книги из ГПНТБ / Евреинов Э.В. Цифровые автоматы с настраиваемой структурой (однородные среды)

операций быстродействие программных устройств имеет теоретический предел.

Оба упомянутых выше класса устройств имеют фик­ сированную или жесткую логическую структуру. Уст­ ройства с фиксированной структурой ие позволяют эффективно решать сложные задачи . Вообще, использо­ вание специализированных устройств экономически часто

ных по структуре устройств, требуется строить устрой­ ства на других принципах. При этом оказывается, что на выбор решения сильное влияние оказывают требо­

в устройстве была реализована соответствующая логи­ ческая структура.

Одним из возможных направлений в решении этой проблемы является переход к устройствам с настраива ­

10

т р е б у е м ая логическая структура в зависимости от решае­ мой задачи . В а ж н о й особенностью автоматов с настраи­ ваемой структурой является то, что в них задание струк­ туры осуществляется аппаратным способом, т. е. путем изменения связей между элементами.

Автоматы с настраиваемой структурой сочетают в себе достоинства как универсальных, так и специали­ зированных конечных автоматов. Автомат с настраивае ­ мой структурой может быть представлен в виде двух частей (рис. 1-1).

С помощью настроечного автомата Р по информации извне задается структура рабочего автомата Ф1 (т. е. соответствующие функции выходов Xj и переходов бг- из допустимого множества функций выходов Fx и переходов

новой структуры.

Автоматы с настраиваемой структурой б л а г о д а р я воз­ можности изменения структуры позволяют р е ш а т ь слож­ ные задачи и обеспечивать требуемую надежность. П р и этом оказывается в о з м о ж н ы м создавать автоматы, удов­ летворяющие требованиям массового производства. Авто­ маты с настраиваемой структурой представляют значи­ тельный интерес в связи с созданием высокопроизводи­ тельных средств вычислительной техники, технологичных, надежных и экономичных устройств автоматики. Свой­ ства автоматов с настраиваемой структурой д е л а ю т их перспективными д л я построения самоорганизующихся

турой составляют принципы: параллельности, переменно­ сти, однородности.

Параллельность. П о в ы ш е н и е быстродействия вычис­ лительных средств достигается в основном за счет повы­ шения тактовой частоты и за счет параллельного (одно­ временного) выполнения большого числа операций, причем по мере повышения требований к быстродейст­ вию в к л а д от параллельного выполнения операций уве­

11

з а д а чи соответствующей структуры) управляющих вы­ числительных средств обеспечиваются схемно за счет программного изменения связей между элементами и автоматных функций самих элементов.

Однородность. Простота технологии изготовления вычислительных средств обеспечивается благодаря использованию одинаковых элементов и однотипных связей между ними.

Автоматы с настраиваемой структурой, построенные на принципах параллельности, переменности, однородно­ сти, состоят из одинаковых и однотипно соединенных друг с другом универсальных элементов, с программным изменением связей м е ж д у ними, а т а к ж е автоматных функций самих элементов. В зависимости от сложности элементов различаются несколько типов автоматов с настраиваемой структурой. Автоматы с настраиваемой структурой с простейшим по сложности элементом, про­ граммно настраиваемым на выполнение любой логиче­

получили название однородных сред. Автоматы с наст­ раиваемой структурой, где элементами являются универ­ сальные вычислительные машины (либо системы) с п р о ­ граммным изменением связей м е ж д у ними и их структуры, т. е. с наиболее сложными элементами, получили назва ­ ние вычислительных систем. П р и н ц и п и а л ь н ы м отличием автоматов с настраиваемой структурой от автоматов с фиксированной структурой является то, что при пред­ положении существования алгоритмов с большим числом

'турой не имеют теоретического предела по быстродей­ ствию. 'В этом отношении вычислительные системы п однородные среды принципиально отличаются от обычных ЭВМ .

Др у г и м в а ж н ы м отличием автоматов с настраиваемой структурой является возможность решать любую задачу не только программным способом, но и структурным (схемным) моделированием, при котором для выполне­ ния каждой операции отводится своя схема. В этом отношении автоматы с настраиваемой структурой соче­ тают в себе достоинства как универсальных ЭВМ, реша­ ющих задачу программным путем, т а к и устройств ана-

12

лотовой техники, в которых решение задачи осущест­ вляется структурным и моделированием.

Н е менее в а ж н ы м отличием автоматов с настраивае ­ мой структурой является их конструктивная однород­ ность, которая вызывается требованиями массового про­ изводства на основе технологии микроэлектроники.

1-2. П Е Р Е М Е Н Н О С Т Ь Л О Г И Ч Е С К О Й С Т Р У К Т У Р Ы

Принцип переменности логической структуры выте­ кает из необходимости обеспечить универсальность, высокую производительность и надежность вычислитель­ ных средств при решении широкого круга задач .

В программных автоматах с фиксированной структу­ рой универсальность достигается за счет возможности реализации любого алгоритма.

В программном автомате схемно реализован полный

решаемой задачи представлять в виде последовательно­ сти операторов, реализованных в программном автомате. Это приводит к увеличению времени решения задачи . Последовательный способ выполнения операторов, свой­ ственный обычным алгоритмам, не позволяет реализо ­

высокие требования к надежности составляющих его элементов и связей м е ж д у ними. Все эти недостатки автоматов с фиксированной структурой приводят >к не­ обходимости использования принципа переменной струк­ туры при построении автоматов.

В автоматах, построенных на принципе переменности, задание структуры осуществляется соответствующим изменением связей м е ж д у элементами автомата . Воз­

13

ний соответствующих входов и выходов элементов. Сое­ динения осуществляются ручным способом. Недостаток

управляемыми . Управление осуществляется с помощью

свой элемент долговременного запоминающего устрой­

ж е т быстро изменяться во время ее функционирования . Часто требуется, чтобы имелась возможность изменять структуру автомата во время его работы; например, при неисправности некоторых элементов бывает необходимо перестроить структуру автомата с целью обеспечения его работоспособности.

В связи с этим наиболее перспективным является применение оперативных запоминающих устройств для управления входами или выходами элементов автомата . П р и таком способе соединение между какими - либо эле­

запоминанием или настройка связей позволяет с такто­

ду элементами или 'программирование связей между эле­ ментами в принципе позволяет з а д а в а т ь всевозможные структурные схемы любых автоматов при достаточном количестве элементов, соединенных между собой про­ граммно настраиваемыми связями .

В этом смысле в отличие от обычных способов пост­ роения автоматов с фиксированной структурой данный класс получил название автоматов с настраиваемой структурой. Возможность з а д а н и я в автомате с настраи­ ваемой структурой любой структуры обеспечивается структурной универсальностью. В отличие от алгорит-

14

мичеекой универсальности программных автоматов, при которой обеспечивается возможность моделирования любого частного алгоритма с помощью универсального, структурная универсальность означает, что дл я каждого частного алгоритма в автомате с настраиваемой струк­ турой создается своя структурная схема, которая обес­ печивает не только получение одного и того ж е 'Конеч­ ного результата, но и эквивалентное 'отображение струк­

тов, а т а к ж е обеспечивать высокую надежность путем исключения неисправных элементов и их заменой иа исправные путем соответствующего изменения структур­ ной схемы.

Принцип переменности вытекает естественным обра­ зом из развития вычислительной техники.

Одним из первых подходов к реализации принципа переменности явилось 'коммутационное управление, кото­ рое широко распространено в аналоговых машинах и цифровых интегрирующих м а ш и н а х {Л. 1-12—1-15Ц. П р и коммутационном управлении схема связей между эле­ ментами машин з а д а е т с я с помощью шнуров. В послед­ них моделях аналоговых и цифровых интегрирующих машин связи — электрические и осуществляются с по­ мощью электромеханических реле либо магнитных сер­ дечников, управляемых перфолентами .или перфокарта ­ ми. Коммутационное управление нашло применение и в счетно-аналитических машинах . В первых универсаль­

тационного управления явилось структурное управление.

П о д структурным управлением или программной на­ стройкой структуры понимается такой способ з а д а н и я вычислительного процесса, когда логическая схема реше­ ния задачи задается схемой коммутации, определяемой содержимым памяти коммутационных элементов. Одним из первых примеров структурного управления служит

15

вычислительная машина ТХ-2 [Л. 1-1G], в которой преду­ смотрена возможность программно управлять длиной

двух основных частей: постоянной, представляющей со­

тить, что принцип переменной структуры свойствен не только вычислительной технике. Развитие систем авто­ матического регулирования связано с созданием систем регулирования с переменной структурой [Л. 1-19].

По-видимому, переменность структуры является есте­ ственной необходимостью при -создании сложных систем,

структурой может осуществляться путем управления связями или процессами. В первом случае м е ж д у эле­ ментами автомата существуют постоянно связи, -которые включаются или выключаются в зависимости от состоя­ ния коммутационных элементов. Во втором случае связи

ка данного элемента и затем изменение его состояния. Такой способ нашел широкое применение в вычислитель­

16

мешюй) настройке задание состояния элементов комму­ тации осуществляется шаг за шагом: сначала задается коммутация одного элемента, затем выбирается направ ­ ление передачи настроечной информации- и настраива ­

Из его реализации автоматически вытекает возможность параллельного выполнения операции, так к а к п а р а л л е л ь ­ ность связана со структурой алгоритма, который реа ­ лизуется с помощью соответствующей настройки авто­ мата. Однородность т а к ж е не является обязательным тре­ бованием. Она вытекает из особенностей технологии производства и условий эксплуатации . В принципе возможно построение автоматов с настраиваемой струк­ турой без требования конструктивной однородности.

1-3. П А Р А Л Л Е Л Ь Н О С Т Ь В Ы П О Л Н Е Н И Я О П Е Р А Ц И Й

В универсальных программных автоматах с фиксиро­

водительности автомата достигается за счет увеличения

к а н а л ы связи, длины которых ограничиваются предельно допустимым уровнем микроминиатюризации . Р а з р а б о т к а и изготовление микроминиатюрных схем связаны с рядом трудностей. К ним относятся проблемы теплоотвода,

и каков обусловленный ими порядок минимальных раз ­

предполагаются известными методы изготовления эле ­ ментов.

В качестве основных факторов, ограничивающих раз­ меры элементов, принимаются четкость края изделия при изготовлении, тепловое рассеяние, производственный брак и т. д. С учетом этих факторов получен теоретиче­ ский предел плотности упаковки 109 элементов/см3 для большинства электронных приборов. С учетом предель­ ной плотности упаковки предельная производительность при последовательном выполнении операций не превы­ шает 108 операций в секунду.

При физическом подходе предельное быстродействие оценивается исходя .из принципов квантовой механики, теории информации, отвлекаясь от реальных возможно ­ стей'-построения элементов. Так, в работе [Л. 1-20] оцен­ ка предельно возможного быстродействия при передаче

состоящих из большего числа элементов, предельно воз­ можное быстродействие будет определяться временем передачи сигналов между элементами, расположенными относительно друг друга на расстоянии, среднем' для данного вычислительного устройства. П р и достаточно больших вычислительных устройствах предельное теоре­ тическое быстродействие будет определяться величина­ ми 109 —101 4 операций в секунду. Т а к и м образом, исполь­ зование принципа последовательного выполнения опера­ ций приводит к тому, что быстродействие вычислитель­ ных устройств имеет теоретический предел. Возникает вопрос, нельзя ли преодолеть этот барьер по произво­ дительности за счет параллельного выполнения опе­ раций .

П р и реализации принципа параллельного выполнения операций не предъявляются слишком жесткие требова­ ния к р а з м е р а м элементов и вычислительного устройства в целом. Б л а г о д а р я параллельному выполнению опера­ ций можно получить значительное увеличение произво­ дительности, выполняя операции одновременно на раз ­ ных устройствах.

Использование принципа параллельного выполнения операций позволяет увеличивать производительность вычислительного устройства за счет увеличения числа элементов.

18

устройстве nUp определяется формулой

(1-1)

где р — максимально допустимое число элементов в еди­ нице объема, определяемое уровнем технологии; а—ко­ эффициент, учитывающий геометрическую конфигурацию устройства; с — скорость света; у— коэффициент превы­ шения длины волны c/v, соответствующей тактовой ча­

порядок позволяет увеличить число элементов в машине на три порядка и получить тем самым увеличение про­ изводительности на два порядка. П р е д е л ь н а я производи­ тельность устройства при таком подходе у ж е не лимити­ руется частотой и может быть существенно увеличена. П р е д е л ь н а я производительность будет определяться числом элементов, которые можно изготовить за практи­ чески приемлемое время, надежностью и т. п. Если по мере роста сложности задачи число параллельно выпол­ няемых операций растет, то может быть получена сколь угодно высокая производительность при соответствую­ щем увеличении числа элементов. Таким образом, ис­ пользование принципа параллельного выполнения опера­ ций в принципе позволяет получить теоретически неогра­ ниченную производительность.

П р и параллельном выполнении операций благодаря возможности уменьшать тактовую частоту уменьшаются требования к быстродействию элементов, габариту, рас­ сеиваемой мощности. Основным недостатком использова­ ния принципа параллельного выполнения операций явля ­ ется необходимость разработки и обоснования парал ­ лельных алгоритмов.