17.5 Принципы построения обеспечений мультимикропроцессорных систем

Принципы построения мультимикропроцессорных моделирующих средств связаны с архитектурой ЭВМ, которая развивается в направлении создания вычисли­тельных средств сверхвысокой производительности, наиболее эффективной формы общения пользователя с ЭВМ, уменьшения стоимости вычислительных работ. Рассмотрим направления развития архитектуры ЭВМ III поколения к ЭВМ IV и V поколений:

традиционное (поэтапное) преобразование модели алгоритма в объекты операционной среды. Послед­нее достижение — виртуальная операционная среда, при использовании которой естественны потери на трансляцию, контроль и управление вычислительным процессом. Эффективность вычислительных средств в указанном направлении повышается за счет повыше­ния производительности ЭВМ;

исходное проектирование операционной среды под модель класса алгоритмов и задач. К этому направле­нию относится создание суперЭВМ, рекурсивных машин. В последнее время заметны успехи в создании вычислительных средств с программируемой архитек­турой;

создание процессоров с управлением от потоков данных. В процессорах, управляемых потоками дан­ных, отсутствуют традиционное устройство управле­ния и счетчик команд. Информация обрабатывается не в последовательности, задаваемой программой, а по мере готовности данных, подобно обработке в аналого­вой технике. Применение потоковых ЭВМ связано с необходимостью разработки соответствующих про­граммных и аппаратных средств;

создание универсальной операционной среды высокого уровня как некоторого промежуточного программирования, позволяющего свести к минимуму потери на преобразование, а также реализующего наибо­лее эффективную схему интерпретации. Работы в дан­ном направлении привели к функционально и объект­но-ориентированной архитектурам. Эти архитектуры предусматривают объединение аппаратных и программ­ных модулей в функциональные модули. Операцион­ная среда имеет проблемный характер, она определяет­ся в концептуальных понятиях решаемой проблемы и отображаемых процессов.

Именно последнее направление в наибольшей сте­пени характеризует архитектуру моделирующей ММПС. Основные преимущества функционально-ориентированной архитектуры состоят в упрощении проектирования систем со сложной конфигурацией, в возможности выбора способов реализации функций (аппаратного, программного, микропрограммного).

Проанализируем более подробно моделирующие средства, применяемые для сложных систем с распре­деленными параметрами.

Аналоговые и аналого-цифровые вычислительные средства для моделирования имеют следующие преиму­щества: возможность моделирования уникальных за­дач, изоморфизм структуры моделирующих средств ис­следуемому явлению, простота осваивания, нагляд­ность и т. п. Изготовление аналоговых средств и АЦВК ведется, как правило, на непромышленной ос­нове, что ограничивает их применение. В настоящее время универсальные ЭВМ применяют чаще всего для моделирования объектов с распределенными парамет­рами, что объясняется парком имеющихся серийных ЭВМ.

Для задач моделирования создаются и применяются супер-ЭВМ, обеспечивающие сверхвысокую производи­тельность при обработке векторной информации. Наи­большая эффективность их использования достигается при обработке структурированных данных, например, представленных в форме векторов, поэтому такие систе­мы принято называть векторными. Наряду с векторны­ми процессорами суперЭВМ обычно содержат мощный скалярный процессор. Производительность векторных систем зависит от используемых алгоритмов, от аппа­ратной организации и возрастает как с увеличением доли векторных операций в вычислениях, так и с уве­личением длины обрабатываемых векторов. Она огра­ничена количеством обрабатывающих устройств и объ­емом одновременно считываемых из памяти данных. Кроме того, чрезвычайно высокая стоимость суперЭВМ препятствует их широкому использованию.

Кроме суперЭВМ для моделирования развиваются периферийные матричные процессоры. Из отечествен­ных разработок к ним следует отнести функционирую­щий в комплексе с ЭВМ ЕС-1045 матричный процессор ЕС-2345 и семейство матричных параллельных цифровых сеточных процессоров для задач математиче­ской физики. Рассмотрим цифровые сеточные про­цессоры, принципы, построения которых ближе к прин­ципам построения микропроцессорных моделирующих систем. Собственно цифровой сеточный процессор со­стоит из матрицы элементарных процессоров, матри­цы функциональных модулей, местного устройства уп­равления, буферного ЗУ и центрального УУ. Все устройства распределены по трем уровням. На первом уровне обработка информации производится в матрице элементарных процессоров параллельно по модели­руемой области, последовательно по разрядам. Каж­дый элементарный процессор соответствует одному узлу сетки и служит для вычисления сеточной функции в этом узле. На втором уровне расположены устрой­ства группового назначения. На третьем уровне цифро­вого сеточного процессора расположено центральное УУ, организующее работу всей системы. Время реализации одной групповой операции на таком процессоре можно оценить как I « О (г), где г — разрядность об­рабатываемых слов. Эффективность семейства сеточ­ных параллельных процессоров обусловлена специали­зацией структуры процессоров, а также отдельных мо­дулей, ориентированных на реализацию определенных алгоритмов. Существенным недостатком сеточных па­раллельных процессоров является необходимость за­трат машинного времени на перестройку структуры уз­лового модуля и матрицы процессоров.

Иным подходом к созданию моделирующих средств, имеющих наиболее широкий диапазон применения, яв­ляется построение моделирующих устройств и систем на основе серийных микропроцессорных комплектов. Микропроцессорные моделирующие системы реализо­ваны лишь в серийных образцах некоторых зарубеж­ных фирм и в виде экспериментальных макетов в отечественных организациях, что объясняется необхо­димостью проведения исследований по распараллелива­нию вычислений, архитектуре, оптимальным способам связи между микропроцессорными модулями, отказо­устойчивости.

Анализ направлений эволюции ЭВМ, учет исполь­зуемых технических средств позволяют сформулиро­вать наиболее важные принципы построения модели­рующих ММПС. Здесь принимаются во внимание основные факторы — возможности, представляемые микропроцессорной элементной базой, и требования, обусловленные алгоритмами моделирования приклад­ных задач математической физики.

Проблемная ориентация. Специфика моделирова­ния задач математической физики численными метода­ми обусловливает ряд архитектурных особенностей, определяемых реализуемыми алгоритмами, специаль­ными функциями в наборе операций и команд, исполь­зованием проблемно-ориентированных входных язы ков и др. Математические постановки задач, возлагае­мые на систему, и выбранные алгоритмы определяют требования к системе. Размерности задач влияют на необходимые ресурсы системы. Диапазон изменения переменных в реальных задачах цифрового моделиро­вания и используемые алгоритмы определяют раз­рядную сетку микропроцессоров.

При моделировании объектов с распределенными параметрами может возникнуть необходимость изме­нения разрядности операндов, шагов сеточной области, способов обхода области, метода решения. Проблем­ная ориентация, определяемая классом задач и исполь­зуемыми алгоритмами, реализуется в архитектуре мо­делирующих ММПС, разрабатываемых с учетом после­дующих принципов.

Иерархическое распараллеливание. Формальное распараллеливание собственно решения системы раз­ностных уравнений (распараллеливание по горизон­тали) заменяется глобальным структурным анализом, выделяющим функционально разнотипные подзадачи и процессы, а также определяющим связь между под­задачами для возможности их распараллеливания и совмещения. Наряду с распараллеливанием алгорит­мов вычислений на процессорных элементах в моде­лирующих ММПС распараллеливается подготовка и ввод исходных данных. Функционально разнотипные процессы совмещаются во времени. Это означает пере­ход к распараллеливанию всех процессов по разным функциональным направлениям и соответствующих разным типам параллелизма обработки. В микро­процессорных моделирующих системах принцип иерар­хического распараллеливания проявляется на следую­щих уровнях: в режиме коллективного доступа (если известные алгоритмы планирования загрузки в ММПС в основном предназначены для неоперативного диспетчирования, то возникает задача оперативного перераспределения ресурсов); при распараллеливании по вер­тикали (разделение по физическим процессам); при по­элементном и блочном распараллеливании по горизон­тали (системы разностных уравнений или «простые» задачи); на уровне арифметических операторов.

Децентрализация ресурсов. В любой иерархически организованной системе, к которым относятся модели­рующие ММПС, возникает необходимость распреде­лять ресурсы между ее компонентами (в первую оче­редь устройствами обработки и хранения данных), локализовать часть связей и децентрализовать управ­ление. В децентрализованной иерархической системе отдельное устройство, имеющее собственное средство обработки — микропроцессор, оперативную па­мять данных, локальное коммутационное и автономное управление является функциональным вычислитель­ным модулем. Отсюда возникает следующий принцип.

Модульность аппаратных и программных средств. Для прямых, итерационных и статистических алго­ритмов решения задач моделирования необходимо построение систем с различными производительностью периферийных МПМ и их количеством, обменом между системной памятью и локальной оперативной памятью периферийных МПМ, объемом локальной памяти пе­риферийного МПМ для хранения программ и данных, составом спецпроцессоров при необходимости их вклю­чения в систему, организацией вычислительного про­цесса.

Построение моделирующих ММПС с различной производительностью возможно благодаря модуль­ности аппаратных и программных средств, которая достигается единым подходом к подключению большо­го числа устройств с различными характеристиками в систему и определением функционального состава устройств. Такой подход заключается в использовании стандартных интерфейсов, в установлении единых принципов межмодульного обмена, а также в исполь­зовании программно совместимых модулей.

Программная совместимость модулей независимо от их быстродействия достигается выбором модулей с единой системой команд, единых форматов для пред­ставления, данных и принципов управления вычисли­тельным процессом для всех модулей.

Применение принципа модульности может дать следующие преимущества:

модули могут разрабатываться и применяться неза­висимо один от другого;

в зависимости от достигнутой плотности упаковки элементов в кристалле полупроводниковые приборы могут реализоваться как однокристальные или в виде нескольких кристаллов, объединенных в одном корпусе;

в проблемно-ориентированные ММПС возможно до­бавление специализированных прикладных модулей.

Выводы

В ходе работы была проведена разработка и исследование дискретной САР. В процессе проектирования САУ было определено, что данная система является системой управления по отклонению и предназначена для поддержания постоянного значения регулируемой величины с заданной точностью. Управление САУ происходит по принципу управления по отклонению.

Для ступенчатого входного воздействие были построены графики сигналов в дискретной части САУ, а также определен диапазон частот входного в дискретную часть САУ непрерывного сигнала ().

Была составлена структурная схема замкнутой и разомкнутой САУ с ПФ данной системы.

Далее была выполнена главная задача данного курсового проекта – определение устойчивости САУ, что является необходимым условием ее работоспособности. При этом использовались следующие критерии:

- По логарифмическому критерию устойчивости ДСАР была не устойчивая. В результате была произведена коррекция с использованием дифференцирующего корректирующего устройства с ПФ вида .Построил новые ЛАХ и ЛЧХ. Также была построена «запретная область» для логарифмической фазово-частотной характеристики разомкнутой системы. ЛФЧХ не заходит внутрь области в том интервале частот, в котором выполняются неравенства

,

следовательно заданный показатель колебательности М=1,5 будет обеспечен и ДСАР будет устойчива.

Были определены запасы устойчивости:

-По Z-корневому критерию устойчивости система устойчива, так как корни Z-ХУ замкнутой САУ лежат внутри окружности единичного радиуса:

_{z1=0,342+0,597i;}

_{z2=0,342-0,597i;}

_z3=0.916

_z4=-0.863

- По критерию устойчивости Шур-Кона система устойчива, т.к. полученные три определителя положительные.;

- По w-корневому критерию устойчивости система устойчива, т.к. корни лежали в левой полуплоскости w:

_{w1=-0.246+0.553i;}

_{w2=-0.246-0.553i;}

_w3=-13.601

_w4=-0.043

-По аналогу критерия Гурвица система устойчива, т.к. четыре определителя составленные из коэффициентов ХУ— положительные;

-По аналогу критерия Михайлова система устойчива, т.к. годограф вектора характеристического полинома (кривая Михайлова) при изменении ω от 0 до, начинаясь на положительной вещественной полуоси, последовательно обходит в положительном направлении 8 квадрантов комплексной плоскости (рисунок 13.1);

-По аналогу критерия Найквиста ДСАР устойчива, т.к. годограф вектора , где при изменении ω от 0 до не охватывал точку (-1; 0)(рисунок 14.1);

- Поскольку ПП имеет затухающий статический характер, система устойчива.

Также было рассчитано достаточное условие работоспособности САУ — ее качество, которое определяется по прямым и косвенным показателям.

Косвенные показатели качества САР:

- степень устойчивости: ;

- степень колебательности:. Прямые показатели качества САУ: - время регулирования:;

- перерегулирование:;

- колебательность ;

- статическая ошибка .

- степень затухания

В специальном вопросе было рассмотрено устройство управления микропроцессора, его назначение, функции, структура. Было определено, что управляющее устройство МП состоит из двух относительно независимых частей:

1) первичного автомата, управляющего процессами внутри МП;

2) схемы, обрабатывающей осведомительные сигналы и генерирующей управляющие сигналы в МП-системе. В управляющем устройстве каждый машинный цикл в цикле команды состоит из некоторого числа тактов, которым соответствуют состояния первичного автомата (Т₁—Т₅ или T_w). Число состояний первичного автомата определяется степенью сложности операции, реализуемой в данной команде, и последовательностью машинных циклов, составляющих цикл команды. Т.к. МП приспособлены для работы с различными типами внешней системной памяти (с непосредственным, прямым или последовательным доступом), имеющими разные времена обращения, то управляющее устройство имеет важное значение для работы МП.