МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ КОМПЛЕКТ БИС С ПРОГРАММИРУЕМОЙ СТРУКТУРОЙ

Многопроцессорные вычислительные системы с программируемой архитектурой строятся на основе микропро­цессоров, реализующих крупные операции структурными ме­тодами, и имеют распределенную память и универсальную ком­мутационную систему.

Основными устройствами системы являются: поле процес­соров, состоящее из микропроцессоров с программируемой структурой; распределенная память, состоящая из блоков; УБО - устройство быстрого обмена данными между полем микро­процессоров и распределенной памятью, с одной стороны, и системным устройством с другой, представляющее собой буфер­ное запоминающее устройство - буферную память; коммутаци­онная система, позволяющая подключать выходы микропроцес­соров, распределенной памяти и устройства быстрого обмена к любым входам микропроцессоров; магистраль, через которую осуществляется обмен данными и настроечной информацией с системным устройством; системное устройство СУ, представ­ляющее собой типовую ЭВМ и состоящее из вводных и вывод­ных устройств, общей памяти и процессора. Системное устрой­ство выполняет функции ввода-вывода, управления всей МВС и долговременного хранения больших массивов информации.

Пользователь на языке высокого уровня, близком к матема­тической нотации, вводит программу решения задачи в СУ, где эта программа транслируется на язык крупных операций СУ (макроопераций) микропроцессоров, крупных коммутаций К (макрокоммутаций) коммутационной системы и макрокоманд управления блоками распределенной памяти и УБО. С помо­щью операционной системы оттранслированная программа заг­ружается через магистраль в поле МП, коммутационную систе­му, блоки памяти и УБО. По команде СУ все устройства систе­мы начинают работу. Вычислительная часть системы имеет де­централизованное, т.е. распределенное по всем блокам управ­ление, и поэтому она может запускаться по частям, что позволя­ет совмещать различные режимы работы, такие, как решение, ввод, вывод. При загрузке и выгрузке больших массивов данных используется УБО. Информация в него может приниматься с выходов любых микропроцессоров и блоков распределенной памяти и затем быстро выдаваться в общую память СУ Точно так же информация из общей памяти СУ может быстро прини­маться в УБО и затем параллельно выдаваться на входы различ­ных МП. Быстрый обмен может проводиться одновременно с решением и вводом-выводом через магистраль.

Подобные многопроцессорные системы имеют весьма вы­сокую производительность, которая обеспечивается параллель­ной работой всех МП и блоков распределенной памяти, а также возможностью совмещать во времени такие работы, как ввод-вывод через магистраль и быстрый обмен массивами информа­ции через УБО. Параллельная, т.е. одновременная работа всех микропроцессоров и блоков распределенной памяти, обеспечи­вается коммутационной системой, позволяющей осуществлять параллельный обмен данными одновременно между всеми МП, блоками распределенной памяти и УБО. Все устройства систе­мы могут автоматически перестраиваться с решения одной за­дачи на другую. Так, микропроцессоры и коммутаторы могут автоматически без вмешательства СУ перестраиваться с однихмакроопераций и макрокоммутаций на другие. Многопроцес­сорная вычислительная система с программируемой архитекту­рой характеризуется простотой программирования. Эта простота достигается высоким уровнем входного языка всех устройств системы.

На основании рассмотрения общей схемы МВС с программируемой архитектурой нетрудно определить состав микропроцессорного комплекта. Очевидно, что минимальное число типов элементов комплекта должно быть не меньше че­тырех: для поля процессоров необходимо и достаточно иметь соответствующий микропроцессор; для коммутационной сис­темы необходимо иметь соответствующий элемент коммутации - коммутатор; распределенную память можно построить, исполь­зуя выпускаемые промышленностью большие интегральные схемы памяти и, возможно, еще один-два типа интегральных схем для организации децентрализованного управления, одна­ко представляет интерес возможность использования одного типа БИС для построения распределенной памяти; точно так же, как и распределенная память, из двух-трех типов БИС мо­жет быть построено и устройство быстрого обмена, для него также представляет интерес возможность использования одно­го типа БИС.

Общими для всех элементов комплекта принципами построения являются следующие. Все элементы должны выпол­нять соответствующие крупные операции: микропроцессор -вычислительные операции, коммутатор - стандартизированные совокупности коммутаций; БИС памяти - операции обмена стандартизированными массивами, БИС УБО - операции обме­на стандартными массивами с преобразованием данных. Все БИС комплекта должны иметь программируемую структуру, крупные операции в них должны выполняться не процедурно, т.е. не как совокупность последовательности действий, а структурным ме­тодом - по граф-схеме алгоритма или, другими словами, схем­но. Необходимо, чтобы элементы комплекта выполняли функ­ции децентрализованного управления, без которого практичес­ки невозможно эффективно осуществлять параллельные вычис­ления. Комплект БИС должен иметь широкие функциональные возможности.

Набор крупных операций каждого элемента комплекта прак­тически не может быть одновременно универсальным и высокоэффективным для всех классов задач. Поэтому набор круп­ных операций должен быть расширяемым. Для этого необходи­мо, чтобы все элементы комплекта допускали возможность их программирования на языке более низкого уровня. Например, МП должен иметь возможность программирования его на язы­ке арифметико-логических операций, коммутатор - на уровне элементарных коммутаций, т.е. коммутаций «один вход на один выход». Это позволит в процессе эксплуатации перед решением класса задач, для которых требуются дополнительные макроопе­рации, произвести всего лишь один раз ввод в элементы систе­мы структурных программ этих крупных операций и затем уже оперативно использовать их на языке высокого уровня (анало­гично тому, как это делается при построении новых стандарт­ных подпрограмм для ЭВМ).

Комплект БИС для МВС ПА должен удовлетворять некото­рым общим требованиям, обеспечивающим его единство и совместимость как с точки зрения обработки информации, так и со стороны его внешних электрических характеристик. К этим требованиям относятся единство представления и форматов числовой, программной и управляющей информации. Это уп­рощает программирование, обеспечивает единство интерфей­сов межпроцессорного обмена и ввода-вывода, что позволяет соединять БИС комплекта в произвольных сочетаниях и объе­динять их в матричные, конвейерные и другие сложные струк­туры. Идентичность внешних электрических характеристик всех БИС комплекта обеспечивает совпадение уровней логического нуля и единицы, а также динамических параметров сигналов на выводах БИС. Это наиболее просто достигается при использо­вании для построения комплекта единой микроэлектронной тех­нологии.

Важнейшими характеристиками системы являются произво­дительность, сложность и класс решаемых задач [6]. Высокая производительность обеспечивается параллельным решением задач на большом числе процессоров структурными методами реализации крупных операций и возможностью совмещения во времени различных режимов работы. Класс решаемых на МВСзадач зависит от универсальности наборов крупных и арифме­тико-логических операций, возможностей коммутационной си­стемы и емкости памяти. Наиболее просто обеспечивается не­обходимый объем памяти, достаточно лишь увеличить число блоков распределенной памяти. Кроме того, сами МП имеют собственную распределенную память. Также относительно не­сложно увеличением числа коммутаторов расширяются возмож­ности коммутационной системы. Основной характеристикой, наиболее существенно влияющей на класс решаемых задач, явля­ются наборы крупных и арифметико-логических операций, при­чем если набор крупных операций влияет на эффективность ре­шаемых задач, то арифметико-логический набор в основном определяет класс решаемых задач. В связи с этим набор ариф­метико-логических операций должен быть функционально пол­ным, а набор крупных операций - расширяемым.

Своего рода законом является зависимость производительности и класса эффективно решаемых задач от сложности МВС. Чем выше производительность и шире класс решаемых задач, тем большую сложность имеет система. По­этому важное значение при построении многопроцессорных систем с программируемой архитектурой приобретают исполь­зуемые в ней принципы переработки и межпроцессорной пере­дачи информации, так как именно они в значительной степени определяют сложность микропроцессоров и коммутаторов, а те, в свою очередь, - сложность всей системы.

Наибольший вклад в сложность МВС вносит коммутаци­онная система. Так, для коммутации 256 входных шин на 256 выходных в общем случае потребуется 256 коммутаторов 16х16, т. е. коммутаторов, позволяющих в различных комбинациях со­единять 1 6 входов с 1 6 выходами. Это значительный объем. С помощью такой коммутационной системы можно коммутиро­вать не более 1 6 микропроцессоров. Поэтому необходимо, что­бы при заданной сложности коммутационная система имела весьма широкие функциональные возможности, т.е. максималь­ное число одновременно работающих каналов межпроцессор­ного обмена. Очевидно, что число таких каналов зависит от спо­собов передачи информации. При обмене информацией парал­лельными кодами число каналов максимальное, при обменеинформацией последовательными кодами - минимальное. Так как и в том и в другом случае объем информации, передаваемый в единицу времени через коммутационную систему, одинаковый, то с точки зрения функциональных возможностей передача ин­формации последовательными кодами имеет бесспорное пре­имущество.