Аппаратные средства УЦВМ

Учебная ЦВМ выполняет две основные функции — обработку информации и управление этой обработкой.

Обработка включает передачу данных между элементами, узлами и устройствами УЦВМ и выполнение над ними требуемых машинных операций.

Управление обработкой данных определяет, как обрабатывать эти данные.

Структурная схема УЦВМ (рис. 2) даёт возможность наглядно рассмотреть её работу по выполнению этих двух функций. При этом необходимо учитывать следующие особенности УЦВМ.

Рисунок 2. — Структурная схема УЦВМ.

• 1. Порядок выполнения машинной операции для реализации заданного алгоритма определяется программой. Программа состоит из совокупности определенного числа команд, в каждой из которых содержатся указания о том, какую операцию и над какими исходными данными требуется выполнить. В машине программа представляется кодами команд, которые хранятся в ячейках памяти запоминающего устройства. В процессе работы машины коды команд выбираются из запоминающего устройства и соответствующие им команды исполняются.
• 2. Совокупность действий, совершаемых элементами, узлами и блоками машины при извлечении кода команды из запоминающего устройства и исполнение данной команды, называется циклом работы машины. Цикл работы машины разбивается на такты. В каждом такте выполняется вполне определенное действие (элементарная операция).
• 3. В ЦВМ с естественной выборкой команд выборка кодов команд из запоминающего устройства и исполнение команд осуществляется в порядке номеров ячеек запоминающего устройства, в которых они хранятся. Адрес очередной команды образуется путем увеличения на единицу адреса предыдущей команды. При возникновении необходимости нарушения естественного порядка выполнения команд предусматриваются специальные команды — команды условной и безусловной передачи управления. В этих случаях адрес очередной команды указывается в адресной части команды передачи управления.
• 4. Команды, исходные данные и результаты операций в машине представляются в виде цифровых кодов и хранятся в запоминающем устройстве машины. Если цифровой код из ячейки ЗУ поступает в арифметическое устройство, то он интерпретируется машиной как код числа (код операнда). Эта особенность ЦВМ позволяет в процессе решения задачи внутри машины формировать новые команды.

Состав устройств и принципы функционирования УЦВМ соответствует составу основных устройств и основным принципам функционирования реальных ЦВМ. Она обладает развитой системой индикации состояния элементов и узлов, малой скоростью работы, что позволяет эффективно ее использовать в учебном процессе.

Объем памяти и система команд УЦВМ позволяет реализовать на машине простейшие программы, иллюстрирующие основные приемы техники программирования.

В соответствии с представленной структурой (рис.2) в состав УЦВМ входят следующие основные устройства:

• — запоминающее устройство (ЗУ);
• — арифметическое устройство (АУ);
• — устройство управления (УУ);
• — входное устройство (Вх.У);
• — выходное устройство (Вых.У).

На левой вертикальной панели (рис.2) изображена структурная схема устройства управления, на средней вертикальной панели изображена структурная схема запоминающего устройства, на правой вертикальной панели изображены структурные схемы арифметического устройства и выходного устройства УЦВМ. Все элементы и узлы на структурных схемах содержат индикаторные лампочки.

Запоминающее устройство УЦВМ предназначено для хранения кодов чисел и кодов команд программы и представляет собой адресное ЗУ с произвольным доступом, построенное по одномерной схеме.

В состав ЗУ (рис.2) входят:

• — блок хранения кодов (БХК);
• — группа разрядных формирователей;
• — группа усилителей;
• — группа клапанов (К);
• — триггер восстановления (Тр.В);
• — регистр адреса (РА);
• — дешифратор адреса;
• — группа адресных формирователей.

Блок хранения кодов состоит из пятнадцати ячеек памяти.

Каждая ячейка памяти предназначена для одного семиразрядного кода команды.

Ячейки памяти имеют номера от 12до 11 112. Номер ячейки памяти показывает адрес хранимого в ней кода.

Запись кода в ячейку памяти и считывание кода из ячейки памяти производится в процессе обращения к ЗУ.

Для обращения к определенной ячейки памяти в ЗУ необходимо номер этой ячейки памяти записать на регистр адреса. При этом дешифратор адреса подготавливает к работе один из пятнадцати адресных формирователей, соответствующей требуемой ячейки памяти.

При поступлении по шине из устройства управления сигнала «Обращение к ЗУ» избранный адресный формирователь формирует сигналы, управляющие работой ячейки памяти.

При обращении к ЗУ с целью считывания код с выходов усилителей по кодовым шинам числа КШЧ поступает в устройство управления и в арифметическое устройство. Прием кода в УУ происходит при открытых клапанах К1 в УУ; прием кода в АУ происходит при открытых клапанах К1 в АУ. Кроме того, считанный код с выходов усилителей проходит через открытые клапаны К на разрядные формирователи и вновь записывается (восстанавливается) в ту же ячейку памяти.

При обращении к ЗУ с целью записи клапаны К в ЗУ закрыты, поэтому считанный код никуда не поступает и теряется. На разрядные формирователи подается и записывается в избранную ячейку памяти код, поступающий из АУ по кодовым шинам числа (КШЧ).

Состояние клапанов К в ЗУ определяется состоянием триггера восстановления (Тр.В). Клапаны К открыты при единичном состоянии триггера.

Арифметическое устройство УЦВМ предназначено для выполнения двух арифметических операций (сложения и вычитания) с числами, представленными в форме с фиксированной запятой, и двух посылочных операций — приёма кода в АУ и выдачи кода из него.

В арифметическом устройстве операция сложения и операция вычитания выполняются с использованием операции сложения модифицированных обратных кодов. Число, являющееся результатом выполнения операции, выдается из АУ в ЗУ или в выходное устройство в прямом коде.

В состав АУ входят:

• — регистр числа (РЧ);
• — параллельный накапливающий сумматор (См);
• — пять групп клапанов (K1, K2, К3, К4 и К5);
• — триггер регистра числа (Тр.РЧ).

Знаковый разряд в регистре числа выполнен по схеме одноразрядного накапливающего сумматора, что позволяет при выполнении операции вычитания изменять знак прямого кода вычитаемого. Параллельный накапливающий сумматор, предназначенный для выполнения операции сложения модифицированных обратных кодов, кроме шести числовых разрядов содержат два дополнительных (знаковых) разряда и имеет цепь циклического переноса для передачи единицы переноса из старшего дополнительного (знакового) разряда в младший числовой разряд.

Клапаны K1 используются при приёме прямого кода числа, считанного в ЗУ, на регистр числа. Клапаны K1 открыты при единичном состоянии триггераТр.РЧ.

Клапаны К2 используются для передачи кода из регистра числа в сумматор без изменения цифр в разрядах кода, что соответствует преобразованию прямого кода в модифицированный обратный код для положительного числа.

Пример: [Х2]пр = 0,101 101; [Х2]модпр = 00,101 101.

Клапаны К3 используются для передачи кода из регистра числа в сумматор с изменением цифр в числовых разрядах кода, что соответствует преобразованию прямого кода в модифицированный обратный код для отрицательного числа.

Пример: [Х2]пр = 1,101 101; [Х2]модпр = 11,10 010.

Выбор группы клапанов К2 или K3 при выдаче кода числа из регистра числа на сумматор определяется цифрой в знаковом разряде регистра числа.

Клапаны К4 используются для выдачи числа из сумматора в КШЧ без изменения цифр в разрядах кода, что соответствует преобразованию модифицированного обратного кода в прямой код для положительного числа.

Пример: [Х2]модобр = 00,11 001; [Х2]пр = 0, 11 001.

Клапаны К5 используются для выдачи числа из сумматора в КШЧ с изменением цифр в числовых разрядах кода, что соответствует преобразованию модифицированного обратного кода в прямой код для отрицательного числа.

Пример: [Х2]модобр = 11,11 001; [Х2]пр = 1, 100 110.

Выбор группы клапанов К4 или К5 при выдаче кода числа из сумматора определяется цифрой в старшем дополнительном (знаковом) разряде сумматора.

При выполнении операции сложения модифицированный обратный код первого слагаемого находится в сумматоре, прямой код второго слагаемого принимается на регистр числа и далее через клапаны К2 или К3 передается в сумматор с преобразованием из прямого кода в модифицированный обратный код. В сумматоре выполняется операция сложения модифицированных обратных кодов и образуется модифицированный обратный код суммы.

При выполнении операции вычитания модифицированный обратный код уменьшаемого находится в сумматоре, прямой код вычитаемого принимается на регистр числа, где происходит изменение знака вычитаемого, и далее через клапаны К2 или K3 передаётся в сумматор с преобразованием из прямого кода в модифицированный обратный код. В сумматоре выполняется операция сложения модифицированных обратных кодов к образуется модифицированный обратный код разности.

В АУ вырабатывается сигнал щ, являющийся признаком результата операции. Сигнал щ принимает единичное значение, если результат операция отрицательный. Он снимается с младшего дополнительного (знакового) разряда сумматора и подаётся в устройство управления, где используется при выполнении команды условной передачи управления.

Если в результате выполнения операции сложения или операции вычитания должно быть получено число, абсолютная величина которого превосходит максимальное число, записанное в данной разрядной сетке, то возникает переполнение разрядной сетки и образующийся в сумматоре код не является кодом суммы или кодом разности.

При возникновении переполнения разрядной сетки в дополнительных (знаковых) разрядах сумматора образуются разные цифры (01 или 10), что является признаком переполнения разрядной сетки.

При выполнении посылочной операции «Приём кода в АУ» сумматор переводится в нулевое состояние и далее на него принимается код, поступивший на регистр числа, как при выполнении операции сложения.

При выполнении посылочной операции «Выдача кода из АУ» код результата выдаётся из сумматора в КШЧ через клапаны К4 или K5 с преобразованием из модифицированного обратного кода в прямой код. Код в сумматоре сохраняется.

Устройство управления УЦВМ выполняет две функции:

• 1) формирует адрес очередной команды, извлекаемой из ЗУ и поступающей в УУ для исполнения;
• 2) вырабатывает управляющие сигналы, под воздействием которых происходит извлечение команды из ЗУ и исполнение команды, принятой в УУ.

В устройстве управления УЦВМ используется естественный порядок выборки команд. Адрес очередной команды образуется путём прибавления единицы к адресу предыдущей команды. Для нарушения естественного порядка выборки команд используются команды передачи управления: условный и безусловный переходы.

Интервал времени, в течение которого происходит извлечение и выполнение одной команды, называется циклом работы ЦВМ. Цикл работы УЦВМ при выполнении всех команд имеет постоянную длительность и состоит из восьми тактов. Машина с постоянной длительностью цикла называется синхронной ЦВМ.

В состав устройства управления входят:

• — регистр команд (РК);
• — счетчик команд (СчК);
• — дешифратор кода операции (ДКО);
• — блок управления операциями (БУО);
• — временной распределитель (ВР);
• — генератор тактовых импульсов (ГТИ);
• — триггер пуска (ТрП);
• — триггер регистра команд (ТрРК);
• — пять групп клапанов (К1, К2, К3, К4 и К5).

Регистр команд используется для размещения кода команды, исполняемой в данном цикле. Приём кода команды на регистр команд происходит при открытых клапанах К1. Клапаны К1 открыты при единичном состоянии триггера ТрРК.

Код операции с регистра команд поступает на дешифратор кода операции. При этом на одной из восьми выходных шин ДКО формируется единичный сигнал, определяющий порядок работы блока управления операциями для выполнения данной команды.

Импульсы, управляющие работой всех блоков и узлов машины, вырабатывается генератором тактовых импульсов. Импульсы ГТИ через клапан К5 поступают на временной распределитель. Клапан К5 открыт при единичном состоянии триггера пуска. Временной распределитель состоит из счётчика тактов и дешифратора.

Временной распределитель в каждом цикле работы машины формирует серию из восьми тактовых импульсов. Каждый тактовый импульс формируется на определённом выходе временного распределителя. С выходов временного распределителя тактовые импульсы поступают в блок управления операциями.

Блок управления операциями распределяет тактовые импульсы по определённым управляющим шинам машины, что обеспечивает требуемый порядок работы блоков и узлов машины в течение цикла. Характер распределения тактовых импульсов в БУО определяется кодом операции в команде, находящейся на регистре команд. Тактовые импульсы, распределение которых по управляющим шинам не зависит от вида выполняемой команды, поступают в соответствующие управляющие шины непосредственно с выходов временного распределителя.

Счетчик команд в устройстве управления используется для образования и хранения адресов команд. При естественном порядке выборки команд адрес очередной команды образуется путем прибавления единицы к адресу предыдущей команды. При нарушении естественного порядка выборки счетчик команд сбрасывается в нулевое состояние и на него через клапаны K3 заносится адресная часть команды передачи управления, находящейся в регистре команд.

Клапаны К2 используются для передачи адресной части команды с регистра команд на регистр адреса в ЗУ, клапаны К4 — для передачи адреса команды со счётчика команд на регистр адреса в ЗУ.

С устройством управления связан пульт управления, с помощью которого осуществляется пуск машины и занесение на счётчик команд адреса первой команды программы.

Входное устройство УЦВМ предназначено для ввода прямых кодов чисел и кодов команд программы в блок хранения кодов ЗУ. В УЦВМ используется входное устройство простейшего типа, состоящее из двух групп ключей. С помощью одной группы ключей набирается двоичный номер ячейки памяти, в которую должен быть введён код. С помощью другой группы ключей набирается двоичный код, вводимый в ячейку памяти. Ввод набранного кода в заданную ячейку памяти осуществляется при нажатии кнопки «Ввод».

Выходное устройство УЦВМ предназначено для вывода прямого кода числа, являющегося результатом решения задачи, из машины. В УЦВМ используется выходное устройство простейшего типа, состоящее из регистра выхода (РВ) и группы клапанов К, используемых для приёма на регистр выхода кода числа из сумматора АУ. Клапаны К открыты при единичном состоянии триггера регистра выхода (ТрРВ).