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

мая

система,

состоящая

из уни­

версал ьн оii

в ы ч нел и тел ы i о и

7

машины

с жесткой

структурой

и устройства

с

переменной

структурой [Л. 7-4]. В устрой­

стве

с

переменной

структурой

можно

з а д а в а т ь ,

различные

1

структурные

схемы

вычисле­

ний

в

зависимости

от

решае ­

Рис.

7-4.

Схема

вычисли­

мых

задач,

благодаря

этому

тельной системы

с перемен­

одно

и

то

ж е

оборудование

ной

структурой.

используется

д л я решения

раз ­

/ — универсальная

ЭВМ;

2 —

личных

задач,

что

делает

си­

устройство с переменной струк­

стему

такого

рода

экономиче­

турой;

3 — управляемая

ячейка.

ски

выгодной. Совместная

ра­

бота

вычислительной

машины

с жесткой

структурой

и

устройства с переменной структурой

осуществляется с по­

мощью ячейки (рис. 7-4). Устройство

с переменной

струк­

турой

может н а р а щ и в а т ь с я

по

мере требований

с

учетом

возможности использования достижений технологии

и

но­

Концепция

системы

с переменной

структурой осно­

вывается на следующих

предпосылках:

1) для

решения

любой данной

проблемы

м о ж е т быть построена

специа­

сальная

машина; 2) в алгоритмах с о д е р ж а т с я части,

которые

могут выполняться одновременно « а различных

шения задачи; 3) с учетом ограничений на

з а т р а т ы обо­

рудования большее число вычислительных

подструктур

команд и значения команд остаются

неизменными на

все время существования системы.

В качестве меры эффективности

использования систем

с переменной структурой может

быть

выбрано увеличе-

машиной с фиксированной структурой. Обычно

принима­

емый критерий эффективности к а к отношение

увеличе­

ния скорости вычислений к дополнительным

з а т р а т а м

[Л. 7-4],

показали, что

увеличение

в скорости

вычисле­

ний для

ряда задач

находится в

пределах

2,5—1 ООО.

указанного

направления .

В связи с этим

целесообразно

рассмотреть

возможность

применения О С

д л я

реализа­

ции систем

с изменяемой

структурой.

Здесь возможны два подхода: 1) вся система с пере­

менной структурой реализуется на основе ОС; 2)

система

В

первом

случае

появляется

возможность реализо­

вать на основе ОС любую систему с переменной

струк­

турой. В зависимости от того, какая

система

реализует­

ся,

выбирается тот или

иной

тип универсальной

маши­

ны

и

путем

соответствующей

настройки

реализуется

в

части однородной

среды

соответствующего

объема.

Д а л е е

эта часть среды

остается

без

изменений

па все

реализуется

специализированная машина в зависимости

от решаемой

задачи . Эта часть среды сохраняет настро­

нологии производства элементов.

Н а

первой стадии

раз­

вития

ОС более целесообразен

второй подход,

так

как

в этом

случае можно

обойтись

значительно

меньшим

объемом среды. Естественно, в этом

случае может

быть

получен более быстрый

практический

выход.

Д л я

к а ж д о й задачи

с помощью

настройки

в вычис­

П ри

решении

задачи

быстродействие

однородной

среды

будет

равно:

V0.c = Lkikzv3,

где

L — число

блоков

операций,

выполняемых

одновре­

менно;

k{ — число

опера­

Настройка

ций

в

блоке,

выполняе­

мых

одновременно;

/г2

—

Универсаль­

число

микроопераций

в

ОС

операции.

ная ЭВМ

Быстродействие

уни­

версальной

машины

рав­

но:

Обмен

Рис. 7-5. Структурная схема моде­

где

/г3

— коэффициент,

ли

системы.

учитывающий

число

так­

тов,

необходимых

для

выполнения

микроопера­

ций.

Отношение

быстродей­

ствия V0.o к быстродей­

ствию

У м

равно:

/? =

• V0 .o • =

LkX.

Практически д л я очень

широкого

круга

задач

i?=10 2 4 - 10 3

и

растет

по

Рис. 7-6. Развернутая

схема моде­

мере

увеличения

сложно ­

ли

ОС,

управляемой

с

помощью

сти решаемых

задач .

на

ЭВМ «Днепр».

При

решении

з а д а ч

t—

ОС:

2 — Э В М

«Днепр»;

3 — регистр

системе

«универсальная

входных

переменных;

4 — регистр вы­

ходных

переменных;

5,

6—регистры

м а ш и н а — о д н о р о д н а я

сре­

настройки.

да»

необходимо

обеспе­

чить

возможность

настройки

среды

от

универсальной

машины и двусторонний

обмен

информации . Естественно

предположить,

что

сложность

среды

С 0 . с

и

сложность

универсальной

машины

С м

одинаковы.

Тогда

коэффициент

экономичности

системы

«маши ­

н а — ОС»

будет

равен

отношению сложности

машины

к сложности

системы:

С и -f- С0 .о

2 С М

и

д л я

многих

задач

R =

=

102 ч-103 . Н а д е ж н о с т ь

си­

•

•

•

стемы

Рс

будет

в

основном

определяться

надежностью

• г.] •

•

•

•

универсальной

машины

Р м ,

т.

е.

Рс~Р«.

Таким образом, при отно­

Рис. 7-7. Схема

вычислитель­

сительно

небольших

затра ­

тах резко возрастает

произ­

ной среды из

функциональных

водительность

системы

при

и соединительных

элементов.

решении с л о ж н ы х

задач . Та

же

производительность,

что

и у системы

«машина — ОС»,

может

быть

получена

при

лизированных

устройств

сложности

С у

д л я к а ж д о г о

ре­

шения

5

задач .

Но в этом случае будут

большие

затраты

оборудова­

ния по сравнению

с системой «машина — ОС»:

и

С ы

-f-

SCy

« с

г

А-Г

С»

>-м ^

>-о.с

У ж е

при

5 С у / С м > 1 / 2

применение

системы

«маши ­

н а — ОС» становится

выгоднее по сравнению

с

примене­

нием

набора

специализи-

„

•.

рованных устройств

и вы-

числительной

машины .

Модель

системы

«уни­

версальная

Э В М — ОС»

была

р а з р а б о т а н а в

Ин ­

ституте

математики

СО

А Н С С С Р

[Л. 7-5—7-7].

[13 •

••• •

•

ставлена

на

рис. 7-5,

7-6.

Структурная

схема

пред­

Однородная

среда

в

• • • • ••

системе

может

быть

взята

любого типа. В

ча­

Уо» A Wurz

стности,

в

описываемой

Рис. 7-8. Схема размещения шин

модели

системы

в ы б р а н а

настроечной

информации.

среда, состоящая из

функциональных

и

соединитель­

ных элементов (рис. 7-7). Однородная

среда

настраи ­

вается на

р е а л и з а ц и ю

заданной

схемы

с

помощью

передачи

настроечной

информации

по шинам

настройки

элементов приведены на рис.

7-9.

Функциональный элемент

содержит четыре

входных

(Xi, хо, Л'з, Хк) и четыре выходных к а н а л а (Zy, z2,

z3, Z/t).

Н а п р а в л е н и е обмена информацией определяется

состоя­

нием п а м я т и настройки,

образованной четырьмя

тригге­

рами.

Д л я задания состояния настройки используются три

горизонтальные шины ущ,

у^, ~ущ и д в е вертикальные у

це и по 36. элементов

в строке. Следует заметить, что

полный элемент

среды

образуется

из трех функциональ ­

ных элементов

(Ф)

и одного,

соединительного С

тикальной

стороне

решетки

составляет 24X 3 = 72

и

по

горизонтальной 3 6 X 2 = 7 2 .

В качестве универсальной машины в системе

была

•использована у п р а в л я ю щ а я

машина «Днепр».

Примене ­

ние управляющей

машины

целесообразно,

поскольку

можно

в качестве регистров

настройки, а т а к ж е входных

и выходных

регистров информации

использовать

соответствующие

ре­

ф

ф

гистры у п р а в л я ю щ е й машины . Ввод

информации

в

однородную

среду

осуществляется

с помощью выход­

ного

регистра

машины,

выходная

ф

информация

с

ОС поступает

непо­

средственно на входной регистр ма­

шины.

Рис. 7-10.

Полный

В

качестве

регистров

настройки

были

использованы релейные реги­

элемент

среды.

стры машины «Днепр». Управление

релейными выходами для

настройки

П р и решении

з а д а ч на системе « м а ш и н а - — О С »

мож­

но

реализовать

специализированное

устройство,

с

по­

мощью которого решается наиболее трудоемкая

часть

задачи . Н а м а ш и н е общего назначения

решается

осталь­

ная

часть задачи . К а к показывает опыт, на долю

специ­

емкая по времени, но достаточно просто

описываемая

часть алгоритма. Н а долю универсальной

машины

хотя

и приходится основной объем операций алгоритма

реше­

среды.

К а ж д ы й

функциональный

элемент

представлен

в виде

квадрата .

К а ж д а я сторона

квадрата

разделена

соседних элементов

(рис.

7-11)

в

соответствии

с на­

правлениями

передачи

информации .

<

Нанесенная

на

бланк

схема

устройства может

быть введена в

п а м я т ь н а -

стройки

с

помощью

спе­

циального

устройства

1—о—I 1

f—о—I 1

ввода

графических

схем.

Процесс

построения

Рис. 7-11.

Граф-схема отображе-

спецпалпзп

р о в а н и о г о

»ия среды,

устройства

в

среде

со­

вершается

со

скоростью

работы

элементов,

т. е.

требуемая схема специального устройства в системе

«машина — ОС» может быть

создана

сразу же . Н а

моде­

ли системы

« м а ш и н а — О С »

решались

задачи построения

С Р Е Д С Т В В Ы Ч И С Л И Т Е Л Ь Н О Й Т Е Х Н И К И

Д л я

современного

состояния

науки и

техники харак ­

терно наличие большого

числа

сложных

задач,

решение

которых

возможно при

наличии высокопроизводитель­

ных средств

вычислительной

техники.

К таким

з а д а ч а м

прежде

всего относятся

сложные

задачи вычислительной

математики .

размерностей

з а д а ч и в

связи с этим

рост

вычислитель­

ной сложности

задач .

Бурный рост техники

и экономики

стимулировал раз­

витие методов

решения

экстремальных

задач . Н о в ы е

определяется достигнутым уровнем

производительности

вычислительных машин .

Анализ з а д а ч из указанных выше областей

примене­

ния

вычислительных средств

показал, что

для

успешно­

го

их

решения необходима

производительность,

опреде­

л я е м а я

быстродействием 10° операций!сек

(и

выше)

при

объеме

оперативной п а м я т и

101 0 —101 2 дв.

единиц.

Известные методы решения этих з а д а ч допускают рас­

параллеливание на большое

число

подзадач

(макрорас ­

п а р а л л е л и в а н и е ) . Исследования показали,

что

для

мно­

параллельных

ветвей

свыше ста. П р и м а к р о р а с п а р а л л е ­

ливании характерным

является

простота

схемы обмена

м е ж д у ветвями

и сравнительно

небольшая

интенсивность

бом

в узлах дискретной

решетки

(одномерной, двумер ­

ной,

трехмерной) и соединены с

соседними

м а ш и н а м и

к а н а л а м и

связи.

П р и этом коммутационно-настроечный

автомат

обес­

печивает

всевозможное

соединение м е ж д у

входами и

выходами

элементарных

машин,

соседних

с данной

ма­

шиной.

Р е а л и з а ц и я всевоможных соединений

удовлетворяет

сального

набора к о м а н д в функциональном

автомате .

Б л а г о д а р я

наличию системных к о м а н д можно

з а д а в а т ь

шении

общей задачи .

Таким образом,

к а ж д а я элемен­

т а р н а я

м а ш и н а имеет

автоматную и

соединительную

такого

типа получили н а з в а н и е

систем с частично изме­

няемой

структурой.

Вместе

с

тем,

если

элементарную

машину

рассматривать

к а к

д а л е е

неупрощаемый эле ­

мент,

то

совокупность

таких

элементов,

размещенных

в узлах

дискретной

решетки

со

с в я з я м и м е ж д у соседни­