Основы бортовых вычислительных машин
 Скачать 3.2 Mb.
|
|
x x m x = , где x - физическое значение переменной; x представление перемен- ной в БВМ. На основании масштабных соотношений физические выражения 148 преобразуются в машинные. Рассмотрим процесс масштабирования для БВМ с фиксированной запятой на примере решения задачи изме- рения дальности до цели частотным методом. В простейшем случае формула вычислений имеет вид: 2 P c F D a ⋅ = ⋅ , (4.1) где с - скорость распространения радиоволн; а - скорость измене- ния частоты; p изл прм F f f = − - разностная частота (разность частот из- лученного и принятого сигналов). Так как максимальное значение машинных величин не может превышать единицы, то масштабы переменных, входящих в выраже- ние (4.1), можно определить следующими соотношениями: max 1 f m f = , max 1 a m a = (4.2) Масштаб постоянных величин, используемых в выражении (4.1), оп- ределяется следующим образом: 1 1 K m K мл р = − , (4.3) где К - значение константы; 1мл.р- единица младшего разряда (зна- чащая цифра, определяющая точность измерения или записи констан- ты). Максимальные значения физических переменных известны из тактико-технических характеристик РЛС. Следовательно, масштабы имеют конкретные числовые значения. Подставляя в соотношение (4.2) физические переменные, выра- женные через масштабы, и машинные переменные в соответствии с выражением (4.1) получим: 1 2 2 K f изл прм K a m m c f f D m m a ⋅ ⋅ − = ⋅ ⋅ , или 2 изл прм D c f f D K a ⋅ − = ⋅ . (4.4) Выражение представляет собой машинное соотношение задачи измерения дальности частотным способом, в соответствии с которым составляется программа. Все переменные в этих выражениях не пре- вышают единицы. Коэффициент D K является масштабным. 149 Выполнение арифметических операций должно производиться в такой последовательности, чтобы на каждом этапе вычислений не возникало переполнения. Коэффициент D K можно, корректируя масштабы, изменить так, чтобы его значение было равно 2 m ± . Далее вычисляется выражение 2 изл прм c f f D a ⋅ − = ⋅ , которое с помощью операции арифметического сдвига на m разрядов умножается на коэффициент 2 m ± . В этом случае отпадает необходи- мость хранения коэффициента D K в памяти. При составлении программ для БВМ с фиксированной запятой необходимо учесть следующие особенности выполнения арифмети- ческих команд. 1. Перед сложением либо вычитанием операндов их масштабы должны быть уравнены. 2. Для выполнения деления необходимо, чтобы делимое по аб- солютной величине было меньше делителя: показатель степени мас- штаба частного равен разности показателей степеней масштабов де- лимого и делителя. 3. Результат выполнения операции умножения имеет масштаб, равный произведению масштабов множимого и множителя. После подготовки задачи для решения на ЭВМ анализируется логика решения этой задачи и в результате этого анализа составляется структурная схема алгоритма. Алгоритм - это определенная последовательность действий, ма- тематических операций над исходными данными, выполнение кото- рых приводит к получению результата. Алгоритмы можно описывать: словесно, используя математические соотношения; при помощи схем в операторной форме; на алгоритмическом языке. Схема алгоритма представляет собой выполненное в соответст- вии с ГОСТ 19427 графическое изображение операторов и порядка их исполнения. Еще одной особенностью составления программ для БВМ явля- ется необходимость рационального распределения памяти. В отличие от универсальных ЭВМ, в бортовых ЦВМ коды команд могут нахо- диться лишь в долговременной памяти, поэтому массивы команд, ис- 150 ходных данных, окончательных и промежуточных результатов могут находиться в различных блоках памяти. В БЦВМ типа А-15, кроме того, следует использовать различные виды адресации для формиро- вания исполнительного адреса. Применение различных признаков ад- ресации позволяет существенно уменьшить число используемых в программе команд и время ее выполнения. При программировании в кодах команд БЦВМ сначала про- граммирование ведут в условных (символических) адресах, так как заранее не известно, сколько ячеек памяти займет программа. Это не- обходимо еще и потому, что при разработке сложных программ части алгоритма могут программироваться на начальном этапе несколькими исполнителями, а затем состыковываться. Условный адрес представляет собой адрес ячейки массива, от- считанный от некоторого, неизвестного пока, начального адреса, за которым начинается массив, Этот начальный адрес называется базис- ным и обозначается буквой, так как до определенного этапа програм- мирования конкретное значение его неизвестно. Обычно выделяют следующие массивы: массивы команд, массивы исходных данных и констант, массивы промежуточных результатов, массивы оконча- тельных результатов. Каждому массиву присваивают свой базисный адрес. Например, К - базисный адрес команд, С - базисный адрес кон- стант, р - базисный адрес промежуточных результатов, r - базисный адрес окончательных результатов. Условные адреса представляются в виде суммы базисного адре- са и константы (числа и буквы). Например, условный адрес К+1 будет адресом первой команды в массиве команд, условный адрес С + 5 – соответствует пятой кон- станте в массиве констант. Базисным адресам и, соответственно, условным адресам в конце программирования, когда становится известным объем каждого мас- сива, присваиваются численные значения. При использовании условных адресов память БВМ используется более эффективно, поскольку между массивами отсутствуют ячейки памяти, незадействованные при работе программы. Разумеется, не- обходимо помнить об ограниченном объеме памяти и не превышать его. Переход к программированию в истинных адресах осуществля- ется после завершения программирования в условных адресах. В пер- 151 вую очередь принимаются конкретные значения для базисных адре- сов. На этапе отладки проверяется правильность выполнения про- граммой заданного алгоритма и правильность логического и времен- ного взаимодействия частей программы. На этапе эксплуатации про- веряется работоспособность и эксплуатационные характеристики программ в реальных условиях функционирования. Проводятся рабо- ты по внесению в программы необходимых изменений для исправле- ния обнаруженных ошибок, улучшения характеристик и функцио- нальных возможностей, приспособления к изменению состава и взаи- мосвязей оборудования АРЭК, управляемого БЦВМ. 4.5 Общие сведения о системе команд БВМ Машинный язык или совокупность операторов, выполняемых процессором бортовой ЦВМ, составляет систему команд БЦВМ. Сис- тема команд оказывает существенное влияние на структуру и порядок работы процессора БВМ, а также на технические (производитель- ность) и экономические (стоимость) характеристики БВМ в целом. Выбор системы команд БЦВМ осуществляется с учетом следующих основных требований: функциональной полноты системы команд; обеспечения максимальной производительности БЦВМ; минимизации требуемого для хранения программ и данных объ- ема памяти БЦВМ. Требование функциональной полноты системы команд означает возможность создания (написания) с её помощью программ, реали- зующих любой заданный алгоритм управления сопрягаемым борто- вым оборудованием. Требование обеспечения, максимальной производительности БЦВМ приводит к тому, что система команд должна быть ориентиро- вана на реализацию операций, соответствующих предметной области. Требование минимизации объема памяти ЦВМ должно рассмат- риваться аналогично предыдущему. Особенности состава системы команд (СК) рассмотрим на при- мере СК БЦВМ А-15А. В СК БЦВМ А-15А содержится 71 команда. Код операции занимает 6 разрядов в формате команды, поэтому всего возможно сформировать 64 различных кода операции. Не все коман- 152 ды требуют указания адреса операнда, поэтому свободные разряды адресной части команды используются для расширения кода опера- ции. В настоящее время задействовано 59 кодов операции, 5 вариан- тов являются резервными. Все команды разбиты на 12 групп: арифметические операции; логические операции; битовые операции; операции посылок; операции записи; команды управления; операции обмена информацией между регистрами вычислитель- ного устройства; операции ввода-вывода и нормализации; операции вычисления функций; операции установки сигналов; операции над содержимым регистров; специальные команды. В состав арифметических команд входят обычные команды сложения и вычитания, команды сложения и вычитания двойной дли- ны и с замещением, т.е. с записью результата в ячейку ОЗУ, откуда был взят один из операндов. А также команды умножения и деления тоже двух видов: обычные и с округлением. Кроме того, есть команды вычитания модулей и команда опре- деления знака содержимого ячейки памяти. Логические операции обеспечивают выполнение основных опе- раций булевой алгебры: логического умножения, логического сложе- ния и отрицания равнозначности (сложение по модулю 2) над содер- жимым двух многоразрядных слов. Так же как и при выполнении ря- да арифметических операций, существует возможность выполнять все логические операции обычным способом и с замещением. Битовые операции служат для выполнения действий над отдель- ными разрядами слова, адрес которого указан в адресной части ко- манды. При этом возможна установка разрядов в ноль и единицу, а также логическое умножение и логическое сложение заданного раз- ряда слова со значением признака результата ω Операции посылок и операции записи предназначены для по- сылки содержимого заданных ячеек памяти в основные регистры 153 процессора и записи содержимого регистров в память БЦВМ. Команды управления служат для изменения последовательности выполнения операций и содержат команды условного и безусловного перехода. Операция обмена и операции вычисления функций имеют один код операции 16 и обеспечивают пересылку информации между ос- новными регистрами процессора и вычисление функций синус, коси- нус и корень квадратный над аргументом, находящимся в регистре сумматора. Операции ввода-вывода служат для обмена информацией между БЦВМ и устройством ввода-вывода, Операции установки сигналов и операции над содержимым ре- гистров предназначены для изменения значения различных признаков и содержимого регистров, обслуживающих режим прерывания. В состав специальных команд входят: холостая команда (коман- да, не выполняющая каких-либо действий и обеспечивающая задерж- ку вычислений на время выполнения одной команды); команда уве- личения содержимого заданной ячейки памяти на единицу младшего разряда; команда модификации, служащая для изменения следующей за ней команды путем суммирования ее кода с кодом ячейки, адрес которой указан в команде модификации. 154 Глава 5. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА БОРТОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИНМ 5.1 Устройства памяти БЦВМ 5.1.1 Назначение, основные характеристики и классификация запоминающих устройств Запоминающее устройство (ЗУ) - часть вычислительной маши- ны, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации - команд программы, исходных данных, промежуточных и конечных результатов, представленных в виде кодов. Основными характеристиками ЗУ являются емкость и быстро- действие. Под емкостью понимают максимальное количество кодов (ма- шинных слов), которое одновременно может храниться в ЗУ. Каждый код размещается в одной ячейке памяти. Если емкость памяти оцени- вать в битах, то она равна произведению числа ячеек памяти на их длину (разрядность): Q N n = ⋅ , где Q - емкость в битах; N - количество ячеек ; n - разрядность ячеек. Быстродействие характеризуется временем обращения к ЗУ, не- обходимым для записи или чтения информации. При чтении инфор- мации время обращения складывается из времени П t поиска соответ- ствующей ячейки, времени СЧ t считывания и времени В t восстанов- ления (в случае необходимости) ЧТ П СЧ В Т t t t = + + При записи время обращения определяется временем поиска, временем СТ t стирания ранее записанной информации и временем З t записи: ЗП П СТ З Т t t t = + + Практически Ч Т З П T T ≈ Кроме рассмотренных основных характеристик, важными пока- зателями качества ЗУ являются: надежность – способность ЗУ сохранять свои параметры в за- данных пределах при различных условиях эксплуатации; экономичность – стоимость ЗУ, отнесенная к его емкости; габариты и потребляемая мощность. 155 Одновременное увеличение емкости ЗУ, уменьшение его стои- мости и увеличение быстродействия не возможно, так как эти харак- теристики связны между собой прямой или обратной зависимостью. Так чем больше емкость памяти, то, следовательно, и больше время поиска данных. Требования к емкости и быстродействию памяти яв- ляются противоречивыми. Чем больше быстродействие, тем техниче- ски труднее достигается и дороже обходится увеличение емкости па- мяти. Стоимость памяти составляет значительную часть общей стои- мости ЦВМ. Поэтому память организуется в виде иерархической структуры запоминающих устройств, обладающих различными быст- родействием и емкостью. По своему функциональному назначению все ЗУ, используемые в БВМ, можно разделить на следующие группы: сверхоперативные ЗУ (СОЗУ) — представляющие собой набор регистров, содержимое которых непосредственно используется при обработке информации в процессоре; оперативные ЗУ (ОЗУ) — хранящие оперативную информацию (операнды, части программы, требующиеся в процессе работы); постоянные ЗУ (ПЗУ) — предназначенные для длительного хра- нения неизменяемой в процессе работы БВМ информации (программ, микропрограмм, констант); полупостоянные (репрограммируемые) ЗУ (РПЗУ) — по выпол- няемым функциям полностью соответствуют постоянным ЗУ, но от- личаются от последних возможностью относительно быстрой смены одновременно всей хранимой в них информации; внешние ЗУ (ВЗУ) — предназначенные для хранения больших объемов информации с небольшой удельной стоимостью бита храни- мой информации. ВЗУ находятся вне корпуса БВМ. Размещение на борту истребителя ВЗУ нa магнитных дисках, лентах и барабанах, в настоящее время затруднено в связи с тяжелыми условиями функ- ционирования. Поэтому ВЗУ обычно используются при проведении наземных операций, связанных с контролем работоспособности и ди- агностикой БВМ и всего радиоэлектронного комплекса в целом. Запоминающие устройства могут быть реализованы на основе только БИС ОЗУ. Однако потеря информации при отключении пита- ния, более высокая удельная стоимость бита хранимой информации, и ряд других причин привели к широкому использованию постоянных и полупостоянных ЗУ. 156 По способу организации обмена информацией между отдельны- ми ЗУ и процессорами различают ЗУ: с произвольной выборкой (ЗУПВ); с последовательным обращением (ЗУПО) и с последователь- но-параллельной организацией обмена. Подавляющая часть ЗУ БВМ — это ЗУ с произвольной выбор- кой (или с произвольным доступом). Если память не обеспечивает произвольного доступа к любой её части, то это память с последова- тельным доступом, она редко используется в качестве основной па- мяти БВМ. При работе с такой памятью для обращения к нужной об- ласти необходимо предварительно обратиться ко всем областям, ле- жащим между той, к которой произошло обращение в данный мо- мент, и требуемой областью. В последовательной форме хранится информация на магнитной ленте. Последовательный доступ приме- няют для запоминания значительных объемов данных, время обраще- ния к которым не является критичным. Одна из характеристик ЗУ — способность сохранять информа- цию при отключении источников питания. В этом случае различают энергозависимую или энергонезависимую память. В энергонезависи- мой памяти при нарушениях в работе системы питания данные не разрушаются, а в энергозависимой — разрушается. Для современных БВМ наиболее характерно использование опе- ративных запоминающих устройств на униполярных МОП- транзисторах. В некоторых микропроцессорных БВМ находят применение еще два вида полупроводниковой памяти: на приборах с зарядовой связью (ППЗС) и на цилиндрических магнитных доменах (ПЦМД). Оба типа памяти ориентированы на последовательный доступ. Как и другие устройства последовательного доступа, они имеют невысокое быст- родействие, однако позволяют реализовать запоминающие устройст- ва значительно большего объема, чем устройства памяти на биполяр- ных и МОП-транзисторах. Достоинства ППЗС — чрезвычайно малое потребление мощно- сти, простота в применении. Память на ППЗС энергозависима, но ма- лая потребляемая мощность делает возможным сохранение в ней ин- формации с помощью резервных аккумуляторов при отказе на дли- тельное время основного источника питания Для ПЦМД требуется гораздо большее число вспомогательных схем, чем для ППЗС, но она является энергонезависимой. 157 Таким образом, этот тип памяти позволяет реализовать энерго- независимые запоминающие устройства большого объема, для кото- рых не требуются сложные механические лентопротяжные механиз- мы и дисководы. 5.1.2 Оперативные запоминающие устройства Оперативная память относится к памяти с произвольным досту- пом (Random access memory – RAM). По принципу хранения инфор- мации полупроводниковые оперативные ЗУ делятся на динамические и статические. |