книги из ГПНТБ / Журавлев, Ю. П. Системное проектирование управляющих ЦВМ

ляющим ЦВМ и критерии их оценки. Вторая и третья главы посвящены одной из важнейших технических ха­ рактеристик—внутреннему языку цифровой машины как совокупности системы операций, системы адресации и системы форматов команд. Во второй главе излагается аппарат формальной методики выбора внутреннего языка машины, а в третьей приводятся варианты техни­ ческих решений ЦВМ с внутренним языком, обладаю­ щим расширенными возможностями за счет широкого использования принципов относительной адресации. Четвертая глава посвящена другой важнейшей техни­ ческой характеристике управляющих ЦВМ — разрядной сетке операндов и устройств. В этой главе излагаются методы расчета разрядной сетки машины, обеспечиваю­ щей заданную точность результатов обработки входной информации. В пятой главе предпринимается попытка описать методику обоснования архитектуры системы памяти, а также методику выбора и расчета емкостей ос­ новных типов ЗУ. В шестой главе рассматриваются ме­ тоды обоснования и расчета таких технических харак­ теристик цифровых машин, как адресность, система счисления, система контроля, быстродействие и др. На­

ЦВМ, и предлагается последовательность выбора и рас­ чета их основных технических характеристик. Приводит­ ся пример.

Автор стремился сделать книгу доступной для воз­ можно большего круга читателей и хоть в какой-то мере восполнить пробел в литературе по этой теме. Приводи­ мые примеры просты и наглядны и не затенены много­ численными второстепенными деталями. По мнению автора, книга может заинтересовать специалистов, рабо­ тающих в области цифровой техники.

Автор выражает благодарность С. И. Ломареву, Л. В. Павлюченко и Ю. С. Акиньшину за помощь, ока­ занную ими при подготовке рукописи этой книги. Па­ раграф 3,4 написан автором совместно с С. И. Ломаревым, а § 5.2 — совместно с Ю. С. Акиньшиным..

ВВЕДЕНИЕ

Управляющие ЦВМ с каждым годом находят все большее применение в автоматизированных системах управления (АСУ), и этот процесс закономерен. По сравнению с обычными универсальными вычислитель­ ными машинами управляющие ЦВМ имеют ряд принци­ пиальных особенностей, основными из которых являются: богатое разнообразие функций управления, описываемых определенными алгоритмами, при их относительной неиз­ менности в течение всего периода эксплуатации АСУ; управление объектами системы в реальном масштабе времени; необходимость обмена информацией с большим количеством внешних объектов — датчиков и потребите­ лей информации; высокие требования к точности пред­ ставления результатов решения задач управления и на­ дежности функционирования.

Количество различных функций управления зависит от состава и назначения АСУ. В сложных системах уп­ равления одна и та же ЦВМ используется для управле­ ния множеством разнотипных объектов управления, каждый из которых выполняет вполне определенную функцию. В то же время изменение функций объектов управления конкретной системы в процессе ее эксплуа-. тацпи не происходит, что приводит к неизменности со­ ответствующих программ управляющей ЦВМ.

Необходимость управления объектами системы в ре­ альном масштабе времени объясняется самой природой АСУ. Длительность решения задач управления объекта­ ми системы и темп обмена информацией между ними и управляющей ЦВМ должны выдерживаться в соответ­ ствии с характером работы и текущим состоянием уп­ равляемых объектов. Обработка информации и оценка внешнего возмущающего воздействия на АСУ должны осуществляться с более, высокой скоростью по сравне­ нию со скоростью реально протекающих процессов, что­ бы имелся запас времени для определения стратегии поведения управляемых объектов, выработки управляю­ щих сигналов, а также контроля функционирования, устранения неисправностей, переключения па резерв и т. д.

Другая особенность работы управляющих ЦВМ за­ ключается в том, что они должны за ограниченное вре­ мя не только решать большое количество разнообраз-

ных задач управления, но и осуществлять обмен инфор­ мацией с датчиками и потребителями информации. Асин­ хронность работы объектов управления приводит к тому, что информация от этих объектов и запросы на решение соответствующих задач поступают в управляющую ЦВМ в случайные моменты времени, последовательность ко­ торых заранее неизвестна.

Высокие требования к точности и надежности рабо­ ты управляющих ЦВМ объясняются высокой степенью автоматизации процессов управления в ряде систем и особой важностью функций, выполняемых объектами управления. Действительно, если отказ ЦВМ широкого назначения, используемой для решения задач, не свя­ занных с реальным масштабом времени, приводит к не­ обходимости повторного решения, то отказ управляю­ щей ЦВМ или потеря точности результатов по другим причинам в некоторых случаях равносилен отказу всей системы и может привести к тяжелым последствиям.

Перечисленные особенности управляющих ЦВМ пре­ допределяют специфику предъявляемых к ним требова­ ний по характеру, темпу, точности и надежности реше­ ния задач управления объектами автоматизированных систем и накладывают отпечаток на процесс разработки и проектирования подобных машин.

Начальный этап разработки управляющей ЦВМ для некоторой конкретной автоматизированной системы уп­ равления— этап системного проектирования, когда на основе требований, предъявляемых к управляющей ма­ шине и АСУ в целом, определяется ее будущая архи­ тектура,— должен осуществляться в тесной зависимости от последних. Архитектура машины определяется сово­ купностью ее основных технических характеристик: вну­ тренним языком, разрядностями операндов и устройств их обработки и хранения, иерархией и емкостью памяти, быстродействием, системой контроля, системой счисления и т. д. Таким образом, на этапе системного проектиро­ вания проводятся обоснование и выбор такой совокупно­ сти основных характеристик машины, которая привела бы к созданию ЦВМ, наиболее приспособленной к реше­ нию задач управления объектами системы.

Вопросам системного проектирования управляющих ЦВМ и посвящается эта книга.

Одной из первых должна быть названа проблема определения наиболее рациональной совокупности основ­ ных технических характеристик ЦВМ:—быстродействия, емкостей оперативных и внешних запоминающих устройств, разрядности, адресности, системы команд, скоростей работы устройств ввода и вывода информации

идр., — наилучшим образом удовлетворяющей комплек­ су предъявляемых к машине требований. Определение основных технических характеристик проектируемой управляющей ЦВМ является длительным и сложным де­ лом, поскольку для этого требуется разработка экспери­ ментальных алгоритмов и программ с последующим их анализом и оценкой.

При изучении этой проблемы важен системный под­ ход, когда проектируемая управляющая ЦВМ рассмат­ ривается как сложная система управления. Всякая сис­ тема управления представляет собой совокупность ди­ намически связанных объектов, согласованное функцио­ нирование которых в реальном времени подчинено стремлению выполнить некоторую вполне определенную функцию. Эта функция отражает поведение (обобщен­ ную траекторию) системы в зависимости от характера как внешней по отношению к системе информации, так

иинформации о ее состоянии в текущий момент времени

и, в свою очередь, входят в более сложные системы уп­ равления.

Иерархии управляющих систем соответствует иерар­ хия целевых функций. Функционирование систем более высокого порядка сложности описывается соответственно более сложными целевыми функциями.

В процессе изучения систем управления возникают весьма сложные проблемы научного обоснования и фор­ мулирования как целевых функций систем, так и крите­ риев оценки качества их функционирования. К сожале­ нию, целевые функции сложных систем не всегда подда­ ются строгому математическому описанию, поскольку взаимодействие системы с внешней средой определяется большим количеством трудно учитываемых факторов. Реальная система обладает рядом технических характе­ ристик (параметров), таких как скорость выполнения тех