: на его вход подается целый цифровой код в диапазоне от 0 до 2^N, который и преобразуется в выходное напряжение. 12-разрядный ЦАП (рис. 2.6) имеет диапазон выходного сигнала ±10 В, соответствующий диапазону цифрового кода от —2048 до +2047; таким образом, разрешающая способность и ошибка квантования для него те же, что и у рассмотренного выше АЦП. Масштабирование, необходимое для работы с ЦАП, поясним следующим примером: пусть напряжение выходного сигнала, которое нужно получить с АЦП, равно 3,5 В.

6. Устройства связи с пользователем. В состав УВК входят разнообразные устройства для связи пользователей с вычислительной системой: печать, видеотерминалы, графопостроители и т. д.. К устройствам печати относятся быстрая (знакоcинтезирующая) печать, широкая печать, консольная (пультовая) печать; при этом первое из указанных устройств обладает очень высоким быстродействием, а второе и третье — менее высоким. Для графического представления выходных данных используются различные видеотерминалы и графопостроители. Основные виды видеотерминалов — это дисплеи или устройства индикации данных. Графопостроители позволяют, как правило, получить законченный рисунок.

Для связи с оператором (пользователем) служат консольные устройства печати, видеотерминалы, перфокарты, перфоленты, магнитные ленты. Сюда же можно отнести съемные дисковые пакеты. Для связи на дальние расстояния обычно используется телефонная сеть с терминалом на удаленном передающем конце.

Скорости передачи для рассмотренных устройств приведены в табл. 2.4. Следует отметить, что для современных мини-ЭВМ характерен отказ от перфокарточных устройств для ввода данных и использования для этой цели большого числа недорогих пультов-терминалов, работающих с ЭВМ в режиме разделения времени; это позволяет обеспечить непосредственную связь с программистом при незначительной загрузке ЦП. Аналогично этому перфолента для ввода-вывода и хранения данных все более широко заменяется магнитными лентами и дисками; это объясняется неудовлетворительным качеством и большой сложностью оптикомеханической части устройств перфоввода и перфовывода.

Дата добавления: 2014-01-11