Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Архитектура вычислительных систем

7.4. Вычислительная система МИНИМАКС

алгоритмов решения вычислительных задач). Трансляторы c ВС-языков позволяли при автоматизации параллельного программирования использовать трансляторы для мини-ЭВМ.

З. Средства отладки P-прогpамм служили для анализа качества программ и выявления ошибок при взаимодействии P-вeтвей (путем моделирования параллельного процесса на одной ЭМ).

4. Средства управления заданиями (директивами) позволяли пользо-

вателю запускать и снимать P-прогpаммы, создавать и уничтожать P-файлы,

задавать график работы подсистем, переводить машины в режим тестирования и т. д.

5.Средства специальной организации параллельных программ включали:

a) сегментатор, дававший экономию оперативной памяти при хранении программы (он производил собственно сегментирование P-вeтви и распределение сегментов по памятям машин и организовывал последовательность реализации сегментов; следовательно, он применялся при обобщенной матричной обработке);

б) блок отказоустойчивых вычислений, обеспечивавший продолжение счета при сбоях ЭМ и выходе их из строя.

6.Библиотека стандартных параллельных программ упрощала процесс параллельного программирования.

Пакеты прикладных P-прогрaмм (ППП) были ориентированы на определенные области применения мини -ВС. Среди пакетов имелись:

1)пакет P-прогpамм общего назначения для решения научных, экономических и технических задач;

2)пакет программ для расширения управляющей системы функциями, реализуемыми в автоматизированных системах управления технологиче скими процессами (АСУТП);

3)пакет P-прогpамм, ориентированный на применение в АСУТП (например, расчет сложных поверхностей, определение технологии обработки деталей и т. д.).

включал наладочные, контрольные и диагностические тест-программы.

7.4.5. Области применения мини-вС МИНИМАКС

Ориентация агрегатных средств АСВТ-M и системы малых машин СМ ЭВМ определила области применения мини -ВС МИНКМАКС. По-

скольку системы МИНИМАКС имели программируемую структуру и могли

состоять из произвольного количества машин, им были доступны задачи со значительным объемом вычислений.

341

7. Вычислительные системы c программи 9уемой структурой

Вычислительные системы МИНИМАКС т огли применяться:

•в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, металлургической, металлообрабатывающей, приборосп роительной, радиотехниче-

ской, электронной и других отраслях промышле iности;

•на тепловых и атомных электростанциях и в системах энергоснабжения;

•в научно-исследовательских учреждениях, занимающихся исследованием проблем физики, гидроаэродинамики, химии, биологии, медицины и др.

Системы МИНИМАКС использовались:

•для решения научных, экономических и тЕ хнических задач;

•для сбора и первичной переработки информации в сложных иерархических системах;

•для управления научными экспериментам и;

•для исследования технологических процессов и расчета техникоэкономических показателей;

•для управления технологическими процессами;

•для контроля качества промышленной продукции (полупроводниковых приборов, электронных схем и др.);

•в качестве центра коммутации сообщений .

Мини-ВС МИНИМАКС могли функцион: 4ровать автономно, в качестве вспомогательных подсистем мощных сосредоточенных ВС, в составе распределенных ВС или сетей.

7.5. Вычислительная система СУММА

B 1970-x годах для управления процессами в реальном времени широко применялись не только мини-машины, но и вычислительные сети и системы из мини-ЭВМ. B данном параграфе описывается вторая отечественная мини-ВС: Система Управляющая Мини—МАш ['шная (СУММА). Эта миниВС, как и система МИНИМАКС, имела програ] лмируемую структуру и свои архитектурные особенности.

Система СУММА была разработана Институтом математики CO АН

СССР (Отделом вычислительных систем) сов иместно c Производственным объединением «Кварц» Министерства электронной промышленности СССР

(г. Калининград). Техническое проектировани мини-ВС было выполнено в 1975 г., опытно-промышленный образец был изготовлен и отработан в 1976 г.

Архитектура системы СУММА.

•МIМД-архитектура;

•распределенность средств управления, оЕ работки и памяти;

342

7.5.Вычислительная система СУММА

•параллелизм, однородность, модульность;

•программируемость структуры;

•масштабируемость;

•живучесть;

•единый канал для управляющей и рабочей информации;

•аппаратурно-программная реализация системных взаимодействии.

7.5.1.Функциональная структура мини-вС СУММА

Мини-ВС СУММА формировалась из ЭМ-тpехполюсников, количество которых не было фиксировано. Система характеризовaлась большой архитектурной гибкостью. Ее можно было легко расширить или сократить в соответствии c предъявляемыми требованиями.

Принципиальные ограничения на структуру мини- ВС (количество ЭМ

и порядок их соединения) не накладывaлись, однако при любой структуре каждая ЭМ могла взаимодействовать не более чем c тремя соседними машинами c помощью полyдyплексныx каналов. B мини-ВС была заложена возможность «прогpаммиpовать» адресацию ЭМ, в частности, система могла быть настроена на относительную адресацию ЭМ.

Системы управления, на применение в которых была рассчитана миниВС СУММА, характеризуются стабильностью решаемых задач, нежесткими требованиямикреактивностинаизменениеоперационнойобстановки(преимyщественно детерминированный поток запросов на обслуживание). Следо-

ватeльно, в системах управления перепрограммирование структуры лип ни-ВС требовалось выполнять редко, и время обмена управляющей информацией в общем времени работы мацпш системы составляло незначительную часть. Эти факторы позволили ограничиться единым каналом для обмена управляющей (настроечной) информацией и данными между ЭМ мини-ВС.

Единый канал обмена управляющей и рабочей информацией между машинами системы СУММА вместе c программной реализацией некоторых функций позволили по сравнению c системой МИНИМАКС существенно упростить СУ (например, программными средствами в системе С УММА

реализовываласьвыработкаобобщенногопризнакаS2).

Из-за использования для всех взаимодействий одних и тех же связей

перепрограммирование структуры мини-ВС можно было осуществлять

только в границах сформированных подсистем. Снятие границ образован-

.,

ной подсистемы производилось только «изнyтpи».

K системам управления предъявляются повышенные требования по

живучести, следовательно, их вычислительные средства должны обладать

структурной живучестью. Для формирования мини-ВС СУММА использо-

343

7. Вычислительные системы c программипуемой структурой

г

Рис. 7.15. Оптимальные структуры мипи- вС СУММА:

а — L(6, 3,4); б — L(8, 3,4); в - L(10, 3, 5; г — L(12, 3,5)

вались оптимальные L(N, 3, g)-графы (т. e. об;спечивающие максимум координат вектор-функции структурной живучести, см. рaзд. 7.2.1). На рис. 7.15 представлены примеры оптимальных структур мини - ВС СУММА для количества машин 6, 8, 10 и 12.

7.5.2. Элементарная машина мини-вC СУММА

Элементарная машина системы СУММА формировалась как «трехполюсник», или, точнее, композиция из ВМ и СУ, рассчитанного на три межмашинные связи (рис. 7.16).

Вычислительный модуль предназначался для выполнения всех операций, связанных c переработкой информации, ] з частности для инициирования реализации системных операций. Системное устройство использовалось для реализации системных взаимодействий машин, в частности для программирования структуры мини -ВС.

344

7.5. Вычислительная система СУММА

•структура команд машины одноадресная;

•система счисления двоичная;

•длина слов 12 двоичны разрядов;

•способ представления чисел c фиксированной запятой (режим работы c плавающей запятой реализовывался программно);

•цикл оперативной памяти 1,5 мкс;

•емкость оперативной памяти 4...32 K слов;

•быстродействие при вьшолнешш операций типа «сложение» 300 тыс. опер./с;

•время выполнения команд:

сложения (регистр-память) 3 мкс, умножения c фиксированной запятой 10 мкс.

Система команд включала команды обращения к памяти, микрокоманды, команды расширенной арифметики, команды обращения к внеш-

ним устройствам. Было предусмотрено прерывание программ. Аппаратура обеспечивала глубину прерывания, равную единице, однако в мини-ЭВМ

была заложена возможность организации многоуровневого прерывания прогpаммным способом.

Обмен информацией c внешними устройствами осуществлялся через программный канал или через канал разрыва данными. Конкретное внешнее устройство, к которому проводилось обращение из программ, определялось селекторным кодом. Канал разрыва данными являлся вырожденным каналом прямого доступа к памяти и позволял считывать или заносить массивы

информации в оперативную память машины. На время обмена c внешним

устройством в режиме разрыва данными программная работа машины при-

345

7. Вычислительные системы c программгруемой структурой

БУ БЗП К2

От мини-ЭВМ

БР

PA

PH

От соседних ЭМ

Общая шина

Рис. 7.17. Функциональная структура системного устройства мини-BC СУММА:

БУ — блок управления; К 1 , К2 — коммутатор; РН — реп стр настройки; БЗП — блок захвата

и приоритетов; СУ — системное устройство; ЭМ — элементарная машина; БР — буферный

регистр; РП — регистр признаков; РМ 1 , РМ2 — регистры маски; РГ — регистр границ; РА —

регистp адреса

останавливалась, содержимое рабочих регистров сохранялось аппаратно; после завершения обмена продолжалось выполнение программы. Максимaльная скорость обмена достигала 6 • 10 6 бит/c;.

Системное устройство конструктивно было оформлено в виде отдель-

ного модуля. K мини-ЭВМ оно подключaлос ь через общую шину (как и

внешнее устройство), a к СУ трех соседних Э: через каналы межмашинной связи. Данное устройство было не сложнее СУ мини-BC МИНИМАКС.

Рассмотрим подробнее функциональную структуру СУ мини-ВС СУММА.

Системные устройства мини-ВС СУММА обеспечивали передачу информации между машинами по способу коме лутации сообщений. B состав каждого СУ входили: блок управления (БУ), в кодной и выходной коммутаторы (К1 и К2), буферный регистр (БР), регистр настройки (РН), блок захвата и приоритетов (БЗП) (рис. 7.17).

Блок управления координировал работу всe ;x остальных схем СУ при реализации его взаимодействий c собственной мини-ЭВМ и соседними ЭМ. B составе БУ имелся 12-рaзрядный регистр адреса (ГА). Этот регистриспользовался для указан я ячейки оперативной памяти ми -ЭВМ, к которой осуществ-

лялось очередное обращение СУ. Содержимое РА можно было устанавливать либо из данной мини-ЭВМ, либо из соседней Э. Vi. Содержимое РА наращивалось автоматически на 1 после каждого обращено 3я к памяти.

346

7.5. Вычислительная система СУММА

Коммутаторы К1 и К2 системных устройств предназначались для управления потоками информации при межмашинных взаимодействиях в мини-ВС. Входной коммутатор К 1 определял направления приема информации из межмашинных каналов, a выходной коммутатор К2 направления

передачи в межмашинные каналы. Связь между коммутаторами К1 и К2 осуществлялась через буферный регистр. Композиция из К 1 , БР и К2 обеспечивала не только обмен информацией между данной ЭМ и межмацыми каналами, но и необходимые транзитные пересылки информации при взаимодействияx между другими ЭМ мини-ВС. Состояния коммyтаторов К 1 и К2

задавалисьприпомощиспециальныхразрядодрегистранастройки.

Регистр настройки представлялсобой композицию из четырех регистров: РП, РМ1, РМ2, РГ. Все регистры были программно доступны дня лншЭВМ. Регистр признаков РП был 13-разрядный, он предназначался для хране-

ния признаков {ло, л1, ... , л,, ... , n12 } . Признaки позволяли задать функщш

ЭМ при вьшолнении межмаiшпшых взаимодействий. B частности, признак по

использовался для отметки ЭМ при ее включен в систему: ло =1, если ЭМ входила в состав мини-ВС. Семантика признаков {л1 , л2 , ... , тс12 } заранее не была определена, значение этих признаков программист мог задать сам с учетом особенностей конкретной задачи. Например, c помощью признака л1 можно было выделить машины, участвующие в выработке обобщенного условия перехода, a c помощью л машины, реагируюцще на значение этого усло-

вия, j ^ i, i, j Е {1, 2, ... , 12}. B других применениях мини-ВС содержимое РП

могло быть использовано в качестве адреса ЭМ.

Регистр маски РМ 1 состоял из трех тpиггеров Т (k Е {1, 2, 3 } ), каждыи из которых предназначался для маскирования одного из направлении межмашинных связей. Состояние триггера Т определяло возможность вы-

дачи информации из данной ЭМ на k-й выход межмашинных связей

(k Е {1, 2, 3 } ). Регистр маски РМ2 включал в себя также три триггера:

Т (k Е {1, 2, 3 } ), a его состояние определяло направления приема данных в

ЭМ из межмашинных каналов.

Регистр границ РГ 3-разрядный — использовался при формировании <(границ» между машинами, т. e. при разбиении мини-ВС на подсистемы. Содержимое этого регистра определяло направления межмашинных связей ЭМ, из которых запрещался прием любой информации (в том числе и управляющей). Точнее, установка в единичное состояние тpигера «границы», сопоставленного c k-м направлением межмашинных связей, приводила

к функциональному разрыву всех связей системного устройства ЭМ в k-м

направлении.

347

7. Вычислительные системы c программируемой структурой

При функционировании мини-ВС СУММА любое обращение к любому СУ начиналось c выдачи в него сигнала захвата. Доступ к СУ получало то средство, заявка которого на обслуживание принималась блоком зaxвата и приоритетов. Однако в процессе работы ми и-ВС в каждой ЭМ одновременно в состоянии разрешения приема/переда чи информации могло находиться несколько тpиггеров масок. Конфликты при одновременном обращении к СУ c нескольких направлений разрешал: 4сь также БЗП. Связям СУ c собственной мини-ЭВМ отводился наивысший приоритет.

7.5.3. Системные команды мини-вС СУММА

Системные команды мини-ВС СУММА были разделены на три группы. Рассмотрим подробно функциональные осс бенности реализации команд этик групп.

Первую группу составляли команды обращения из мини-ЭВМ в собственное СУ Эти команды являлись команд нами обращения к внешним устройствам (но c селекторным кодом, присвoенным СУ). Команды позволяли:

•установить (или сбросить) заявку на обслуживание процессора;

•сбросить все заявки на обслуживавание, кроме заявки собственного

процессора;

•осуществить обмен c регистрами СУ;

•сбросить тpиггер признака готовности СУ;

•пропустить очередную команду по значению триггера готовности СУ.

Команды второй и третьей групп выполв ялись совместно и позволяли осуществить обмен информацией между любыми ЭМ подсистемы. Процесс передачи, инициированный передающей ЭМ, начинался c «захвата» собственного СУ. Применялось два режима захвата мягкий и жесткий. При мягком режиме процессор устанавливал в СУ заявку на обслуживание и ждал освобождения СУ от текущей работы. При же( ^тком режиме захват СУ происходил независимо от текущего состояния С У Передача процессором необходимой информации в СУ осуществлялась . лишь после подтверждения, что захват СУ произошел.

Обмен между ЭМ выполнялся 13-разрядными словами, все разряды слова передавались параллельно. Тринадцаты:i разряд приформировывался СУ к каждому слову, полученному от процессора, и указывал назначение слова. Единичное значение этого разряда со ответствовало передаче кода настройки, a нулевое передаче операнда ил п адреса: последний посылался в регистр адреса СУ. Любой передаваемый между ЭМ массив информации начинался со слова настройки. Передача осуществлялась по всем на-

348

7.5. Вычислительная система СУММА

ПризнакP слова настройкиТРо J Признак типа обмена

Признак конца обмена ретрансляции настройки

приема кодов второго слова массива

Рис. 7.18. Формат слова настройки мини-ВС СУММА

правлениям, определенным состоянием регистра выходной маски. Слово

настройки предназначалось для задания функционирования СУ всех машин, принимавших данный массив, и состояло из двух частей (рис. 7.18).

1. Указатели:

a) запроса прерывания (1 соответствовала переходу к подпрогpамме обработки прерываний после приема всего массива информации; 0 запрещал переход);

б) второго слова массива передаваемой информации (1 означала, что

второе слово являлось начальным адресом следующего за ним массива; следовательно, оно заносилось в регистр адреса системного устройства; 0 соот-

ветствовaл операнду, который заносился в память ЭВМ по адресу, определяемому текущим содержимым регистра адреса СУ);

в) приема кодов (1 настраивала ЭМ на прием операндов или адреса

для регистра адреса СУ; 0 запрещал прием);

г) ретрансляции настройки (1 разрешала ретрансляцию слова настрой-

ки в выходные каналы межмашинной связи; 0 не разрешал ретрансляцию); д) конца обмена (1 означала: завершить обмен информацией и осво-

бодить системные устройства принимающих ЭМ; 0 обмен продолжить); e) типа обмена (1 соответствовала быстрому обмену, при котором

принимающие ЭМ были либо заняты приемом кодов, либо находились в состоянии ожидания; 0 означал медленный обмен, при котором принимаю-

щие ЭМ после завершения приема в память очередного кода, возвращались

ксвоей программной работе).

2.Идентификатор ЭМ, участвующих в системном взаимодействии,

определяемом указателями. Элементарные машины, отмеченные признаком

=1, i Е {1, ... , 12}, осуществляли настройку своих СУ в соответствии со

значениями указателей; машины, в которых п ' = 0, сохраняли состояния СУ.

Идентификация ЭМ в системе СУММА осуществлялась c помощью программно-задаваемых идентификаторов, a связность между ЭМ области,

349

7. Вычислительные системы c программi4 руемой структурой

выделенной признаками разделения, устанавливалась лишь на время взаимодействия Имя ЭМ в системе СУММА задавалось содержимым регистра признаков, a ее адрес содержимым выделенной для этой цели ячейки оперативной памяти. Вид адресации и характер преобразования адресов определялся программой, которую можно было F ызывать через систему прерывания. Эта программа являлась частью «путевой процедуры», выполняемой машиной при реализации взаимодействия ЭМ. Идентификация по имени является основным способом выделени. взаимодействующих ЭМ системы СУММА.

Из-за отсутствия аппаратyрно закрепленн ых за ЭМ идентификаторов

в системе СУММА предусматривалась процедура разметки системы, которая заключалась в присвоении машинам груп новых или индивидуальных

идентификаторов. Разметка выполнялась как при первоначальном включении электропитания системы, так и в процессе решения ОС задачи планирования и загрузки мини-ВС. Последний случай являлся более общим. Ниже рассмотрен реализованный в системе СУММА вариант разметки. Он был предназначен для организации мультидоступа i системе при решении задач, представленных как последовательными, так и п раллельными алгоритмами.

Разметка выполнялась той машиной, коте ярая получила очередную за-

явку на решение задачи (ведущей ЭМ). Ведугуая ЭМ создавала компонент связности, включавший в себя все доступные е й машины при данной загру-

женности системы (т. e. те ЭМ, которые были не отделены от ведущей ЭМ установленными в них признаками границ). B процессе разметки ведущая ЭМ передавала во все выходные каналы слово настройки c указателем ретрансляции, равным 1, и c идентификатором по =1. Машины, соседние c ведущей, принимали и одновременно ретранслировали слово настройки в другие ЭМ системы. B результате выполнени: i описываемого «волнового» алгоритма все исправные ЭМ, доступные вед; щей машине, образовывали компонент связности. Компонент связности ил мел вид дерева, корнем кото-

рого была ведущая ЭМ (рис. 7.19).

После завершения формирования компс ^нента связности реализовывался режим сбора информации. Суть этого режима заключалась в передаче сообщения-квитанции от каждой ЭМ компонента связности к той соседней машине, от которой она получала прямое сс общение. Процесс передачи квитанций начинался c вершин дерева, a сооб^ цения адресовались ведущей ЭМ. При этом каждая ЭМ, получавшая сообщ ение-квитанцию, перед даль-

неишеи., ., передачей., включала в него сведения o своем состоянии и o реализованной в процессе передачи прямого сообщени. а соединительной функции.

далее, в ведущей ЭМ на основе собранной в процессе стока информации делалось диспетчерское заключение о возможности обслуживания заявки

пользователя на доступных ресурсах мини-ВС. Если ресурсов компонента

350