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

Рис. 5.1.

Задача совмещения во времени следующих непосред­ ственно друг за другом групповых передач сводится к задаче совмещения во времени встречной передачи одной пары чисел. В общем случае алгоритм передачи одного числа из ОЗУ в ВЗУ представляет собой после­ довательность следующих микроопераций:

'а:фРг1, Фг1=>Рг2, 'Рг2 гф Л,

а алгоритм передачи одного числа из ВЗУ и ОЗУ —

'А гфРг2, 'Рг2гфРг1, 'Prl ф>а,

где 'а, 'А — содержимое ячеек ОЗУ и ВЗУ с адресами соответственно а и Л; Фг1, Фг2 — содержимое регистров Prl и Рг2 соответственно; ;ф — направление передачи кода числа.

Если совместить во времени процесс передачи числа из ОЗУ в ВЗУ и из ВЗУ в ОЗУ, то алгоритм обмена од­ ной пары чисел между ОЗУ и ВЗУ может быть записан

где для упрощения рассуждений полагается, что встреч­ ная передача одной пары чисел заключается в обмене информацией между ячейками а и Л.

Микрооперации 1, 1*, 3 и 3* могут быть выполнены независимо друг от друга, поскольку требуют для своей реализации различных функциональных узлов. Микро­ операции 2 и 2* одновременно требуют для своей реа­ лизации одних и тех же функциональных узлов, поэто­ му задача совмещения по времени встречной передачи

220

одной пары чисел требует возможности одновременного обмена информацией между двумя регистрами. Такой обмен возможен, если информация с регистра на регистр переписывается по двум входам каждого разряда с за­ держкой во времени (рис. 5.2).

Обозначим микрооперации, участвующие в группо­ вых передачах:

А — расшифровка адреса и считывание информации из ячейки а ОЗУ;

В — запись (восстановление) информации в ячейку а

время, приходящееся на передачу одного числа, опреде­ ляется в соответствии с табл. 5.1, в которой приняты обозначения:

Т{, Т2— время передачи одного числа из ОЗУ в ВЗУ и из ВЗУ в ОЗУ соответственно;

221

ОЗУ в ВЗУ и из ВЗУ в ОЗУ соответственно, и D = tijt%—

выигрыш времени, достигаемый за счет совмещения ре­ жимов групповых передач, где

и = МТ1+ЫТъ

(min{М, М})То+ \ М—/V| Г*.

Конкретные значения Т* определяются направлением передачи | М-—У| чисел, характером совмещения микро­ операций, зависящим от конкретной реализации схемы управления групповыми передачами, и могут принимать любые из значений:

D3s>(M7\ + W7,s)/7’e(max{Af, У}).

222

= ср(Р). Аналогичная картина получается, если положить

N > M (a = M/ N) .

Анализ графиков (рис. 5.3, 5.4) приводит к следую­ щим замечаниям:

1. Нецелесообразно применять совмещение групповых передач, если р^0,5.

2. При фиксированном [С

выигрыш увеличивается при увеличении а и дости­ гает максимума при а=1 (M = N) /

2 2 3

Э= 0 , 9 . Требуется оценить ожидаемый выигрыш време­ ни D при применении различных способов совмещенного обмена информацией между ОЗУ и ВЗУ.

1. Г* = Го.

Тогда

7У=0,9(1 + а ); D'max= l , 8 ; £>'< 1 при а<с;0,11.

2. Т* = Т.

Тогда

D" = 0,9 (1 + а) /{а+ 0,9 (1—а) ],

Ц"тах=1,8; D">1 для всех а # 0 .

В некоторых случаях линии задержки не применяют­ ся, поскольку их функции могут быть выполнены сами­ ми элементами соответствующих разрядов регистров чи­ сел, конструкция которых вносит известную естествен­ ную временную задержку.

Так, например, эксперимент, проверяющий возмож­ ность одновременного обмена информацией между реги­ страми рассматриваемой ЦВМ, показал, что необходи­ мости в применении специальных линий задержки здесь нет. Поэтому для рассматриваемого примера

Т л з = 0 ; р = 0,97; £>'=0,97(1+ а);

D'max= Д "тах= 1,94; £>"=0,97(1 + а)Д а+ 0,97(1—а)].

D's^ 1 при «5^0,031.

Применение различных способов одновременного об­ мена информацией между ОЗУ и ВЗУ с целью повыше­ ния производительности ЦВМ приводит к увеличению оборудования за счет добавления линий задержки, если таковые требуются, и дополнительных цепей управления. В общем балансе оборудования машины такое увеличе­ ние незначительно.

Как указывалось выше, рассмотрение различных ре­ жимов одновременного обмена информацией между ОЗУ

и ВЗУ проводилось для схемы, приведенной на рис. 5.1.

224

Функции регистра Рг2 (рис. 5.1) можно распределить между двумя регистрами чисел различных ВЗУ, одно из которых на каком-то участке решения задачи является только «отправителем» информации в ОЗУ, а другое — только «получателем» информации из ОЗУ. Тогда сов­

ративных и внешних запо­ минающих устройств не только не всегда отличаются на

порядок, примером чему могут служить машины, стоя­ щие в контурах управления сложными системами, но уже достаточно четко вырисовывается тенденция ко все­ мерному выравниванию этих порядков. Заметим, что в некоторых современных отечественных машинах, обла­ дающих достаточно сложной организацией, циклы рабо­ ты оперативного накопителя и магнитного барабана,

играющего роль внешнего накопителя, имеют одинако­ вый порядок.

2. В тех случаях, когда циклы работы ОЗУ и ВЗУ отличаются на порядок, запись во внешний накопитель со скоростью работы оперативного накопителя невоз­ можна, однако в этом нет никакой необходимости. Дей­ ствительно, если Tz=kTi, где Ti — время одного цикла работы оперативного накопителя, Тг — время цикла внешнего накопителя, то в течение (k—1 ) тактов оператив­ ный накопитель обслуживает арифметическое устрой­ ство, после чего следует обмен одной парой чисел и т. д.

3. Встречный обмен информацией между различны­ ми зонами внешних запоминающих устройств затруднен,

4. Ожидаемое в перспективе широкое развитие логи­ ческих структур цифровых машин и их возможностей, применение в них большого количества оперативных и внешних запоминающих устройств с собственным управ­ лением, связь машин с большим количеством внешних источников информации посредством быстродействую­ щих специализированных буферных накопителей и не­ обходимость реализации различных режимов обмена информацией между всеми накопителями позволяют по­ вышать производительность машин за счет совмещения во времени групповых передач.

§ 5.5. ВЫБОР ЕМКОСТИ И СТРУКТУРЫ ПАМЯТИ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ЦВМ

В первом приближении общая емкость Qo памяти управляющей ЦВМ может быть определена как сумма необходимых количеств ячеек, предназначенных для хра­ нения информации различных типов:

Qo= Nnp+ М)+ Ni + N%+ Л^з + N4,

где iVnp— количество ячеек, необходимое для хранения программ, No — количество ячеек, необходимое для хра­ нения констант, предназначенных для обработки внеш­

вания которых объясняется спецификой работы системы управления и характером циркулирующей в ней инфор­ мации.

Массив iVnp ячеек предназначен для размещения про­ грамм реализации собственно алгоритмов управления, программы контроля процесса вычислений и функциони­ рования машины, программ прерывания, программы-дис­ петчера и транслятора, если последние используются в системе, а также констант, необходимых для обеспе­ чения работы самих программ: модификаторов, услов­ ных единиц для организации программных счетчиков, логических шкал и их указателей и т. п. Значение вели­ чины Nnp может быть определено после составления и отладки программ с учетом выбранного внутреннего язы­ ка и системы контроля проектируемой машины.

226

Массив N0 ячеек предназначен для размещения и хранения констант, необходимых для переработки внеш­ ней информации. К ним относятся наиболее употреби­

тельные числа, например, л, е, |/2 , ]/3 ит. д. Количе­

ство таких констант определяется характером алгорит­ мов управления и в каждом конкретном случае может быть подсчитано достаточно точно. Необходимо, однако, заметить, что в целях повышения производительности машин с переменной относительной адресацией величи­ на No может превосходить общее количество различных констант за счет того, что некоторые из них могут рас­ полагаться в нескольких ячейках, разнесенных по раз­ личным зонам памяти. Уточненное значение величины No с учетом этого обстоятельства может быть получено после распределения зон памяти под массивы исходной внешней информации, массивы рабочих ячеек и массивы выходной информации.

Массив Nx ячеек предназначен для приема и хране­ ния внешней информации, поступающей от объектов в течение одного цикла управления. Величина этого мас­ сива зависит от количества объектов управления, коли­ чества чисел, поступающих от каждого объекта в одном цикле управления, а также от способов организации про­ граммного управления процессов переработки внешней информации. В простейшем случае, когда зоны памяти, предназначенные для приема информации от каждого объекта, не перекрываются, можно записать

= S N ii> i — l, 2 , ..., п. i=i

где Nu — количество ячеек, необходимых для хранения чисел, поступающих от i-ro объекта в течение одного цикла управления; п — количество объектов управления. Каждая «порция» числовых кодов, поступающая от объ­ екта управления, должна храниться в памяти машины до тех пор, пока результаты ее обработки не будут использованы для выдачи управляющих сигналов в со­ ответствующий канал связи с объектом, либо в дальней­ шем процессе обработки внешней информации. Это не­ обходимо для повторных просчетов тех участков алго­ ритмов, при реализации которых возникнут обнаружен­ ные системой контроля сбои.

Величины Na для подавляющего большинства слож­ ных систем с большим количеством объектов управления имеют вероятностный характер и зависят от большого числа случайных аргументов. Поэтому с некоторым при­ ближением можно считать величину Ni распределенной по нормальному закону:

где M[Ni], а — математическое ожидание и среднеквад­ ратическое значение величины А^. Если в каком-либо цикле управления количество поступающих от всех объ­ ектов числовых кодов превысит величину Nь то произой­ дет потеря части информации. Это может привести к ухудшению показателя качества управления системы. При большой частоте таких событий увеличивается опас-

.ность различного рода аварийных ситуаций. Поэтому расчет величины Nt следует проводить по допустимой частоте потери информации. В данном случае частота потери информации отождествляется с вероятностью Р возникновения такой ситуации, когда количество посту­ пающих кодов превышает величину Ый

СО

Р = J giN JdN ,.

Л',

Определение значения величины N4 в соответствии с при­ веденным выражением не составляет большого труда.

Часто в сложных системах за счет соответствующего диспетчирования программной работы управляющей ЦВМ информация, поступающая от какого-либо источ­ ника, заносится на место уже обработанной в этом цик­ ле управления информации от других источников. Пере­ крытие зон памяти, предназначенных для приема и хра­ нения внешней информации, позволяет уменьшить расчетное значение Л/ 4 в к раз. Величина коэффициента перекрытия у. может быть определена для каждой кон­ кретной системы на основе вероятностных методов.

Массив Nz ячеек служит для храпения числовых ко­ дов, предназначенных для выдачи на объекты управле­ ния системы. В простейшем случае, когда зоны памяти, предназначенные для выдачи информации на различные

228