Методические указания по микропроцессорным системам
е “насквозь”
поточной архитектуры, что позволяет завершать выполнение операций за один
микроцикл; длительность микроциклов всех компонентов семейства
сбалансирована таким образом, чтобы ни один из них не заставлял простаивать
остальные; состав семейства позволяет при построении МПС избежать
необходимости использования нескольких разрядномодульных секций, что
уменьшает число межсоединений, снимает задержки передачи микрокоманд,
расширяет номенклатуру типов обрабатываемых данных.
АЛУ Аm29300 имеет две входные и одну выходную 32-разрядные шины. Две
СБИС Аm29332 могут быть использованы совместно таким образом, что одна из
них выполняет роль основного АЛУ, а вторая – избыточного вспомогательного,
причем выходы второго блокируются. Они выполняют одни и те же операции над
одним потоком данных и при несовпадении результатов вычислений
вырабатывается сигнал ошибки.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение однокристальной микроЭВМ.
2. Поясните особенности организации архитектуры МПК К1810 и
функционирования МП К1810ВМ86.
3. Перечислите основные этапы проектирования однокристальных МПС.
4. С какой целью при выборе МП используются бенчмарковские программы.
5. Перечислите особенности настройки однокристальных МПС.
5. МУЛЬТИМИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ
5.1. Обзор развития ММПС и их архитектур
В связи с появление мощных микропроцессорных средств ВТ в мировой
практике в настоящее время сложилась следующая классификация ЭВМ:
- микроЭВМ;
- мини-ЭВМ;
- супермини-ЭВМ;
- универсальные ЭВМ;
- мегауниверсальные ЭВМ;
- матричные процессоры;
- мини-суперЭВМ,
- суперЭВМ.
В каждом из перечисленных классов ЭВМ в зависимости от круга решаемых
ими задач возможно применение принципов мультимикропроцессорности.
МикроЭВМ могут быть определены как небольшие ЭВМ, в которых в качестве
процессорных элементов используются один или несколько МП. Было создано
много специализированных вариантов микроЭВМ, к числу которых относятся
разного типа персональные ЭВМ, рабочие станции, управляющие ЭВМ, процессоры
связи, процессоры цифровой обработки сигналов.
Мини-ЭВМ впервые появились в 60-х годах в качестве недорогой
компактной альтернативы универсальной ЭВМ; на протяжении 70-х годов нашли
широкое применение. Однако в 80-х годах в большинстве областей применения
их вытесняют микроЭВМ с той же внутренней архитектурой.
Супермини-ЭВМ представляют собой высокопроизводительные мини-ЭВМ (от 1
до 15 млн. оп/с) с длиной слова не менее 32 бит. Как правило, они имеют
скалярно-ориентированную архитектуру. Существуют двухпроцессорные супермини-
ЭВМ, производительность которых лежит в верхней части диапазона
производительности минимашин. Этот тип машин вытеснен с рынка в связи с
появлением 32-разрядных микропроцессорных микроЭВМ.
Универсальные ЭВМ явились основным средством автоматической обработки
информации. Различие между современными универсальными ЭВМ и супермини-ЭВМ
достаточно тонкие, но универсальная ЭВМ может быть описана как машина с
высокой производительностью (от 3 до 30 млн. оп/с), предназначенная для
использования в качестве центральной ЭВМ для большого числа пользователей.
Мегауниверсальные ЭВМ появились в середине 80-х годов. Наращивание
производительности и объемов памяти достигается в этих машинах путем
использования большого (до четырех) числа процессоров, что позволяет
достичь быстродействия 100·106 Флопс и объема памяти 256 Мбайт. Их
архитектура ориентирована на скалярную обработку. В зависимости от классов
решаемых задач архитектура дополняется либо векторным, либо матричным
процессорами.
Матричные процессоры наилучшим образом ориентированны на реализацию
алгоритмов обработки упорядоченных массивов данных. Они появились в
середине 70-х годов в виде устройств с фиксированной программой и были
подключены к универсальным ЭВМ, но к настоящему времени в их
программировании достигнута высокая степень гибкости. В большинстве
матричных процессоров осуществляется обработка 32-разрядных чисел с
плавающей запятой со скоростью от 5·106 до 50·106 Флопс. Типичными
областями применения матричных процессоров является обработка сейсмической
и акустической информации, распознавание речи, быстрое преобразование Фурье
(БПФ), фильтрация и действия над матрицами.
Мини-суперЭВМ впервые появились в начале 80-х годов и их назначением
было обеспечение высокой производительности вычислений, приближающейся к
производительности суперЭВМ. Были использованы различные формы векторной
обработки и параллельной архитектуры с применением 64-разрядных регистров.
Производительность мини-суперЭВМ обычно лежит в диапазоне от 20·106 до
500·106 Флопс.
СуперЭВМ представляют собой самый мощный класс компьютеров. В
большинстве суперЭВМ используются 64-разрядные слова, над которыми
выполняются операции с плавающей запятой от 10·106 до 10·109 Флопс. Они
используются для решения научных и инженерных задач в тех случаях, когда
целесообразно применение векторной обработки на основе архитектур ОКМД и
МКМД. Организация традиционных суперЭВМ, таких как CRAY и NEC, определяется
применением быстродействующих электронных схем, скомпонованных с
высокой плотностью для уменьшения задержек прохождения сигналов.
Следует отметить, что в приведенном широком классе ММПС особое место
занимают проблемно-ориентированные ММПС для цифровой обработки сигналов
(ЦОС). Этот класс МППС решает широкий круг задач, связанных с
распознаванием образов, моделированием нейронов мозга, гидро- и
радиолокационных задач, сейсмографии, радиофизики и т.п.
Главным архитектурным различием между традиционным ЭВМ,
предназначенными для обработки коммерческой информации, является что, что
мини-, супер-мини-, универсальные и мегауниверсальные ЭВМ имеют, главным
образом, скалярную архитектуру, а ЭВМ для научных расчетов (супер, мини-
супер ЭВМ, матричные процессоры и ММПС ЦОС) – векторную.
Скалярная ЭВМ (рис. 5.1) имеет традиционную фон-неймановскую (т.е.
ОКОД) организацию, для которой характерно наличие одной шины данных и
последовательное выполнение обработки элементов одиночных данных.
[pic]
Рис. 5.1. Структура скалярной ЭВМ
Векторная ЭВМ (см. рис. 5.2) имеет в своем составе раздельные
векторные процессоры или конвейеры и одна команда выполняется в ней над
несколькими элементами данных (векторами).
[pic]
Рис. 5.2. Структура векторной ЭВМ
Векторные архитектуры - это, в основном, архитектуры типа ОКМД, но
некоторые из них относятся к классу МКМД. Векторная обработка увеличивает
производительность процессорных элементов, но требует наличия полного
параллелизма в ходе обработки задач.
Параллелизм в ММПС может быть использован для повышения их
производительности на нескольких уровнях:
- между работами или фазами работы;
- между частями программы или в пределах циклов;
- между элементами векторной операции;
- на уровне арифметических и логических схем.
Первые две категории образуют область, которая может быть названа
классом параллельных ММПС, а третья и четвертая являются более «тонкой»
формой параллелизма, которая иногда используется в блоках последовательной
обработки и часто реализуется с помощью конвейерных процессоров.
Ниже приведены основные архитектурные формы параллельных ММПС, которые
используются или создаются в настоящее время.
Архитектура с потоком управления. Суть ее заключается в том, что
отдельный управляющий процессор служит для посылки команд множеству
процессорных элементов, каждый из которых состоит из процессора и связанной
с ним памяти.
Архитектура с потоком данных. Она децентрализована в очень высокой
степени и выполняемые ею параллельные команды посылаются вместе с данными в
другие (и очень многие) одинаковые процессоры.
Архитектура с управлением по запросам. Она разбивает решаемые задачи
на менее сложные подзадачи и результаты их решения снова объединяются для
формирования окончательного результата. Команда, которую следует выполнять,
определяется, когда ее результат оказывается нужным для другой активной
команды.
Архитектура с управлением наборами условий. Работает аналогично
предыдущей архитектуре. Типичное применение такой структуры – распознавание
изображений с использованием клеточных матриц процессорных элементов.
Архитектура ЭВМ с общей памятью. В ней используется та или иная
система межсоединений для объединения процессоров с памятью. Системы
межсоединений могут быть конструктивно оформлены в виде шин, колец, кубов,
кэшей.
Архитектура с параллельными процессорами. Здесь используется высокая
степень параллелизма, которая допускает независимое выполнение нескольких
процессов на нескольких процессорах. Для этого класса ММПС широко
используемой формой структур параллельной обработки являются гиперкубы, или
двоичные n-кубы, в которых между процессорами имеют место двухпунктовые
связи для передачи информации между ними (в 16-вершинном кубе каждый
процессорный элемент ММПС соединен с четырьмя соседними).
| |  скачать работу |
Методические указания по микропроцессорным системам |
