книги из ГПНТБ / Каган Б.М. Цифровые вычислительные машины и системы учеб. пособие

Ті присвоен низкий приоритет. Однако приоритет не яв­ ляется неотъемлемой характеристикой, присущей уст­ ройству, так как он устанавливается разработчиком си­ стемы. Сохраняя достаточную степень общности, можно допустить, что более быстродействующим устройствам присвоен более высокий приоритет, т. е.

Покажем, что в этом случае из (9-2) следует (9-4). Исходя из (9-2), имеем систему неравенств:

І

£ ^ < 1 ( і = 1,2,...,«макс). /==о

Так как Ті — максимальная величина среди всех Tj с меньшими, чем г, номерами, то, заменяя в каждом чле­ не суммы знаменатель на 7\-, мы только уменьшаем ле­ вую часть, и, следовательно, неравенства сохраняются:

Іi

/-1

Так как (г—l) t0^ 0 , условия (9-4) выполняются и, следовательно, уравнение (9-2) при соблюдении усло­ вий (9-5) является достаточным для определения на­ грузочной способности канала.

Для определения коэффициента работоспособности программы R рассмотрим формулу (9-1), которую мож­ но представить в виде

520

Здесь только второе слагаемое характеризует потерю машинного времени на связь с периферийными устрой­ ствами. Следовательно, коэффициент работоспособности программы может быть выражен в виде

П

Проиллюстрируем возможность применения формул (9-1), (9-2) и (9-6) на примере системы, состоящей из запоминающего устройства на магнитной ленте (ЗУЛ) и двух преобразующих устройств для связи с обьектом управления (ПУ). Параметры устройств, более или ме­ нее близкие к реальным, приведены в табл. 9-1.

Т а б л и ц а 9-1

менную работу перечисленных устройств без потери ин­ формации, причем более 50% машинного времени ис­ пользуется для полезной работы. Можно увеличить чис­ ло устройств в системе, добавив, например, еще три уст­ ройства ПУ. Тогда

tz = 0,95 < 1;

R = 0,25.

Полезное использование машинного времени сокра­

щается до 25% ■ Для того чтобы более детально проследить влияние

количества параллельно работающих устройств, их вре­

521

менных характеристик и параметров канала на полез­ ное использование машинного времени, рассмотрим слу­ чай, когда параметры всех устройств одинаковы, т. е.

/,• = const = /;

(9-7)

Г, = const = Т.

Практически этот случай является достаточно об­ щим, так как для многих систем информация из пери­ ферийных устройств передается порциями по одному слову (или слогу), а время передачи слова, определяе­ мое схемами центрального устройства, постоянно. Раз­ личия в скорости устройств можно приблизительно учесть, считая более быстродействующие устройства эк­ вивалентными нескольким медленнодействующим. В то же время принятое нами предположение значительно сократит дальнейшие выкладки.

При условии (9-7) уравнение (9-2) приобретает вид

Можно считать, что при дальнейшем увеличении чис­ ла устройств сверх «макс коэффициент R останется неиз­ менным и равным Rм и н > так как центральное ядро систсмы не будет успевать воспринимать часть запросов и они будут игнорироваться.

Таким образом, коэффициент работоспособности программы имеет вид:

522

с уравнениями (9-9). Прежде всего можно отметить, что для каждого значения пф.пмакс данный канал работа­ ет так же эффективно, как и более быстродействующий

ного канала, т. е. канала с наилучшим соотношением ме­ жду числом параллельно работающих периферийных устройств и долей полезного использования машинного времени.

Оптимальность канала удобно характеризовать про­ изведением нагрузочной способности на коэффициент ра­ ботоспособности программы при п — пыакс\ назовем эту величину коэффициентом оптимальности канала:

Так как учитываются только конечные и положитель­ ные значения to, первый сомножитель последнего урав­ нения не равен нулю. Приравнивая нулю второй сомно­ житель, получаем условия оптимальности канала:

323

Для такого канала

Сравнительная оценка некоторых видов каналов вво­ да-вывода. Используя выводы, полученные в этом пара­ графе, проведем сравнительную оценку для некоторых структур канала ввода-вывода.

Вслучае мультиплексного канала с прямым доступом

ихранением текущих параметров подканалов в опера­ тивной памяти задержка в обслуживании периферийных устройств составляет:

to tЗ . у ,

где t3.у — длительность цикла памяти.

Длительность сеанса связи периферийного устройст­ ва определяется длительностью цикла памяти, затрачи­ ваемого на ввод (вывод) слова, и временем считывания, изменения и записи управляющего слова. Если считать, что изменения регистра текущего адреса и счетчика слов производятся за время одного обращения к памяти (между циклами чтения и регистрации), то для данного типа канала

t = 2/3.у.

В соответствии с (9-8) и (9-9) получаем:

/?м-в = г т т ~ 0 - 3 3 -

t0 -Г t

Если, например, в качестве периферийных устройств использовать устройства связи с управляемым объектом с Т— 50 мксек, a t3.у считать равным 2 мксек, то канал обеспечивает одновременную работу 8 таких устройств, однако при этом около 70% машинного времени будет тратиться на обслуживание периферийных устройств.

Для улучшения характеристик канала можно вынес­ ти зону для хранения параметров подканала из общей памяти и организовать память подканалов внутри ка­ нала.

524

Рассмотрим систему, в которую включено несколько селекторных каналов с задержанным доступом к памя­ ти. Считая длительность команды (в одноадресном ва­ рианте) равной двум циклам обращения к памяти, по­ лучаем:

tn = 2tз . у , t = t.з.у

Следовательно,

з.у

Ямин— 0,67.

Таким образом, при том же максимальном количест­ ве устройств, что и в предыдущем случае, на обслужи­ вание периферийных устройств тратится только 30% машинного времени.

Если селекторные каналы построены на основе не­ медленного доступа к памяти, то

to t3.у, t t.з.у

Следовательно,

2 tз.у

Ямин 0,5.

В такой системе обеспечивается более высокая на­ грузочная способность. При использовании периферий­ ных устройств с Т= 50 мксек и при t3,y= 2 мксек их максимальное количество составит 12 против 8 в пре­ дыдущих примерах. Коэффициент работоспособности программы не хуже, чем в предыдущих случаях: Я » »0,67 при п = 8.

Г л а в а д е с я т а я

ИНТЕРФЕЙСЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

10-1. С Т Р У К Т У Р А С В Я З Е Й М Е Ж Д У У С Т Р О Й С Т В А М И В Ы Ч И С Л И Т Е Л Ь Н О Й С И С Т Е М Ы . Т И П Ы И Н Т Е Р Ф Е Й С О В

Современные вычислительные системы проектируются на основе агрегатного (или модульного) принципа, ко­ торый заключается в том, что устройства системы вы­ полняются в виде отдельных агрегатов (модулей), кото-

525

рые могут сравнительно просто в нужных количествах и номенклатуре объединяться, образуя вычислительную систему. При таком конструктивном подходе пользова­ тель всегда может ввести дополнительные устройства и произвести замену отдельных агрегатов. Присоединение нового устройства не вызывает в существующей части системы никаких других изменений, кроме изменения ка­ бельных соединений и программы. Все это достигается

Л внешним одъектам

Рис. 10-1. Интерфейсы вычислительной системы.

надлежащим выполнением сопряжений между устрой­ ствами.

Вычислительная система, как это видно из рис. 10-1, содержит следующие основные устройства: процессоры,

В вычислительной технике под периферийным устрой­ ством понимают совокупность собственно периферийного аппарата и электронного устройства управления этим аппаратом. Периферийный аппарат — это механизм или электронное устройство, непосредственно выполняющее основные функции периферийного устройства: ввод или

526

вывод информации с помощью различных носителей ин­ формации, преобразование физических сигналов или действий в цифровой код и обратно (лентопротяжный ме­ ханизм, печатающий механизм, клавиатура пишущей машинки, аналого-цифровой преобразователь и т. д.). Под устройством управления периферийным аппаратом понимается электронно-логическое устройство, выполня­ ющее специфические для данного типа периферийных устройств функции преобразования информации и управ­ ления механизмами аппарата. Вообще говоря, для каж­ дого типа периферийных устройств имеется свое управ­ ляющее устройство в виде конструктивно отдельного узла или узла, представляющего конструктивно и логи­ чески единое целое с периферийным аппаратом.

Устройство управления может предназначаться для обслуживания только одного или поочередно нескольких однотипных аппаратов.

Устройства вычислительной системы соединяются друг с другом с помощью унифицированных систем связей. В современной литературе по вычислительной технике для такого рода связей имеется специальный термин — интерфейс. От характеристик интерфейса во многом за­ висит быстродействие и надежность вычислительной си­ стемы.

При проектировании вычислительных систем интер­ фейс подлежит стандартизации. Стандартизация рас­ пространяется на форматы передаваемых через интер­ фейс информации и команд, схемы шин интерфейса, ал­ горитмы функционирования интерфейса и управляющие сигналы, которыми устройства обмениваются между со­ бой во время сеанса связи. Стандартный интерфейс пред­ полагает наличие общих информационных магистралей (шин) для всех устройств данного интерфейса.

Стандартизация интерфейса обеспечивает совмести­ мость разрабатываемых и изготовляемых на разных за­ водах устройств вычислительной системы. Кроме того, стандартизация интерфейса обеспечивает простую воз­ можность расширения вычислительной системы, замену устаревших устройств вновь разработанными.

Интерфейс представляет собой совокупность унифи­ цированных шин для передачи информации, унифициро­ ванных электронных схем, управляющих прохождением сигналов по шинам, а также алгоритмов управления об­ меном информацией, сигналов и требований к ним.

527

Схемы интерфейсов обычно размещаются непосред­ ственно в самих связываемых устройствах.

Характеристиками интерфейса следует считать: вре­ мя, затрачиваемое на передачу единицы информации, достоверность передаваемых данных, помехоустойчи­ вость, степень «жесткости» требований к управляющим сигналам интерфейса.

Требования к интерфейсу и его построение сущест­ венно зависят от степени стандартизации процедуры и схем обмена информацией между агрегатами вычис­ лительной системы.

В современных вычислительных системах можно вы­ делить четыре типа интерфейсов: интерфейс оператив­ ных запоминающих устройств, интерфейс процессор — канал, интерфейс периферийных устройств (интерфейс ввода-вывода), интерфейс периферийных аппаратов. На рис. 10-1 эти интерфейсы соответственно обозначены буквами А, В, С и D.

Через интерфейс оперативных запоминающих устройств производится обмен информацией между оперативной памятью, с одной стороны, и процессорами и каналами — с другой. Ведущими устройствами, т. е. устройствами, начинающими операцию обмена, являют­ ся процессоры и каналы; исполнительными устройствами в данном интерфейсе являются модули оперативного за­ поминающего устройства.

Интерфейс процессор — канал предназначается для передач информации между процессорами и каналами. Ведущими устройствами являются процессоры, каналы являются исполнительными.

Интерфейс периферийных устройств (ввода-вывода)

ми. Ведущими устройствами являются каналы, исполни­ тельными — устройства управления периферийными ап­ паратами.

Через интерфейс периферийных аппаратов происхо­ дит обмен информацией между устройствами управ­ ления периферийными аппаратами и самими аппара­ тами.

Наиболее быстродействующими являются интерфей­ сы А и В, через них информация передается параллель­ но словами или полусловами. Через интерфейс С инфор­ мация чаще всего передается байтами.

528

Интерфейс периферийных аппаратов (интерфейс D) не может быть стандартизован, так как сами периферий­ ные аппараты весьма разнообразны по принципу дейст­ вия, по выполняемым командам и операциям и по ис­ пользуемым форматам информации и сигналам.

Остальные интерфейсы стандартизируются, причем особое значение имеет стандартизация интерфейса пе­ риферийных устройств, так как вычислительные системы содержат в большом количестве широкую номенклатуру периферийных устройств, разрабатываемых и изготавли­ ваемых на многочисленных предприятиях.

Интерфейсы могут выполняться односвязными и мно­ госвязными. В односвязном интерфейсе общие для всех устройств шины используются всеми подключенными к данному интерфейсу устройствами на основе разделе­ ния времени.

В случае многосвязного интерфейса устройства мо­ гут связываться с другими устройствами вычислительной системы по нескольким независимым системам шин (ма­ гистралям) .

Один из возможных вариантов построения много­ связного интерфейса состоит в. том, что каждое устрой­ ство снабжается одной выходной магистралью для вы­ дачи информации и несколькими входными магистраля­ ми для приема информации из других устройств. При неисправности какого-либо из устройств и при отключе­ нии его от системы окажутся неработоспособными только те входные магистрали, к которым подсоединена выход­ ная магистраль неисправного устройства. Работа систе­ мы может быть продолжена благодаря наличию связи между исправными устройствами через другие магист­ рали.

В случае многосвязных интерфейсов аппаратура может автоматически выбирать из исправных и незаня­ тых в настоящий момент путей последовательность ма­ гистралей, связывающих два участвующих в передаче информации устройства.

Многосвязность интерфейсов требует дополнитель­ ной аппаратуры, но повышает надежность и живучесть вычислительной системы, обеспечивает возможность ре­ конфигурации вычислительного комплекса при выходе из строя отдельных агрегатов.