Основы бортовых вычислительных машин
 Скачать 3.2 Mb.
|
|
а- масштабирующий усилитель; б- масштабирующий сумматор; в- интегросумматор; г- блок дифференцирования 4.3 Состав и принцип работы цифровой БВМ 4.3.1 Принцип программного управления БЦВМ Бортовая ЦВМ представляет собой автоматический преобразо- ватель дискретной информации, построенный по принципу про- граммного управления. Основными положениями принципа про- граммного управления являются. 1. Информация для ЦВМ кодируется в двоичной форме. Ма- шинной единицей информации является слово. Оно обрабатывается в машине как одно целое. Но, как и в обычной практике, машинное слово можно разбить на слоги, которые состоят из букв. При двоич- ном кодировании информации алфавит состоит из двух букв: 0 и 1. Место, занимаемое буквой в записи машинного слова, называют разрядом. В одном разряде содержится один бит информации. Со- временные БЦВМ работают со словами, длина каждого из которых (общее количество разрядов в слове) кратна 8 битам, т.е. байту. 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: 144 Возможности вычислительной машины по обработке информа- ции во многом определяются её системой команд, т.е. тем какие ко- манды "умеет" выполнять данная БЦВМ. Состав системы команд со- временных БЦВМ от 64 до 256 различных команд. Таким образом, двоичный номер команды (код операции) должен содержать от 6 до 8 разрядов. Если емкость памяти Е=64 К слов, то для кодирования ад- реса требуется 2 int(log ) n Е = =16 разрядов. Поэтому даже для двух- адресной команды требуется от 38 до 40 разрядов. Чтобы уменьшить занимаемое одной командой количество разрядов памяти в структуре процессора БЦВМ для хранения одного из операндов используется специальный регистр. В БЦВМ типа "Орбита" это регистр накопи- тель (РН), а в БЦВМ типа A-15 - регистр сумматора первый (PrC1). Формат команды в этом случае состоит из КОП и адреса второго опе- ранда: Дальнейшее уменьшение числа разрядов команды возможно, ес- ли в операндной части команды приведен не весь адрес, а только его часть. Полный адрес в этом случае формируется по правилам, опре- деляемым специальным двоичным кодом, называемым признаком ад- ресации (ПА). В таблицах 4.1,4.2 приведены форматы команд изучаемых БЦВМ. Таблица 4.1- Формат команд БЦВМ A-15A 0-я триа- да 1-я 2-я 3- я 4-я 5-я 6-я Нумерация разрядов ко- манды А Б В 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Функцио- нальное на- значение Признак адреса- ции (ПА) Код операции (КОП) Адресная часть (смещение) 145 Таблица 2- Формат команд БЦВМ Орбита 10(20) 0-я 1-я триада 2-я 3-я 4-я 5-я Нумерация разрядов ко- манды 15 14 12 13 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Функцио- нальное на- значение ПМ Код операции (КОП) Адресная часть Обозначение ПМ, используемое в формате команд БЦВМ Орби- та-10, означает "признак модификации" и характеризует способ фор- мирования адреса. О способах формирования адреса подробно будет рассмотрено в следующей главе. Формат команд БЦВМ Ц-100 соответствует формату трехадрес- ных команд и в общем случае содержит три поля, каждое из которых состоит из одного или нескольких байтов: поле кода операции; поле, содержащее описание данных и указание о размещении результата; поле меток. Поле кода операции состоит из одного байта, в котором записы- вается номер операции (команды). Один байт кода операции позволя- ет закодировать 256 команд, хотя все коды пока не использованы. В БЦВМ с целью уменьшения аппаратурных затрат на реализа- цию АЛУ применяются машинные двоичные коды для представления чисел. Обычно положительные числа представляются в виде пра- вильных дробей в прямом коде, а отрицательные – в дополнительном. Формат чисел показан в таблице 4.3. Таблица 4.3- Формат чисел 0-я 1-я триада 2-й 3-я 4-я 5-я Нумерация раз- рядов числа 0 1 2 3 4 5 6 7 6 9 10 11 12 13 14 15 Назначение Знак Мантисса числа Наименьшее число, представимое в разрядной сетке: 0,00...01= 2 -15 . В разрядной сетке могут быть представлены числа в диапазоне от - (1 – 2 -15 ) до –2 -15 и от +2 -15 до + (1 – 2 -15 ). Числа меньше 146 2 -15 не могут быть изображены в разрядной сетке и принимаются рав- ными нулю (число выходит за разрядную сетку вправо). Все числа большие 1-2 -15 также не могут быть представлены в принятой разряд- ной сетке. Такое число выходит из сетки влево (переполнение раз- рядной сетки), и его старшие разряды (разряды слева от запятой) те- ряются. Поскольку в этом случае результат вычислений оказывается неверным, поэтому при переполнении происходит автоматическая ос- тановка машины либо формируется сигнал прерывания программы. Для исключения переполнения разрядной сетки при программи- ровании задачи данные, участвующие в вычислениях, берутся с соот- ветствующими масштабными коэффициентами. При научно-технических расчетах масштабирование оказывает- ся более простым, если все числа по модулю должны быть меньше 1, т.е. запятая фиксирована перед старшим разрядом числа, а масштаб- ные коэффициенты представляются в виде 2 i Использование представления чисел с фиксированной запятой позволяет упростить схемы машины, повысить ее быстродействие, но создает трудности при программировании. В изучаемых БЦВМ реализовано представление чисел с фикси- рованной запятой. 4.4 Особенности программирования в кодах команд БВМ Бортовые цифровые вычислительные машины и системы явля- ются управляющими и предназначены для реализации соответствую- щих алгоритмов управления системой "летательный аппарат - борто- вое оборудование - оружие" в реальном или форсированном масшта- бе времени. Решение задачи в реальном масштабе времени означает получение результата вычислений до существенного изменения ис- ходных данных. В еще более ускоренном, опережающем темпе, но с соблюдением требований по точности в так называемом форсирован- ном масштабе времени, решаются задачи экстраполяции: прогнозиро- вание фазовых координат цели, собственного ЛА, развития процесса функционирования различных бортовых систем и подсистем. Реализация алгоритмов в реальном, а тем более в форсирован- ном масштабе времени, предъявляет высокие требования к быстро- действию вычислительных систем, экономичности численных мето- дов решения и внедрению специальной пакетно-приоритетной систе- 147 мы организации вычислительного процесса. В связи с изложенным, разработка программного обеспечения БВМ принципиально отличается от технологии создания программ для ЭВМ общего назначения, реализуемых не в реальном масштабе времени и обычно на языке высокого уровня. Процесс подготовки задач для решения на БВМ можно разде- лить на следующие основные этапы: формализация поставленной задачи (математическая формули- ровка задачи); выбор численных методов решения; масштабирование и составление машинных соотношений; составление структурной схемы алгоритма решения задачи; распределение памяти; составление программы в условных и истинных адресах; отладка программы и ее эксплуатация. Математическая формулировка задачи представляет собой взаимосвязь реальных физических величин, исходных данных и ре- зультатов вычислений. В процессе разработки формульных зависимо- стей ставится вопрос о замкнутости (определенности) получаемых систем уравнений, решается, какая информационная поддержка по- требуется для разработанного алгоритма, формируется структура управляющей системы. Выбор численных методов решения задачи для бортовых управ- ляющих ЦВМ предполагает замену громоздких классических выра- жений (интегралов, дифференциальных уравнений и т.д.) экономич- ными по операциям, точными и быстродействующими формулами. При этом необходимо упрощать до разумного предела, соблю- дая требования точности, математическое описание задачи. БВМ оперирует с информацией, представляемой, главным обра- зом, правильными дробями с ограниченной разрядной сеткой. В этом случае все физические величины решаемой задачи представляются в БВМ в некоторых масштабах. Масштаб представляет собой следую- щее соотношение: |