Konyukhova_arhitektura

го и того же процесса и совместно использовать его ресурсы. То есть отдельная программа может быть разбита на фрагменты (потоки), содержащие последовательности команд, и эти потоки могут выполняться параллельно.

Применение различных способов организации внутрикристалльной памяти (регистров, кэшей) и механизмов динамического назначения команд на исполнение [2] позволяет организовать параллельное выполнение нескольких тредов (потоков) в одном процессорном ядре с совместным использованием ресурсов на кристалле. На рис. 60

приведён план кристалла многопотоковой мультиядерной системы с общим кэшем. Такие системы называются мультиплексорными

системами на кристалле SMT (Simultaneous Multi-Threading).

По сравнению с обычными симметричными системами, сложность разработки SMT-систем возрастает.

Общий кэш L2

Рис. 60. Многопотоковая многоядерная архитектура

собщим кэшем

Вассиметричных кластерных мультипроцессорных системах

ACCMP (Asymetric Cluster CMP) на кристалле размещается ассиметричный кластер процессорных ядер с различной специализированной аппаратурой. Например, кластер может содержать RISC-ядро процессора, ядра специализированных процессоров для цифровой обработки сигналов, блоки памяти, средства коммуникаций. Согласно [23], функциональная неоднородность в таких архитектурах влечёт за собой структурные различия во фрагментах системы, содержащих разные процессорные ядра и блоки. Например, они могут различаться схемами подключения процессорных ядер к СШ, способами взаимодействия процессорных ядер с устройствами и т.д. Ассиметричные кластерные архитектуры являются хорошо масштабируемыми. В ас-

161

симетричных архитектурах функции управления вычислительным процессом полностью централизованы, и ОС работает только на одном процессоре. Этот процессор является ведущим, а все остальные – ведомыми. Ведущий берёт на себя функции распределения задач и ресурсов, а ведомые работают только как обрабатывающие устройства. Ассиметричные архитектуры позволяют повысить производительность по сравнению с симметричными, но при этом требуется разработка специализированных ядер. Кроме того, такая специализация снижает надёжность системы, поскольку процессоры не являются взаимозаменяемыми.

Можно выделить три варианта конструктивного расположения ядер на кристалле:

1.Независимые процессорные ядра (каждое со своей памятью)

расположены на одном кристалле и для связи используют общую системную шину.

2.Несколько одинаковых ядер расположены на разных кристаллах, но объединены вместе в одном корпусе процессора (многочиповый процессор).

3.Ядра могут быть тесно переплетены между собой на одном кристалле и использовать некоторые общие ресурсы кристалла (например, шину и кэш-память).

Преимущества и недостатки мультиядерных процессоров вытекают из преимуществ и недостатков параллельных ВС. Следует отметить, что в настоящее время многоядерные процессоры используются крайне неэффективно. Прирост быстродействия во многом зависит от типа приложения. У программ, которые не рассчитаны на работу

смногоядерными процессорами, быстродействие увеличивается всего на 5 %. А вот оптимизированные под многоядерные процессоры приложения работают быстрее уже на 50 % [22].

10.4.Тенденции развития ВС

Существует два направления развития высокопроизводительных вычислений [2]. Первое связано с применением дорогих суперкомпьютеров с уникальной архитектурой (специальные векторные процессоры, дорогостоящая сверхбыстрая память, уникальное периферийное оборудование), например, суперкомпьютеров CRAY, NEC, IBM, Эльбрус и т.д. Второе направление связано с созданием ВС массового параллелизма. Основной упор при этом делается на увеличение числа процессоров и повышение степени параллелизма про-

162

грамм. При этом большую популярность приобретают COWсистемы, которые постепенно вытесняют MPP.

Мультипроцессорные высокопроизводительные ВС находят своё применение в таких областях, как исследовательская, промышленная, образовательная, административная, при производстве самих ВС. Такие системы требуются для точного прогнозирования погоды и климата, развития современного промышленного дизайна, создания новых фармацевтических средств и т.д. Среди установленных мультипроцессорных систем системы с архитектурой MPP составляют подавляющее большинство (65 %), системы SMP – 21, системы с векторными процессорами – 12, кластерные системы – 2 %. Доля кластерных систем постепенно возрастает.

Относительно многоядерных процессоров [22] можно сказать, что лидерами по их производству являются компании «Intel» и «AMD» продолжающие наращивать количество ядер в процессорах. Например, «Intel» планирует выпускать процессоры, содержащие до сотни ядер. Появление мультиядерных процессоров, в свою очередь, стимулирует разработку ОС и прикладного программного обеспечения, поддерживающих многоядерность. Кроме того, в корпорации «Intel» планируют выпускать многоядерный процессор с новой архитектурой, в составе которого будет находиться одно мощное центральное ядро, окружённое множеством вспомогательных ядер. Это поможет более эффективно обрабатывать сложные мультимедийные приложения в многопоточном режиме. Кроме ядер общего назначения, процессоры будут обладать специализированными ядрами для выполнения различных классов задач: графика, алгоритмы распознавания речи и т.п.

Вопросы для самопроверки

1.Дайте определение ВС. Назовите уровни, на которых может выполняться параллельная обработка информации.

2.Что такое гранулярность? Какие уровни параллелизма выделяют по степени гранулярности? В чём заключаются их особенности?

3.Перечислите преимущества и недостатки параллельных ВС.

4.Что представляет собой классификация Флинна? На какие группы делятся ВС, согласно этой классификации? Назовите их особенности. В чём заключается классификация ВС, предложенная профессором Головкиным?

163

Рис. 61. Обобщённая структура типового контроллера

1.Объект управления (ОУ), содержащий собственно объект или процесс, исполнительные устройства (ИУ) и систему датчиков контролируемых параметров объекта.

2.Устройство сопряжения с объектом (УСО). Используется для связи цифрового регулятора с датчиками и ИУ, а также обеспечивает согласование сигналов (управляющих и информационных) цифрового регулятора и ОУ.

3.Пульт управления. Предоставляет оператору возможность контролировать параметры ОУ и при необходимости вносить в него коррективы.

4.Цифровой регулятор. Устройство, которое получает необходимую информацию о текущем состоянии ОУ от датчиков, и, в соответствии с заложенным в него алгоритмом управления, вырабатывает управляющие воздействия, поступающие на ОУ через ИУ. Конкретная реализация цифрового регулятора определяется типом системы управления и зависит от сложности ОУ. Большинство цифровых регуляторов реализуются на базе МК, более сложные регуляторы – на базе ВМ, вычислительных комплексов. Существенной особенностью работы цифровых регуляторов в контроллерах является то, что все операции, связанные с ОУ, должны выполняться в реальном масштабе времени при постоянном информационном взаимодействии регулятора с ОУ.

Сложные системы управления включают в контур управления не только ВМ, но и человека и являются не автоматическими, а автоматизированными.

Во всех случаях в системах управления существуют несколько параллельно протекающих процессов. Требования ко времени выполнения у различных процессов различны, а для их выполнения используются общие ресурсы системы, поэтому необходимо чёткое упорядочение выполнения процессов. Для этого установлены абсолютные приоритеты.

В основу организации управления заложена модель реально протекающего дискретного процесса. Реальное непрерывное время делится на кванты τ, длительность кванта задаётся в зависимости от инерционности объекта. В цифровых регуляторах деление времени на кванты осуществляет таймер. Последовательность квантов, отражающая течение времени, нумеруется: Для программного

165

управления объектом при работе с моделью минимально необходимы три компонента: 1) идентификация текущего состояния модели q(i) на основе показаний датчиков; 2) расчёты, связанные с определением следующего состояния q(i+1); 3) формирование управляющих воздействий на ИУ, обеспечивающих переход в состояние q(i+1). По сигналу от таймера происходит прерывание выполняемой в фоновом режиме программы, и осуществляется переход к программам идентификации состояния объекта, расчёта следующего состояния, формирования управляющих воздействий и вывода их на объект. Выполнение этих программ должно завершиться раньше, чем закончится квант. В оставшуюся часть кванта времени выполняются программы, имеющие более низкий приоритет. Процессы периодически повторяются. Привязка инициализации приведённых выше процессов к сигналам от таймера и обеспечивает работу системы управления объектом в режиме реального времени.

Для управления сложными распределёнными в пространстве объектами организуют аппаратно-программные управляющие комплексы с иерархической (двухили трёхуровневой) структурой. На верхнем уровне находятся ВМ, выполняющие роль пультов управления. На нижних уровнях находятся ВМ, непосредственно осуществляющие сбор информации от датчиков, её обработку и формирование управляющих сигналов. Если ОУ находится на значительном расстоянии, то помощью встраиваемых систем на базе МК осуществляется первичная обработка сигналов в непосредственной близости от ОУ, и реализуются алгоритмы локального управления без выхода на ВМ. Обмен между МК и ВМ более высокого уровня выполняется с использованием передачи сообщений на базе стандартных каналов связи.

Далее остановимся на вопросах организации МКС и структуре МК.

11.2.Организация микроконтроллеров и микроконтроллерных систем

Наиболее часто МК используются во встраиваемых системах управления различными объектами. Под встраиваемой системой управления будем понимать систему управления, пространственно приближенную к датчикам и ИУ и конструктивно интегрированную

166

в оборудование – механизм, технологическую установку, робот

ипр. [2].

Всоответствии с [2, 5], МК – это программируемое однокристальное вычислительное устройство со встроенным набором средств для ввода и вывода, применяемое для решения задач управления

ипервичной обработки данных в технических системах. В отличие от универсальной микро-ЭВМ, МК имеют значительно меньший объём памяти и менее разнообразный состав внешних устройств, реализуют несложные алгоритмы.

Встраиваемые средства на базе МК относительно просты, имеют низкую стоимость, малые размеры. Обычно на них возлагают следующие функции:

1) сбор, первичную обработку и преобразование сигналов датчиков объекта в сообщения стандартного формата, передачу их в ВМ;

2) приём, накопление и трансляцию команд управления от ВМ; 3) самодиагностику и первичную диагностику объекта.

Взависимости от сложности задач встраиваемые системы управ-

ления бывают одноуровневыми и многоуровневыми. В последнем слу-

чае на нижнем уровне управления решаются задачи локального управления отдельными подсистемами, а на более высоких – общие задачи управления системой в целом. Одноуровневые системы управления реализуются, как правило, на базе МК, а при построении многоуровневых систем на верхних уровнях используются ВМ для обеспечения интерфейса с человеком-оператором.

Существуют МКС следующих типов [2]: автономная МКС, локальная МКС, МКС сетевой конфигурации (рис. 62):

в

Рис. 62. Типы МКС

а– автономная МКС; б – локальная МКС;

в– МКС сетевой конфигурации

167

Автономные системы управления являются самыми простыми и дешёвыми, но их возможности ограничены. Более сложные локальные МКС обладают большими возможностями при управлении объектами различной природы. Наиболее сложными системами управления являются МКС сетевой конфигурации с распределённым многоуровневым управлением (сеть ВМ и сеть МК) и распределённым (рассредоточенным) ОУ.

По общим архитектурным принципам все МК объединяют в семейства. Все МК одного семейства имеют одинаковое ядро: систему команд, организацию памяти команд и памяти данных, базовый набор внутренних ПУ и систему прерываний.

Типичный МК содержит в своём составе процессорное ядро с развитой системой команд, память программ IROM, регистровый файл (память) данных RRAM, а также набор программируемых интерфейсных схем, выполняющих ряд важных функций внутри МК и обеспечивающих связь с внешней средой (рис. 63)[2, 5].

Большинство из перечисленных блоков являются обязательными компонентами любого МК, некоторые, например, память IROM, могут отсутствовать. Состав и назначение интегрированных на кристалле ПУ определяется областью применения МК. Поэтому эти средства делаются многофункциональными, с программной настройкой на тот или иной режим работы. При инициализации МК информация о типе настройки заносится в специальные регистры и в процессе дальнейшей работы МК обычно не меняется.

Рассмотрим представленные функциональные блоки более детально.

168