Ассоциативные и многофункциональные ЗУ
Основной функцией запоминающих устройств ЭВМ является хранение информации. Однако, в классической схеме ЭВМ для обработки хранимой в памяти информации ее необходимо извлечь в процессор. Если “объем” обработки, приходящийся на единицу хранимой (извлекаемой) информации невелик, то тракт передачи данных между процессором и памятью оказывается сильно нагруженным.
Вообще, связь процессора с памятью всегда считалась узким местом. Для повышения скорости передачи по ней предпринимались и предпринимаются различные шаги, стандартными вариантами которых являлось повышение частоты передачи данных и увеличение количества передаваемых за цикл данных (разрядность шины), если это, конечно, не приводило к заметному снижению частоты передачи из-за увеличения электрической емкости и взаимного влияния (помех) линий шины.
Другим подходом к решению данной проблемы является перенос выполнения операций обработки из процессора в само запоминающее устройство.
Первым представителем устройств, реализующих этот принцип, явились ассоциативные ЗУ, обеспечивающие доступ к хранимой информации не по адресу, а по значению. По-видимому, операция поиска требуемой информации в хранимом массиве, является наиболее частой и относительно простой операцией.
Ассоциативные ЗУ (АЗУ) в функциональном отношении представляют собой запоминающие устройства, хранящие множество слов. В этом смысле они похожи на обычные ЗУ. Однако, часть разрядов хранимых слов может выступать в качестве ключа, по которому производится поиск. Т.е., подав на вход АЗУ некоторое значение ключа, можно определить, хранится ли в нем слово, ключ (ключевая группа разрядов) которого совпадает с заданным значением. Кроме того, при поиске, обычно, из значения ключа можно исключить (замаскировать) какие-либо разряды, а сам поиск в ряде ассоциативных ЗУ может осуществляться не только по совпадению, но и по другим критериям, например, “больше”, “меньше”, “ближайший больший”, “в заданных пределах” и др.
Один из вариантов структурной схемы ассоциативного ЗУ показан на рис. 5, где РКП – регистр ключа поиска, РМ – регистр маски, РД – регистр данных, РИС – регистр индикаторов совпадения, СхАИС – схема анализа индикаторов совпадения.
При чтении информации из АЗУ на регистр РКП поступает ключ поиска, значение которого следует найти в накопителе ЗУ, чтобы извлечь соответствующие этому ключу (если его удается найти) данные. На регистре РМ маски может быть установлена маски, исключающая какие-либо разряды ключа из поиска. Исключаемым разрядам соответствуют, например, нулевые значения разрядов маски, а разрядам, участвующим в поиске – единичные значения разрядов маски.
Слова, в которых найдено заданное значение ключа, отмечаются в регистре РИС индикаторов совпадения, установкой единиц в соответствующих разрядах. Поиск заданного значения ключа может привести к одному из следующих исходов:
- искомое значение ключа не найдено;
- заданное значение ключа найдено один раз;
- найдено несколько ключей, имеющих заданное значение.
Анализ того, какая именно ситуация имеет место возлагается на схему СхАИС анализа индикаторов совпадения, которая вырабатывает на своем выходе соответствующие сигналы. При этом в случае нескольких совпадений обычно из памяти читаются либо данные для первого совпавшего ключа, либо все они выбираются поочередно.
В случае записи новой информации возможны различные способы выбора места записи.
Если записываются информация, значение ключа для которой уже имеется в АЗУ, то после нахождения этого ключа в соответствующее поле данных записывается новая информация. (Если совпадений несколько, то можно обновить данные для всех совпавших ключей.).
Рис. 5. Структурная схема ассоциативного ЗУ
Если записываются данные со значением ключа, которого нет в АЗУ, то для записи выбирается первая свободная ячейка и в нее заносятся новый ключ и новые данные. При этом для обнаружения свободной ячейки используется служебный разряд, имеющийся в каждом слове, нуль в котором указывает на то, что ячейка свободна, а единица – что ячейка занята. Поиск свободной ячейки в этом случае производится как обычный поиск при чтении по значению ключа, имеющего нуль в разряде занятости, а все остальные разряды ключа маскируются. Если свободных ячеек нет, то приходится выбирать для записи какую-либо из занятых ячеек либо с помощью счетчика, перебирающего ячейки по их адресу, либо иным способом.
Ассоциативные ЗУ позволяют эффективно решать задачи, связанные с поиском информации, однако стоимость их реализации достаточно высока. Так, область ключей в накопителе, должна позволять производить операцию сравнения по всем данным, хранимым в ЗУ. Это существенно усложняет техническую реализацию данной области и удорожает АЗУ. Имеются различные варианты реализации схем сравнения в области ключей, обеспечивающие как параллельный, так и последовательный по разрядам поиск. Второй вариант заметно проигрывает по скорости параллельному поиску (сравнению), однако, существенно дешевле.
Известны также варианты последовательного по словам поиска, что, в принципе, почти сводит на нет преимущества АЗУ в решении поисковых задач.
Кроме того, схемы анализа индикаторов совпадений и схемы выбора данных при многозначных совпадениях также несколько усложняют АЗУ по сравнению с обычной оперативной памятью.
В силу этих причин ассоциативные ЗУ используют в тех случаях, где их функциональные возможности окупают затраты на реализацию. Как правило, это небольшие ЗУ служебного назначения, например, для хранения используемой в текущий момент части таблиц адресов страничной памяти. Хотя известны и случаи применения ассоциативных ЗУ в системах слежения за подвижными объектами.
Другим классом устройств, объединяющих в себе функции хранения и функции переработки информации, являются многофункциональные запоминающие устройства (МФЗУ) [Балашов Е.П., Кноль А.И. Многофункциональные запоминающие устройства]. Они, также как и АЗУ, предполагают возможность повышения производительности средств обработки информации, построенных с их использованием, за счет значительного уменьшения или даже исключения пересылок данных между устройствами хранения и устройствами преобразования информации.
Однако, в отличие от АЗУ, многофункциональные ЗУ ориентированы на логическую и арифметическую обработку информации, а не на операции поиска, хотя последние и можно выполнять с помощью многофункциональных ЗУ.
Для реализации операций обработки данных в МФЗУ первоначально использовались особенности реализации процессов записи и считывания в ЗУ на магнитных сердечниках, доминирующих в оперативных ЗУ к моменту появления многофункциональных ЗУ в конце 1960-х годов. Использование двух или трех переключающих элементы памяти сигналов (токов) в таких ЗУ позволяло, управляя этими сигналами особым образом, реализовать функционально полный набор логических функций непосредственно в накопителе типового ЗУ без изменения его конструкции.
Выполнение арифметических операций, связанное с переносом между разрядами, требовало либо вносить изменения в типовые накопители ЗУ, связывая тем или иным образом соседние разряды для переносов, либо использовать внешние, по отношению к накопителю узлы: буферные регистры, в которые поступает считанная из ЗУ информация. В принципе, эти регистры могли представлять собой уже обрабатывающие функциональные блоки, например, сумматоры.
В соответствии со способами реализации: без изменений накопителя, с изменением накопителя и с использованием внешних блоков обработки различались и типы МФЗУ.
Позже, с переходом к использованию оперативных ЗУ на полупроводниковых интегральных схемах, ситуация несколько изменилась, так как непосредственная реализация логических операций в самих элементах памяти без изменения их структуры стала затруднительной. Тем не менее, для реализации операций в самом ЗУ можно было использовать его буферные регистры, в которые считывались строки матриц запоминающих элементов, например, для регенерации. Это позволяло реализовать операции сразу над массивом элементов. Также осталось возможным использование внешних по отношению к накопителю узлов для реализации обработки данных.
Выигрыш от применения МФЗУ наиболее заметен при выполнении относительно простых преобразований над большими массивами информации. Одной из областей, где может иметь место подобное положение, является компьютерная графика. И действительно, по существу, если ограничиться простыми операциями закрашивания, инвертирования или изменения цвета, то в этих задачах многофункциональные ЗУ действительно могли бы дать выигрыш. В некотором смысле, графические карты используют принципы, положенные в основу многофункциональных ЗУ.
Аналоговые вычислительные машины
1. Принципы моделирования Физическое и математическое моделирование
АВМ иначе называют моделирующими установками или электронными моделями.
В развитии современного естествознания метод моделирования имеет большое значение. Моделирование, как метод научного исследования, появилось в связи с необходимостью решать такие задачи, которые по каким-либо причинам, например, в силу дороговизны, опасности или невозможности прямого эксперимента не могли быть решены непосредственно.
Различают физическое и математическое моделирование.
Сущность физического моделирования заключается в том, что вместо сложного процесса определенной физической природы исследуют этот же процесс, но в других масштабах (например, модели самолетов, кораблей). Физическое моделирование базируется на физическом подобии явлений в оригинале и модели, а, в ряде случаев, и их геометрическом подобии.
Сущность математического моделирования заключается в том, что исследование сложного процесса одной физической природы заменяется исследованием процесса другой физической природы.
В основе обоих видов моделирования лежит математическое подобие между оригиналом и моделью. Частным случаем является физическое подобие и физическая аналогия, т.е., физическое моделирование есть частный случай математического.
Методика математического моделирования сводится к следующем этапам:
а) Составление уравнения (или системы уравнений) для моделируемого процесса:
F (y, xj, qi, t) = 0
б) Выбор известной или создание новой математической модели, знаковое описание которой аналогично описанию оригинала
FM (yM, xMj, qMi, tM) = 0
Уравнение модели обычно называют машиннымуравнением.
в) Обеспечение подобия уравнений за счет соответствующего выбора определения масштабов моделей
My = yM / y; Mx = xM / x; Mt = tM / t = / t
и расчета коэффициентов машинного уравнения;
(Аналогию масштабу переменных можно проследить на примере масштаба географической карты. Например, масштаб 1:200000 говорит о том, что в одном сантиметре расстояния на карте – переменной модели – содержится два километра расстояния на местности – исходной переменной. Т.о., масштаб равен отношению переменной модели к исходной переменной)
г) Решение на модели машинного уравнения FM = 0.
Представление величин в авм
АВМ, в основном строятся на электрических элементах постоянного тока.
Из теоретических основ электротехники известно, что переходные процессы в линейных электрических цепях описываются с помощью дифференциальных уравнений. Поскольку линейные элементы электрических цепей дешевы и имеют малые габариты, то они получили наиболее широкое распространение при построении АВМ. Таким образом, все независимые переменные (функции) представляются в АВМ с помощью напряжений постоянного тока. Независимой переменной является машинное время, т.е. время, прошедшее с момента пуска модели.
Такое представление не является единственно возможным. Для построения модели может использоваться любой другой физический процесс, описываемый теми же математическими зависимостями, что и моделируемый процесс. В частности, существовали аналоговые интеграторы, в которых математическая функция представлялась потоком воды (объемом воды, протекающим через водовод в единицу времени). В этом случае интеграл данной функции был равен объему воды, накопленному в некотором сосуде-“интеграторе”.