Антошина И.В., Котов Ю.Т. Микропроцессоры и микропроцессорные системы (аналитический обзор)

Подождите немного. Документ загружается.

181

граммируемых регулирующих микроконтроллеров особое ме-

сто занимают однокристальные микроконтроллеры, выпускаемые

серийно. По степени универсальности использования их подраз-

деляют на специализированные, работающие по жесткой про-

грамме, и широкого применения, программа действия которых за-

носится во внешнее запоминающее устройство и может изменять-

ся самим пользователем или по картам-заказам, составленным

пользователем .

Примерами однокристальных

перепрограммируемых микро-

контроллеров являются контроллеры серии К145. Это цифровые

структуры последовательного действия, использующие принцип

многоуровневого программирования. Однокристальные микро-

контроллеры адаптируются к внешним устройствам как по форма-

ту управляющих команд, так и по временным характеристикам.

Для реализации множества задач управления в таких контроллерах

используется специальная система команд, обеспечивающая

управление внешними устройствами

и выполнение программы.

Список команд позволяет организовать как разомкнутую систему

управления объектами по жесткой программе, так и замкнутую с

большой сетью внутри программных ветвлений в соответствии с

условиями, задаваемыми по времени и состоянию датчиков.

На втором уровне иерархии находятся серийные микроЭВМ,

которые обеспечивают управление группой функционально свя-

занных объектов. На этом

уровне, соответствующем локальному

управлению, применяют серийные микроЭВМ многофункцио-

нального назначения.

Третий уровень включает управляющие устройства, реализо-

ванные на базе мини-ЭВМ, которые координируют работу группы

локальных систем.

На четвертом уровне располагается центральная управляю-

щая ЭВМ, которая является высшим координирующим органом в

данной структуре.

8.5. Однопроцессорная МПС типа «Общая шина»

Однопроцессорная

МПС содержит в своем составе один

микропроцессор, один или несколько модулей памяти, систему

182

связи с объектами управления или измерительными объектами,

состоящую из устройств ввода-вывода, которые в общем виде но-

сят название контроллеров ввода - вывода (КВВ), внешних уст-

ройств, в качестве которых используются датчики и исполнитель-

ные механизмы, и систему ввода - вывода, в которую входят УВВ

и ВУ. Перечисленные компоненты МПС, типовая структурная

схема

которой представлена на рис.34, связаны с системной ма-

гистралью посредством соответствующих интерфейсов. В свою

очередь магистраль состоит из шины адресов, шины данных и

управляющей шины.

Такая система на практике получила название «общая ши-

на».

В большинстве случаев МПС используют магистрально -

модульный принцип построения. Суть этого принципа заключа-

ется в том,

что отдельные блоки являются функционально закон-

ченными модулями со своими встроенными схемами управления,

выполненными в виде одного или нескольких кристаллов БИС или

СБИС.

Рис. 34

Межмодульные связи и обмен информацией между моду-

лями осуществляются посредством шин (магистралей), к которым

183

имеют доступ все основные модули системы. В МПС в каждый

данный момент времени возможен обмен информацией только

между двумя модулями системы.

Ситуация, при которой три или более модуля требуют од-

новременного доступа к одной магистрали, является недопусти-

мой, так как она приводит к появлению конфликта. Поэтому обмен

информацией в магистрально-модульных

системах производится,

как правило, путем разделения (арбитража) во времени управле-

ния модулями системы магистралей.

Особенностью магистрально-модульного принципа по-

строения МПС является необходимость информационно - логиче-

ской совместимости модулей. При выполнении этого принципа

достигается оптимальная межмодульная передача информации. Он

реализуется путем использования единых способов представления

информации, алгоритмов управления обменом, форматов команд

управления обменом и способов синхронизации, то есть выполне-

ния определенных электрических и конструктивных требований

при построении интерфейсов.

При построении МПС наибольшее применение получила

трехшинная структура, содержащая шину адреса ША, двунаправ-

ленную шину данных ШД и шину управления ШУ. Как видно из

рис.34, МПС предполагает наличие общего сопряжения (общего

или единого интерфейса

) для модулей памяти — постоянных и

оперативных запоминающих устройств (ПЗУ и ОЗУ) и перифе-

рийных устройств — внешних запоминающих устройств (ВЗУ) и

УВВ.

Модуль памяти ОП (или основная память) МПС содержит

постоянное запоминающее устройство ПЗУ и оперативное запо-

минающее устройство ОЗУ. В большинстве системах ОП физиче-

ски реализуется в виде многоуровневой иерархической системы

Верхние уровни памяти строятся на основе полупроводниковых

ПЗУ и ОЗУ, а нижние - на основе магнитных ВЗУ.

Основная память является одним из важнейших компонентов

любой МПС и предназначена для хранения программ и данных,

используемых или генерируемых выполняющимися программами.

Главная характеристика основной памяти - объем или емкость. В

184

МПС используются две единицы измерения емкости основной

памяти - байт и слово.

Байт - это последовательность из 8 бит, рассматриваемая

как один элемент данных или памяти. Биты в байте нумеруются от

0 до 7 в порядке справа налево, причем бит 0 считает младшим, а

бит 7 - старшим в байте (рис.35, а).

Каждый байт памяти имеет свой адрес.

Так, например, в МП

с 16 - разрядной ША адреса байтов могут иметь значения в диа-

пазоне целых чисел от 0 до 2

- 1 (до 65535). Следовательно, об-

щее число всех адресов - адресное пространство ОП, составляет

= 65 536 = 64К. Эта величина, указываемая в технических ха-

рактеристиках, называется размером адресного пространства, вы-

раженным числом адресов байт. Иногда ее называют также емко-

стью ОП.

Рис. 35

Другая, более крупная единица измерения емкости ОП -

слово, которое состоит из двух байт и рассматривается как один

элемент. Из двух байт, составляющих слово (рис.35, б), младший

имеет четный адрес, а старший (на единицу больший) - нечетный

адрес. Адресом слова считается адрес младшего байта, входящего

в слово. Следовательно, слово всегда имеет

четный адрес.

Принцип четной адресации слов в МПС должен строго со-

блюдаться программистом, так как при его нарушении многие ко-

манды будут выполняться с ошибкой.

Чтобы дать более полное представление о МПС, помимо

высокой производительности необходимо назвать и другие отли-

чительные особенности. Прежде всего это необычные архитектур-

185

ные решения, направленные на повышение производительности

(работа с векторными операциями, организация быстрого обмена

сообщениями между процессорами или организация глобальной

памяти в многопроцессорных системах и др.).

Понятие архитектуры высокопроизводительной системы

является достаточно широким, поскольку под архитектурой можно

понимать и способ параллельной обработки данных, используе-

мый в системе, и организацию памяти, и

топологию связи между

процессорами, и способ исполнения системой арифметических

операций. Эти вопросы освещаются ниже.

8.6. Архитектуры с параллельной обработкой данных

В 1966 году М.Флинном был предложен подход к класси-

фикации архитектур вычислительных систем. В основу было по-

ложено понятие потока, под которым понимается последователь-

ность элементов, команд или данных,

обрабатываемая процессо-

ром. Соответствующая система классификации основана на рас-

смотрении числа потоков инструкций и потоков данных. Она со-

держит четыре архитектурных класса:

SISD = Single Instruction Single Data,

MISD = Multiple Instruction Single Data ,

SIMD = Single Instruction Multiple Data,

MIMD = Multiple Instruction Multiple Data.

SISD - одиночный поток команд и одиночный поток дан-

ных. К этому классу относятся последовательные МПС, которые

имеют один центральный процессор, способный обрабатывать

только один поток последовательно исполняемых инструкций

(рис

. 36). В настоящее время практически все высокопроизводи-

тельные системы имеют более одного центрального процессора,

однако, каждый из них выполняют несвязанные потоки инструк-

ций, что делает такие системы комплексами SIMD-систем, дей-

ствующих на разных пространствах данных.

186

Рис. 36

Для увеличения скорости обработки команд и скорости вы-

полнения арифметических операций может применяться конвей-

ерная обработка. В случае векторных систем векторный поток

данных следует рассматривать как поток из одиночных неделимых

векторов. Примерами компьютеров с архитектурой SISD являются

большинство рабочих станций Compaq, Hewlett-Packard и Sun

Microsystems.

MISD - множественный поток команд и одиночный поток

данных. Теоретически

в этом типе МПС множество инструкций

должно выполняться над единственным потоком данных (рис.37).

Рис. 37

Определение подразумевает наличие в архитектуре многих

процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Одна-

ко развитие эта архитектура МПС до сих пор не получила.

По ряду признаков к этому классу можно отнести конвей-

ерные МПС, однако это не нашло окончательного признания на

практике.

187

SIMD - одиночный поток команд и множественный по-

ток данных (рис.38). Эти системы обычно имеют большое количе-

ство процессоров (от 1024 до 16384), которые могут выполнять

одну и ту же инструкцию относительно разных данных в жесткой

конфигурации. Единственная инструкция параллельно выполняет-

ся над многими элементами данных.

Рис. 38

Примерами SIMD машин являются системы CPP DAP,

Gamma II и Quadrics Apemille. Другим подклассом SIMD-систем

являются векторные МПС. Они манипулируют массивами сход-

ных данных подобно тому, как скалярные системы обрабатывают

отдельные элементы таких массивов. Это делается за счет исполь-

зования специально сконструированных векторных центральных

процессоров. Когда данные обрабатываются посредством вектор-

ных модулей, результаты могут быть

выданы на один, два или три

такта частоты генератора (такт частоты генератора является ос-

новным временным параметром системы).

При работе в векторном режиме векторные процессоры об-

рабатывают данные практически параллельно, что делает их в не-

сколько раз более быстрыми, чем при работе в скалярном режиме.

Примерами систем подобного типа является,

например, Hitachi

S3600.

MIMD - множественный поток команд и множественный

поток данных (рис. 39). Эти системы параллельно выполняют не-

сколько потоков инструкций над различными потоками данных. В

отличие от многопроцессорных SISD-систем, упомянутых выше,

188

команды и данные связаны, потому что они представляют раз-

личные части одной и той же выполняемой задачи. Например,

MIMD-системы могут параллельно выполнять множество подза-

дач, с целью сокращения времени выполнения основной задачи.

Рис. 39

Наличие большого разнообразия попадающих в данный

класс систем, делает классификацию Флинна не полностью адек-

ватной. Действительно и четырехпроцессорный SX-5 компании

NEC и тысячепроцессорный Cray T3E оба попадают в этот класс.

Это заставляет использовать другой подход к классификации, ина-

че описывающий классы МПС. Основная идея такого подхода мо-

жет состоять, например, в следующем

. Считаем, что множествен-

ный поток команд может быть обработан двумя способами: либо

одним конвейерным устройством обработки, работающем в режи-

ме разделения времени для отдельных потоков, либо каждый по-

ток обрабатывается своим собственным устройством. Первая воз-

можность используется в MIMD-системах, которые обычно назы-

вают конвейерными или векторными, вторая – в параллельных

системах.

В основе векторных МПС лежит концепция конвейериза-

ции, т.е. явного сегментирования арифметического устройства на

отдельные части, каждая из которых выполняет свою подзадачу

для пары операндов. В основе параллельной системы лежит идея

использования для решения одной задачи нескольких процессо-

189

ров, работающих сообща, причем процессоры могут быть как

скалярными, так и векторными.

8.6.1. SMP архитектура

SMP архитектура (symmetric multiprocessing) - симметрич-

ная многопроцессорная архитектура (рис.40). Главной особенно-

стью систем с архитектурой SMP является наличие общей физиче-

ской памяти, разделяемой всеми процессорами.

Память является способом передачи сообщений между

процессорами, при этом все вычислительные устройства при об-

ращении к ней имеют равные права и одну и ту же адресацию для

всех ячеек памяти. Поэтому SMP архитектура называется симмет-

ричной. Последнее обстоятельство позволяет очень эффективно

обмениваться данными с другими вычислительными устройства-

ми.

SMP-система строится на основе высокоскоростной сис-

темной шины (SGI PowerPath, Sun Gigaplane, DEC TurboLaser), к

слотам которой подключаются функциональные блоки трех типов:

процессоры (

ЦП), операционная система (ОП) и подсистема вво-

да/вывода (I/O). Для подсоединения к модулям I/O используются

уже более медленные шины (PCI, VME64).

Рис. 40

Наиболее известными SMP-системами являются SMP-

cервера и рабочие станции на базе процессоров Intel (IBM, HP,

Compaq, Dell, ALR, Unisys, DG, Fujitsu и др.) Вся система работает

под управлением единой ОС (обычно UNIX-подобной, но для

Intel-платформ поддерживается Windows NT). ОС автоматически

190

(в процессе работы) распределяет процессы по процессорам, но

иногда возможна и явная привязка.

Основные преимущества SMP-систем:

- простота и универсальность для программирования. Ар-

хитектура SMP не накладывает ограничений на модель програм-

мирования, используемую при создании приложения: обычно ис-

пользуется модель параллельных ветвей, когда все процессоры ра-

ботают абсолютно независимо друг от

друга - однако, можно реа-

лизовать и модели, использующие межпроцессорный обмен. Ис-

пользование общей памяти увеличивает скорость такого обмена,

пользователь также имеет доступ сразу ко всему объему памяти.

Для SMP-систем существуют сравнительно эффективные средства

автоматического распараллеливания.

- легкость в эксплуатации. Как правило, SMP-системы ис-

пользуют систему охлаждения, основанную на воздушном конди-

ционировании, что

облегчает их техническое обслуживание.

- относительно невысокая цена.

К недостаткам архитектуры можно отнести:

- системы с общей памятью, построенные на системной

шине, плохо масштабируемы

Этот важный недостаток SMP-системы не позволяет счи-

тать их по-настоящему перспективными. Причины плохой мас-

штабируемости состоят в том, что в данный момент шина способ-

на

обрабатывать только одну транзакцию, вследствие чего возни-

кают проблемы разрешения конфликтов при одновременном об-

ращении нескольких процессоров к одним и тем же областям об-

щей физической памяти. Вычислительные элементы начинают

друг другу мешать. Когда произойдет такой конфликт, зависит от

скорости связи и от количества вычислительных элементов. В на-

стоящее время

конфликты могут происходить при наличии 8-24-х

процессоров. Кроме того, системная шина имеет ограниченную

(хоть и высокую) пропускную способность и ограниченное число

слотов. Все это с очевидностью препятствует увеличению произ-

водительности при увеличении числа процессоров и числа под-

ключаемых пользователей.