4. Распределенные высокопроизводительные систем параллельных вычислений. Микропро-

цессоры дают новые возможности при решении задач, допускавющих распараллеливание.

Создаются системы, состоящие из десятков, сотен, тысяч микропроцессоров - одинаковых

или специализированных на решении определенных задач. Такие системы обладают производстельностью, превосходящей производительность мощных традиционных систем конвейерного типа при гораздо меньшиих затратах.

Хотя от области к области состав и взаимосвязь компонентов МПС может значительно

меняться, тем не менее на логическом уровне структура большинства МПС может быть

представлена в следующем виде (рис. 1.2.)

МП в системе выполняет функции центрального устройства управления и устройства

арифметико-логического преобразования данных. Как устройство управления МП генерирует последовательности синхронизирующих и логических

сигналов. Эти системы определяют последовательности срабатывания всех устойств системы.

МП последовательно осуществляет микрооперации извлечения команд программы из

памяти системы, их расшифровку и исполнение. Операция МП определяется кодом операции

в команде. В соответствии с тими кодами МП выполняет арифметические, логические или

иные операции над числами, представленными в двоичном или двоично-десятичном коде.

Числа, которые подвергаются операционным преобразованиям в арифметико­логическом

болке МП, называются операндами. Операндом может быть исходное число, промежуточный (конечный) результат, константа, некоторый параметр. Операции в МП производятся над

одним или двумя операндами.

Память МПС физически реализуется на основе различных ЗУ. Технико­экономическая целесообразность порождает создание иерархической памяти при использовании полупро-

водниковых ПЗУ и ОЗУ и магнитных внешних ЗУ исключительно большой емкости ( тера-

байты ).

Полупроводниковые ПЗУ допускают только чтение ранее записанных данных и

являются энергонезависимыми.

Полупроводниковые ОЗУ работают в режиме оперативной, т.е. совпадающей с темпом

работы МП, записи и чтения данных. Энергозависимы - при выключении питания данные

теряются.

Рассмотренная память адресуема, т.е. каждое слово имеет в памяти свой уникальный адрес.

Слово - совокупность двоичных разрядов, интерпретируемая как отдельное число или,

возможно, как несколько групп двоичных нулей/единиц (полей), имеющих каждая свой смысл.

Устройства вводда данных (УВВ) - любые средства, предназначенные для передачи данных

извне в МП или память: клавиатура пульта управления, ввод с ПЛ или ПК, внешние ЗУ на МЛ, кассетах, МД, и т.п.

Устройства вывода данных (УВЫВ) - любые средства, воспринимающие данные, которые передаются из МП или памяти: дисплеи, печатающие устройства, внешние ЗУ, пульт управ-

ления и т.п.

Все устройства МПС связывает между собой единая информационная магистраль. Она функционально состоит из магистрали адресов (МА), магистрали данных (МД), магистрали управления (МУ).

Магистраль адреса. В простой МПС только МП может вырабатывать адреса передаваемой информации. Поэтому МА - однонаправленныая: МП генерирует код адреса, а остальные

устройства, подключенные к МА, могут только воспринимать их.

Количество шин МА совпадает с разрядностью кода адреса. Если, например, в МПС

используется 16-разрядный код адреса, то разрешается выработка 2¹⁶=65536 (=64К) адресов.

Все они могут относиться к адресам прамяти или к адресам памяти и адресам регистров данных устройств ввода-вывода.

Магистраль данных. МП, ОЗУ, внешнее ЗУ (ВЗУ) могут воспринимать или передавать дан-

ные. Другие устройства могут либо только принимать данные (например, печать), либо только выдавать их (например, ПЗУ). В результате МД должна быть двунаправленной. Ее разрядность определяется разрядностью МП и равна 2,4,8,16 и 32 бит.

Возможно временное мультиплексирование, когда в течение одного цикла использования

МД по ней передается одна часть (обычно половина) слова, и затем, в течение второго цикла, передается вторая половина слова.

Такое мультиплексирование применялось также в некоторых ранних разработках

МП, когда использовалась общая МА и МД, т.е. мультиплексировались адреса и данные.

Магистраль управления. МП и устройства ввода-вывода генерируют управляющие сигналы, которые синхронизируют и определяют операции устройств. Эти сигналы передаются по сово-купности однонаправленных шин, в целом образующих МУ. Все сигналы в МПС согласо-

ваны с системными сигналами синхронизации, которые задают начала и последовательности срабатывания всех блоков и узлов внутри всех кристаллов МПС. Используется кварцевый гене-

ратор (для стабилизации частот). МП выдает обычно однофазные, реже - двухфазные сигналы синхронизации.

Хотя каждый тип МП имеет уникльную систему сигналов управления, практически

все они имеют некоторый общий набор сигналов управления, общим числом около 10. Среди

них:

"Сброс" - входной сигнал с пульта управления. Он приводит в исходное состояние ( сбра-

сывает ) все внутренние регистры МП и загружает в СчК - счетчик команд - начальный адрес программы.

"Чтение/Запись" - сигнал МП, задающий направление передачи по

двунаправленной МД.

"Запрос прерывания процессора" - сигнал от внешних устройств с целью привлечь внимание

МП на состояние их готовности к проведению какой-либо операции с МП или, например, на их несиправность. Если этот запрос может быть принят, МП информирует об этом систему, гене-рируя сигнал "Запрос прерывания удовлетворен".

Внешние утройства и МП могут работать в разном темпе. Поэтому возникает потребность приостановки МП на время подготовки данных (к приему данных) во внешнем устройстве с помощью внешнего сигнала "Данные готовы"/ "Данные не готовы".

Работа МА, МД и МУ осуществляется в рамках определенных соглашений (протоколов), которые подробнее будут рассматриваться делее, а сами

магистрали организуются в соответствии с определенными стандартами. Между тем, внешние устройства могут быть исключительно разнообразны и, соответственно, могут упраляться различными сигналами. Для согласования этого разнообразия с магистралями применяются интерфейсные контроллеры (ИК) (см. рис. 1.2.).

Разного рода специализарованные датчики Д и исполнительные механизмы ИМ

подключаются к ИК через дополнительные блоки сопряжения датчиков (БСД) и блоки сопря-

жения ИМ (БСИМ).

Под микроЭВМ обычно понимают совокупность МП, ОЗУ, ПЗУ и ИК, расположенную в

одной большой интегральной схеме (БИС) - т.к. однокристельная микроЭВМ или в нескольких БИС, установленных на одной плате (одноплатная микроЭВМ) или на нескольких платах, объединенных конструктивно в небольшой прибор ( многоплатная микроЭВМ ).

Применение БИС в качестве основных элементов микроЭВМ обеспечивает ей такие

примущества перед другими типами ЭВМ, как:

компактность;

надежность ( очень важное качество при стремлении расширить области применения для пользователей, не имеющих понятия о вычислительной технике и электронике);

малую материалоемкость;

низкое потребление энернии;

малую стоимость.

Однокристальные и немного более сложные микроЭВМ вследствие магистральной органи-

зации и частотных ограничений БИС имеют отностиельно умеренную производительность.

В микроЭВМ на основе биполярных секционных БИС за счет организации конвейера

даже при магистральной структуре можно получить высокое быстродействие. Встроенные МПС образуют исключительно широкую область применения. Возможно

поэтому сердцевину таких МПС часто называют отдельным термином: микроконтроллер (МК).

МК - это управляющее устройство, выполненное на одном или нескольких БИС, и выполняю-

щее функции логического анализа и управления. За счет исключения арифметических опера-

ций иногда рассичтывают снизить аппаратурную сложность МК или развить функции логиче-

ского контроля.

Контроллер можно выполнить в виде "жесткого" соединения групп вентилей,

триггеров и т.д., т.е. в виде цифрового автомата на основе аппаратурной логики. Обычно проводимая минимизация числа электронных компонент, допустим, на уровне корпусов ИС, ведет, как правило, к неупорядоченной электронной структуре, специализированной на конкретном приложении тольков данном устройстве. Изменение во временной диаграмме или введение новых сигналов в аппаратурном контроллере влечет за собой необходимость перепроектирования и переконструирования всего конт-роллера или значительной его части.

В то же время в программируемых контроллерах разнообразные временные диаграммы сигналов и их последовательностей порождаются не распределением регулярных сигналов синхрогенераторов путем проводных сое-динений, а преобразованием последовательностей команд ( микрокоманд ).

Универсальные программируемые контроллеры реализуются в виде одно-кристальных БИС, или на основе секций микропроцессорных комплектов БИС.

Благодаря гибкости программных ( микропрограммных ) средств адаптация программируемого контроллера к конкретной области применения осуще-ствляется за счет пере рограммирования, не затрагивающего аппаратную реали- зацию контроллера, или вызывающего только перезапись содержимого управ-

ляющих ЗУ.

Собственно, именно эта гибкость обеспечила широчайший рынок для регу-лярных, точнее, единообразных, или типовых МП как аппаратуры технологич-ной, а значит, дешевой.

Такие типовые МП составляют сердцевину так называемых МП-комплек-тов ( наборов ), МПК. Примером МПК, который подроно изучался в прошлом семестре, является МПК К1804.

В этом семестре мы будем иллюстрировать основные положения курса примерами двух МПК. Основу первого составляет МП КР580ИК80А ( серия КР580 ). В неё входит всего 15 БИС.

Ворой МПК - К1801 ( 3 микросхемы ).

Выбор именно этих комплектов не сучаен. В целом МПК можно разделить на два больших класса ( как и ранее - по областям применения ).

К первому относятся т.н. универсальные МПК БИС. На их основе могут быть построены самые разнообразные средства вычислительной техники - от МК до универсальных микроЭВМ различных типов. Эта группа МПК БИС на-иболее многочисленна. В неё входят такие комплекты, как КР580, К582, К587, К1804, К1810 и др.

Универсальный МПК БИС серии КР580 является в настоящее время на-иболее распространенным. Широкое его распространение в основном обусовлено функциональной законченностью этого комплекта БИС.

Ко второму классу относятся специализированные МПК БИС, предназна-ченные для построения только одного типа микроЭВМ. В эту групу входят МПК БИС К536, К581, К1801. Последний из комплектов предназначен для по-строения различных моделей микроЭВМ с системой команд микроЭВМ “Электроника-60”. А это - одна из первых отечественных микроЭВМ, имею-щая структуру с общей магистралью. Общая магистраль - это мультиплексиро-ванная магистраль МА/МД. “Э-60” предназначается для использования, например, в системах управления станками, технологическими процесами, в коммуникационных системах, для выполнения научно-технических расчетов и др. Важна её программная совместимость с отечественными миниЭВМ “Э-100-25” и СМ-3, СМ-4, а также зарубежными ПДП-II.

Важнейшие особенности архитектуры ( в том числе состав програмно-дос-тупных регистров и система команд ) “Э-60” воплощены в одноплатной микроЭВМ “Э-НЦ8001Д”, в качестве элементной базы которой использован как раз МПК БИС К1801. Без дополнительного оборудования к “Э- НЦ8001Д” модно подключить НГМД ( флоппидрайв ), алфавитно-цифровой дисплей и АЦПУ.

Наконец, на основе микроЭВМ “Э-НЦ8001Д” создано широко распро-страненое семейство диалоговых вычислительных комплексов ( ДВК ).

Вернемся к МПК КР580. На его основе, кстати, выполнена одна из наибо-лее распространенных микроЭВМ СМ-1800. В основном она предназначена для тех же целей: что и “Э-60”. СМ-1800 программно совместима с микроЭВМ, построенными на основе известного МП I8080 фирмы Intel.

В базовый комплект СМ-1800 входят НГМД, дисплей, АЦПУ. Вообще име-ется более 15 моделей этого семейства - от простых контроллеров до сложных многоуровневых мультипроцессорных систем. Опишем на уровне общности рис. 1.2 характеристики локов, создаваемых на базе КР580.

МП КР580ИК80А ( рис. 1.3 ) предназначен для создания микроЭВМ с изолированными ( раздельными ) МА, МД и МУ. Он имеет фиксированный набор команд. Ограниченное число выводов БИС МП КР580ИК80А, отведенных под МУ, привело к тому, что в самом МП формируется только часть управляющих сигналов, необходимых для функционирования микроЭВМ. Формирование управляющих сигналов, необходимых при обра-щении к памяти и ВУ, производится во внешних по отношению к МП схемах. Наприменр, в системных контроллерах КР580ВК28 и КР580ВК38 или специ-альных регистрах. Для этого в регистр загружается специальное слово - слово состояния МП ( или управляющее слово ). Это слово загружается во внешний регистр в начале каждого машинного цикла и определяет его тип.

Тактовая частота - относительно невысокая : 2,5 Мгц. При частоте 2 Мгц время выполнения команды - от 2 до 8 мкс.

Память ( адресаемая ) ОЗУ в МПС на основе серии КР580 не имеет значительных особенностей, и её организация будет приведена далее в одном из последующих разделов. В соответствии с размерностями МА, МД в системе адресуется 2¹⁶=65536= 64 К 8-разрядных слов ( байт ). Рассмотрим магистрали и интерфейсные контроллеры этой серии.

Магистраль адреса. 16-раздядная для 1) прямой адресации 64К, 2) передачи по восьми младшим разрядам А0...А7 адреса ВУ, что обеспечивает обращение к 256 регистрам ИК ВУ при выполнении вывода и такому же количеству регистров при вводе.

Магистраль данных. 8 разрядов. Обмен 8-разрядными данными между МП и памятью, между МП и ВУ ( точнее между МП и ИК ), а также МП и системными контроллерами ( внешним регистром ), упомянутыми выше.

Магистраль управления. “Сброс” , “Чтение/Запись” формируется с помощью упомянутого слова состояния, “Запрос прерывания”, “Разрешение преравания”, сигналы приостановок и пр. Вообще набор управляющих сигналов достаточно типичен и будет в свое время рассмотрен.

Интерфейсные контроллеры. Имеется большое разнообразие контролле-ров для согласования магистралей и устройств ввода/вывода, в том числе внешних ЗУ большой емкости ( прямой доступ ) :

программируемый параллельный интерфейс КР580ВВ55 обеспечивает три независимых двунаправленых канала ( порта ) ввода/вывода А , В и С ;

программируемый последовательный интерфейс КР580ВВ51.

Другое название - универсальный синхронно - асинхронный приёмопере-датчтик. В этом последнем названии полностью отражено функциональне назначение БИС;

программируемый контроллер прерываний КР580ВН59 обслуживает до восьми прерываний от ВУ;

программируемый контроллер прямого доступа к памяти ( контроллер ПДП ) КР580ВТ57 - предназначен для управления обменом данными между ВУ и ОЗУ микроЭВМ а режиме ПДП.

ПДП - это такой метод ввода/вывода, при котором вся процедура ввода/ вывода полностью осуществляется специальными аппаратурными средствами. Центральный ( микро- ) процессор передаёт управление шинами ( магистралями ) контроллеру ПДП, который производит обмен данными непосредственно между памятью и подсистемой ввода/вывода. Обычно контроллер ПДП передаёт целый блок данных. Контроллер ПДП обеспечивает адресацию памяти и выбирает сигналы управления памятью, обновляет указатели адреса, подсчитывает число переданных слов, сигнализирует о завершении операции ввода/вывода;

программируемый интерфейс ЭЛТ КР580ВГ75 - контроллер вывода инфор-мации из памяти на экран ЭЛТ;

программируемый интерфейс клавиатуры и дисплея КР580ВВ79 - контроллер ввода/вывода клавиатуры и дисплея;

программируемый таймер КР580ВИ53. Формирует программно - управляемые временные задержки для синхронизации управляемых объектов в реальном масштабе времени.

Состав МПК постоянно расширяется за счет разработки новых типов БИС.

Характеристики МПК 1801 на уровне логической структуры МПС.

К1801ИМ1 ( рис. 1.4 ). МП функционально и конструктивно закончен. Он реализует систему команд “Э-60”, т.е. наор команд фиксирован, как и у КР580ИК80А. БИС КР1801 ВМ1 обеспечивает управление системным интерфейсом, который по составу управляющих сигналов и алгоритму обмена аналогичен системному интерфейсу микроЭВМ “Э-60”, т.е. Q-bus ( “Ку-бас” ). Другими словами, используются совместные ( мультиплексированные ) 16-раз-рядные МА/МД и 18-рзрядная МУ.

Тактовая частота 5 Мгц. При этом двухадресная операция сложения при ре-гистровой адресации выполняется примерно за 2 мкс. Питание + 5 В.

К1801ВМ2 ( рис.1.5 ). Это - дольнейшая разработка ВМ1.

ВМ2 имеет в сравнении с ВМ1 расширенную систему команд и большие функциональные возможности.

Расширение системы команд в ВМ2 достигается за счет :

1) блока расширенной арифметики, реализующего ряд дополнительных команд;

2) выполнения на программном уровне операций над числами с плавающей запятой, что обеспечивается системным ПЗУ, реализованным на БИС К1801 РЕ1.

Возможность работы с системной памятью - одна из новых функциональ-ных возможностей ВМ2. Для организации взаимодействия с системной памятью используются три управляющих сигнала. Один из них, выдаваемый одновременно с адресом, однозначно идентифицирует обращение именно к системной памяти. В итоге системная память является как бы скрытой и не треует выделения присущих только ей адресов. Её объем - 2К.

В МП ВМ2 реализованы два способа повышения скорости обработки данных : 1) приём команд с опережением; 2) ввод асинхронного режима передачи адреса при выполнении операции обмена по магистралям.

Память : те же замечания, что и для серии КР580.

Магистрали ( МА/МД ) - 16 разрядов с временным мультиплексированием.

В МА часть разрядного прострнства - с 160000 В по 177776 В ( восьмиричн.) ( = 4К = 4096 ) - отведена под адресацию регистров ВУ. Остаток в 56 К исполь-зуется для прямой адресации памяти.

В МД обмен данными может осуществляться как 8-ми ( по линии DA00... DA07 ), так и 16-ти разрядными словами.

Сигналы МУ обеспечивают управление : 1) передачей информации по МА/МД; 2) режимами обмена с ВУ с учётом их приоритета; 3) работой микроЭВМ в целом и будут подробнее рассмотрены далее.

В МПК К1801 помимо двух МП ( ВМ1 и ВМ2 ) входит матричная БИС К1801ВП1, используемая для построения различных устройств управления и контроллеров ВУ ( ИК ). В настоящее время на основе К1801ВП1 реализованы следующие устройства :

1) контроллер управления ОЗУ ёмкостью 32 К 16-ти разрядных слов на двух БИС : К1801ВП1-030 и К1801ВП1-013;

2) многофункциональные устройства параллельного обмена К1801ВП1-033 и К1801ВП1-034;

3) многофункциональные устройства последовательного обмена К1801ВП1-035.

На основе матричной БИС возможно быстрое изготовление различных специализированных и универсальных БИС, обеспечивающих как управление работой отдельных блоков имкроЭВМ, так и взаимодействие с различными ВУ микроЭВМ. Матричная БИС - базовый кристалл, содержащий матрицу стандартных логических элементов, которые могут быть соединены между собой несколькими слоями металлизаци. С помощью таких слоёв реализуются требуемые схемы соединений логических элементов, определяющие конкрет-ное применение маирицы.

Например, матричная БИС К1801ВП1-034 может работать в следующих трёх режимах :

передачи информации с одного из двух возможных 8-ми разрядных входов на выходную двунаправленную шину ( DA0...DA7 ), выдачи данных из буфера на 8-ми разрядную шину ( D0...D7 ) в прямом / инверсном коде;

буферного регистра данных, в котором информация с 16-ти разрядной входной шины ( D0...D15 ) пишется в буфер; информация может также выдаваться оттуда на 16-ти разрядную выходную шину ( DA0...DA15 );

выдачи вектора прерывания и компаратора адреса, что используется при создании ( компоновке ) узла обработки прерываний от ВУ.

На основе К1801ВП1 реализуются, например, такие ИК :

контр оллер НГМД ( используется К1801ВП1-033 );

стандартный параллельный интерфейс ( ИРПР - Интерфейс Радиальный Параллельный ) на базе БИС К1801ВП1-033 и -034;

стандартный последовательный интерфейс ( ИРПС - Интерфейс Радиаль-ный Последовательный ) на базе БИС К1801ВП1-035.

МПК К1801 входит в ряд МПК, предназначенных для создания микрокон-троллеров, микроЭВМ и МПС, программно-совместимых с семейством СМ3, СМ4. К этому ряду МПК следует отнести БИС серий К581, К1801, К1809, К1811.

Г л а в а 2. МИКРОПРОЦЕССОРЫ.

На структуру микропроцессора и его функциональные возможности оказывают определяющее влияние достижения микроэлектронной технологии и конструктивные ограничения корпусов БИС:

степень интеграции ( плотность электронных компонентов ), влияющая на разрядность МП;

количество слоёв металлизации на кристалле, влияющее на сложность связей между блоками МП;

Количество выводов корпуса БИС, ограничивающее число шин магистралей и влияющее на состав интерфейсов цифровых средств, создаваемых на основе МП.

МП имеет магистральную структуру ( рис. 2.1 ), Внутренняя магистраль распадается на магистраль вводимых данных ( МДВВ ), магистраль выводимых данных ( МДВЫВ ), магистраль внутренних данных ( МДВН ) и магистраль внутреннего управления ( МУВН ).

Внешние связи образованы: однонаправленной МА, двунаправленной МД и МУ ( включающей сигналы запроса на прерывание МП по МУПр).

Основные блоки МП: арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок управления ВВ/ВЫВ с внутренними буферными регистрами для хранения вводимых/выводимых данных (БУВ\В), блок прерываний МП, (БПр), бок управления и синхронизации (БМУС).

С АЛУ связан РП - регистр признаков (флагов), число триггеров в котором может меняться в зависимости от типа МП. Вот типичный набор, близкий к минимальному (четыре разряда): “Переполнение”, “Знак”, “Перенос”, “Нулевой результат”,

Для управления, кроме сигналов БМУС, используются также сигналы РС - регистра кода состояния МП.

В МП может быть один или несколько РР - регистров результата (накапливающих регистров или аккумуляторов). БРОН - блок регистров общего назначения. или регистров СОЗУ, расширяет возможности МП по внутренней манипуляции данными и управляющей информацией.

СчК - счетчик команд, РК - регистр команд, БИР - блок индексных регистров - основа организации последовательного программного управления, переходов в пограмме, индексирования. Индексация может выполняться в АЛУ. Автоинкрементная (+1) и автодекрементная (-1) индексация может выполняться при пересылке значения индекса из ИР в АЛУ и обратно, что экономит время при индексации команд.

Для работы с под программами может быть организован стек. Он может быть расположн в ОЗУ, тогда для работы с ним достаточно иметь регистр-указатель стека.

В качестве такого указателя стека, а также СчК, ИР могут быть использованы РОН.

Это обстоятельство позволяет гибко (программным способом) использовать регистровые ресурсы МП, а также уменьшать общее число элементов (связей) в МП за счет исключения таких специализированных ресурсов МП, как регистр-указатель стека, БИР, СчК.

С другой стороны, для ускорения обработки прерываний и перехода к подпрограммам, стек может быь организован в специальных регистрах внутри МП. Глубина стека в этом случае сильно ограничена.