6.6. Построение специализированного микропроцессора интегрирующей вычислительной структуры

Рассмотрим принцип построения специализированного (проблемно-ориентированного) микропроцессора (СМП) с использованием в качестве решающих элементов микропроцессора универсальных решающих блоков ИВС, а в качестве эффективной коммутации  регистровые коммутирующие элементы (РКЭ) [36, 77], структура которого должна в полной мере учитывать требования системы математического обеспечения ИВС, которая является наиболее важным и дорогостоящим элементом комплекса "ИВС + МО".

С этой целью в качестве модели СМП выбран цифровой автомат с перестраиваемой (программируемой) структурой (АПC) [70].

Отображение данной модели СМП на конкретные аппаратные средства вычислительных структур, включающие в свой состав УРБ, коммутирующие элементы, логические устройства и т.п. можно представить в виде обобщенной структурной схемы СМП, состоящей из операционного автомата (ОА), управляющего автомата (УА), входного и выходного устройств с коммутаторами, и приведенной на рис. 6.19 [35, 84].

Рис. 6.19. Структурная схема СМП и РКЭ

Рис. 6.20. Структурная схема ОА СМП с входной логикой

Операционный автомат СМП структурно реализует СУШ для некоторых негиртрансцендентных функций , или так называемые базисные-операторы. Если задана система функций , то при выборе базисного набора Τ-операторов, решается вопрос о функциональной полноте ОА СМП в данном классе задач. Коммутационная полнота обеспечивается применением регистровых коммутационных сред, элементы которых могут организовывать любые виды каналов связи манду СМП [77]. С другой стороны, использование регистровой коммутирующей системы придает функциональному модулю проблемную ориентации, с точки зрения заданных коммутирующих элементов, приводит к структуре специализированного микропроцессора.

Таким образом, структура СМП определяется путем задания способа реализации Τ-оператора для некоторой функции f(x) и оператора F, задающего поведение РКЭ в структурной схеме (рис. 6.19): блоки 1, 2 - ячейки сдвигающего регистра, блок 3-схема коммутации выходной информации (схема реализации оператора F), блок 4 – схема входного устройства СМП, 5 – блок формирования управляющего вектора для РКЭ. Объединение ОА, УА и РКЭ задает реализацию системы операторов T, F для воспроизведения некоторой функции от аргумента _, или _, или операции от операндов в следующем виде:

(6.8)

где – входная, а – выходная информация СМП, F - оператор коммутации, Τ – оператор, или схема Шеннона, для реализации функции f(х).

При организации структуры СМП необходимо выполнить следующие этапы:

• при выборе базисного набора Τ – операторов для исходной системы определяется структура ОА СМП;

• ОА представляет собой набор УРБ, структурно реализующих выбранные Т-операторы;

• для коммутации УРБ в ОА вводится коммутирующее устройство 3 (КУ), обеспечивающее связь входов и выходов УРБ.

Управляющий автомат представляет собой сочетание памяти и комбинационной части для выработки необходимых сигналов перестройки КУ ОА, задания режима работы, управления входным устройством и РКЭ.

Регистровый коммутирующий элемент коммутирует входную информацию под воздействием управляющего вектора на выходы Y₁,Y₂, т.е. реализует оператор , задаваемый системой (6.9)

(6.9)

Кроме того, РКЭ должен предусматривать также коммутацию в случае преобразования входной информации X в ОА СМП, т.е. в случае вычисления некоторой функции f(x), получаемой при реализации на данном СМП Τ- оператора для f(x). Этот факт можно символически записать в виде системы (6.10) путем введения в управляющий вектор РКЭ дополнительной компоненты y_k, являющейся маркером коммутации РКЭ:

(6.10)

где i = 1, 2; – модифицированный управляющий вектор РКЭ;

– символическое изображение преобразования входной информации Τ – оператором для _м –символическое изображение преобразования входной информации Τ– оператором для бинарной операции , т.е. воспроизведение операции; – символическое изображение операторно-логического уравнения, задающего коммутацию преобразованной входной информации Х₁, Х₂ в ОА СМП.

Учитывая систему (6.10) и определение Τ-оператора, систему (6.9) можно представить в следующем виде:

(6.11)

а оператор F задается, например, табл. 6.4.

Произвольный базисный Τ-оператор, структурно реализуемый ОА СМП, для некоторой функции f(x) из пространства (l-1) раз дифференцируемых функций на отрезке [a, b] задается отображением , где можно представлять как , и интерпретировать {f} как главное значение оператора, а – множество побочных значений оператора для функции f(х).

Таблица 6.4

Для одних случаев можно полагать и рассматривать оператор как однозначное отображение. В этом случае СМП имеет своей моделью автомат с программируемой архитектурой (АПС) и с фиксированным числом состояний и жесткой структурой (g = contst).

Если полагать , то СМП интерпретируется моделью с фиксированным числом состояний, но переменным выходом, т.е. он может генерировать различное число функций, задаваемых множествомЕ_f путем подключения выхода соответствующего УРБ к выходу ОА СМП. При этом структура СМП остается неизменной.

Если предположить, что на данном СМП возможна реализация нескольких T-операторов из базисного набора или всего набора заданной системы , то при этом моделью СМП служит АПС, у которого возможно переменное число состояний(g = var). В данном случае СМП генерирует либо последовательность функций , являющихся главными значениями соответствующих Τ-операторов при , либо последовательность множеств функций при.

Универсальные решающие блоки, являющиеся основными элементами ОА, совместно с коммутаторами входов и выходов УРБ образуют структуру ОА СМП (рис. 6.20). Управляющие сигналы со схем управления микропроцессора (УА СМП) производят настройку ОА на реализацию заданного оператора путем коммутации входов и выходов УРБ с помощью коммутаторов. Кроме того, управляющий сигнал с УА задает режим работы входной логики, подключая вход СМП до или после операционного автомата.

В зависимости от количества УРБ, входящих в ОА, можно строить СМП различной степени сложности и универсальности. Так, если ОА содержит три УРБ, то специализированный микропроцессор может реализовать до двадцати различных функций и операций. Доведение количества УРБ до пяти в ОА, позволяет реализовать на СМП практически все встречающиеся элементарные функции и операции, входящие в описание задач цифрового моделирования и управления, решение которых находится в пространстве непрерывных функций.

При увеличении числа УРБ в операционном автомате универсальность СМП растет, но появляется проблема повышения коэффициента загрузки УРБ в микропроцессоре. Оптимальное сочетание числа реализуемых операторов со сложностью ОА (по числу УРБ) позволяет в каждом конкретном случае получить СМП с необходимыми параметрами по точности, быстродействии, габаритам, надежности и другим параметрам.

Программирование задач для решения на ИВС, состоящих из СМП, может производиться аналогично программированию задач на универсальных ЦВМ, что дает возможность проектировать ИВС, программно совместимые с ЦВМ. Кроме того, возможность программирования СМП на ЯП высокого уровня позволяет исключить трудоемкий процесс получения СУШ из сферы пользователя и существенно повысить эффективность создания программ для специализированных средств вычислительной техники.