книги из ГПНТБ / Евреинов Э.В. Цифровые автоматы с настраиваемой структурой (однородные среды)
.pdfналы, с помощью которых осуществляется работа .машины. Схема блока Q и Р состоит из одинаковых частей (па рпс. 2-15 выделена пунктиром).
Схема реализации этой части в ткани дана на рис. 2-16.
Общая схема |
машины Тьюринга' в ткани имеет вид, .приведен |
||||
ный на рис. 2-17. |
|
|
|
|
|
Из |
того факта, |
|
что |
произвольная |
машина Тьюринга микрострук |
турно |
моделируется |
в |
АНС, следует |
возможность микроструктурпо- |
|
го моделирования |
в |
АНС любого алгоритма и любой ЦВМ. |
|||
М и к р о с т р у к т у р и о е м о д е л м р о в а н н е к л е т о чн ы х и р а с т у щ и х а в т о м а т о в
В работе [Л. 2-4] |
для автоматов Неймана — Черча введено поня |
тие среды и емкости |
среды. Под средой в этой работе понимается |
направленный граф, вершинами которого являются элементы автома та, а ребрами несвободные входные каналы элементов. Граф харак теризуется свойством: в каждую вершину входит не более М ребер.
Под емкостью среды G понимается функция j G (г) = max (^ (г)
(максимум берется |
по всем а), |
(г) |
—число |
тех вершин, |
кото |
рые находятся на |
расстоянии |
от |
вершины |
а (расстояние |
|3 от |
а — наименьшее число ребер, по которым можно попасть из |3 в а, идя по направлению ребер).
Введение емкости среды обусловлено тем, что в автоматах Ней мана — Черча передача информации от одного элемента к соседнему элементу происходит с задержкой на один такт.
Для |
автоматов |
Неймана — Черча |
в |
работе [Л. 2-4] доказана |
||||
теорема, |
в которой |
утверждается, что |
автомат |
с |
растяжением / |
|||
|
|
(во |
времени) |
в |
среде |
G |
нельзя |
|
|
|
моделировать в среде G' с емко |
||||||
|
|
стью |
в |
/ раз менее емкости среды |
||||
|
|
G. Как |
следствие |
из этой теоремы |
||||
|
|
вытекает: ,1) существует такой ав |
||||||
|
|
томат, |
который |
шельзя |
моделиро |
|||
|
|
вать |
с .растяжением никаким |
авто |
||||
|
|
матом |
Неймана — Черча |
и 2) для |
||||
|
|
каждого |
существует |
такой |
||||
А-мерный автомат Неймана — Чер ча, который нельзя 'моделировать с растяжением никаким А'-мерпым автоматом Неймана — Черча, если k'<k. Выберем ткань, в которой нет задержки три передаче 'инфор мации от клетки «клетке (незави симо оттого, как эти клетки распо ложены относительно друг друга).
|
В этом смысле клетки ткани |
|||
|
имеют |
неограниченную |
емкость |
|
|
при |
отсутствии ограничений на |
||
Рис. 2-15. Схема блока состоя |
число |
элементов. |
|
|
В связи с этим для ткани спра |
||||
ний Q и блока управления дви |
ведливы |
следующие утверждения. |
||
жения ленты Р. |
В ткани |
при отсутствии |
ограниче- |
|
ннй на число клеток микроструктурио моделируется любом автомат Неймана — Черча.
Доказательство проводится путем построения. Элементы произ вольного А-мерного автомата Неймана — Черча представляют собой
конечные |
автоматы |
с |
k |
входами, |
которые |
должны |
отождествляться |
|||||||||
с |
к выходами |
различных |
элс- . |
|
|
|
_v- |
. .. . |
||||||||
ментов. Для |
двумерной |
ткани |
|
|
|
|
|
<7F |
||||||||
было .показано, что в ней мо |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
жет |
быть |
реализован |
любой |
|
|
|
|
|
|
|||||||
конечный |
автомат. |
|
Следова |
|
|
|
\ |
|
|
|||||||
тельно, |
.можно |
взять |
такую |
|
Г |
f |
|
f |
||||||||
часть |
ткани, |
которая |
реализует |
|
- |
|
||||||||||
элемент А-мерного автомата |
|
|
|
|
|
|||||||||||
Неймана — Черча. |
Повторение |
|
1 |
|
|
|
f |
|||||||||
таких |
частей а |
ткани |
приводит |
|
|
|
|
|
|
|||||||
к |
.реализации |
автомата |
Нейма |
|
|
|
|
|
|
|||||||
на — Черча. В |
силу |
|
отсутствия |
|
|
|
|
|
|
|||||||
запаздывания |
в |
клетках |
ткани |
|
|
|
|
|
|
|||||||
воз-можио реализовать автомат |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Неймана — Черча |
с |
любой |
ем |
|
|
|
|
|
|
|||||||
костью среды. |
|
|
|
|
|
|
Рис. |
2-16. Реализация блока со |
||||||||
|
Отсутств не |
з ап азд ыв a 11 и я |
стояний |
и управления |
в ткани. |
|||||||||||
при |
передаче |
информации |
и |
|
|
|
|
|
|
|||||||
возможность |
|
изменения |
ком |
|
|
|
|
|
|
|||||||
мутации |
между |
полюсами клеток |
позволяют |
микроструктур- |
||||||||||||
no |
моделировать |
в |
|
ткани |
алгоритм |
Колмогорова—Успенского и |
||||||||||
растущий |
|
автомат. |
Как |
известно |
из |
|
[Л. 2-4], |
при реали |
||||||||
зации |
алгоритма |
Колмогорова — Успенского |
необходимо |
реализовать |
||||||||||||
активную |
часть u(S), |
|
представляющую |
собой |
подкомплекс комплекса |
|||||||||||
1 |
I |
- с м |
|
\ |
J |
J0 |
) |
1 |
г0 |
'0 |
1 |
|
|
i
Рис. 2-17. Общая схема машины Тьюринга в ткани.
5, состоящий из вершин и отрезков, принадлежащих цепям длины X^N, содержащим начальную вершину (N — произвольное, но для данного алгоритма фиксированное число). Отсюда видно, что при реализации алгоритма Колмогорова — Успенского необходимо обеспе чить возможность мгновенной передачи информации через большое число элементов.
4* |
51 |
При реализации растущих автоматов [Л. 2-5] необходимо обеспе чить возможность переключения входов элементов в зависимости от состояния элементов в заданной окрестности, т. е. необходимо предусмотреть при моделировании в ткани возможность изменения коммутации полюсов элементов. Благодаря вышеназванным свойст
вам ткани |
справедливо следующее |
утверждение. |
|
|
|
||||
В ткани мнкроструктурно |
моделируются |
алгоритм |
Колмогоро |
||||||
ва — Успенского и растущий |
автомат. |
|
|
|
|
||||
2-6. О С Н О В Н Ы Е М О Д Е Л И П Р О С Т Е Й Ш И Х Т К А Н Е Й |
|
|
|
||||||
Было |
выделено |
два |
принципиально |
важных |
класса |
ткани: |
|||
1) с мгновенной передачей сигналов в клетке и 2) |
с конечной ско |
||||||||
ростью передачи сигналов в клетке. С помощью |
указанных |
двух |
|||||||
классов могут быть представлены при микроструктурном |
моделирова |
||||||||
нии всевозможные |
АНС. |
|
|
|
|
|
|
|
|
В дальнейшем |
будем |
изучать |
простейшие ткани |
обеих классов, |
|||||
которые состоят из однотипных клеток, соединенных между собой
одинаковым |
образом. Такие |
ткани будем называть |
однородными |
|||
средами |
(ОС). |
|
|
|
|
|
В |
качестве |
представителя |
первого класса |
таких |
тканей может |
|
служить вычислительная среда, а второго |
класса — эквнеторная |
|||||
структура. |
|
|
|
|
|
|
Вычислительная |
среда |
|
|
|
||
Простейшая вычислительная среда может быть представлена |
||||||
следующей |
схемой (рис. 2-18) |
[Л. 2-6, 2-7]. |
|
|
||
На рис. 2-18 приведена схема вычислительной среды, представ ляющая собой двумерную ткань с квадратными клетками, запол
няющими |
плоскость без просветов и налеганий. Каждая клетка со |
||||||||||
|
|
единяется |
с |
четырьмя |
сосед |
||||||
Настроечные каналы |
ними |
клетками. |
Между |
двумя |
|||||||
соседними |
клетками |
проходят |
|||||||||
|
/Рабочие каналы |
||||||||||
|
два |
настроечных |
ка«ала |
и один |
|||||||
|
|
рабочий. Схема элемента |
(клет |
||||||||
|
|
ки) |
приведена на рис. 2-19. |
||||||||
|
|
|
В |
схеме |
элемента |
вычисли |
|||||
|
|
тельной |
среды |
|
выделяготог |
||||||
|
|
коммутационные элементы-три- |
|||||||||
|
|
коны |
ki—kk |
и |
функциональ |
||||||
|
|
ный |
элемент |
F. |
Коммутацион |
||||||
|
|
ный |
|
элемент-трикон |
|
выпол |
|||||
|
|
няет |
|
функции |
управляемого |
||||||
|
|
контакта, |
соединяющего |
полю |
|||||||
|
|
сы |
|
двухполюсника. |
Контакт |
||||||
|
|
хранит свое состояние до при |
|||||||||
|
|
хода сигнала о его изменении. |
|||||||||
|
|
Состояние |
контакта |
управляет |
|||||||
|
|
ся |
.координатными |
шинами. |
|||||||
|
|
При задании |
определенных сиг |
||||||||
Рис. 2-18. |
Схема вычислительной |
налов |
(например, |
|
положитель |
||||||
ной |
полярности) в |
настроечные |
|||||||||
среды. |
|
каналы i/i |
|
и Уз |
возбуждается |
||||||
52
трико!!, при |
этом |
замыкаются |
кон |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
такты |
/гЧ, |
A 2 i, /г3 ь |
Состояние |
|
за |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
мкнутости |
контактов |
сохраняется |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
до прихода сигналов о изменении |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
состояния |
в шины |
(/1 II |
|
iji (отри |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
цательной |
полярности). |
Функцио |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
нальный элемент F реализует ка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
кую-нибудь 'полную систему буле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
вых |
функции, |
например |
стрелку |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Пирса f (Х[, х2 ) =xt |
|
Д я» |
или штрих |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Шеффера f(xt, |
х2) |
=xt |
V .fa. Легко |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
видеть, |
что |
при |
соответствующих |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
возбуждениях |
т.риконов |
в |
элемен |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
те среды |
|
реализуется |
полная |
|
си |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
стема |
автоматных |
и |
соединитель |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ных функций |(рис. 2-20). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
При |
|
.реализации |
функций |
со |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
единений |
|
|
D |
и |
Р |
запаздывание |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
сигналов |
|
между |
полюсами |
клет |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ки отсутствует. Это важное свой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
ство, как учитывалось ранее, по |
Рис. 2-19. Схема |
элемента |
вы |
|||||||||||||||||||||||||
зволяет |
микроструктурно |
модели |
||||||||||||||||||||||||||
ровать |
в |
|
среде |
все |
известные клас |
числительной |
среды |
( • — f ) . |
||||||||||||||||||||
сы |
автоматов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
При мнкроструктурном моделировании автоматов в среде не |
|||||||||||||||||||||||||||
обходимо |
произвести |
настройку |
|
элементов |
среды |
па |
одну |
из |
задан |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ного |
набора |
|
автоматных |
F |
и |
соедини |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тельных функций |
Di, |
Р, |
0. |
Настройка |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в |
данном |
варианте |
среды |
осуществляет |
|||||||||||||
|
|
|
|
Г |
|
|
K1kzl<3klt |
|
ся |
|
с |
помощью |
координатного |
способа, |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
причем |
для |
настройки |
любого |
элемента |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
среды |
нет |
необходимости |
подавать |
на |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
строечную |
информацию |
непосредственно |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на |
входы |
настраиваемого |
элемента. |
На |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
строечная |
информация |
подается |
только |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на |
вертикальные |
и горизонтальные |
на |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
строечные |
каналы |
самых |
крайних |
эле |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ментов |
среды. Конструкция |
среды пол |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ностью |
определяется |
конструкцией |
эле |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мента. Среда образуется путем заполне |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ния |
|
плоскости |
элементами |
без |
налега |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ний и просветов, что позволяет |
сущест |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
венно |
упростить |
процесс |
сборки |
среды |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
из отдельных элементов или применять |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
непрерывный |
|
процесс |
ее |
изготовления. |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эквисторная |
структура |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
kfk-^kjkif |
|
|
|
|
Эквнсгорная |
структура |
|
состоит |
из |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
однотипных |
функциональных |
|
ячеек |
и |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
однотипных соединяющих их междуяче- |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ечных связей [Л. 2-8]. В отличие от |
вы |
||||||||||||||||
Рис. |
2-20. |
Система |
реа |
|
числительной |
|
среды, |
где |
каждый |
эле |
||||||||||||||||||
лизуемых |
|
|
функций |
в |
|
мент |
соединяется |
только |
с |
ближайшими |
||||||||||||||||||
элементе |
|
среды. |
|
|
|
|
соседями, |
здесь |
допускается |
|
соединение |
|||||||||||||||||
53
элемента с элементами, расположенными в некоторой окрестности (рис. 2-21).
В эквпсторлых структурах реализация различных автоматов и функции логики основывается на взаимодействии потоков информа ции. Поток информации через ячейку представляет собой последо вательность волн возбуждения, несущих информацию в двоичном виде. Взаимодействие потоков информации осуществляется при их
столкновениях |
и пересечениях. В результате взаимодействия |
потоков |
||||||||||||||
• |
• • • • |
информации |
может |
быть |
|
или |
их |
|||||||||
взаимный |
|
запрет, |
|
или |
|
взаимное |
||||||||||
проникновение |
друг |
через |
друга, |
|||||||||||||
или |
запрет |
одних |
потоков |
|
другими |
|||||||||||
• |
• п • |
• |
при |
сохранении |
|
распространения |
по |
|||||||||
следних. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Для |
правильной |
работы |
эквнетор- |
|||||||||||||
|
|
|
|
иой структуры |
необходимо |
обеспечить |
||||||||||
|
|
|
|
условие |
направленности |
распростра |
||||||||||
|
|
|
|
нения информации, |
|
что можно |
|
сде |
||||||||
• |
• • • • |
лать, |
например, |
|
последовательным |
|||||||||||
возбуждением |
двух |
соседних |
ячеек. |
|||||||||||||
Каждая |
ячейка |
представляет |
собой |
|||||||||||||
дискретную |
часть |
канала, |
обладаю |
|||||||||||||
щего |
рефрактерностыо', а |
также |
|
спо |
||||||||||||
Рпс. |
2-21 |
Эквпсториая |
собностью передавать сигнал без за |
|||||||||||||
тухания. |
В |
этом |
имеется |
|
некоторая |
|||||||||||
структура. |
|
|
аналогия |
с |
континуальной |
|
средой. |
|||||||||
|
|
|
|
В эквисторпой |
структуре |
обеспечива |
||||||||||
|
|
|
|
ется |
функциональная |
и соединитель |
||||||||||
ная |
.полнота, что позволяет моделировать различные |
автоматы |
и вы |
|||||||||||||
числительные |
устройства. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В отличие от элементов вычислительной среды, где четко разделяются друг от друга соединительные и автоматные функции,
вэквисторной структуре эти
функции |
совмещены. |
Это по |
Настроечные |
(Ll].l) |
||||
зволяет рассматривать |
|
ячейку |
||||||
|
кпйалы |
|||||||
эквисторпой |
структуры |
как |
|
|
||||
элемент, |
реализующий |
одну |
|
|
||||
сложную |
автоматно-соедшш- |
|
|
|||||
тельную |
функцию. При |
реа.ти. |
|
|
||||
зации |
в эквисторной |
структуре |
|
|
||||
схем |
каждая |
из ячеек |
будет |
|
|
|||
находиться в одном |
из двух со |
|
|
|||||
стояний: возбужденном |
или не |
|
|
|||||
возбужденном. |
Для |
задания |
|
|
||||
сложной |
логической |
структуры |
|
|
||||
необходимо задавать |
в |
экви |
|
-\a.j-4 |
||||
сторной |
структуре |
|
большое |
|
||||
число |
возбужденных |
ячеек и |
|
чи-я |
||||
сохранять |
их состояние |
в тече |
Рис. 2-22. |
Элемент эквисторной |
||||
ние всего |
процесса фувкцнони- |
структуры.- |
|
|||||
пования. С этой целью |
необхо |
|
||||||
|
|
|||||||
димо ввести генератор единиц. Генератор единиц представляет ячей ку структуры, которая возбуждается извне в каждом цикле работы. Так как при построении схем в принципе каждая ячейка структуры может быть использована в качестве .генератора единиц, то иеобхо-
54
Дммо .предусмотреть |
возможность настройки на функцию генератора |
||||
возбуждения |
каждой |
ячейки структуры. |
|
||
'В эквнсториых структурах логические ч автоматные функции |
|||||
реализуются |
на потоках |
информации. |
Как показали исследования, |
||
наиболее выгодно в |
этих |
условиях использовать |
базис, состоящий |
||
из функций |
З а п р е т |
и |
К о н с т а н т а |
1. Кроме |
того, для обеспе |
чения возможности передачи потоков информации каждая ячейка должна выполнять роль элементарного капала, обладающего спо собностью передавать с определенной скоростью без затухания ин
формации, обладать |
рефрактерностыо. |
Тогда |
схема |
ячейки |
экви- |
||||||||||||
сторной |
структуры |
имеет |
|
вид, показанный |
па рис. 2-22, 2-23. |
|
|||||||||||
|
В |
ячейке |
структуры |
триггер |
Тг2 |
служит для настройки |
ее па |
||||||||||
режим возбуждения |
(функцию генератора) |
с помощью |
координатных |
||||||||||||||
шип |
настроек |
а, Ь, с. При настройке ячейки на |
режим |
возбуждения |
|||||||||||||
в каждом |
цикле |
работы |
подается сигнал |
возбуждения по шине /. |
|||||||||||||
С каждым сигналом |
возбужде |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ния |
возбуждается |
|
триггер |
Тг\ |
|
|
|
|
|
|
|||||||
реализующий |
|
функцию |
запре |
|
|
|
|
|
|
||||||||
та. В конце рабочего цикла он |
(U+1) |
-^0 |
|
|
|
||||||||||||
гасится |
|
сигналом, |
|
поступаю |
|
|
|
||||||||||
щим |
по шине |
0. |
Возбуждение |
|
|
|
|
|
|
||||||||
триггера |
Тг\ |
возможно |
и |
от |
|
|
|
|
|
|
|||||||
соседних |
ячеек |
структуры |
при |
|
|
|
|
|
|
||||||||
соответствующем |
порядке |
|
воз |
|
|
|
|
|
|
||||||||
буждения |
триггеров |
Tzi |
|
и в |
Наст |
|
|
|
|
||||||||
ячейках. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Рассмотрение |
вычислитель |
ройка |
|
|
|
|
||||||||||
ных |
сред м эквнсториых |
струк- |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
• тур |
.позволяет |
выделить |
неко |
|
|
|
|
|
|
||||||||
торые |
общие |
задачи, |
.решение |
|
|
|
|
|
|
||||||||
которых необходимо для созда |
abc |
|
|
|
|
|
|||||||||||
ния однородных сред (ОС). |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Прежде |
всего |
важное |
'ме |
(U-V — [ \ J |
|
|
|
|||||||||
сто занимают |
вопросы |
настрой |
(U-2) |
|
|
|
|
|
|||||||||
ки |
однородных |
сред, |
|
способы |
(MJ)ft |
|
|
|
|||||||||
технической |
реализации |
|
про |
|
|
|
|||||||||||
цессов |
настройки. |
|
Немаловаж |
|
|
|
|||||||||||
ную |
.роль играют |
вопросы |
|
про |
|
|
|
||||||||||
ектирования |
автоматов |
и |
вы |
Рис. 2-23. Схема элемента |
эквн- |
||||||||||||
числительных |
устройств |
в одно |
сторной |
структуры. |
|
|
|||||||||||
родных |
средах. В связи с этим |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
интересно рассмотреть методы синтеза автоматов с учетом особенно стей однородных сред. Большое значение играют вопросы конструи рования элементов и сред в целом с учетом технологии микроминиа тюризации. Интересно также рассмотреть основные свойства одно
родных сред и особенности их применения в различных |
областях |
||||
науки |
и |
техники. |
Этим вопросам посвящаются следующие главы. |
||
Г Л А В А |
Т Р Е Т Ь Я |
|
|
||
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОРОДНЫХ |
СРЕД |
||||
3-1. С Т Р У К Т У Р Н А Я У Н И В Е Р С А Л Ь Н О С Т Ь О Д Н О Р О Д Н Ы Х С Р Е Д |
|||||
П р и |
создании устройств, |
предназначенных дл я реше |
|||
ния |
широкого |
круга задач, |
одним из основных |
требова |
|
ний |
является |
требование |
универсальности. В |
обычных |
|
55
универсальных программных устройствах, например в Ц В М , это требование удовлетворяется благодаря та кой структуре устройства, что в нем может быть реали
зован любой алгоритм. |
К а к |
уже указывалось, такой |
подход хотя и позволяет |
создать |
универсальные вычисли |
тельные машины, способные решать самые разнообраз
ные задачи, но часто не удовлетворяет другим |
требова |
||||
ниям: |
приемлемого |
времени решения, заданной |
надеж |
||
ности, |
простоты постановки задачи и др. |
|
|||
В |
ОС |
благодаря |
реализации |
п р и ш и т а переменности |
|
структуры |
удается удовлетворить |
требования не |
только |
||
алгоритмической универсальности, но и структурной универсальности. При этом в ОС при решении какойлибо задачи реализуется соответствующая структурная схема, что позволяет максимально приблизиться к осо
бенностям |
дайной |
задачи |
и тем |
самым |
удовлетворить |
временным |
требованиям и |
требованиям |
надежности. |
||
Фактически в |
конструкцию ОС |
з а л о ж е н а идея моде |
|||
лирования обычного процесса построения сложных уст ройств из элементов путем соединения входов и выходов этих элементов. Б л а г о д а р я представлению каналов свя зей в виде цепочки управляемых элементов процесс по строения -сложного устройства сводится к соответствую щей настройке (с помощью подаваемых извне сигналов) управляемых связей в построенной раз и навсегда стан дартной конструкции ОС.
Структурная универсальность но сравнению с алго ритмической универсальностью является более общей
формой. Как было показано ранее |
(гл. |
2), благодаря |
реализации структурной универсальности |
в ОС возмож |
|
но при допущении неограниченного |
н а р а щ и в а н и я эле |
|
ментов микроструктурно моделировать любой вид авто мата, включая и собственно ОС .
Структурная универсальность позволяет использовать одну и ту ж е однородную среду д л я реализации самых различных автоматов и разнообразных режимов их ра бот. Высокая гибкость ОС проявляется в том, например,
что их можно использовать в качестве основы д л я |
реа |
|||||||
лизации |
и |
сравнения |
различных |
типов |
алгоритмов. |
|||
К а ж д ы й алгоритм может |
быть з а д а н |
в виде |
граф-схемы, |
|||||
состоящей |
из операторов, соединенных м е ж д у |
собой |
||||||
связями . Р е а л и з у я схемы алгоритмов |
в ОС, |
можно |
ис |
|||||
следовать |
их свойства, |
производить |
оценку |
сложно |
||||
сти и т. |
п. |
|
|
|
|
|
|
|
56
Т а б л и ц а 3-1
Уровень интег |
|
Количество тре |
Количество |
Коэффициент |
|
рации или число |
Устройство |
требуемых ти |
применяемости |
||
компонентов |
пли блоки ЭВМ |
буемых |
интег |
пов интеграль |
каждого |
в ИС |
|
ральных |
схем |
ных схем |
типа ИС |
25
50—100
900
3 600
1
АУ |
3 500 |
8 |
430 |
УАУ |
1 300 |
7 |
185 |
БР |
1 650 |
6 |
275 |
УУ |
1 600 |
8 |
200 |
МОЗУ |
2 730 |
8 |
340 |
ЭВМ |
10 780 |
10 |
1 078 |
АУ |
648 |
16 |
40 |
УАУ |
280 |
14 |
20 |
БР |
334 |
9 |
43 |
УУ |
352 |
14 |
25 |
МОЗУ |
676 |
11 |
61 |
ЭВМ |
2 200 |
30 |
73 |
АУ |
92 |
12 |
7,7 |
УАУ |
44 |
29 |
1,5 |
БР |
48 |
4 |
12 |
УУ |
48 |
14 |
3,4 |
МОЗУ |
156 |
12 |
1,13 |
ЭВМ |
369 |
71 |
5,2 |
АУ |
23 |
6 |
3,8 |
УАУ |
11 |
8 |
1,37 |
БР |
12 |
2 |
6 |
УУ |
12 |
8 |
1,5 |
МОЗУ |
34 |
6 |
5,7 |
ЭВМ |
92 |
30 |
3,06 |
П р и представлении алгоритмов в виде структурных схем в ОС появляется возможность оценить сложность описания алгоритмов по числу элементов ОС . Структур ное моделирование алгоритмов в ОС позволяет т а к ж е , кроме статического описания, проводить проверку свойств алгоритма в динамике . Представление алгорит-
57
мов в виде структурных схем в ОС может оказаться полезным при оценке качества алгоритмов с учетом свойств реализующих их реальных устройств: н а д е ж н о сти, быстродействия, удобства эксплуатации и т. д.
Высокие |
требования к |
гибкости |
структуры предъяв |
ляются при |
создании вычислительных систем и машин |
||
на больших |
интегральных |
схемах. |
Так, например, для |
одного типа вычислительной машины самолетной радио
локационной |
станции для |
обхода |
и |
облета препятствий |
[Л. 3-1] в вычислительном |
устройстве используется 12 |
|||
типов схем со |
сложностью |
от 134 |
до |
262 эквивалентных |
логических вентилей. При этом только две функции ис пользуются более 1 раза . В табл . 3-1 приведены данные по количеству типов интегральных схем, требуемых для
построения |
высокопроизводительной |
Э В М [Л. 3-2]. |
К а к |
||
видно из этой таблицы, с увеличением уровня |
интегра |
||||
ции |
число |
типов НС растет, а применяемость |
каждого |
||
типа падает. Еще большие требования возникают |
при |
||||
реализации |
внешних 'выводов. Д л я |
первых трех |
поколе |
||
ний |
Э В М |
установлена линейная |
зависимость |
между |
|
числом вентилей на пластине и числом выводов [Л. 3-1]. Таким образом, при обычных подходах к построению схем вычислительных устройств возникают две непреодо лимые трудности: резкое возрастание типов интеграль ных схем и увеличение числа 'выводов пропорционально росту сложности интегральной схемы. Е щ е в большей мере эти трудности возрастают при учете разнообразия вычислительных устройств в связи с различными обла стями применения. Ограничение разнообразия схем и устройств приводит к потере гибкости, снижению эффек тивности и невозможности использования специфики решаемой задачи . В этом отношении ОС демонстрируют
высшую |
степень гибкости |
структуры. Б л а г о д а р я пере |
менности |
структуры в ОС |
не -накладывается никаких |
ограничений на разнообразие типов схем. Вместе с тем благодаря однородности и переменности структуры уда ется все разнообразие логических структур реализовать практически на одном типе интегральной схемы. П р и этом рост сложности интегральной схемы не требует пропорционального роста числа выводов.
Высокая гибкость структуры и возможность реализа ции в ОС самых разнообразных структурных схем де л а ю т перспективным использование ОС д л я цифрового моделирования. При цифровом моделировании обычно
58
строится цифровая вычислительная система, структура которой специализирована на реализацию одной данной
программы |
или. д а ж е |
отдельных входящих |
в состав про |
граммы операторов. |
Т а к а я структурная |
специализация |
|
позволяет |
достичь наилучших динамических характери |
||
стик систем при решении конкретных задач . Структурч цифровой модели состоит из конечного числа элементов, соединяемых между собой определенным образом в за висимости от решаемой задачи . В зависимости от кон кретных условий в модели изменяется состав струк турных элементов, их число и схема соединения эле ментов. Все это приводит либо к большому разнооб разию типов элементов при обычном подходе к их по строению, либо к ограничению на число типов элемен тов. Разнообразие структурных схем при цифровом моде лировании достигается путем задания вручную опреде ленной коммутации связей между элементами. Типичны ми представителями цифровых моделей являются цифровые интегрирующие машины [Л. 3-3, 3-4]. В цифро вых интегрирующих машинах используется набор типо вых функциональных схем, реализующих функции сум
мирования, интегрирования, нуль-органа и т. д. |
Д л я |
|
каждой задачи из типовых элементов |
строится цифровая |
|
модель путем задания связей между |
элементами. |
Д а ж е |
в случае моделей цифровых интеграторов возможно большое разнообразие функциональных элементов, отли чающихся разрядностью, структурной схемой и т. д. Применение ОС для цифрового моделирования сущест
венно |
повышает |
гибкость |
схем. П р е ж д е |
всего |
появляет |
|||
ся возможность |
создавать |
все многообразие структурных |
||||||
схем |
функциональных |
элементов |
цифровых |
моделей. |
||||
Б л а г о д а р я |
переменности |
структуры |
в |
ОС |
становится |
|||
возможным |
управлять |
изменением |
структурной схемы |
|||||
модели д а ж е |
в процессе |
ее работы, что при обычных спо |
||||||
собах является принципиально невозможным . Возмож ность реализации широкого класса функций с помощью соответствующей настройки элементов ОС позволяет строить новые классы цифровых моделей, например, ком
бинирующих в |
себе свойства цифровых интеграторов |
и универсальных |
вычислительных машин. |
Одним из проявлений высокой гибкости ОС является возможность структурного моделирования графов, схем, рисунков. Т а к а я возможность обусловлена тем, что в ОС элементы могут настраиваться на реализацию функций
59