Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

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

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

24.10.2023

Размер:

8.98 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 2223 / 2423 24 > Следующая >>>

шом объеме памяти в элементе легко реализуются все типы элементов ОС, рассмотренных ранее. В частности, здесь весьма просто организуются схемы передачи ин формации из рабочих каналов в настроечные, из наст

роечных

в рабочие,

т а к ж е

из

рабочих

рабочие,

из

настроечных в настроечные. При' этом

настройка

может

быть

пошаговой

(с переменной структурой)

и координат

ной.

В а ж н о й

особенностью

элементов

таких

О С

явля

ются

м а л ы е

з а т р а т ы

на реализацию коммутационно-на

строечной

части

по

сравнению с

з а т р а т а м и

на функци

ональную

часть.

Будем

сравнивать

стоимость

С э м

элементарной

ма

шины

со стоимостью

С м эквивалентной

ей

по

быстродей

ствию, объему памяти,

надежности универсальной

вычи

слительной машины . Отношение	стоимости машины и
стоимости элементарной машины	назовем коэффициен
том экономичности элементарной	машины:

k — С"

"• э . м — с

^э.м

Стоимость элементарной машины состоит из стоимо сти универсальной м а ш и н ы и стоимости Ск реализации коммутационно-настроечной части вместе с з а т р а т а м и на реализацию системных команд . Практически отноше ние

и с ростом объема памяти	универсальной	машины про
д о л ж а е т уменьшаться, так	как при этом затраты на ком
мутационную и системную	часть остаются	неизменными.

Тогда

h — См	1	_ 1
э м ~ С . + С , — 1 + 5		~

Это означает, что практически при выборе достаточно сложного функционального автомата с достаточно боль

шим объемом памяти з а т р а т а м и на реализацию				комму
тационно-настроечной части можно пренебречь.
Остановимся теперь на потерях элементов на				реали
зацию только функций соединений при			решении с л о ж
ных з а д а ч .	Следует	отметить, что в О С	данного типа
в к а ж д о м	элементе	могут одновременно	реализоваться
одна (любая) функция соединения и			одна	(любая)
команда .

222

Из анализа задач, перечисленных выше, выяснилось, что при макроструктурном разбиении задачи схемы па

раллельных алгоритмов		могут быть выбраны довольно
простыми (рис.	7-12).
Исследование задачи показало, что при макрорас -
параллелпва'нии	обмен	м е ж д у п а р а л л е л ь н ы м и	ветвями
м о ж н о свести к	трем типам: 1) из одной ветви		(произ
вольной) д о л ж н а быть предусмотрена возможность пере
дачи групп слов во все остальные; '2) передача			группы
слов от к а ж д о й	ветви к	ее б л и ж а й ш и м соседям;	3) пере-

Юоо-	От! П 2) 3)
i	!
ю о о —

О -операторы	I	I
О -операторы	-системные	команды

а.)

		•эм
		I
Рис.	7-12. Схемы	параллельных алгоритмов (а) и структурные схе
мы	обменов (б).

223

д а ча группы слов из одной ветви в одну любую другую. Количество параллельных ветвей L в параллельном ал


горитме растет с				ростом	сложности		задачи,		поэтому
всегда	можн о	выбрать такую однородную						вычислитель
ную систему,		в		которой	число	элементарных			машин
N0<^L.	Из анализа			з а д а ч	известно, что		при М ) < С ^ д о л я
з а т р а т	времени	на		обмен	информацией		То м е ж д у		ветвя
ми существенно меньше общего времени решения									з а д а ч и
Тс на	системе	из	N машин ( Т 0 - С Г С / ) .				Из	условий про
стоты конфигураций схем обмена информацией,									условия
No^L-L	и условия		Tq<^TC следует,			что все		элементарные

машины используются для реализации вычислений вет

вей и практически

нет

элементарных

машин,

которые

использовались

бы

только

дл я

реализации

соединений.

Т а к и м образом,

если

ввести

коэффициент

использования

kc, равный отношению

числа элементарных

машин

NB,

занятых

вычислениями

по

ветвям,

к общему

числу

ма

шин No, занятых реализацией вычислений и

соединений

(N0=NB

NC),

/V„

A .

i + p '

АГ.

где

/V,

Т а к

как

практически

р<С1, то

kc~\.

Так

к а к коэф

фициент

экономичности

fca.M^l

коэффициент

исполь

зования

& с ~ 1 , то можно

сделать

вывод

экономической

целесообразности построения ОС из довольно

сложных

(по числу элементов)

элементарных м а ш и н . Во многих

случаях т а к а я сложность элементарной машины не тре буется по условиям задачи . Кроме того, построение эле ментарной машины с большим числом элементов пред

ставляет	с л о ж н у ю	технологическую задачу . Так, в зада
чах распознавания		образов,	информационно-поисковых
з а д а ч а х ,	самоорганизующихся		системах объем памяти

элементарного вычислительного модуля не превышает несколько сотен бит. Одним из путей решения этих за дач является построение специализированных систем. Д р у г и м направлением является применение вычисли тельных сред с элементами, учитывающими специфику построения вычислительных модулей в специализирован ных системах. К а ж д ы й элемент однородной среды дол-

224

ж ен реализовать полный набор соединений и расширен ный автоматный набор функций с учетом особенностей реализации схем вычислительных модулей д л я решения заданного набора задач . Расширенный автоматный на бор может быть получен из анализа схем, требуемых для решения заданных классов задач вычислительных моду лей с учетом з а т р а т на его реализацию . П р и выборе более сложного элемента однородной среды (с большим чис лом функций) уменьшается количество элементов, необ ходимых для реализации вычислительного модуля, но

вместе с тем растет сложность самого элемента.				Если
выбирать элемент среды с минимальным наборам				функ
ций, растет число элементов, необходимое			для реализа
ции модуля, но вместе с	тем	к а ж д ы й элемент		проще.
Окончательный выбор	типа	элемента	среды	может

быть сделан с учетом уровня технологии и специфики


реализации вычислительных модулей.			Введем аналогич
но вышеприведенному		коэффициент	экономичности
&э.с элемента среды,	равный отношению з а т р а т			на реа
лизацию автоматных	функций Сф к		общим	з а т р а т а м

(на реализацию автоматных функций, соединительных функций С с и схем С и настройки), и .коэффициент ис пользования kH элементов среды при реализации вы числительных модулей, равной отношению числа эле ментов среды для реализации функциональных схем модулей Мр к общему числу элементов для р е а л и з а ц и и функциональных схем Ыф и соединений jV c между ними.

Тогда

h —

или

З д е с ь

g — Сс + СК .

°м — Сф~ *»

С ф	и	/г	—	М ф
			1
сс	+ с п	—i	+ <
	с,ф
	/
кя — , , J V j l				1 + Р м :

где

П р а к т и ч е с к и &3 .cs^0,5; £ н ~ 0 , 1 .

15—235

225


Т а к им образом, в отличие от				вычислительных сис
тем применение	однородных		сред	дл я создания специ
ализированных	систем	характеризуется			значительной
избыточностью.	Выбор	типа	элемента среды		определяет

ся достигнутым уровнем технологии. П о мере роста сте


пени	интеграции	можно	расширить набор			функций
в элементе, что приводит			к	увеличению	коэффициента
использования элементов			к н	и коэффициента		/гэ .с . Поэ
тому	для создания	специализированных			систем можно

рекомендовать однородные среды с элементами, учиты вающими специфику модулей системы. В а ж н о й особен

ностью	однородных специализированных систем	являет
ся то,	что с ростом числа модулей з а т р а т ы	растут

линейно. Вся избыточность системы определяется из быточностью составляющих ее модулей.

П р е д с т а в л я е т интерес рассмотрение универсальных однородных вычислительных систем с более глубоким изменением структуры системы команд, структуры сис темы управления, арифметического устройства при од новременном увеличении требований к однородности.

Одним из подходов к решению этой з а д а ч и может быть комбинированное построение элементарной .маши

ны. Устройство п а м я т и

остается обычным,

т. е. с

фикси

рованной

структурой,

у п р а в л я ю щ а я

часть

памяти,

устройство

управления,

арифметическое

устройство

мо

гут реализоваться

с помощью

однородной

среды.

Полу

ч а ю щ а я с я

в этом

случае схема

вычислительной

системы

представлена на рис. 7-13.

В связи с тем, что в вычислительных

системах

па

мять з а н и м а е т основную

часть оборудования,

основные

з а т р а т ы

будут приходиться на реализацию' памяти . На

пример,

при создании

системы с быстродействием 10? опе

раций/сек

требуемый объем оперативной памяти состав

ляет 101 0 —101 2 дв . разрядов . Если создавать

вычисли

тельную

систему из 1 ООО элементарных

машин, на долю

к а ж д о й

м а ш и н ы

приходится

107 —109 дв . р а з р я д о в

па

мяти.

Если

исходить

из

того, что з а т р а т ы

на

реализацию

операционной части элементарной м а ш и н ы

д о л ж н ы

со

ставлять

не более 0,1, то

з а т р а т ы

операционной

части

составят

10°—108

дв. единиц,

или

около

Ю5 —107

про

стейших элементов однородной среды. Такое количество элементов среды вполне достаточно дл я построения со ответствующих устройств операционной части машины .

226

с		С		с
1	1	1	1	1	1
/7		п		п
		а)
Рис. 7-13. Схема вычислительной						системы'	(С — среда, П — память).
а — одномерная система; 6 — д в у м е р н а я система.
П р и такой конструкции сочетается высокая степень
однородности			с	большой		гибкостью:		элементарная	ма
шина состоит			из	однородных решеток				элементов памяти
и среды, и в			среде м о ж н о			з а д а т ь	требуемую структуру
операционной			части в соответствии				с	особенностями	ре

шаемой задачи . В этом случае коэффициент экономич

ности /е э м да 0,9 -т- 0,99,	я коэффициент	использова
ния 1гсж 1.

Недостатком данного варианта построения системы является то, что система разбита на з а р а н е е заданное число элементарных машин и практически невозможно уменьшить элементарные машины по объему памяти

иодновременно увеличить количество элементарных

машин в системе. Необходимость построения системы с изменением объема памяти элементарных машин, ло

гической структуры машин, числа элементарных				машин
вызывается	особенностями	решения	широкого	класса
задач .
Решение	этой з а д а ч и возможно		многими	путями:
1) построение универсальной		вычислительной		системы

полностью из универсальных элементов среды; 2) по

строение		системы	из	элементов			среды,	ориентированных
на реализнцию одного или нескольких								разрядов памяти;
3)	использование		памяти		настройки			элементов		среды
для	реализации		устройств			памяти		в	элементарной
машине .
	Первый путь характерен					для	реализации схем			в сре
де	и не	требует		пояснений.			Второй		подход	состоит
в создании проблемно-ориентированных									(специализиро
ванных)		систем	на	основе		специализированных				сред.
В данном		случае	к а ж д ы й		элемент среды				д о л ж е н	реали

зовать помимо соединительного и функционально-пол ного .набора один или несколько разрядов двоичной

15*

227

памяти. При этом построение памяти упрощается, за траты на реализацию памяти в среде уменьшаются, так

как	на	к а ж д ы й бит	информации в памяти тратиться не
более одной ячейки			среды. Третий путь интересен тем,
что	для	реализации	памяти нет	необходимости	вводить
элемент		памяти в ячейку среды:		используется	настроеч

ная память, которая в зависимости от сложности эле

мента	может хранить несколько двоичных разрядов .
Шины	настройки	в таком случае могут		быть использо
ваны в	качестве шин		памяти. В связи с	использованием
памяти	настройки	в	качестве рабочей	приходится не

сколько усложнять элемент среды: необходимо преду

сматривать возможность передачи информации из ра
бочих шин	в настроечные и наоборот. Т а к а я	схема ком
мутации	может быть выполнена благодаря	введению

дополнительных шин настройки	и основных	настроеч
ных шин. В а р и а н т построения	универсальной	вычисли

тельной системы с рабочей памятью, реализованной за

счет	настроечной памяти, является довольно выгодным,
так	как здесь сочетаются гибкость изменения структу
ры	системы с относительно небольшими з а т р а т а м и на

память .

Рассмотренные способы построения вычислительных систем показывают, что применение однородных сред оказывается перспективным, т а к как при относительно небольших з а т р а т а х на одной и той ж е технологической основе м о ж н о строить разнообразные схемы вычисли тельных систем, максимально приспособленные к осо бенностям решаемых задач .

7-6. П Р И М Е Н Е Н И Е О С Д Л Я Р Е Ш Е Н И Я З А Д А Ч НА Г Р А Ф А Х

Многие задачи оптимального планирования и управ ления распознавания образов, автоматизации проектиро

вания,	а н а л и з а и синтеза структур	могут быть описаны
на языке теории графов . К числу таких задач			относятся:
сетевое	планирование, управление	различными	коммута

ционными сетями и сетями связи, распознавание и обра-, ботка цифро-буквенной, графической и фотографической


информации,		техническое			проектирование				цифровых
устройств,	составление			расписания			научных		исследова
ний, синтез	и	анализ	автоматов			и	многие	другие.
Н а языке		теории	графов		эти	задачи		формулируются
как з а д а ч и	н а х о ж д е н и я			экстремальных				(кратчайших и

228

длиннейших) путей			в графе,		минимизации			суммарной
весовой	функции	ребер		или	вершин	графа,		отыскание
циклов,	удовлетворяющих			некоторым		условиям			задачи
раскройки г р а ф а		и	др .
Поскольку задачи носят комбинаторно-логический										ха
рактер,	то существующие			алгоритмы		ориентированы				на
получение локальных оптимумов, т а к						к а к	просчет			хотя
бы нескольких		вариантов решений				на	существующих
быстродействующих			Ц В М	последовательного				типа	(типа
БСМ - 6)	требует з а т р а т большого количества							машинного
времени.

Однородные среды д а ю т возможность строить специа лизированные устройства для эффективного решения


комбинаторно-логических			задач на графах, позволяю
щих за приемлемое время			получить несколько вариантов
решений	с целью	выбора	наилучшего. К а ж д а я ячейка
такой однородной		среды д о л ж н а быть ориентирована		на
выполнение следующих функций: прием информации				и
передача	ее по требуемым		направлениям, запоминание

направления приема и передачи информации, анализ со стояния соседних ячеек, запоминание и отображение в другие ячейки собственного состояния, индикация со

стояния ячейки [Л. 7-9]. П р и				использовании		таких ОС
совместно с вычислительной машиной з а д а ч и на								г р а ф а х
можно	разделить		на комбинаторно-логические				и	вычи
слительные части			и тем самым значительно				сократить
время	решения. П р и этом д л я большинства					инженерных
з а д а ч	ОС	д о л ж н а	с о д е р ж а т ь	несколько десятков				тысяч
ячеек.
В современных устройствах автоматики, телемехани
ки и	в	информационно - управляющих			системах			часто
используются различные электронные					схемы		простран
ственной		коммутации, для управления			которыми			могут

быть эффективно использованы однородные среды. Боль

шие	размеры	существующих коммутационных	схем
( К С ) ,	с о д е р ж а щ и х до сотен тысяч двухпозиционныхком
мутационных элементов ( К Э ) , массовость их применения
в различного		рода информационных и у п р а в л я ю щ и х	си

стемах делают целесообразной реализацию их устройств управления (УУ) на базе однородных микроэлектронных сред. Алгоритм функционирования любой такой комму

тационной схемы сводится к отысканию		соединительных
путей в коммутационной	схеме и носит явно в ы р а ж е н н ы й
геометрический характер .	В соответствии	с з а д а н н ы м ал-

229

горитмом управления КС при построении УУ в виде ОС отыскивается алгоритм отметок соединительных путей на графе КС, причем к а ж д о м у К Э взаимооднозначно соот ветствует у п р а в л я ю щ и й им элемент (ячейка) ОС [Л. 7-10]. С л о ж н ы е объекты управления часто представляют собой совокупность более простых объектов, взаимное располо жение которых в пространстве играет существенную роль при реализации их алгоритма управления . Д л я удобства учета пространственных характеристик объекта и УУ вводится понятие объектного поля ( О П ) , представляю щего собой совокупность простых объектов в виде дву

мерной целочисленной решетки NM, причем					состояние
простого объекта	(элемента О П ) определяется				одним из
двух возможных	состояний	его	входов.
З а д а ч а управления О П		состоит в реализации необхо
димого состояния	в О П при		подаче	соответствующего
у п р а в л я ю щ е г о воздействия		на	входы	УУ из	источника

внешних у п р а в л я ю щ и х сигналов ( В У С ) . УУ в соответ ствии с з а д а н н ы м алгоритмом функционирования в за висимости от изменения значений сигналов из ВУС обра зует непосредственно на входах элементов О П сово купность сигналов, совпадающих с необходимым состоянием ОП . Множество управляющих входов КЭ коммутационных схем-коммутаторов NM можно не

посредственно представить в			виде О П с числом				элемен
тов	NM.
	Н а базе	однородных сред	могут	быть	реализованы
устройства,		предназначенные	для эффективной			обработ
ки	графической информации,		устройства		ввода-вывода,
читающего		автомата и т а к ж е	для	слежения		за	ходом

траектории объекта и обработки фотографии в процессе


научно-технических исследований [Л. 7-11].
О д н о р о д н а я		д в у м е р н а я среда, ориентированная					на
реализацию	у к а з а н н ы х		функций, состоит из		пХт	ячеек.
К а ж д а я ячейка среды содержит				логический	элемент, вы
полняющий	некоторый		набор	логических	функций,		и
у п р а в л я ю щ и й		элемент.	У п р а в л я ю щ и й элемент содержит
один р а з р я д	двумерного		регистра сдвига и память,			в ко
торой записывается информация				о локальных	характери

стиках фигуры, определяемых логическим элементом, и информация о перемещении 1 (читающей головки ЧГ) по двумерному регистру сдвига.

Управление работой среды осуществляется следую щими к о м а н д а м и : а) образовать в соответствующих ячей-

230

ках однородной среды Ч Г ;	б) осуществить сдвиг Ч Г
в требуемых направлениях; в)	считать информацию с бло

ка памяти одной ячейки; г) записать информацию в па

мять

одной

или

нескольких

ячеек;

д)

осуществить

ассоциативный поиск

(с отметкой)

ячеек

требуемым

состоянием

соседних

элементов.

Р а б о т а среды

с одной

Ч Г

соответствует

последова

тельной обработке информации, например обходу

фигу

ры д л я сбора характеристик,

вычисленных

при

п а р а л

лельной

работе однородной

среды. Р а б о т а

среды

с груп

пой Ч Г

соответствует

параллельной

обработке информа

ции

в окрестности

к а ж д о й

ячейки,

отмеченного

(путем

образования

ЧГ)

при

ассоциативном

поиске.

случае

распознавания

рукописных

символов

исход

ной информацией является совокупность квантов графи ческой информации, составляющих фигуру. Р а с п о з н а в а ние требует следующих этапов [Л. 7-16]:

1)	предварительная обработка	фигуры, з а к л ю ч а ю
щ а я с я	в заполнении мелких д ы р	и приведении фигуры

к единичной толщине .		Это осуществляется параллельно
путем	ассоциативного	поиска	и изменения состояния
ячеек, имеющих требуемое состояние окрестности;
2)	поиск фигуры на однородной среде;
3)	кодирование фигуры. В		основу кодирования поло

ж е н метод кусочно-линейной аппроксимации контура фи


гуры.	Код фигуры — это последовательность Ait			Az, ...
..., Ah	значений	углов наклона отрезков,	соединяющих
точки, л е ж а щ и е		на контуре. Значение определяется одно
временно с обходом на специализированном			устройстве,
представляющем		собой часть среды, выполненную		в виде

круга, периметр которого разбит на части, соответствую

щие значениям угла	А2;
4) поиск кодового слова в памяти . П о л н о е время рас
п о з н а в а н и я - р а в н о	Ti + Tz+Тз,	где Т± — время поиска

фигуры	на среде; Tz — время поиска кодового слова в па
мяти; Та — время составления описания				равно	времени
обхода,	оно составляет п+г2,		где r t — число ячеек, л е ж а
щих на	внешнем контуре,	а	г 2 — ч и с л о ячеек,		ограничи
в а ю щ и х	фигуру. Н а л и ч и е	г 2	обусловлено	тем,	что	при
обходе	по алгоритму «автослежения» Ч Г			проходит		через

ячейки, ограничивающие фигуру. Время кодирования

произвольной связной		фигуры	равно	Uri+'гг,	где 2	появ
ляется	в связи с тем,	что Ч Г	проходит к а ж д о е			ребро
в двух	направлениях .	Среднее	время	поиска	фигуры, на-

231

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 2223 / 2423 24 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ