Архітектура ЕОМ БЕСМ-6

З книги Л. Н. Королева "Структури ЕОМ та їх математичне забезпечення "

Ми виділили опис машини БЕСМ-6 в окремий розділ з тієї причини, що ця машина займає особливе місце у розвитку вітчизняної обчислювальної техніки. Принципи, закладені в основу її структурної організації, не втратили свого значення до сих пір. Машини БЕСМ-6 і обчислювальні комплекси, створені на їх основі, до цих пір інтенсивно використовуються в науково-дослідних інститутах, центрах обробки інформації, які вирішують найбільш важливі для народного господарства, науки і оборони завдання. За час більше 10-річного використання цієї машини накопичено величезну за складом, надзвичайно важливе за значимістю математичне забезпечення, сконцентровані в себе кращі досягнення радянських вчених у галузі обчислювальної математики, програмування, рішення задач проектування складних об'єктів, в області вирішення завдань, пов'язаних з освоєнням космічного простору.

Розробка машини БЕСМ-6, головний конструктор якої академік С. О. Лебедєв і заст. головного конструктора В. А. Мельников, була закінчена наприкінці 1966 р. Машина вступила в дію в 1967 р.

БЕСМ-6 має низку цікавих особливостей по організації віртуальної (математичної) пам'яті, за прийнятим в її структурі принципом "водопроводу", з організації захисту пам'яті, переривань, за організації зв'язку із зовнішніми пристроями і каналами.

Машина БЕСМ-6 - швидкодіюча машина, що виконує близько 1 млн. одноадресних операцій в секунду. Вона виконана на напівпровідниках, на елементної бази, що допускає високу частоту перемикань (основна тактова частота - 10 Мгц). За своїм структурним характеристикам і архітектурі машина БЕСМ-6 цілком може бути віднесена до машин 3-го покоління, хоча вона й виконана не на інтегральних схемах, а на "навісних" деталях, тобто на технологічній основі машин другого покоління.

Основна мета, яку переслідували автори проекту машини БЕСМ-6, була така: створити швидкодіючу серійну машину, порівняно дешеву, що задовольняє найбільш важливим сучасним вимогам з точки зору автоматизації програмування та розвитку операційних систем, оснащену що були в той час у вітчизняному серійному виробництві зовнішніми пристроями, що запам'ятовують і пристроями вводу-виводу. Машина призначалася для використання у великих обчислювальних центрах для вирішення наукових і економічних завдань, що потребують великого обсягу обчислень.

Як показав час, ця мета була досягнута. Машина БЕСМ-6 виробляється серійно, і коло замовників цієї машини продовжує зростати. Сферами її застосування виявилися науково-дослідні інститути, університети, великі конструкторські бюро.

Основні технічні характеристики машини БЕСМ-6 такі:

Швидкодія - близько 1 млн. операцій/сек.;

обсяг оперативної пам'яті - від 32 до 128 тисяч машинних слів;

час виконання складання з плаваючою комою - 1,1 мксек;

час множення - 1,9 мксек;

час поділу - 4,9 мксек;

час виконання логічних порозрядним операцій - 0,5 мксек.

Робота арифметичного пристрою сполучена з вибіркою операндів з пам'яті.

Розрядність машинного слова - 48 двійкових розрядів.

Обсяг проміжної пам'яті на магнітних барабанах -- 512 тисяч слів.

До центрального процесора можуть бути підключені 32 стрічкопротяжних механізму, кожен ємністю до 1 млн. слів. До складу ввідних-вивідних пристроїв входять два алфавітно-цифрових друкувальних пристрої (400 рядків у хвилину), два пристрої виведення на перфокарти (ПІ-80), чотири пристрої виведення на перфострічці, чотири пристрої введення з перфострічки, два пристрої введення з перфокарт (ВУ-700 або УВвК-601), 24 телетайпа.

До БЕСМ-6 можливе підключення дисків та графобудівники, однак у комплектацію машин, що надійшли з заводу-виробника до 1970 р., це важливе обладнання не входило. У комплектацію серійних машин БЕСМ-6 диски були включені лише в 1972 р.

Структурні особливості машини БЕСМ-6

Для того щоб досягти необхідного балансу між високою швидкістю виконання арифметичних і логічних дій в центральному процесорі і обмеженим швидкодією блоків оперативного феритового пам'яті (час циклу роботи кожного блоку - 2 мксек), були зроблені наступні заходи у структурній організації. Оперативне запам'ятовуючий пристрій складається з восьми блоків, що допускають одночасну вибірку інформації (командних слів і операндів), що різко підвищує ефективне швидкодію системи пам'яті. Підряд йдуть фізичні адреси пам'яті відносяться до різних блоках, і якщо виявилося, наприклад, так, що послідовно вибирані операнди мають послідовно зростаючі (убуваючі) адреси, то вони можуть вибиратися з середньою швидкістю, що дорівнює 2 мксек/8 = 0,25 мксек.

У реальних програмах, звичайно, далеко не завжди проводиться послідовна вибірка операндів, і насправді ефективне швидкодію пам'яті не досягає зазначених кордонів. У припущенні, що запити до восьми блоків пам'яті йдуть в хаотичному порядку (рівноймовірно розподіл номерів запитів), ефективне швидкодію оцінюється формулою

,

де Т - час циклу одного блоку пам'яті і n - число паралельно працюючих блоків.

Наведені вище формули показують значення методу "запараллеліванія" блоків пам'яті для отримання виграшу в ефективному швидкодії.

У реальних програмах закони вибірки адрес вельми складні, і для них важко підібрати відповідний закон розподілу. Тому при конструюванні БЕСМ-6 була проведена велика робота з моделювання структури машини і аналізу часових параметрів роботи окремих її пристроїв на потоках інформації, що генеруються реальними програмами, і зокрема, на моделі вважалися реальні затримки при зверненні до різної кількості паралельно працюючих блоків пам'яті.

Другий структурної особливістю організації звернень до оперативний запам'ятовуючий пристрою є метод буфферізаціі, або метод накопичення черги замовлень до системи пам'яті. У машині БЕСМ-6 існують групи регістрів, на яких зберігаються запити (адреси), звані буферами адрес слів і команд. Зрозуміло, що ці буфера можуть працювати ефективно тільки в тому випадку, якщо структура машини дозволяє переглядати команди "вперед", тобто заздалегідь готувати запити. Пристрій керування БЕСМ-6 дозволяє це робити. Буфера адрес дозволяють у кінцевому підсумку згладити нерівномірність надходження запитів до пам'яті і тим самим підвищити ефективність її використання.

Третьою структурної особливістю БЕСМ-6 є метод використання сверхоператівной, неадресуемой з програми пам'яті невеликого обсягу, мета якого