7.1. Процессоры и их типы

Всем знакомо такое запоминающее устройство, как лист бумаги, на котором можно фиксировать информацию в виде записей,произведенных, например, карандашом. Запись можно стереть, после чего запоминающее устройство опять готово для приема информации. В жизни использованный лист обычно выбрасывают и заменяют его новым. Это возможно из-за двух обстоятельств: дешевизны бумаги и удобства того, кто ею пользуется. В древности, когда писали на пергаменте, который был дорог, исписанные листы не выбрасывали, а стирали старый текст.

Можно считать, что лист бумаги состоит из элементов, называемых строками, а каждая строка состоит еще из более мелких элементов, которые мы назовем разрядами, каждый из которых может хранить только одну букву. Правда, границы между строками и между разрядами в строках при повторной записи могут изменяться, так что и число букв на листе (точнее - странице) может изменяться. В разряде может быть написана одна из букв применяемого алфавита или ничего не написано. Другими словами, если алфавит состоит из n-1 букв, то разряд нашего запоминающего устройства может находиться в одном из п устойчивых состояний. Именно это обстоятельство характерно для всякого запоминающего устройства.

В технических запоминающих устройствах (ЗУ) их атомами являются приборы, каждый из которых может находиться в одном из заданного числа фиксированных состояний. Запись или стирание информации представляет собой изменение устойчивого состояния разрядов и превращение его в новые устойчивые состояния.

Нужно сразу сказать, что в отличие от листа бумаги разбивка ЗУ на разряды в технике является жесткой, а не "плавающей", и состояния не являются графическими изображениями букв. Если запоминающим элементом служит реле, то одним из его устойчивых состояний считают замкнутость контактов, а другим - их разомкнутость. Каждый разряд при этом может находиться в одном из двух состояний. Так как однобуквенный алфавит неудобен, то в отношении релейных ЗУ условились, что ничего не хранить разряд не может; он всегда что-нибудь хранит. И тогда в ЗУ можно хранить тексты, составленные в двухбуквенном алфавите. Исторически сложилась привычка при записи на бумаге обозначать эти буквы через 0 и 1. В этом случае тексты, помещенные в ЗУ, можно толковать и как логические значения и как числовые, записанные в двоичной системе счисления (если это нужно).

Если запоминающим устройством является магнитная поверхность (магнитной ленты, магнитного диска или магнитного барабана), то разрядами считают участки магнитной ленты с нанесенными на них магнитными диполями. При этом намагниченность в одну из сторон считают изображением буквы 0, а в другую - буквы 1. Опять мы сталкиваемся с двухбуквенным алфавитом.

Не следует думать, что в технических ЗУ всегда применяются двухбук-венные алфавиты. Например, на перфоносителях (перфолентах и перфокартах) буквы представляются в виде систем отверстий. Существуют коды, применяющие алфавит из 256 букв, тексты которых могут быть представлены на таких носителях.

Не вдаваясь в детали, отметим, что ЗУ делятся на быстродействующие и медленные. При этом имеют в виду время, расходуемое на считывание или запись в ЗУ одного символа (иногда говорят о времени обращения к ЗУ). Кроме того, ЗУ могут быть двухсторонними (допускающими и считывание " и запись) и односторонними (допускающими только чтение или только запись) Например, односторонним ЗУ, допускающим только запись, является бумажное полотно, на котором распечатываются полученные результаты. Односторонние ЗУ, допускающие только считывание, применяются для хранения постоянной информации, необходимой в ходе преобразования поступающих в преобразователь данных о состоянии внешней среды, а также для ввода данных (ЗУ в виде колоды перфокарт).

Наконец, третьим аспектом классификации ЗУ является способ доступа к информации, которая в них хранится. Бывают ЗУ непосредственного доступа (к малым группам разрядов, называемым при этом машинными словами), последовательного доступа (к машинным словам или еще более мелким группам разрядов) и индексно-последовательного доступа. В последнем случае прямой доступ осуществляется к группам машинных слов (их должно быть много), а внутри каждой группы доступ к отдельным словам является последовательным.

Для непосредственного доступа необходимо, чтобы каждое машинное слово имело имя. Обычно именем считают номер машинного слова в ЗУ, называемый при этом адресом. Возможность обращаться к машинным словам по их адресу обеспечивается соответствующими конструктивными особенностями устройства. При последовательном доступе нужное машинное слово определяется как следующее за ранее просмотренным. При индексно-последова-тельном доступе именами снабжены группы машинных слов. Будем такие группы называть блоками, а их имена (тоже обычно имеющие вид номеров) адресами блоков.

Вид доступа характеризует собой так называемую физическую структуру ЗУ. Собственно, кроме вида доступа, необходимо указать тип (или типы) разрядов (если разряды не все однотипны), где тип - это число возможных состояний разряда, длины машинных слов (т. е. количества образующих их разрядов) и длины блоков (т. е. количества входящих в их состав машинных слов). Наконец, нужно описать всю совокупность блоков, разрядов или их сочетаний, образующую ЗУ. Физическая структура ЗУ - это тот "фундамент", на котором в преобразователе размещается информация.

Символьная конструкция, вложенная в ЗУ, представляет собой синтаксическую структуру информации. К сожалению, в настоящее время лишь для наиболее простых символьных конструкций умеют строить ЗУ, физическая структура которых совпадает с синтаксической структурой информации. Вложение синтаксической структуры информации в физическую структуру ЗУ называется размещением информации в памяти и представляет собой трудную задачу. О размещении информации в памяти мы будем еще говорить несколько ниже (см. § 7.3).

Запоминающие устройства являются совершенно необходимыми составными частями дискретных преобразователей информации. Это связано с тем, что переработка информации, как бы она быстро не производилась, связана с затратами времени, причем локальный характер преобразований сопровождается тем, что отдельные части символьных конструкций как считываются, так и записываются не одновременно. Необходимость хранения информации в течение какого-то времени оказывается совершенно неизбежной.

Кроме запоминающих устройств в состав преобразователя информации входят еще так называемые операционные устройства, которые могут обращаться к тем ЗУ, с которыми они связаны (читать или писать в них информацию) , и преобразовывать информацию.

Операционное устройство (ОУ) вместе со связанными с ним ЗУ образует так называемый процессор. Процессор является физической моделью алгоритма. Преобразователь информации системы управления представляет собой систему процессоров, которую следует рассматривать как физическую модель коллектива алгоритмов. В соответствии со сказанным ЗУ, входящие в состав процессоров, делят на собственные, резервные и буферные. В составе буферных ЗУ выделяют сигнальные ячейки. Если буферное ЗУ сводится к одной или нескольким сигнальным ячейкам, то такое ЗУ называют сигнальным.

Собственное ЗУ процессора доступно только тому ОУ, которое входит в состав данного процессора. Остальные ЗУ доступны нескольким ОУ, принадлежащим различным процессорам.

В дискретных роботах информация, поступающая от рецепторов, должна быть сперва преобразована в форму, которая может быть записана в ЗУ. Иногда это осуществляется до выдачи ее в канал связи, иногда (в некоторых роботах) после "прибытия" информации по каналу связи. В первом случае рецептор вместе с устройствами дискретизации удобно считать разновидностью операционного устройства, которое вместе с ЗУ, принимающим от него информацию (его следует отнести к буферным), удобно считать процессором. Канал связи в этом случае переносит из входного ЗУ в некоторое ЗУ преобразователя (из одного буфера в другой). Его тоже следует считать (вместе с двумя ЗУ) разновидностью процессора. Во втором случае рецептор вместе с каналом связи и устройствами дискретизации надлежит считать операционным устройством. Мы видим, что при таких соглашениях, если к тому же аналогично рассматривать и выходные каналы связи, а также эффекторы робота, можно считать (оставляя в стороне изолирующие элементы), что робот - это система взаимосвязанных процессоров.

Если алгоритм представлен в процессоре как некоторая символьная конструкция, размещенная в его собственном ЗУ, то по аналогии с принятым в области ЭВМ, алгоритм будем называть программой, а выполняющий его процессор, который является физической моделью алгоритма выполнения,- программным процессором. Процессоры, входящие в состав преобразователя информации и не являющиеся программными, будем называть функциональными. К числу функциональных процессоров относятся процессоры генерации времени, ведения очередей (если эти функции не реализованы аппаратно) и др. В частности, каналы связи, рецепторные и эффекторные процессоры являются функциональными.

Рецепторные процессоры называют также процессорами ввода: эффекторные процессоры - процессорами выдачи, а каналы связи (которые, кстати говоря, могут производить и некоторое преобразование информации без изменения ее "смысла") - процессорами передачи.

Итак, робот (если не учитывать изолирующих элементов) представляет собой связную систему процессоров. Если в роботе, не нарушая связей между процессорами, можно выделить несколько подсистем, которые являются связными, то перед нами несколько отдельных роботов, которые объединены только изолирующими элементами, т. е. как бы находится в "общей шкуре".