Электронная вычислительная машина
Полезная модель относится к области вычислительной техники и может быть использовано для построения вычислительных средств в системах обработки данных и управления.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание ЭВМ со сравнительно низкими электропотреблением и требованием к быстродействию с одной стороны и использованием принципов построения вычислительных средств с самоконтролем, обеспечивающих требуемую достоверность выдаваемой информации и ее защищенность, с другой стороны, базой для достижения которых является использование системы кодирования «1 из 4».
В ЭВМ, содержащую центральный процессор, оперативную память данных, постоянную память команд и устройство сопряжения с внешними абонентами дополнительно введены контроллер управления памятью, контроллер данных, контроллер команд, генератор, в состав центрального процессора введены первая, вторая и третья схемы контроля магистралей и последовательных каналов обмена информацией, представленной в системе кодирования «1 из 4», а устройство сопряжения с внешними абонентами содержит контроллер внешних абонентов и n каналов связи с внешними абонентами. 1 ил.
Полезная модель относится к области вычислительной техники и может быть использована для построения вычислительных средств в системах реального времени, одними из основных требований к которым являются достоверность (качество контроля) выдаваемой информации, их защищенность и снижение энергопотребления.
Известна электронная вычислительная машина (ЭВМ) (Патент RU на изобретение 
2344472, опубликовано 20.01.2009 г., МПК G06F 15/00).
ЭВМ содержит центральный процессор (ЦП), в состав которого входит оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство, и несколько устройств ввода-вывода (УВВ) - устройств сопряжения ЭВМ с внешними абонентами и предназначена для цифровой обработки информации в реальном масштабе времени. Недостатком данной одноканальной ЭВМ является то, что обрабатываемая информация представлена в двоичной системе счисления, а это не позволяет получать достаточно достоверную конечную информацию.
Известна трехканальная управляющая система (Патент RU на изобретение 2333529, опубликовано 10.09.2008 г., МПК G06F 15/16).
Каждый канал системы содержит вычислительный блок и блок ввода-вывода. Указанная система по своим характеристикам соответствует требованиям к достоверности (качеству контроля и надежности работы), предъявляемым к аппаратуре систем реального времени. Однако реализация в трехканальной системе мажоритарного метода контроля значительно увеличивает объемы аппаратуры, потребление электроэнергии и повышает требования к ее быстродействию. Учитывая тенденцию к ужесточению требований к массо-габаритным характеристикам аппаратуры, снижению энергопотребления, эти недостатки могут быть существенными при создании систем управления.
Наиболее близким техническим решением по отношению к заявляемому является электронная вычислительная машина ((Патент RU на изобретение 2272317, опубликовано 20.03.2006 г., МПК G06F 15/00), содержащая центральный процессор, энергозависимое запоминающее устройство (оперативную память данных), постоянное энергонезависимое запоминающее устройство (постоянную память команд) и устройство взвода/вывода (устройство сопряжения с внешними абонентами).
Требуемая достоверность выдаваемой информации определяется используемым методом контроля. В указанной ЭВМ контроль обрабатываемой информации проводится только программными методами, что приводит к увеличению объема программ в 2-2,5 раза и соответствующего повышения быстродействия процессора. Использование операционной системы процессора приводит, в свою очередь, к увеличению быстродействия в 2,5-3 раза относительно требуемого для выполнения программы алгоритма.
Приведенные затраты характерны для вычислительных средств систем реального времени, построенных на микропроцессорах и контроллерах широкого применения. Необходимо отметить, что использование вычислительных средств и программного обеспечения широкого (иностранного) применения не обеспечивает безопасности и защищенности систем реального времени, а в материалах на объекты промышленной собственности, защищенных патентами 2344472, 2333529 и 2272317 этот вопрос не рассматривается.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание ЭВМ на основе использования кода «1 из 4» со сравнительно низкими энергопотреблением и требованием к быстродействию с одной стороны и использованием принципов построения вычислительных средств с самоконтролем на базе кода «1 из 4», обеспечивающих требуемую достоверность выдаваемой информации и ее защищенность, с другой стороны.
Указанный результат достигается тем, что в ЭВМ, содержащую центральный процессор (ЦП), оперативную память данных (ОПД), постоянную память команд (ППК) и устройство сопряжения с внешними абонентами (УСВА), дополнительно введены контроллер управления памятью (КУП), контроллер данных (КД), контроллер команд (КК), генератор (Г), в состав ЦП введены первая, вторая и третья схемы контроля магистралей и последовательных каналов обмена информацией (С×К «1-4»), представленной в системе кодирования «1 из 4», а УСВА содержит контроллер внешних абонентов (КВА) и n каналов связи (KC1÷KCn) с внешними абонентами, при этом,
в ЦП первый вход процессора (Пр) соединен с выходом генератора, сопряжение процессора с контроллером внешних абонентов осуществляется по приемному и передающему последовательным каналам и контролируется первой схемой контроля «1-4», выдающей магистралью М2 процессор сопрягается с контроллером управления памятью, второй схемой контроля «1-4» и магистралью данных Мд ведомой ЭВМ, приемной магистралью M1 процессор сопрягается с контроллером данных, контролером команд, третьей схемой контроля «1-4» и приемной магистралью M1 ведомой ЭВМ, управление взаимодействием процессора с контроллером управления памятью осуществляется по первой двунаправленной связи, с контроллером внешних абонентов - по второй двунаправленной связи, с первой, второй и третьей схемами контроля «1-4» - по третьей двунаправленной связи,
в контроллере управления памятью по магистрали Мд осуществляется запись информации в оперативную память данных, передача адреса и данных в магистраль М2 ведомой ЭВМ и считывание информации из оперативной памяти данных в контроллер данных, по второй двунаправленной связи - управление взаимодействием с оперативной памятью данных и постоянной памятью команд, по первому выходу (адресной шине) - передача адреса в оперативную память данных или постоянную память команд, по второму выходу - управление контроллером данных и контроллером команд,
по магистрали команд Мк информация с выхода постоянной памяти команд передается на вход контроллера команд,
в устройстве сопряжения с внешними абонентами контроллер внешних абонентов через интерфейсные модули каналов связи последовательно связан двунаправленными связями с внешними абонентами.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемой ЭВМ используется система кодирования данных, известная как кодирование "один из Р", а конкретнее "1 из 4" с активным нулем.
Использование способа кодирования информации в системе «1 из 4» и введение в состав ЭВМ новых блоков и связей позволило создать вычислительное средство обеспечивающее высокую достоверность контроля обрабатываемой информации, ее защищенность и значительно сократить потребление электроэнергии.
В частности, способ обработки и хранения информации в системе кодирования «1 из 4» защищены патентом RU на изобретение 2250488, опубликовано 20.04.2005 г., МПК G06F 7/49, 11/00 и патентом RU на изобретение 2259606, опубликовано 27.08.2005 г., МПК G11С 29/00.
Для наглядности приведем таблицу соответствия для двух разрядов двоичной системы и системы "1 из 4" с активным нулем.
| п/п | Двоичная система | Система "1 из 4" |
| 1 | 00 | 0001 |
| 2 | 01 | 0010 |
| 3 | 10 | 0100 |
| 4 | 11 | 1000 |
Сущность изобретения (полезной модели) поясняется чертежом (Фиг.1), на которой изображена структурная схема ЭВМ.
На фиг.1 обозначены:
| 1 | - генератор; |
| 2 | - оперативная память данных (ОПД); |
| 3 | - постоянная память команд (ППК); |
| 4 | - контроллер управления памятью (КУП); |
| 5 | - контроллер данных (КД); |
| 6 | - контроллер команд (КК); |
| 7 | - центральный процессор (ЦП); |
| 7.1 | - первая схема контроля «1-4» связи с УСВА (С×К «1-4); |
| 7.2 | - процессор (Пр); |
| 7.3 | - вторая схема контроля «1-4» шины М2 (С×К «1-4»; |
| 7.4 | - третья схема контроля «1-4» шины M1 (C×K «1-4»); |
| 8 | - устройство сопряжения с внешними абонентами (УСВА); |
| 9 | - контроллер внешних абонентов (КВА); |
| 10.1÷10.n | - блоки каналов связи (интерфейсов) с внешними абонентами (KC1÷KCn). |
На Фиг.1:
- генератор 1 вырабатывает сигналы синхронизации работы ЭВМ;
- ЦП7 выполняет программы решения алгоритмов, осуществляет прием и выдачу информации при работе с внешними абонентами и организует взаимодействие с ведомой (резервной) ЭВМ и выполняет самоконтроль.
В ЭВМ предусмотрено два режима работы - штатный и отладочный. В штатном режиме выполняется программа, находящаяся в постоянной памяти. Изменить эту программу можно только заменой постоянной памяти с соответствующей идентификацией ее с ЭВМ. Это обеспечивает определенную защиту системы от внешних и внутренних воздействий.
Отладочный режим предусматривает возможность работы ЭВМ с персональным компьютером для анализа на нем данных и команд в ОПД2 и ППК3. В случае выявления несоответствия информацию корректируют и записывают в оперативную память для анализа работы и принятия дальнейших решений;
- в устройствах памяти ОПД2 и ППК3 используется двоичная система адресации. Поскольку ЦП7 работает с числами в коде "1 из 4" необходимо для работы с ОПД2 и ППК3 преобразование адреса из кода "1 из 4" в двоичный код. Функцию преобразования адреса управления памятью ОПД2 и ППК3 и обеспечения связи с магистралью М2 выполняет КУП4, согласование ОПД2 и ППК3 с выходной магистралью M1 выполняют соответственно КД5 и КК6;
- запись информации из КУП4 в ОПД2 и ее считывание из ОПД2 в КД2 осуществляется по магистрали Мд;
- считывание информации из ППК3 в КК6 происходит по магистрали Мк;
- взаимодействие между Пр 7.2 и КВА9 контролируется C×K «1-4» 7.1;
- передача информации по магистрали М2 контролируется C×K «1-4» 7.3;
- прием информации по магистрали M1 контролируется C×K «1-4» 7.4.
УСВА8 предназначено для согласования внешних интерфейсов (каналов связи KC1÷KCn). В зависимости от конкретной системы оно может отличаться блоками KC1÷KCn.
Предлагаемая ЭВМ работает следующим образом. При подаче питания на ЭВМ и получении сигнала "Reset" из системы включается подача сигналов генератора 1 на ПР 7.2 после чего производится проверка соответствия блоков ППК3 данной ЭВМ (для исключения перепутывания блоков ПИК с различными ЭВМ). На следующем этапе осуществляется проверка полноты и целостности программного обеспечения установленных блоков ППК3. Для проведения этой проверки содержание ППК3 переписывается в ОПД2 и далее специальной программой производится проверка полноты записанной программы и констант (слов). Проверка проводится последовательным суммированием групп команд (слов) на соответствие контрольным суммам.
При положительном результате проверки полноты и целостности программного обеспечения ЭВМ переходит к проверке работоспособности отдельных узлов по тестам.
Завершается этап включения проверкой работоспособности системы и формированием рабочей конфигурации при наличии в системе резерва.
Электронная вычислительная машина, содержащая центральный процессор, оперативную память данных, постоянную память команд и устройство сопряжения с внешними абонентами, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены контроллер управления памятью, контроллер данных, контроллер команд, генератор, в состав центрального процессора введены первая, вторая и третья схемы контроля магистралей и последовательных каналов обмена информацией, представленной в системе кодирования «1 из 4», а устройство сопряжения содержит контроллер внешних абонентов и n каналов связи с внешними абонентами, при этом в центральном процессоре первый вход процессора соединен с выходом генератора, сопряжения процессора с контроллером внешних абонентов осуществляется по приемному и передающему последовательным каналам и контролируется первой схемой контроля «1-4», выдающей магистралью М2 процессор сопрягается с контроллером управления памятью, второй схемой контроля «1-4» и магистралью данных Мд ведомой ЭВМ, приемной магистралью M1 процессор сопрягается с контроллером данных, контролером команд, третьей схемой контроля «1-4» и приемной магистралью M1 ведомой ЭВМ, управление взаимодействием процессора с контроллером управления памятью осуществляется по первой двунаправленной связи, с контроллером внешних абонентов - по второй двунаправленной связи, с первой, второй и третьей схемами контроля «1-4» - по третьей двунаправленной связи в контроллере управления памятью по магистрали Мд осуществляется запись информации в оперативную память данных, передача адреса и данных в магистраль М2 ведомой ЭВМ и считывание информации из оперативной памяти данных в контроллер данных, по второй двунаправленной связи - управление взаимодействием с оперативной памятью данных и постоянной памятью команд, по первому выходу (адресной шине) - передача адреса в оперативную память данных или постоянную память команд, по второму выходу - управление контроллером данных и контроллером команд, по магистрали команд Мк информация с выхода постоянной памяти команд передается на вход контроллера команд, в устройстве сопряжения с внешними абонентами контроллер внешних абонентов через интерфейсные модули каналов связи последовательно связан двунаправленными связями с внешними абонентами.
