Лекция 8 Структурная организация эвм

1 Понятие структурной организации эвм

Под структурной организацией систем (ЭВМ – в частности) понимается принцип, в соответствии с которым осуществляется объединение элементов в систему для достижения некоторой заданной цели.

В первой главе один такой принцип мы уже рассматривали – это принцип программного управления, из которого следует, что функцией ЭВМ является реализация вычислений на основе программы, загруженной в память ЭВМ. Для реализации этой функции необходимы известные устройства: процессор, память, УВв и УВыв, связь которых друг с другом очевидна (рисунок 1.1 - структура простейшей ЭВМ). В результате объединения устройств (элементов) в систему у ЭВМ появляется новое свойство – решать задачи на основе программ без участия человека.

Под структурной организацией ЭВМ понимается набор правил, приёмов, с помощью которых осуществляется переход от функции системы к её структуре, реализующей эти функции.

Под структурой системы (ЭВМ - в частности) понимают набор элементов (устройств - в частности), объединённых в единую систему посредством связей между элементами. Или, другими словами, структура системы - это набор элементов и связей между ними. Структуру системы изображают схемой соединений её элементов.

На верхнем уровне иерархии описаний ЭВМ в качестве элементов системы выступают устройства ЭВМ. Структура ЭВМ определяет из каких устройств ЭВМ состоит и как устройства связаны и взаимодействуют друг с другом. Основным средством связи (сопряжения) элементов в единое целое является интерфейс - своеобразный элемент структуры.

Устройства ЭВМ, как элементы структуры, (кроме интерфейсов) принято задавать описанием их входов и выходов, а также перечнем F реализуемых элементом функций (или явным описанием алгоритма функционирования элемента). В общем случае элемент структуры графически представляется в виде: ВХ ВЫХ. Например, АЛУ как элемент структуры имеет вид: g

D R

Функция АЛУ задается набором (списком) операций FАЛУ={f1, … , fG}.

Для изображения структур используются различного рода схемы (ECKД, ГОСТ 2.702): структурные, функциональные, принципиальные и др.

Структурная схема отображает схему ЭВМ на уровне устройств: процессоров, ЗУ, УВВ и др. Пример: структурная схема ЭВМ на основе единого интерфейса – общей шины ОШ (рисунок 3.1). Элементы структурных схем обозначают либо прямоугольником, либо используют специальные фигуры – условные графические обозначения (УГО):

-на уровне структурных схем (Э1) используются УГО, представленные на рисунке 3.1;

-на уровне функциональных схем (Э2) в качестве элементов используются известные функциональные узлы, которые обозначаются либо в виде прямоугольников, либо в виде УГО. УГО для комбинационных схем:

DC - для дешифраторов, CD - для шифраторов, SUM - для сумматоров, R - для регистров, SR - для регистров сдвига.

-на уровне принципиальных схем (Э3) используются УГО для логических и других элементов.

Рисунок 3.1

2 Классы устройств электронных вычислительных машин

В зависимости от назначения устройства ЭВМ принято разделять на 4 класса: процессоры, ОУ, ЗУ, УВВ.

Процессор - это устройство, предназначенное для реализации процесса выполнения программы, загруженной в память ЭВМ.

Отличительная особенность процессора - его активность, которая заключается в том, что процессор автоматически выбирает из ОП очередную команду программы, реализует её сам или с помощью других устройств ЭВМ, а затем извлекает из памяти следующую команду и т.д. Т.о. функционирование процессора сводится к реализации известного цикла выполнения команд. Другая особенность: заданный набор команд К=К1, ... , КN – система команд. Один тип процессора от другого отличается системой команд. Следует отметить, что процессоры различают двух типов: центральные и специализированные.

Основные характеристики процессоров – затраты оборудования и быстродействие. Быстродействие процессоров определяется количеством команд, реализуемых в единицу времени V={V1, ... , VN} и зависит от времени выполнения команды V=1/t. Поскольку команды разные (по сложности), то обычно и время их выполнения разное: t1, t2, ... , tN. Отсюда и разное быстродействие при выполнении различных команд.

Затраты оборудования оцениваются суммарным количеством элементов, из которых строится процессор. Сложность элементов можно оценивать по Квайну: количеством входов всех логических элементов.

Операционное устройство (ОУ) - это устройство, предназначенное для выполнения операций из списка F={f1, ... , fG} над словами-операндами D={d1, ... , dm} c целью вычисления слов-результатов R={r1, ..., rQ}, причём, в каждый момент времени устройство может выполнять одну операцию R=fg(Dx), заданную кодом операции gє{1, ... , G}.

Под операцией fg понимают вычисление значения функции fg в точке D=Dx. Пример: r1=d1+d2=5+10=15. Кроме того, под операцией понимается операция из списка F. Если операция не принадлежит F, то это не операция. Это либо микрооперация, либо макрооперация.

В список F, в общем случае, можно включать любые операции. Однако их количество и сложность влияют на сложность ОУ и, следовательно, на количество оборудования - аппаратные затраты на ОУ. Как элементы структуры ОУ будем обозначать следующим образом:

Функция ОУ задаётся списком операций FОУ={f1,...,fG}. Пример ОУ - АЛУ: функция FАЛУ={+,-,*,/,...}. Следует отметить, что понятие ОУ является абстрактным. В ЭВМ используются не абстрактные ОУ, а конкретные, т. е. АЛУ, контроллеры конкретных периферийных устройств: НМД, принтеров, клавиатуры и т. п. Одно ОУ от другого отличается назначением и, следовательно, перечнем операций. Например, АЛУ и контроллер гибких дисков по принципу построения - операционные устройства, а по назначению (и списку операций) – это разные ОУ.

Основные характеристики ОУ, как и процессоров, - быстродействие и затраты оборудования. Быстродействие ОУ определяется количеством операций, реализуемых в единицу времени VОУ={V1, ... , VG} и зависит от времени выполнения операции t: V=1/t. Поскольку операции разные (по сложности), то обычно и время их выполнения разное: t1, t2, ... , tG. Отсюда и разное быстродействие ОУ при выполнении различных операций.

Затраты оборудования оцениваются суммарным количеством элементов, из которых строится ОУ. Сложность элементов можно оценивать по Квайну: количеством входов всех логических элементов. Сложность интегральных схем можно оценивать количеством элементов (p-n-переходов, например) или размерами кристалла.

Класс ЗУ. ЗУ называют устройство, предназначенное для хранения информации и снабженное средствами, обеспечивающими запись и чтение элементов информации (байтов, слов или более крупных элементов) в (из) ячейки ЗУ. В зависимости от назначения ЗУ разделяют на 3 класса:

СОЗУ – сверхоперативные ЗУ - предназначены для построения сверхоперативной памяти ЭВМ (памяти первого уровня). Основная отличительная особенность - сверхвысокое быстродействие, небольшая емкость и большая удельная стоимость хранения информации. СОЗУ обычно строятся на основе триггеров в качестве запоминающих элементов, т.е. СОЗУ – это статическая память типа SRAM.

ОЗУ – оперативные ЗУ - предназначены для построения ОП ЭВМ (памяти второго уровня). Отличительные особенности: высокое быстродействие и емкость, умеренная удельная стоимость. ОЗУ строятся на основе паразитных емкостей транзисторов в качестве запоминающих элементов – динамическая память типа DRAM.

ВЗУ – внешние ЗУ - предназначены для построения внешней памяти (третьего уровня). Основные характеристики: низкое быстродействие, очень большая (практически неограниченная) емкость, малая удельная стоимость.

ВЗУ строится на базе различного рода носителей информации в качестве запоминающей среды: магнитных – МЛ, МД (жестких и гибких), оптических (ОД типа СD ROM и др.). При обращениях к такого рода ЗУ их носители информации приводятся в движение (обычно с постоянной скоростью – это их отличительная особенность). Для приведения носителя в движение используют различного рода приводы (обычно электрические по своей природе – т. е. на основе электродвигателей). Привод вместе с носителем информации принято называть накопителем: НМЛ, НМД, НОД, … .

Для обозначения запоминающих устройств на схемах используются различного рода УГО (ГОСТ 2.743-82):

Основные характеристики ЗУ: емкость и быстродействие. Емкость ЗУ в ВТ принято измерять в байтах, КВ, МВ, ГВ, ТВ, … . Быстродействие ЗУ измеряется количеством операций обращения в единицу времени. Обращение к ЗУ производится либо с целью чтения информации, либо с целью записи информации. За одно обращение читается (записывается) порция данных фиксированной длины. Быстродействие ЗУ определяется временем одного обращения VЗУ=1/tобр. Время обращения складывается из времени доступа к адресуемому элементу и времени его чтения или записи.

Класс устройств ввода/вывода. Устройства ввода (УВв) предназначены для чтения информации с носителя информации и ввода ее в память ЭВМ. Устройства вывода (УВыв) предназначены для записи информации, выводимой из ОП, на носитель информации. В процессе ввода/вывода эти устройства обеспечивают преобразование сигналов из одной физической природы в сигналы другой природы. Примером универсального устройства ввода и вывода является устройство типа НГМД. В качестве носителя информации в этом устройстве используется ГМД (floppy disc) – дискета, которая может использоваться как источник информации при вводе в память ЭВМ и как приемник – при выводе из памяти ЭВМ.

На дискете информация хранится в виде магнитных отпечатков, следов, т.е. используется магнитная природа хранения информации. При вводе (чтении) информации с дискеты происходит ее преобразование в совокупность электрических сигналов, представляющих информацию в двоичном коде (на дискете – двоичный магнитный код, при считывании – двоичный электрический код). При выводе (записи) на дискету – обратное преобразование: совокупность электрических сигналов преобразуется в совокупность магнитных следов (отпечатков) на дискете.

Типичным примером УВв является клавиатура, которая обеспечивает ввод текстовой (символьной) информации с бумажного носителя информации (или из головы человека) в память ЭВМ путем нажатия соответствующих клавиш. Типичным УВыв является принтер (печатающее устройство): обеспечивает вывод информации из памяти ЭВМ на бумажный носитель. Или другой пример УВыв – дисплей – устройство, обеспечивающее отображение информации, выводимой из памяти ЭВМ.

Следует отметить, что при вводе/выводе информации при помощи устройств ввода/вывода происходит не только преобразование сигналов (информации) одной физической природы в сигналы другой физической природы, но и ее (информации) кодирование. Для кодирования информации можно использовать различные кодовые комбинации. Например, при вводе/выводе символьной (текстовой) информации обычно используется стандартный код ASCII (как международный стандарт) – американский стандартный код обмена информацией. В России ему соответствует код обмена информацией семибитный – КОИ-7 (ГОСТ 13052-74).

Основные характеристики УВВ: затраты оборудования и быстродействие.

Затраты оборудования УВВ характеризуют такие параметры как габариты, вес и др.

Быстродействие УВВ характеризуется скоростью ввода/вывода информации, т. е. количеством информации в единицу времени. Например, количеством символов в секунду.

3.3 Магистрально-модульный принцип построения ЭВМ. Понятие интерфейса

В основу построения ЭВМ положен магистрально-модульный принцип. Его использование обеспечивает возможность организовать (строить) ЭВМ различных конфигураций из типовых модулей. Основные положения этого принципа:

все устройства ЭВМ (процессоры, ЗУ, контроллеры ПУ) оформляются в виде модулей, совместимых (сопрягаемых) на конструктивном, электрическом и функциональном уровнях;

объединение (соединение) модулей в систему осуществляется на основе одной или нескольких магистралей (по принципу детского конструктора). Этот принцип является составной частью более общего принципа – концепции открытых систем.

Объединение модулей в систему осуществляется по определенным правилам сопряжения. Сопряжения в технике принято называть интерфейсами.

Определение. Интерфейс – это совокупность аппаратных и программных средств, реализующих стандарт по организации связей в магистрально-модульной системе. Именно стандартизация модулей и связей позволяет комплектовать ЭВМ различных конфигураций из стандартных (серийно выпускаемых) модулей без их дополнительных доработок.

Классификация интерфейсов.

1. По способу соединения модулей в структуру различают:

интерфейсы магистральные - одна общая шина (магистраль) используется для объединения модулей и обмена информацией. Здесь термин магистраль используется как частный случай общего понятия – интерфейс;

радиальные (индивидуальные);

цепочечные;

смешанные (комбинированные).

2. По способу передачи информации: параллельные, последовательные и параллельно-последовательные.

3. По принципу обмена: синхронные и асинхронные.

4. По режиму передачи информации:

симплексный режим - передача только в одном направлении;

дуплексный режим - двусторонняя одновременная передача;

полудуплексный режим - двусторонняя передача, но в разные моменты времени – с разделением (мультиплексированием) по времени.

Основные элементы интерфейса:

совокупность правил обмена (протокол обмена);

аппаратная часть интерфейса (физическая реализация);

программное обеспечение интерфейса (алгоритм управления обменом, реализующий протокол обмена).

Интерфейсы, используемые в ВТ, обычно делятся на три класса: параллельные, последовательные и связные.

Параллельный интерфейс обеспечивает однонаправленную передачу n-разрядного двоичного кода (слова) - параллельного кода (n=8,16,32,64,…). Параллельные интерфейсы обеспечивают высокую пропускную способность, которая измеряется количеством байтов информации в единицу времени, обычно в секунду. Например, интерфейс ISA обеспечивает пропускную способность 16МВ/сек, поскольку n=16, а тактовая частота 8МГц.

На структурных схемах ЭВМ электрической цепи интерфейса принято обозначать одной или несколькими линиями и называть шинами:

n n

однонаправленная шина двунаправленная шина – магистраль

Электрические цепи интерфейса в зависимости от их назначения принято разделять на две основные группы: информационные и управления. Совокупность (набор) электрических цепей, объединенных в группу по назначению, и принято называть шиной, т. е. различают шины информационные ШИ и управления ШУ.

Информационные шины ШИ используются для передачи в разные моменты времени либо данных, либо команд, либо адресов. Тип передаваемой информации указывается (сообщается) приемному устройству путем посылки осведомительного сигнала: D, С, А (100 – данные, 001 – адрес, 010 – команда). Осведомительные сигналы передаются по специальным осведомительным цепям, которые образуют группу – шину осведомительных сигналов. Осведомительные сигналы используются для управления демультиплексором (в приемнике).

Цепи, образующие шину управления ШУ, используются для передачи различных сигналов управления, т. е. сигналов, которые формируются одним устройством (модулем), передаются по цепям ШУ и используются для управления другим устройством (модулем) в процессе обмена информацией по ШИ. Например, при обмене с модулем памяти (модулем ОЗУ), по цепям ШУ посылается сигнал чтения (записи), который интерпретируется как сигнал, указывающий направление обмена: из ЗУ или в ЗУ. Управляющие сигналы используются для синхронизации обмена. Для передачи информации по ШИ (по цепям параллельного интерфейса) используется один из двух способов (принципов) управления: синхронный или асинхронный.

При синхронном способе управление передачей осуществляется сигналом синхронизации (стробом), который вырабатывается передающим устройством и подается в приемное устройство, где используется для приема информации (рисунок 3.2). Здесь: А – передающее устройство, В – приемное, СС – сигнал синхронизации, который по ШУ передается от А к В в соответствии с временной диаграммой (рисунок 3.3). На передачу информации (слова длиной n-разрядов) отводится фиксированное время Т1=const, которое задается длительностью сигнала синхронизации. Это время определяется выражением: T1=max{сигн}+max{пр}, (3.1)

где max{сигн} - максимальное время распространения электрических сигналов по цепям, max{пр} - максимальное время приема информации, поступающей по ШИ.

Достоинство способа – простота. Недостатки:

- потери времени для тех пар устройств, для которых фактическое время передачи меньше Т1;

- низкая надежность передачи, так как нет сигнала, что приемное устройство приняло информацию по СС.

В связи с этими недостатками синхронный способ, как правило, применяется только в параллельных интерфейсах при передаче на небольшие расстояния при условии, что разброс времени приема незначителен, а надежность приемных устройств высокая, т.е. обычно в пределах одной интегральной схемы (кристалла процессора, например).

В тех случаях, когда разброс времени передачи в (3.1) большой, рационально применять второй способ – асинхронный (типа «запрос-ответ»). При этом способе приемное устройство, принявшее информацию по сигналу синхронизации СС, вырабатывает ответный сигнал, подтверждающий факт приема информации с ШИ. Сигнал синхронизации в этом способе исполняет роль запроса на прием информации, а сигнал ответа – роль осведомительного сигнала, подтверждающего факт приема информации. Отсюда другое название асинхронного способа – передача с квитированием (от слова «квитанция») – посылка сообщения с уведомлением отправителя о приеме информации при помощи квитанции.

Схема соединения устройств и временная диаграмма в этом случае имеют вид, представленный на рисунке 3.4.

Время передачи Т2 является переменным, так как зависит от конкретных (фактических, а не максимальных) параметров: длины цепей интерфейса между устройствами А и В, времени реакции устройств, участвующих в обмене.

Область применения асинхронных интерфейсов - подключение устройств различного быстродействия, например, периферийных устройств.

Последовательный интерфейс состоит обычно из одной цепи (точнее – пары цепей – витой пары), данные по которой передаются бит за битом, то есть в последовательном коде.

Примером последовательного интерфейса является RS-232-C или его отечественный аналог - стык 2 (С2). Пропускная способность последовательных интерфейсов обычно ограничена (меньше, чем у параллельных) и лежит в пределах от 102 до 107 бит/с при длине линий от единиц, десятков метров до 1 км. Пример для RS-232-С: пропускную способность можно выбрать из набора значений: 50,75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с.

Связные интерфейсы обеспечивают передачу информации по каналам связи на большие расстояния: от 1 км и выше - до сотен, тысяч км. Однако скорость передачи в них, как и в последовательных интерфейсах, невелика. Работа связных интерфейсов поддерживается специальной аппаратурой – аппаратурой передачи данных (АПД). АПД повышает достоверность передачи информации на большие расстояния.

В вычислительной технике последовательные и связные интерфейсы используются для подключения удаленных ПУ, а также для связи между машинами, входящими в состав сети ЭВМ (локальной или глобальной).

Следует отметить, что современные каналы связи (с целью увеличения пропускной способности и дальности передачи) строятся обычно на основе волоконно-оптических линий связи, обеспечивающих существенное увеличение пропускной способности интерфейса.

3.4 Типовые структуры однопроцессорных ЭВМ

Наибольшее распространение имеют три основные (типовые) конфигурации (структуры) ВК (ЭВМ). Первая, простейшая, строится на основе единого интерфейса (общей шины ОШ) (рисунок 3.5).

ОШ здесь выполнена как двунаправленная асинхронная магистраль. Через нее обмениваются информацией все устройства. Обмен осуществляется по принципу «ведущий – ведомый».

Основная память в этой структуре всегда пассивна. Активным может быть ЦП или КПУ. Для подключения периферийного устройства ПУ к ЭВМ (к ОШ) используется контроллер ПУ (КПУ), выполняющий роль устройства управления при обмене информацией с другими устройствами. Для каждого типа ПУ используется свой тип контроллера: контроллер клавиатуры, принтера, монитора и т. п. Ведущее устройство выставляет запрос на обмен, т. е. фактически запрос на захват ОШ. Получив ОШ в свое распоряжение, ведущее устройство выставляет адрес ведомого устройства и управляет обменом информации с ним по ОШ, посылая необходимую управляющую информацию. Например, при обмене с ОП – адрес ячейки ОП и сигнал чтения или записи. Такую структуру имеют ЭВМ типа РДР/11, СМ ЭВМ. Достоинства: простота структуры и обмена информации по ОШ.

Первый недостаток этой структуры: при большом количестве устройств, ПУ, в частности, ОШ становится «узким» местом в системе ввиду ее ограниченной пропускной способности. Активные устройства при большой загрузке ОШ достаточно часто (все с большей вероятностью) обнаруживают ОШ занятой обменом с другими устройствами и вынуждены ждать ее освобождения. Суммарная пропускная способность всех устройств не должна превышать пропускной способности ОШ. Иначе ожидание в очереди на обмен существенно ограничивает производительность ВК.

Уменьшить простои устройств и, следовательно, увеличить производительность можно разными способами. Первый способ – увеличить пропускную способность ОШ, если можно. Если нельзя, то применить второй способ – использовать несколько интерфейсов: два, три и т. д.

Второй недостаток: при большом количестве ПУ становятся ощутимыми затраты оборудования на их подключение к ОШ, т. е. суммарные затраты оборудования на реализацию контроллеров ПУ. Или, другими словами, для этой структуры характерны большие удельные затраты оборудования – суммарные затраты, поделенные на количество КПУ.

В силу указанных недостатков единый интерфейс находит применение в тех случаях, когда количество ПУ невелико. В тех случаях, когда количество ПУ велико, использование ОШ неэффективно.

Уменьшить удельные затраты оборудования можно, если упростить функции КПУ. Это удается сделать во второй типовой конфигурации - с выделенной ОП, в которой ОП отделена от ОШ (рисунок 3.6).

Здесь ОП связана с ОШ, которая становится интерфейсом ввода-вывода, через ЦП. При этом ЦП берет на себя функции по управлению обменом ПУ с ОП, т. е. вводом-выводом информации. На время обмена ЦП становится каналом ввода-вывода КВВ (или процессором ввода-вывода ПВВ). В этой структуре ЦП берет на себя выполнение функций, общих для всех ПУ, т. е. не зависящих от специфики ПУ. А именно: адресацию ячеек ОП и КПУ, модификацию адресов А:=А+1, подсчет количества передаваемых байтов (слов) С:=С-1, завершение передачи по условию С=0 и др. В результате функции контроллеров ПУ в этой структуре упрощаются и затраты оборудования на их реализацию уменьшаются.

Итак, вторая типовая конфигурация вводится с целью экономии оборудования на КПУ путем выделения общих функций и передачи их ЦП или специальному устройству – КВВ или ПВВ. В результате удельные затраты оборудования (в пересчете на одно ПУ) уменьшаются. Такую структуру, фактически, имеет ПЭВМ типа IBM PC АТ, в которой роль ОШ (интерфейса ввода-вывода) выполняет итерфейс ISA (EISA).

Контроллеры ПУ в первой структуре могут быть ведущими, во второй структуре - всегда пассивны (ведомые устройства подчиняются воле ведущего устройства - КВВ или ЦП).

Производительность ВК можно увеличить, если уменьшить простои устройств. Для этого в состав ЭВМ надо ввести два или больше интерфейсов.

Третья типовая конфигурация основана на использовании нескольких интерфейсов (с целью повышения производительности ВК) и на использовании нескольких КВВ – с целью снижения удельных затрат оборудования. КВВ – новое устройство, отделенное от ЦП и предназначенное для управления обменом информации между ОП и ПУ (рисунок 3.7). В этой структуре применяется три типа интерфейсов: кроме интерфейса ввода-вывода используется интерфейс ИОП, а также управляющий интерфейс ЦП ИЦП. Здесь КПУ` проще, чем в первой структуре. Фактически в ней размножена вторая типовая конфигурация.

На рисунке 3.8 представлена зависимость затрат оборудования от количества КПУ для трех типовых конфигураций.

Увеличение производительности здесь достигается тем, что в этой структуре обеспечивается одновременная (параллельная) работа ЦП и ПУ, работающих под управлением каналов ввода/вывода и КПУ. КВВ выполняют роль одного из средств (третий пункт) мультипрограммирования: они обеспечивают прямой доступ к памяти (ПДП) для ПУ, минуя ЦП.

Основные особенности этой конфигурации: наличие КВВ, обеспечивающих ПДП; наличие нескольких интерфейсов различных типов, которые обеспечивают одновременную работу многих ПУ (а не одной пары).

Функции КВВ: 1) запуск адресуемого ПУ по инициативе ЦП; 2) обмен с ОП по адресам А, А+1, … , А+С-1; 3) преобразование форматов данных – упаковка, т. е. формирование слова из байтов при вводе в ОП, распаковка – при выводе; 4) подсчет количества передаваемой информации С:=С-1 (до С=0); 5) завершение обмена по условию С=0 и прерывание ЦП.

Для организация КВВ применяются два способа:

1) КВВ можно реализовать как специализированный процессор ввода-вывода, для которого пишутся программы ввода-вывода - т. н. канальные программы (IBM 370, ЕС ЭВМ – большие ЭВМ, мэйнфреймы). Однако в мини- и микро-ЭВМ используется 2) способ – КВВ реализуется в виде контроллера ПДП (КПДП). Алгоритм обмена КПДП аппаратными средствами реализует действия А:=А1, С:=С-1, С=0?. Это общие для всех ПУ функции, независимо от типа ПУ.

3.5 Интерфейсы ПЭВМ типа ISA, PCI

Объединение устройств в первых персональных компьютерах (РС) осуществлялось на основе единого интерфейса – общей шины. В РС типа АТ на основе процессора i80286 в качестве общей шины использовался интерфейс ISA – интерфейс стандартной архитектуры. Все устройства компьютера. - ЦП, блоки памяти, контроллеры ПУ, содержащие порты ввода-вывода, подключаются к ISA как к системному интерфейсу.

Состав его основных цепей: 16-разрядная шина данных, 24-разрядная шина адреса, 4-разрядная шина управления, состоящая из цепей MR, MW, IOR, IOW, а также цепи запросов прерываний IRQ0, …, IRQ15 и запросов прямого доступа к памяти DACK0, …, DACK7. Тактовая частота 8МГц, пропускная способность 16 МВ/с. Тип обмена – асинхронный, принцип обмена – «ведущий – ведомый». Ведущее устройство, захватив интерфейс, управляет обменом с ведомым устройством, выставляя адрес ячейки памяти или порта ввода-вывода на ША и сигналы управления в цепи MR или WR, IOR или IOW, по которым обеспечивается чтение или запись ячейки или порта.

Тактовая частота процессоров скоро превысила 8 МГц и шина ISA стала «узким» местом компьютера, ограничивающим его производительность. Кроме того, адресное пространство в 16 МВ также стало ограничивающим фактором. Поэтому с целью увеличения адресного пространства и пропускной способности был разработан (также фирмой IBM) расширенный (Extended) интерфейс EISA. В нем ША и ШД увеличены до 32 цепей. В результате адресное пространство выросло до 4 ГВ, а пропускная способность – до 32 МВ/с, тактовая частота осталась прежней. Пропускная способность выросла незначительно и осталась фактором, ограничивающим производительность ЭВМ.

С целью разрешения этой проблемы было принято следующее решение. В состав ЭВМ ввели дополнительный интерфейс – локальную шину - с высокой пропускной способностью, который стали использовать для подключения устройств, требующих высокой скорости обмена. В результате получилась структура с двумя шинами (рисунок 3.9), в которой в качестве локальной шины используется интерфейс PCI.

Современные ПЭВМ типа Pentium, как правило, содержат не менее двух интерфейсов: наряду с интерфейсами ISA (EISA) в состав ВК вводится другой интерфейс с более высокой пропускной способностью – локальная шина типа PCI, например. Структура ВК при этом усложняется, производительность возрастает (рисунок 3.9). Пропускная способность локальной шины PCI больше пропускной способности интерфейса ISA.

Интерфейс PCI – Peripheral Component Interconnect – шина для соединения периферийных (по отношению к ЦП) компонентов. Обмен по шине PCI осуществляется по принципу «ведущий» (Initiator, Master) и «ведомый» (Target, Slave). Тип обмена - асинхронный (с квитированием), режим обмена – пакетный. Размер пакета – от одной порции данных и выше. Обмен задается в виде транзакций. Каждая транзакция начинается фазой (циклом) адреса (рисунок 3.10). За ней может следовать одна или несколько фаз (циклов) данных. Для передачи адреса и данных используется мультиплексированная шина адреса данных AD (32 или 64 разряда). Начало обмена (транзакции) задается сигналом FRAME – кадр обмена, который вырабатывает ведущее устройство (Initiator). Оно же выставляет на шину AD адрес ведомого устройства, а на шину управления С/ВЕ (Command/Byte Enable) команду, несущую информацию о типе транзакции и направлении обмена. Адресуемое устройство, опознав адрес как собственный, отзывается сигналом DEVSEL (Device Select) – устройство выбрано. После этого инициатор может выставить свой сигнал готовности к обмену IRDY. Когда к обмену будет готово ведомое устройство, оно установит свой сигнал готовности TRDY. Одновременная готовность ведущего и ведомого запускает цикл обмена порцией данных по шине АD. Отсутствие сигнала готовности фактически вводит такты ожидания. С их помощью устройства согласуют свои скорости. Если быстродействие устройств позволяет, то будет обеспечена максимальная пропускная способность 32/64 бита за такт (не считая такта адресации).

Рисунок 3.10

Следует отметить, что количество порций данных в пакете заранее не определено. Перед последней порцией инициатор снимает сигнал FRAME, тем самым сообщает ведомому устройству о завершении обмена. Затем, после обмена последней порцией данных, инициатор снимает сигнал готовности IRDY и шина переходит в состояние покоя – оба сигнала FRAME и IRDY находятся в пассивном состоянии.

Завершение транзакции, т.е. процесса передачи пакета данных, может закончиться: 1) нормально (как описано выше), 2) по тайм-ауту (когда закончиться отведенное на транзакцию количество тактов), 3) аварийно (транзакция отвергается, если в течении заданного времени не получен ответ DEVSEL от адресуемого устройства), 4) по сигналу STOP от ведомого устройства.

Транзакции инициируются по запросам от инициаторов. Инициаторы выставляют запросы на захват шины в цепь REQ. Арбитраж запросов выполняет арбитр, который входит в состав чипсета системной платы. В ответ на запрос REQ арбитр выбирает устройство с наивысшим в данный момент времени приоритетом, посылая ответный сигнал GNT (Grant) в цепь GNT.

Направление обмена по шине AD задается в адресной фазе путем передачи по шине C/BE четырехбитовой команды, которая и указывает направление обмена. Типичные команды PCI:

-чтение памяти (MR – Memory Read) – код команды 0110,

-запись памяти (MW – Memory Write) – код команды 0111,

-чтение порта ввода-вывода (I/OR) - код команды 0010,

-запись порта ввода-вывода (I/OW) - код команды 0011.

Обмен информацией между устройствами, подключенными к разным интерфейсам (рисунок 3.9), осуществляется через контроллеры (мосты): PCI/ISA, PCI/SCSI, которые входят в состав чипсет большинства системных плат.

Характеристики PCI: частота 33 МГц, однако версия 2.1 допускает работу и на частоте 66 МГц – при согласии всех абонентов шины. Разрядность шины AD – 32 (64), отсюда пропускная способность от 132 до 528 МВ/с. Кроме того, PCI ориентирован на технологию PnP – подключай и работай, т.е. поддерживает режим автоконфигурирования устройств.

3.6 Структуры мультипроцессорных и многомашинных ВК

Зачем нужны такого рода ВК, если есть однопроцессорные ВК высокой производительности (например, третья типовая конфигурация)? Ответ очевидный – для еще большего повышения производительности.

Дело в том, что производительность однопроцессорных ВК со временем растет, но не очень быстро. Известно два основных способа повышения производительности: 1) уменьшение времени переключения электронных элементов за счет совершенствования технологии их производства, применение новых материалов и т.п., т.е. за счет увеличения быстродействия элементов и уменьшения длины электроцепей, по которым распространяются электрические сигналы (скорость распространения постоянна 30см/нс); 2) за счет совершенствования организации устройств, обеспечивающей увеличения их быстродействия, (например, организации ЦП).

Пример: за 25 лет с 1950г. по 1975г. быстродействие электронных элементов увеличилось в 1000 раз, а быстродействие процессоров – в 10000 раз. Дополнительное увеличение в 10 раз было достигнуто за счет их внутренней организации, в частности, за счет использования методов параллельной обработки вместо последовательной.

Применение же многомашинных и мультипроцессорных ВК – путь практически неограниченного повышения производительности ВК за счет распараллеливания вычислительных процессов. Известно два пути: 1) параллельное программирование, которое позволяет производить одновременное выполнение различных ветвей одной программы (на различных процессорах) – в результате время выполнения программы уменьшается, производительность – растет; 2) параллельное (одновременное) выполнение нескольких программ – режим истинного мультипрограммирования, а не «квази», как в однопроцессорных ВК. В результате – неограниченный рост производительности – пропорциональный количеству процессоров в ВК.

3.6.1 Многомашинные вычислительные комплексы

Многомашинный ВК – слабосвязанная ВС, в процессе работы которой связь между машинами комплекса осуществляется обычно только на уровне обмена данными. Это означает, что каждая машина ВК достаточно автономна – работает под управлением собственной ОС. Взаимодействие с другими машинами ВК сводится к обмену данными между ними: одна машина использует другую как источник информации, т.е. как устройство ввода.

Если машины одинаковые (однотипные), то комплекс называется однородным, если разнотипные – неоднородным. Типичный пример однородной структуры – многомашинный комплекс на базе ЭВМ IBM 370 (ЕС ЭВМ). Такой комплекс может содержать две и более ЭВМ. Каждая машина комплекса работает под управлением собственной ОС, имеет свою ОП, КВВ и ПУ. Объединение машин в комплекс осуществляется при помощи специальных средств комплексирования. На рисунке 3.11 в качестве примера приведена

структура двухмашинного ВК. Здесь комплексирование осуществляется при помощи следующих средств: ИПУ – интерфейс прямого управления, АКК – адаптер канал-канал, двухканальный переключатель, РКПУ – разделяемые контроллеры ПУ.

Комплексирование на уровне процессоров осуществляется через интерфейс ИПУ. На этом уровне осуществляется синхронизация вычислительных процессов путем передачи между процессорами сигналов внешних прерываний и команд прямого управления. БУК – блок управления комплексом, подключаемый к ИПУ, используется для управления ВК, в частности, для задания режима работы. Возможные режимы работы: режим параллельной обработки с межмашинным обменом информации; дуплексный режим (обе машины выполняют одну и ту же работу – для повышения надежности); автономная работа машин (или одной машины – пока другая в ремонте).

Межмашинная связь на уровне общих ПУ обеспечивается через РКПУ, которые снабжены переключателями на два направления, обеспечивают не очень высокую пропускную способность. Комплексирование через двухканальный переключатель обеспечивает высокую пропускную способность и используется для комплексирования общего поля памяти на основе НМД, НМЛ. Комплексирование на основе АКК обеспечивает обмен информации ОП-1 и ОП-2, если общее поле ОП не организовано другими средствами. Организация общего поля ОП обеспечивается применением многопортовых модулей памяти (ОЗУ). Основные проблемы: сложная схема управления общей ОП и разрешение конфликтных ситуаций, возникающих при одновременном обращении к одному модулю памяти двух процессоров (или КВВ).

При построении конкретных ВК на базе ЕС ЭВМ не обязательно используются все уровни комплексирования.

3.6.2 Мультипроцессорные вычислительные комплексы

Мультипроцессорный вычислительный комплекс (МПВК) - это комплекс, который состоит из нескольких ЦП, работающих с общей оперативной памятью и общим набором ПУ под управлением единой ОС. Предназначен для решения широкого круга задач, т.е. является комплексом достаточно универсального типа. Области применения МПВК – обработка изображений, распознавание образов, моделирование систем и другие задачи искусственного интеллекта.

Проблемы организации МПВК такого рода. Первая - организация связей между элементами комплекса. При большом количестве ЦП, модулей ОП, каналов ввода-вывода организация связей между ними оказывается не простой задачей (во всяком случае не дешевой). Вторая проблема – задача организации вычислительных процессов в таком комплексе является сложной, поэтому ОС таких комплексов представляет собой сложные и объемные программы, разработка которых требует высокой квалификации системных программистов и высокой трудоемкости. Разрешение этих двух проблем заставляет искать компромиссные варианты построения МПВК: с одной стороны – не очень сложной структуры, с другой – не очень значительное снижение производительности ВК. Практическое применение имеют три типа структур МПВК: с общей шиной (рисунок 3.12), с перекрестной коммутацией (рисунок 3.13), с многовходовой (многопортовой) памятью (рисунок 3.14).

Основной недостаток структуры на основе ОШ – ограниченная пропускная способность ОШ и, как следствие, ожидание в очереди на обмен, отсюда – падение производительности ВК по сравнению с теоретической. Теоретически производительность ВК, включающего N ЦП, возрастает в N раз, реальная – существенно меньше, чем в N раз. Другой недостаток – низкая надежность, т.к. отказ ОШ приводит к неработоспособности всего ВК. Достоинство – простота структуры.

Достоинство второй структуры – одновременно могут обмениваться несколько пар устройств, т.к. коммутатор межмодульных связей КМ обеспечивает такую возможность. В результате резко возрастает производительность по сравнению с первой структурой. Недостаток – сложность КМ и высокая его стоимость. Такую структуру имеет отечественный МПВК "Эльбрус".

Третья структура (рисунок 3.14) строится на основе многопортовых блоков памяти. В этом случае также обеспечивается одновременный обмен нескольких пар устройств. Коммутатор здесь фактически распределен по модулям памяти. Такое решение проще и дешевле, чем во второй схеме. По такой схеме организован отечественный МПВК на базе ЕС ЭВМ.

Пример МПВК на базе ЭВМ типа ЕС-1065 представлен на рисунке 3.15. Здесь модули ОП имеют емкость один МВ. Процессоры команд ПК осуществляют выборку и дешифрацию команд. АЛУ состоит их четырех ОУ. Операционные устройства выполняют операции, предписанные командами: ОУ1 – операции с фиксированной запятой, ОУ2 – с плавающей запятой, ОУ3 – десятичную арифметику и обработку полей переменной длины, ОУ4 – операции умножения и деления (по ускоренной схеме). Быстродействие ВК – 7 млн. оп/сек.

Организация вычислительных процессов. Организацией вычислительных процессов занимаются ОС. При этом они реализуют разные способы взаимодействия процессоров. Первый - по принципу «ведущий - ведомый». В этом случае один из процессоров ВК берет на себя функции по управлению остальными процессорами. А именно, ведущий процессор распределяет задания, выделяет необходимые для их выполнения ресурсы. Такая организация исключает конфликты из-за ресурсов и уменьшает частоту незапланированных ситуаций. Основной недостаток – ведущий процессор становится узким местом в плане надежности ВК.

Второй способ – с раздельным выполнением заданий. Все процессоры находятся в равных условиях, имеют одинаковые права и выполняют все функции, связанные с обработкой информации. Однако распределение функций между ними осуществляется заранее, т. е. статически. В процессе выполнения заданий, в динамике ресурсы перераспределяться не могут. Отсюда недостаток – неэффективное использование ресурсов, т. к. заранее предусмотреть оптимальное распределение ресурсов невозможно. Неоптимальное распределение ресурсов ведет, естественно, к снижению реальной производительности ВК по сравнению с теоретической.

Третий способ – симметричная обработка. Каждый процессор по завершении текущей задачи выбирает себе новую из очереди задач, а также все ресурсы, необходимые для ее выполнения. Такая организация используется в отечественном ВК «Эльбрус».

3.6.3 МПВК с раздельной памятью

Такого рода ВК строятся на основе элементарных машин (ЭМ), объединяемых в ВК посредством коммуникационной сети (КС). Каждая ЭМ состоит из ЦП и ОП, т.к. каждый процессор имеет свою собственную память, отсюда название – ВК с разделенной ОП. Поскольку ВК состоит из достаточно автономных ЭМ, эту структуру можно отнести и к классу многомашинных ВК.

Обмен информацией между ЭМ ВК осуществляется в виде сообщений, пересылаемых по КС от ЭМ – источника к ЭМ – приемнику. Синхронизация вычислительных процессов в ЭМ ВК осуществляется также посредством посылки сообщений между ними.

ЭМ в настоящее время реализуются на базе транспьютеров. Транспьютер (ТП) – это специальный микропроцессор, снабженный средствами связи с другими ЭМ: TRANSmission + comPUTER. Разработан фирмой Inmos (Англия) в 1979 г. На рисунке 3.16 приведена структура ТП типа Т800 (1989 г.). Здесь: ЦП – 32-разрядный процессор, ОЗУ емкостью 4 КВ, АЛУ с плавающей запятой, разрядность 64 бита, ИВП – интерфейс внешней (дополнительной, общей) памяти, пропускная способность 40 МВ/с, КС – четыре последовательных дуплексных канала связи с пропускной способностью 10 МВ/с каждый, Т – таймеры, УК – блок управления каналами КС, ОШ – внутренний интерфейс с пропускной способностью 40 МВ/с.

Отличительные особенности Т800: наличие четырех КС, работающих в дуплексном режиме; RISC – команды, каждая из которых длиной 8 бит, старшие 4 бита – код операции, младшие – непосредственный операнд; стековые операции. Производительность Т800: 15 MIPS и 3.3 MFLOPS. Транспьютер как ЭМ принято изображать в виде, представленном на рисунке 3.17.

Для построения МП ВК кроме ТП необходимы и другие элементы: адаптеры последовательного канала, коммутаторы, сигнальные процессоры, контроллеры ПУ (например, НМД) и другие микросхемы.

Идея, которая положена в основу построения ТП – язык Оккам (Оккам - философ, который жил в средние века). Постулат (”бритва”) Оккама формулируется следующим образом: понятия и утверждения не должны усложняться без необходимости. Язык Оккам позволяет описывать систему как ряд параллельных процессов, взаимодействие между которыми осуществляется путем передачи сообщений (по каналам связи).

На базе ЭМ (типа ТП) можно строить ВК различной конфигурации (топологии): кольцевой (рисунок 3.18,а), в виде двумерной решетки, матрицы (рисунок 3.18,б), в виде дерева (рисунок 3.18,в), в виде гиперкуба (рисунок 3.18,г).

Одна структура от другой отличается коммуникационным диаметром – расстоянием между наиболее удаленными ЭМ в структуре ВК, которым в случае необходимости должно проходить сообщение от одной ЭМ к другой ЭМ (через промежуточные узлы как ретрансляторы сообщения).

В структуре типа «кольцо» коммуникационный диаметр КД = N/2, в двумерной решетке КД=2(N-1),т. е. меньше, чем в кольце.

Пример транспьютерного ВК – система CS фирмы Мейко (рисунок 3.19). Особенности системы CS: ведущий модуль построен на одном ТП и имеет ОП емкостью 3 МВ; модули обработки МО построены на базе четырех ТП и имеют ОП емкостью 8 МВ. Производительность одного МО – 80 MFLOPS, N – от 1 и выше; М - супервизорная магистраль.

3.7 Нейрокомпьютеры

Принципы обработки информации в современных ЭВМ и принципы функционирования мозга человека существенно различаются. Мозг человека работает на основе параллельной обработки информации в нейронных сетях. ЭВМ, построенные на основе принципов параллельной обработки информации в распределенных (искусственных) нейронных сетях, называют нейрокомпьютерами.

В основу построения нейрокомпьютеров (НК) положен принцип имитации поведения клеток головного мозга – нейронов. Впервые эта идея была предложена в 1949 году. Ее суть: построить ЭВМ в виде нейронной сети, которая путем обучения настраивалась бы на решение различных конкретных задач. Построение НК неразрывно связано с проблемой искусственного интеллекта (ИИ). Следует отметить, что нет единого определения понятия ИИ. Понятие ИИ можно определить путем перечисления типичных задач ИИ.

Одна их них – автоматическое решение возникающих задач – решатель задач. Он сам должен находить метод, алгоритм решения задачи.

Другая задача ИИ – распознавание образов: входной набор данных надо отнести к одному из известных классов. Например, распознавание символов текста при их оптическом вводе в память ЭВМ, или распознавание речи при вводе информации голосом и др.

Экспертные системы (ЭС). ЭС включает базы знаний, сформированные с помощью экспертов – специалистов в некоторой предметной области, и правила вывода, обеспечивающие манипуляции со знаниями из базы знаний. Отличительные особенности ЭС: строить правильные выводы в условиях неполной информации, большая часть знаний носит эвристический характер (часть человеческого опыта), способность к обучению. Система ИИ должна помогать человеку при решении плохо формализованных задач. Искусственные нейронные сети – нейрокомпьютеры – способны решать подобного рода задачи. Они должны автоматизировать не рутинную деятельность, а интеллектуальную.

В общем случае модель нейронной сети состоит (строится) из множества формализованных нейронов, между которыми устанавливаются синаптические связи. Изменение состояния нейрона сети происходит по суммарному возбуждению, происходящему по синаптическим связям от других нейронов сети. Базовым элементом искусственных нейронных сетей является искусственный нейрон ИН (рисунок 3.20).

Поведение ИН описывается функцией состояния Х и функцией активации f. Функция состояния определяет состояние нейрона в зависимости от значений его входов x1 … xn, весов входов w1, … , wn и, возможно, от предыдущих состояний. Однако чаще всего используется функция состояния, не зависящая от предыдущего состояния. Например, как взвешенная сумма входов, определяемая выражением: Х=wixi, i от1 до n. Поведение ИН в целом описывается выражением:

При построении ИН применяются различные функции активации:

-бинарная (пороговая) – у=0, если ха и у=1, если ха,

-линейная пороговая – у=0, если ха1, у=кх, если а2 ха1, у=1, если ха2,

-линейная – у=кх+b, сигмоидная - у= 1/(1+e-х) и др. Вид двух типичных функций активации –пороговой и сигмоидной представлен на рисунке 3.21.

Из ИН организуются, например, линейные матрицы, называемые слоями или уровнями нейронной сети. На рисунке 3.22 приведен пример трехуровневой сети с прямыми связями от входов к выходам. Различают нейронные сети линейные- с линейной функцией активации ИН – и нелинейные – с нелинейной функцией активации ИН.

Больше возможностей у сетей с обратными связями, от последующих уровней к предшествующим. Такие сети позволяют обнаруживать и запоминать образцы (образы), подаваемые на вход сети в виде наборов параметров Х1 … ХК. Такого рода сети способны обучаться. Обучение происходит путем сравнения входных образцов с хранящимися в сети и, если это новый образец, то производится его запоминание и т. д. В процессе сравнения формируются новые весовые коэффициенты и осуществляется самообучение. Таким образом нейронная сеть сама себя программирует на основе подаваемой на ее вход информации.

Нейронная сеть рассматривается как альтернатива алгоритмическому программированию, т.е. как альтернатива фон неймановским принципам построения ЭВМ.

Реализовать нейронные сети можно на основе транспьютеров путем их соответствующего программирования (настройки) на работу в качестве ИН. Однако человеческий мозг скорее представляет «аналоговую» ЭВМ, поэтому нейронную сеть лучше строить на базе аналоговых БИС – специализированных нейрочипов. При таком подходе для построения ИН потребуется только один многовходовой транзистор, роль весовых коэффициентов в котором могут выполнять резисторные матрицы. Применяются также цифровые нейрочипы и гибридные.

115