Вычислительная техника играет значительную роль в научно-техническом прогрессе нашей страны, способствуя повышению эффективности общественного производства, улучшению качества продукции, росту производительности труда. С каждым годом увеличиваются масштабы применения электронных вычислительных машин (ЭВМ) во всех отраслях народного хозяйства, в связи с чем возрастают требования к характеристикам ЭВМ и, следовательно, к принципам их построения и проектирования.
Цель этой книги, как и ее первого издания, — изложить основные принципы построения и проектирования схем ЭВМ. Однако это издание значительно отличается от предыдущего в следующих аспектах.
В основу методики изложения положен принцип первичности функций в отношении структур, из которого следует, что структура ЭВМ, т. е. конфигурация схем, предопределяется функцией (назначением) ЭВМ. Этот принцип предопределил порядок изложения материала в книге. В отличие от традиционного подхода, когда принципы построения и проектирования ЭВМ начинают рассматриваться от элементов и заканчиваются описанием ЭВМ как целого, материал излагается в обратном порядке: сначала выявляются функции ЭВМ, которые затем детализируются до отдельных устройств, узлов и, наконец, до элементов. Такой порядок изложения представляется наиболее результативным, поскольку, во-первых, совпадает с порядком проектирования ЭВМ и, во-вторых, упрощает изучение основ вычислительной техники, так как в этом случае каждое схемотехническое решение воспринимается как необходимое, предопределенное предыдущими решениями.
Для унификации многочисленных структурных решений, применяемых в инженерной практике, используются понятия операционного устройства и интерфейса. Эти понятия вводятся на функциональном уровне и соответствуют преобразователю дискретной информации с произвольной функцией и алгоритму обмена информации между устройствами. Столь широкое толкование указанных понятий создает основу для построения методики проектирования разнообразных операционных устройств, в частности процессоров, каналов ввода—вывода и контроллеров внешних устройств ЭВМ.
В основу проектирования операционных устройств различного назначения положен принцип функционального микропрограм-
мирования и представления устройства как композиции операционного и управляющего автоматов. При этом содержание термина микропрограммирование расширено по сравнению с традиционным. В этой книге микропрограммирование понимается как способ описания функций операционных устройств безотносительно к техническим средствам, используемым для их реализации. Такое толкование микропрограммирования позволяет формализовать синтез структур любых операционных устройств независимо от способа управления работой устройства. Наиболее детально описываются принципы структурной организации операционных автоматов,1'формализованные методы синтеза которых только начинают разрабатываться. Следует отметить, что принципы построения и методы проектирования операционных и управляющих автоматов являются той основой, на которой базируется теория и практика проектирования большей части устройств ЭВМ.
В инженерной практике используется широкая номенклатура устройств, каждое из которых может быть реализовано большим числом способов. Естественно, что в рамках книги, затрагивающей обширный круг вопросов вычислительной техники, невозможно даже перечислить все многообразие способов построения ЭВМ и устройств. По этой причине основное внимание уделялось изложению общих принципов и основополагающих вариантов схем, а частные случаи использовались только для их иллюстрации.
Авторы стремились излагать материал в наиболее доступной форме и поэтому намеренно опускали из рассмотрения отдельные детали, которые могут оказаться в какой-то степени существенными при практическом применении описываемых схем и методов. Предполагается, что читатель знаком с двоичной арифметикой, булевой алгеброй, основами теории автоматов (переключательных схем) и программирования.
Авторы глубоко благодарны всем, кто прислал свои замечания по первому изданию книги, и с признательностью примут новые отзывы и замечания, которые просим направлять в адрес Ленинградского отделения издательства «Машиностроение».
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие . . . . '9....................... 3
Введение.............................. 5
Глава 1. Принципы построения и функционирования ЭВМ..... 1^
1.1. Основные факторы, влияющие на принципы построения ЭВМ —
1.2. Принцип программного управления............ 11
1.3. Состав и порядок функционирования ЭВМ ........ 15
1.4. Организация машинной памяти.............. 17
1.5. Основные характеристики ЭВМ.............. 21
1.6. Классификация ЭВМ................... 29
1.7. Критерии эффективности ЭВМ .............. 34
1.8. Номенклатура ЭВМ................... 37
Г л а в а 2. Функциональная организация ЭВМ ........... 41
2.1. Понятие функциональной организации ЭВМ........ —
2.2. Машинные элементы информации............. 42
2.3. Представление данных в ЭВМ .............. 46
2.4. Машинные операции................... 53
2.5. Способы адресации информации.............. 60
2.6. Форматы команд..................... 70
2.7. Функциональная организация ЭВМ обшего назначения ... 75
2.8. Функциональная организация мини-ЭВМ.......... 85
Глава 3. Функциональная организация мультипрограммных ЭВМ 91
3.1. Режимы работы ЭВМ................. —
3.2. Средства мультипрограммирования............. 9о
3.3. Функции управляющих программ............. "°
3.4. Привилегированные операции и состояния процессора . . . JOO
3.5 Организация прерывания программ............ |01
3.6 Средства защиты памяти................. IWo
Глава 4. Принципы структурной организации ЭВМ ..,....• '"
4.1. Понятие структурной организации ЭВМ ......,..•
4.2. Классы устройств ЭВМ.................. ТТ
4.3 Концепция интерфейса.................. '!?
4.4. Концепция единого интерфейса и канала ввода—вывода. . • Jjjj
4.5. Структура ЭВМ общего назначения . . . . . ... j'j*
4.6. Структура мини- и микро-ЭВМ............. '
4.7. Состав и характеристики устройств ЭВМ, работающих в реаль-ном масштабе времени........ •
4.8. Состав и характеристики устройств ЭВМ для пакетной обра- „ ботки задач .......................
382
Глава 5. Организация ввода—вывода информации........ . 133
5.1. Организация ввода—вывода информации в ЭВМ общего назначения ....................... —
5.2. Команды ввода—вывода ЭВМ общего назначения ..... 134
5.3. Программы каналов ввода—вывода............ 136
5.4. Интерфейс ввода—вывода................. 139
5.5. Операции ввода—вывода в мини-ЭВМ........... 142
5.6. Команды ввода—вывода и интерфейсы программного обмена
и прямого доступа к памяти............... 143
5.7. Единый интерфейс.................... 148
Глава 6. Принцип микропрограммного управления и структура операционных устройств.................. 151
6.1. Принцип микропрограммного управления......... —
6.2. Концепция операционного и управляющего автоматов . . , . 152
6.3. Влияние систем микроопераций и логических условий на характеристики операционных устройств ......... 153
6.4. Задача проектирования операционных устройств и концепция функционального микропрограммирования....... 159
6.5. Язык функционального микропрограммирования (Ф-язык) 160
6.6. Функции операционного и управляющего автоматов .... 175
6.7. Время выполнения микропрограммы........... 180
Глава 7. Структурная организация операционных автоматов .... 186
7.1. Структурный базис операционных автоматов........ —
7.2. Каноническая структура операционного автомата ..... 193
7.3. Обеспечение устойчивости функционирования операционных автоматов........................ 202
7.4. Эквивалентные микрооперации и обобщенные операторы . . 205
7.5. Структурная организация и синтез 1-автоматов....... 208
7.6. Структурная организация и синтез М-автоматов...... 210
7.7. Структурная организация и синтез IM-автоматов ..... 222
7.8. Использование запоминающих устройств в памяти автомата
и класс S-автоматов................... 229
Глава 8. Операционные элементы................. 231
8.1. Операционные элементы комбинационного типа...... —
8.2. Формирователи кодов и сдвигатели ........... 239
8.3. Комбинационные сумматоры............... 241
8.4. Комбинационные счетчики................ 250
8.5. Вычисление значений логических условий......... 254
8.6. Дешифраторы, шифраторы и преобразователи кодов . . . 257
8.7. Комбинационные схемы на программируемых логических матрицах........................ 265
8.8. Операционные элементы накапливающего типа...... 270
8.9. Сдвигающие регистры.................. 276
8.10. Накапливающие счетчики................ 279
8.11. Накапливающие сумматоры............... 284
Г л а в а 9. Управляющие автоматы с жесткой логикой........ 286
9.1. Интерпретация микропрограммы автоматом с памятью ... —
9.2. Принципы структурной организации автоматов ...... 292
9.3. Эффект гонок в автоматах ................ 297
9.4. Канонические методы структурного синтеза автоматов .... 302
383
Глава 10. Управляющие автоматы с программируемой логикой. . • 311
10.1 Принцип управления по хранимой микропрограмме . . . . —
10.2. Кодирование микроопераций............. . . 315
10.3. Адресация микрокоманд................. 321
10.4. Структурные методы повышения быстродействия автоматов 329
10.5. Сравнение характеристик управляющих автоматов с жесткой
и программируемой логикой............... 332.*
Глава 11. Организация машинной памяти............. 334
11.1. Запоминающие устройства................ —
11.2. Функции устройств управления внешними ЗУ ...... 343
11.3. Концепция многоуровневой памяти . . . ........ 349
11.4. Организация оперативной памяти............. 352
11.5. Буферные (сверхоперативные) запоминающие устройства 358
11.6. Организация виртуальной памяти............ 369
Список литературы........................ 37
