Архитектура компьютера
Лекция 4
Ещё не компьютеры. Релейные схемы и булев базис
Пенской А.В., 2022
План лекции
- Ещё не компьютеры (продолжение)
- Расчёт артиллерийских таблиц. Белковые вычислители.
- Жаккардовый ткацкий станок и программное управление.
- Странное.
- Почти компьютер. Элементная база компьютера.
- Реле и релейные диаграммы.
- Цифровая элементная база. Булев базис.
- Двоичное кодирование.
- 还没有电脑（续）
- 火炮表的计算。 蛋白质计算器。
- 提花织机和软件控制。
- 奇怪的。
- 几乎是一台电脑。 计算机元件基础。
- 继电器和继电器图。
- 数字元素库。 布尔基础。
- 二进制编码。
Ещё не компьютеры (продолжение) 还没有电脑（续）
Почему это полезно:
- Во-первых, это красиво.
- Проблема абстрактных облаков и чистых IT-шников.
- Перенос технических приёмов и механизмов в современные компьютерные системы.
-
Потребность в разработке компьютеров не в электронном базисе (пример: NASA завершило конкурс на создание датчиков для венерианского ровера).
- 首先，它很漂亮。
- 抽象云和纯IT人的问题。
- 将技术和机制转移到现代计算机系统。
- 计算机开发的需求不是在电子基础上（例如：NASA 完成了为金星漫游者创建传感器的竞赛）
Расчёт артиллерийских таблиц.
火炮表的计算
Белковые вычислители
蛋白质计算器
Задача: расчёт артиллерийских таблиц для французской или российской армии.
任务：计算法国或俄罗斯军队的火炮表。
Вычислительная задача: многократный расчёт сложной формулы с большим количеством операций для различных входных параметров.
计算任务：对各种输入参数进行大量运算的复杂公式的重复计算。
Средства: 设施：
- Простейшие счётные устройства в ограниченном количестве.
- Математики, физики и другие учёные.
-
Офицерский корпус и грамотные солдаты.
- 最简单的计数设备，数量有限。
- 数学家、物理学家和其他科学家。
- 军官团和有能力的士兵。
Проблемы наивного решения
天真的解决问题
(человек + лист + карандаш = сиди считай)
（人+纸+铅笔=坐下来计算）:
- ошибка выбора операции;
- регистровый файл ненадёжен (почерк, адресация);
- арифметические ошибки;
-
склонность людей к сокрытию ошибок.
- 操作选择错误；
- 寄存器文件不可靠（手写、寻址）；
- 算术错误；
- 人们倾向于隐藏错误。
Архитектура решения 架构解决方案
реконфигурируемый вычислитель с потоковой архитектурой
具有流式架构的可重构计算机
Реализация 执行
- расчётная формула представляется в виде графа;
计算公式以图表的形式呈现； - каждой вершине графа сопоставляется человек, способный выполнить соответствующую операцию (только одну);
图的每个顶点都与一个能够执行相应操作的人相关联（只有一个）； - люди размещаются в соответствии с графом, каждый знает, кто сообщит входные данные, кому сообщить результат;
人员按照图表放置，每个人都知道谁将输入数据报告给谁，谁将结果报告给谁； - на вход графа подаются параметры для расчётов;
将计算参数提供给图形输入； - на выходе собираются результаты;
在输出处收集结果； - для повышения надёжности расчётов используется двоирование (две роты, сравниваем результаты, несовпадение – повтор).
为了增加计算的可靠性，使用了加倍（两支队伍，比较结果，差异 - 重复）。
Структура белкового вычислителя 蛋白质计算机的结构
Достоинства 优点
- радикальный рост производительности за счёт параллелизма инструкций:
- параллельного исполнения независимых операций в графе (см. далее);
- конвейеризации расчётов (см. далее);
- радикальный рост надёжности;
- высокий уровень специализации узлов;
- минимальная вариативность процесса;
-
возможность реконфигурации вычислителя под новую задачу.
- 由于指令并行性，性能显着提高：
- 图中独立操作的并行执行（见下文）；
- 计算的传送（见下文）；
- 可靠性大幅提高；
- 节点专业化程度高；
- 最小的过程可变性；
- 能够为新任务重新配置计算机。
Параллельное исполнение независимых операций в графе 图中独立操作的并行执行
Конвейеризации расчётов 计算的传送
Практика 实践
На практике все перечисленные механизмы встречаются в современных компьютерных системах, в том числе:
实际上，所有上述机制都存在于现代计算机系统中，包括：
- в процессорах общего назначения;
- в специализированных процессорах;
-
в распределённых системах.
- 在通用处理器中；
- 在专用处理器中；
- 在分布式系统中。
Жаккардовый ткацкий станок и программное управление 提花织机及软件控制
Жаккард 提花
Жаккард – ткань с узором, на обратной стороне которой можно видеть “инвертированный” рисунок.
提花是一种带有图案的面料，在其反面可以看到“倒”的图案。
Структура полотна: 面料结构：
- вертикальные нити – натянуты равномерно;
-
горизонтальные нити разных цветов, дисбаланс петель с одной из сторон формирует узор.
- 垂直螺纹 - 均匀拉伸；
- 不同颜色的水平线，一侧线圈的不平衡形成图案。
Проблема создания станка 创建机器的问题
Плетение полотна: 面料织造：
- нити разделяются на верхние и нижние по схеме узора;
- между ними пропускается челнок с горизонтальной нитью;
-
повтор.
- 螺纹按花纹分为上线和下线；
- 带有水平线的梭子在它们之间穿过；
- 重复。
Узор – уникальный (не подлежит автоматизации) или циклический.
该模式是唯一的（不受自动化影响）或循环。
Проблема: разделение верхней и нижней нити.
问题：面线和底线分离。
- Разделение на верхнюю и нижнюю нить нерегулярно.
-
“Гребёнка” неприменима.
- 面线和底线的划分不规则。
- “梳子”不适用。
Жаккардовый ткацкий станок 提花织机
Считается первой программно-управляемой машиной.
被认为是第一台软件控制的机器。
Элементы решения: 解决方案要素：
- “Гребёнка” заменена на систему крючков на пружинах с поворотным механизмом.
- Нажатие на крючок позволяет зацепить нить.
- Сильное нажатие и поворот – освободить нить.
-
Как автоматизировать регулярное (циклическое) нажатие на крючки?
- “梳子”已被带有旋转机构的弹簧钩系统所取代。
- 按下钩子即可钩住线。
- 用力按下并转动以释放线。
- 如何自动定期（循环）点击钩子？
Жаккардовый ткацкий станок. Программное обеспечение 提花织机。 软件
Элементы решения: 解决方案要素：
- Пластина с отверстиями позволяет разом “нажать” нужные крючки (перфокарта).
-
Лента из пластин – программа узора.
- 带孔的板可以让您一次“按下”所需的挂钩（打孔卡）。
- 板带-图案程序。
Структура шага работы станка: 机器操作步骤结构：
- Нажатие пластиной на крючки (разделение верхней и нижней).
- Пропускание челнока.
- Нажатие всех крючков и поворот (отпускание нитей).
- Сдвиг ленты с пластинами.
-
Повтор.
- 将板压在挂钩上（上下分离）。
- 经过班车。
- 按下所有旋梭并转动（松开线）。
- 胶带与板的移位。
- 重复。
Практика станка 练习机
- механика, по сути, не изменилась;
-
принцип работы – аналогично.
- 事实上，机制并没有改变；
- 操作原理相似。
Video: link
Автоматические телефонные станции 自动电话交换机
Offtopic: Ваша возможность сделать свой вклад в материалы курса.
题外话：您为课程材料做出贡献的机会。
Странное 奇怪的
Данные примеры призваны скорее удивить и озадачить, нежели научить.
这些例子的目的是让人惊讶和困惑，而不是教导。
Поиск кратчайшего пути на взвешенном графе 寻找加权图上的最短路径
Классический алгоритм Дейкстры имеет сложность $O(n^2)$. Имеется огромное количество оптимизаций и эвристических приёмов для сокращения вычислительной сложности.
Dijkstra 的经典算法的复杂度为 $O(n^2)$。 有大量的优化和启发式方法可以降低计算复杂性。
Проблема: дорожная карта региона.
问题：该地区的路线图。
Альтернативное решение: 替代解决方案：
- Изготавливается натуральная модель взвешенного графа, где:
- вершины – контактные площадки;
- рёбра – проводники с сопротивлением, обратно пропорциональным весу ребра.
- Подаётся питание на интересующие вершины графа.
-
Наблюдается цепочка сгоревших/нагревшихся проводников.
- 生成加权图的自然模型，其中：
- 顶点 - 接触垫；
- 肋是电阻与翅片重量成反比的导体。
- 向图中感兴趣的顶点供电。
- 观察到一串烧焦/加热的导体。
Площадь – $O(n+e)$
面积 – $O(n+e)$
Время – $O(n)$, при скорости около скорости света.
时间 - $O(n)$，速度接近光速。
Задача коммивояжёра и амёба 旅行商问题和阿米巴原虫
Задача коммивояжёра – поиск самого выгодного маршрута, проходящего через указанные города хотя бы по одному разу с последующим возвратом в исходный город.
旅行商的任务是找到一条最有利可图的路线，该路线至少经过指定城市一次，然后返回原来的城市。
Альтернативное решение: 替代解决方案：
Амёба – любит питательную среду, не любит свет, стремится занять максимальную площадь.
阿米巴原虫——喜爱营养介质，不喜光照，力求占据最大面积。
Заявленные результаты: 陈述的结果：
- линейный рост скорости поиска от количества городов (до 8 штук);
-
при росте выч. сложности по экспоненте.
- 搜索速度线性增加，具体取决于城市数量（最多 8 个）；
- 随着计算的增加。 指数复杂度。
Детали и суть по ссылке: link
详细信息和实质在链接：
Offtopic: Ваша возможность сделать свой вклад в материалы курса.
题外话：您为课程材料做出贡献的机会。
Приставка Dendy и пистолет Dendy 控制台和枪
Почти компьютер.
几乎是一台电脑
Элементная база компьютера
计算机元件库
- Реле и релейные диаграммы
-
Булев базис. Элементы цифровой схемотехники
- 继电器和梯形图
- 布尔基础。 数字电路元件
Реле и релейные диаграммы 继电器和梯形图
Электрическое реле 继电器
- вход и выход, между ними металлический ключ;
- магнитная катушка, притягивающая ключ;
- без тока возвращается в нормальное состояние: разомкнутое, замкнутое;
- состояния: $0/1$, есть питания/нет питания;
-
нет сигналов, есть уровни!
- 入口和出口，它们之间有一把金属钥匙；
- 吸引钥匙的磁性线圈；
- 无电流返回正常状态：打开、关闭；
- 状态：$0/1$，有电/无电；
- 没有信号，有关卡！
Другие виды: механические, пневматические, тепловые, оптические, акустические, магнитные и т.д.
其他类型：机械式、气动式、热式、光学式、声学式、磁式等。
Обозначения: 名称：
-[ ]-нормально разомкнутое реле 常开继电器-[\]-нормально замкнутое реле 常闭继电器
Релейная диаграмма 梯形图
Описывает схемы включения оборудования в релейные стойки.
描述用于将设备连接到中继机架的电路。
-( )-нормально неактивный актуатор 通常不活动的执行器-(\)-нормально активный актуатор 正常激活执行器
L1 L2
o o
| Logical AND |
| |
+--[ ]--------[ ]-----------( )---------+
| Key 1 Key 2 Door motor |
| |
| |
| Logical OR |
| |
+----+--[ ]--------------+--( )---------+
| | Exterior unlock | Unlock |
| | | |
| +--[ ]--------------+ |
| Interior unlock |
| |
Управление двигателем 发动机控制
Классическая схема включения электродвигателя с аварийной остановкой.
用于打开带紧急停止功能的电动机的经典电路。
L1 L2
o o
| |
+--[\]---[\]----+--[ ]---+---------( )----+
| ES Stop | Start | Run |
| | | |
| +--[ ]---+ |
| Run |
| |
| |
| |
+------------------[ ]-------------( )----+
| Run Motor |
| |
То же вы увидите в шкафу управления. Почти один в один.
您会在控制柜中看到同样的东西。 几乎是一对一。
Процесс управления двигателем 发动机控制流程
L1 L2
o o
| |
+--[\]---[\]----+--[ ]---+---------( )----+
| ES Stop | Start | Run |
| | | : |
| +--[ ]---+ : |
| Run : |
| ^ : |
| +.............../ |
| v |
+------------------[ ]-------------( )----+
| Run Motor |
| |
________ (1)
ES _______________...___/ \___ (0)
Stop _______________...________________ (0)
________ (1)
Start __/ \___...________________ (0)
__________..._____ (1)
Run ____/ \__________ (0)
________..._______ (1)
Motor ______/ \________ (0)
------------------ time ------------------->
Мы вернёмся снова в контексте RS-триггера.
我们将再次讨论 RS 触发器。
Question: Кто-нибудь знает, что это такое и зачем?
问题：有谁知道这是什么以及为什么？
Практика применения реле 继电器使用练习
- Непосредственное применение, силовые шкафы управления.
- Там, где электроника не работает (неэл. реле).
-
Программируемые логические контроллеры (ПЛК) для автоматизации производственных процессов (АСУТП) программируют на языках релейных диаграмм (ISO-61131).
- 直接应用，电源控制柜。
- 电子设备不工作的地方（非电子继电器）。
- 用于工业过程自动化 (APCS) 的可编程逻辑控制器 (PLC) 采用继电器图语言 (ISO-61131) 进行编程。
Цифровая элементная база. Булев базис 数字元素基础。 布尔基础
Disclaimer: физику и электротехнику не знаю, поэтому им учить не буду.
免责声明：我不懂物理和电气工程，所以我不会教它们。
Принципы и элементы цифровой элементной базы:
数字元素库的原理和要素：
- двоичная логика; 二元逻辑；
- полный набор булевых функций: 全套布尔函数：
- И, ИЛИ, НЕ; 与、或、非；
-
штрих Шеффера（Schaeffer 行程）$x y = \overline{x y}$; - стрелка Пирса（皮尔士箭头）$x \downarrow y = \overline{x \vee y}$.
- комбинационные схемы; 组合电路；
- триггер – хранение состояния. 触发-状态存储
Двоичное кодирование 二进制编码
Достоинства двоичного кодирования 二进制编码的优点
- Надежно и помехоустойчиво.
- Простая реализация арифметики.
- Диапазоны и точность наращиваются разрядностью (слева и справа соответственно).
- Погрешности “by design”, а не “by implementation”
(одинаковые компьютеры считают одинаково).
- 可靠、抗噪音。
- 简单的算术实现。
- 范围和精度随位深度增加（分别在左侧和右侧）。
- “设计”错误，而不是“实现”错误
（相同的计算机计算相同）。
Недостатки 缺陷
- Нечитаемое представление.
- Простые десятичные дроби записываются в виде бесконечных двоичных дробей.
- Дискретное кодирование сигналов (точность).
- 不可读的演示文稿。
- 简单的十进制分数写成无限的二进制分数。
- 离散信号编码（精度）。
Машинное слово. Представления данных 机字。 数据视图
Машинное слово – единица данных, естественная для обработки вычислителем. Пример: сложение, пересылка, и т.п.
机器字是计算机自然处理的数据单元。 例如：添加、转发等。
Disclaimer: список неполный от слова совсем: код Грея, Base64, Base58…
免责声明：该列表至少可以说是不完整的：格雷码、Base64、Base58…
- Целые числа:
- Позиционные системы счисления.
- Дополнительный код.
- Big & Little endian.
- Дробные числа:
- Числа с фиксированной точкой.
- Числа с плавающей точкой.
- Перечисления:
- Двоично-десятичное кодирование.
- Символы (старые кодировки).
-
Тегированные данные.
- 整数：
- 位置数字系统。
- 附加代码。
- 大端和小端。
- 小数：
- 固定点数。
- 浮点数字。
- 接送服务：
- 二进制十进制编码。
- 符号（旧编码）。
- 标记数据。
Offtopic: Классификация типов по версии IBM
Offtopic：根据 IBM 版本进行类型分类
