книги из ГПНТБ / Журавлев, Ю. П. Системное проектирование управляющих ЦВМ

дится, например, метод определения коэффициентов важности.

В [60] излагается аналитический подход к выбору структуры вычислительной системы и, в частности, струк­ туры ЗУ. Там же рассматривается вычислительная си­ стема, состоящая из одного или нескольких процессоров, каждый из которых имеет доступ к одной и той же не­ посредственно адресуемой основной памяти в мультипро­ граммном режиме. Система считается сбалансированной, если суммарный запрос dB обрабатываемого комплекса программ В соответствует имеющемуся оборудованию:

=тв) = '£, (Рг, mi) — (аР, bQ).

мяти; а, b — параметры организации вычислительной си­ стемы [0 ^ (a, 6)sgCl]; Р — количество процессоров; Q — объем основной памяти.

Анализируются две вычислительные системы с раз­ личной структурной организацией памяти. Одна система не имеет страничной структуры, вторая обладает стра­ ничной структурой памяти. Для осуществления стратегии «баланса» в отношении одного и того же комплекса про­ грамм определяется отношение R объемов памяти обеих систем:

где Г — среднее время ожидания страницы памяти; А — среднее время обращения к странице; с — вероятность неправильного использования страниц. Лучшей будет си­ стема со страничной организацией памяти, для которой выполняется отношение Д<1. Анализ проведен при сле­ дующем допущении: обрабатываемый комплекс про­ грамм известен и обладает заданными стационарной и предсказуемой суммарными заявками.

В [61] рассматриваются принципы проектирования вычислительных систем с двумя уровнями памяти, а в [62] — особенности использования иерархических ЗУ.

210

В[30] обсуждается в общем виде постановка задачи

онахождении оптимального соотношения между объе­ мами памяти двухуровневого ЗУ — сверхоперативного и

оперативного. Задача решается для некоторых частных случаев. В частности, находится такое распределение памяти, которое обеспечивает требуемое быстродействие оперативной памяти при фиксированной ее стоимости. Недостатком работы является отсутствие обобщений по полученным в ней частным результатам.

В [31] рассматривается процедура динамического рас­ пределения памяти, а в [62] — алгоритм распределения только для одноуровневых ЗУ.

В [32] анализируются некоторые стратегии управ­ ления оперативной памятью при взаимной независимости обращений к последней. Поскольку частые обращения к оперативной памяти могут быть зависимыми, то право­ мерен подобный анализ для случая зависимых обраще­ ний.

В [33] рассматриваются вопросы стратегии управления обменом информацией в двухуровневой иерархии памя­ ти, в которой управление обменом возлагается на один из уровней в предположении, что выбор информацион­ ных массивов, подлежащих обмену, осуществляется про­ граммным способом.

В[34] предлагаются простые алгоритмы, с помощью которых решаются задачи оптимального управления па­ мятью, состоящей из оперативной памяти и внешней па­ мяти большого объема.

В[35] рассматривается стратегия управления двух­ уровневой памятью ЦВМ, предназначенной для реализа­ ции сложных программ, требующих независимого обра­ щения к множеству стандартных подпрограмм (СП).

Знание различных стратегий управления памятью об­ легчает задачу выбора оптимального соотношения между объемами памятей различных уровней по методике, из­ ложенной в § 5.6.

Врассмотренных работах недостаточно внимания уделено вопросам обмена информацией между уровнями иерархии с совмещением встречных обменов во времени. Вместе с тем такое совмещение приводит к улучшению характеристик вычислительных машин, в том числе к по­ вышению их производительности.

Таким образом, выбор архитектуры системы памяти

ирасчет ее параметров зависят от характера решаемых

задач, темпа обмена информацией между вычислитель­ ными комплексами и внешними объектами, количества выбранных уровней иерархии, эффективности стратегий управления обменом информацией между уровнями, спо­ собов технической организации обменов между уровнями и от многих других факторов.

Задача выбора оптимальной по некоторым обобщен­ ным критериям памяти управляющих ЦВМ на осно­ ве известных требований — задача многоэкстремальная. При ее решении возникает множество вопросов, напри­ мер, как зависит число ступеней иерархии памяти, опти­ мизирующее показатель производительности ЦВМ, от технических характеристик каждой ступени и выбранной стратегии управления обменом; как выбрать технические характеристики каждой ступени, если число последних задано; как на основе сведений о характере задач управ­ ления построить оптимальную стратегию обмена инфор­ мацией между различными ступенями памяти; как вы­ брать емкости стэковых и буферных ЗУ по характери­ стикам алгоритмов задач и объектов управления; какие способы обмена информацией предпочтительнее и т. д.

На большинство поставленных здесь вопросов из-за отсутствия различного рода дополнительных сведений однозначных ответов нет. Однако, если некоторыми не­ достающими данными задаться и наложить на те или иные параметры разумные ограничения, то с некоторой степенью приближения можно получить достаточно удов­ летворительные ответы на поставленные вопросы.

В этой главе даются некоторые рекомендации, свя­ занные с выбором архитектуры и технических характе­ ристик памяти управляющих ЦВМ.

§5.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗУ

Виерархию памяти современных ЦВМ входят раз­ личные типы ЗУ, которые можно классифицировать по следующим независимым характерным признакам:

функциональное назначение, место в вычислительной машине,

—схемно-конструктивное решение,' способ обращения к заданной ячейке,

скорость обращения к заданной ячейке,

— емкость,

212

—способ представления физического кода информа­

ции,

—устойчивость сохранения информации в нормаль­ ных условиях эксплуатации,

—устойчивость сохранения информации при выклю­

чении питания,

—устойчивость к внешним условиям,

—способ передачи разрядов кода,

—технологический процесс изготовления,

—физический эффект.

По функциональному назначению различают односто­ ронние ЗУ, предназначенные только для хранения и вы­ дачи кодов и допускающие однократную запись (опреде­ ляемую конструкцией ЗУ) при изготовлении или опера­ тором на заранее подготовленном носителе; полуодносторонние ЗУ типа ЗУБРИ (запоминающие устройства без разрушения информации при считывании), предна­ значенные для приема, хранения и выдачи кодов и до­ пускающие многократную перезапись информации элек­ трическим и механическим способами; двусторонние ЗУ с разрушением информации при считывании, предназна­ ченные для приема, хранения и выдачи кодов; много­ функциональные ЗУ, предназначенные для логической, арифметической и специальной обработки хранимой в них информации и построенные на элементах памяти, каждый из которых может реализовать некоторый набор логических операций. В свою очередь, многофункцио­ нальные ЗУ подразделяются на логические ЗУ, ассоциа­ тивные ЗУ, ЗУ для арифметической обработки инфор­ мации, ЗУ широкого назначения.

По месту в вычислительной машине различают вну­ тренние, внешние и буферные ЗУ. Первые из них составляют неотъемлемую часть вычислительной машины и находятся под ее непосредственным управлением. В свою очередь, внутренние ЗУ подразделяются на сверх­ оперативные ЗУ малой емкости и высокого быстродей­ ствия и оперативные ЗУ большей емкости и меньшего

в такой форме, которая делает их доступными для ма­ шины. Они обладают большой емкостью и относительно низким быстродействием. Буферные ЗУ предназначены для согласования скоростей потока данных или времени возникновения событий при передаче данных между

213

внутренними ЗУ и внешними объектами, к которым мо­ гут быть отнесены внешние ЗУ, ЗУ других вычислитель­

ных машин, а также телефонные, телеграфные и радио­ релейные линии связи.

По схемно-конструктивному признаку различают ма­ тричные, вращающиеся, ленточные, динамические, луче­ вые и карточные ЗУ. В матричных ЗУ запоминающие элементы располагаются в узлах матрицы и нужные ячей­ ки выбираются возбуждением соответствующих пересе­ кающихся координатных шин. По количеству координат (измерений), определяющих линии выборки, эти ЗУ, в свою очередь, делятся на трехмерные (ЗД), двухмер­ ные (2Д) и 2,5-мерные (2,БД). Во вращающихся ЗУ (ба­ рабаны, диски) к неподвижному устройству записи—счи­ тывания циклически подаются участки носителя информа­ ции. В^ ленточных ЗУ информация записывается на лен­ точный носитель, способный перемещаться в прямом и обратном направлениях. В динамических ЗУ информация в виде последовательности электрических импульсов не­ прерывно циркулирует по замкнутой электрической цепи. В лучевых 31У выоор запоминающих элементов осущест­ вляется при помощи электронного или светового луча. В карточных ЗУ информация записывается на карточ­

ный носитель, способный перемещаться в одном направ­ лении. к

По способу обращения к заданной ячейке различают адресные и ассоциативные ЗУ. В первых поиск инфор­ мации осуществляется по номеру запоминающей ячейки, в которую информация была помещена в режиме записи. Адресные ЗУ, в свою очередь, подразделяются на ЗУ с произвольным доступом (например, матричные), с по­ следовательным доступом, в которых обращение к за­ данной ячейке осуществляется в порядке возрастания адресов (например, ленты), и ЗУ с циклическим досту­ пом, в которых информация, содержащаяся в нужной ячейке, периодически появляется под записывающе-счи- тывающими элементами (например, магнитные барабаbij. bo вторых поиск информации осуществляется по признакам самой хранящейся информации,

оv 0 СК0Р0СТИ обращения к заданной ячейке различают ЗУ с быстрым считыванием и быстрой записью с мед­ ленным считыванием и быстрой записью, с быстрым считыванием и медленной записью.

По емкости различают ЗУ малой (до 102 бит), сред-

21 4

пей (IО2—107 бит), большой (107—1012 бит) и сверхболь­ шой (свыше 1012 бит) емкости.

По способу представления физического кода инфор­ мации различают статические ЗУ, в которых физический код информации неподвижен относительно носителя ин­ формации в течение всего времени хранения, и динами­ ческие ЗУ (см. выше).

По устойчивости сохранения информации в нормаль­ ных условиях эксплуатации различают устойчивые (на­ пример, запоминающие устройства на ферритовых сер­ дечниках) и неустойчивые (например, конденсаторные запоминающие устройства).

По устойчивости сохранения информации при нор­ мальном выключении питания различают энергонезави­

По устойчивости к внешним условиям различают ЗУ теплостойкие, влагостойкие, устойчивые к электромаг­ нитным излучениям, устойчивые к радиоактивным излу­ чениям, ударо- и вибростойкие, устойчивые к коррозии, устойчивые к внешнему давлению.

По технологии создания запоминающих элементов различают ЗУ, полученные напылением в вакууме, спе­ канием ферритов, электроосаждением, электрофорезисом, диффузией, эпитаксией, фотографией, фотолитогра­ фией, химическим осаждением, выращиванием кристал­ лов.

По физическому эффекту, положенному в основу создания элементов памяти, различают запоминающие устройства, использующие следующие физические яв­ ления.

1) Ферромагнетизм [ЗУ на ферритовых сердечниках, на слоистых ферритах, на электрофорезисных ферритах,

на железных прутках (типа «Rod»), на проводах с по­

215

крытием, на плоских магнитных пленках, на твисторах, на магнитной поверхности].

2)Магнитострикция — явление изменения формы и размеров тела под влиянием магнитного поля и изме­ нения магнитного потока в ферромагнитном материале при механических напряжениях (ЗУ на акустических ли­ ниях задержки).

3)Пьезоэлектричество (ЗУ на акустических линиях

задержки).

4) Сверхпроводимость (криогенные ЗУ).

электрического заряда на поверхности диэлектрического экрана (электростатическая запоминающая трубка).

7)Модуляция светового луча (фотографические и го­ лографические ЗУ).

8)Модуляция светового луча + электронные процессы (оптоэлектронные ЗУ — оптроны).

§ 5.3. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЗУ

Эффективность использования ЗУ в конкретной управляющей ЦВМ определяется множеством параме­ тров.

Для сравнительной оценки эффективности ЗУ могут быть использованы различные частные и обобщенные критерии:

—емкость Q в битах;

—время обращения к ЗУ — то, в мкс;

—критерий приведенной стоимости 5 '[36]:

S — S j+ ^ + Sa+Si,

где Si — стоимость изготовления собственно ЗУ, S2 — стоимость изготовления устройств местного управления, контроля, адресного и числового трактов, S3 — стоимость изготовления устройств, обеспечивающих заданную на­ дежность функционирования ЗУ, S4 — стоимость изготов­ ления систем питания и теплоотвода;

— критерий эксплуатационной надежности 0 запо­ минающих устройств, определяемый средним временем

216

восстановления аппаратуры:

п

uin,

где ti ——время, необходимое на обнаружение и устране­ ние г-го отказа аппаратуры, я — число элементов в аппа­ ратуре;

— критерий удельной емкости р, зависящий от числа бит на единицу физического объема V памяти:

бою видоизмененный критерий информационной мощно­ сти [38]:

Введение такого критерия объясняется относительным неудобством использования в качестве критерия v чисел высокого порядка.

Первые четыре критерия являются частными, а остальные учитывают взаимосвязь влияния двух, трех

иболее параметров на эффективность ЗУ и поэтому являются обобщенными. Однако наряду с простотой, что само по себе и не плохо, приведенные выше критерии обладают тем недостатком, что учитывают взаимосвязь

ивлияние на эффективность ЗУ далеко не всех параме­ тров. Известны попытки построения таких обобщенных критериев, которые учитывают влияние гораздо больше­

го количества фактоРов на эффективность функциони­ рования ЗУ.

Например, в [39] формулируется критерий оценки качества устройств вычислительных машин, похожий на критерий оценки объектов по совокупности параметров, приведенный в § 1.5. Суть этого критерия заключается

2 1 7

в том, что при сравнительной оценке п ЗУ с учетом т качеств строится матрица К:

где Кг} — конкретные значения /-го качества ЗУ с номе­ ром i. По конкретным значениям Кц матрицы К оты­ скивается псевдооптималыюе множество, с помощью ко­ торого матрица К переводится в нормированную матри­ цу К*:

гДе К*ц ■= {Kj max — K iii/ K j шах.

Оценивая каждый параметр ЗУ весовым коэффици­ ентом o)j, определяющим степень его влияния на общую эффективность ЗУ, можно построить обобщенный крите­ рий

т

/=I

т

Если = 1, то, следовательно, 0<с; Kiz <1, откуда

/= 1

явствует, что чем ближе величина K;v к нулю, тем каче­

ственнее анализируемый вариант ЗУ.

Как указывается в [39], определение весовых коэф­ фициентов о j можно производить в предположении, что влияние го параметра на эффективность ЗУ обратно пропорционально величине диапазона его изменения:

Тогда имеет место равенство

/=>

21 8

Недостаток подобных обобщенных критериев заклю­ чается в том, что эти критерии предназначены для срав­ нительной оценки ЗУ по тем параметрам, о которых можно сказать, что они предпочтительнее, когда прини­ мают большее значение. Если среди оцениваемых пара­ метров окажутся инверсные, т. е. такие, о которых гово­ рят, что они лучше, когда принимают меньшее значение, то такие обобщенные критерии не дают ответа на вопрос о предпочтительности того или иного варианта построе­ ния системы оперативной или внешней памяти. Поэтому в подобных случаях гораздо удобнее пользоваться мето­ дикой оценки эффективности объектов с учетом значи­ мости их качеств, изложенной в § 1.5.

Многочисленность взаимозависимых и противоречи­ вых факторов, влияющих на качество работы ЗУ, пред­ определяет сложность выбора достаточно объективных обобщенных критериев их оценки. Последние должны выбираться с учетом конкретных условий работы, целе­ вого назначения и ограничений, налагаемых на параме­ тры ЗУ.

§ 5.4. СПОСОБЫ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ МЕЖ ДУ ЗУ

При решении задач на цифровых вычислительных машинах часто возникает необходимость в выполнении групповых передач массивов чисел из оперативного на внешние запоминающие устройства и обратно. В роли внешних запоминающих устройств могут выступать бу­ ферные запоминающие устройства, предназначенные для сопряжения управляющей ЦВМ с объектами управле­ ния. Как правило, при работе ЦВМ в этих режимах про­ цесс вычислений останавливается. Существуют такие задачи, при решении которых общее время работы ЦВМ в этих режимах относительно велико. Для повышения производительности ЦВМ целесообразно всемерно со­ кращать это время. Такое сокращение, в частности, мо­ жет быть произведено путем совмещения этих режимов во времени, если они следуют непосредственно друг за другом.

Для определенности первоначальное рассмотрение различных режимов обмена информацией между ОЗУ и ВЗУ проводится для схемы, изображенной на рис. 5.1.

219