Реферат: Методические указания по микропроцессорным системам

Рис. 4.6. Структура МПС NCR/32.

ЦПУ имеет две независимые мультиплексированные шины: 32-разрядную шину процессор-память, служащую для интерфейса основной памяти, портов ввода-вывода и других устройств, обеспечивающих работу системы, и 16-разрядную шину устройства хранения команд, которая осуществляет интерфейс с ППЗУ микропрограмм. Диапазон адресации составляет 16Мбайт прямо адресуемой реальной памяти и 128Кбайт прямо адресуемой памяти микрокоманд. Скорость пересылки данных по шине процессор-память превышает 50Мбайт/с. Доступном к шине управляет устройство арбитража приоритетов.

Устройство преобразования адресов выполняет функции управления при работе с реальной и виртуальной памятью, ведения учета астрономического времени, а также обнаружения и коррекции ошибок в системной памяти. Диапазон адресации виртуальной памяти составляет 4Гбайта. Устройство расширенной арифметики располагает полным набором арифметических операций ЭВМ класса IBM.

МПС ARM фирмы Accorn (Англия) предназначена для решения задач искусственного интеллекта и работы с языками высокого уровня и обладает наиболее характерными признаками компьютеров с сокращенным набором команд: небольшой аппаратно-реализованный набор команд; конвейеризация в архитектуре процессора; небольшие размеры СБИС; высокая пропускная способность памяти. МПС ARM (рис. 4.7) имеет 26-разрядную адресную шину и отдельную 32-разрядную шину данных с пропускной способностью памяти 18 Мбайт/c (при использовании пакетного режима скорость пересылки данных увеличивается на 30 %). Диапазон адресации составляет 64 Мбайт.

Рис. 4.7. Структура МПС ARM

Пересылками данных управляет ряд отдельных блоков, а не ПЗУ микропрограмм; дешифратор команд – программируемая логическая матрица. Благодаря широкому использованию конвейерных принципов обработки и налично группового сдвигателя производительность МПС достигает 3 млн. оп/с. Набор команд – это основные 44 команды пяти типов: “регистр-регистр”, арифметика и логика, загрузки и записи в память содержимого одиночного регистра и множества регистров, переходов.

МПС на основе МП μРD7281 NEC. ЦПУ данной МПС представляет собой конвейерный МП для обработки цифровых сигналов, специально предназначенный для этого вида обработки (восстановление, заполнение, сжатие, распознавание образов), а также для реализации быстрых преобразований Фурье и числовой обработки.

Этот МП является СБИС, в которой впервые воплощена потоковая архитектура. За счет применения ленточного принципа управления прохождением потоков и конвейерной архитектуры в МП достигается скорость обработки 5 млн. оп/с и при последовательном соединении нескольких МП производительность МПС возрастает почти линейно. Внутренний круговой конвейер состоит (рис. 4.8) из таблицы связей, функциональной таблицы, памяти данных, очередей и процессорного устройства.

Рис. 4.8. Структурная схема процессора μРD728

Метки, поступающие через контроллер ввода, передаются в таблицу связей и обрабатываются необходимое число раз в конвейере.

МПС “Канальная Лисп-машина (CLM )” фирмы “Texas Instrument”, являясь одним из первых 32-разрядных процессоров языков высокого уровня (Лисп), реализованных в виде одного кристалла, предназначена для решения задач искусственного интеллекта и баз данных. Как показано на рис. 4.9, CLM имеет традиционную фон-неймановскую структуру. Для обработки битовых полей предусмотрены сдвигатель и маскировщик, позволяющие осуществить циклические сдвиги на количество позиций до тридцати двух.

Рис. 4.9. Структурная схема машины CLM.

Около половины кристалла занимает встроенное ЗУПВ объемом более 114 Кбит. Микропрограммная память CLM имеет 16К 64-битовых слов,  поэтому вместе с устройством отображения память размещена вне кристалла процессора.

На основе микропроцессора CLM могут быть построены системы обработки символов, которые могут быть использованы в качестве встроенных экспертных систем, таких, например, как интеллектуальные системы, принимающие решения при интерпретации изменяемых данных и диагностике своих собственных неисправностей.

Семейство 32-разрядных микропроцессорных устройств Аm29300, изготавливаемые фирмой Advanced Micro Devices, позволяет строить МПС с высоким уровнем архитектурной гибкости (МПС с архитектурой КСНК, МПС с микропрограммным управлением, матричные и графические процессоры и процессоры ЦОС). Комплект Аm29300 включает (рис. 4.10) следующие устройства: параллельный умножитель, контроллер операций, секвенсор команд, АЛУ, четырехпортовый регистровый файл.

Рис. 4.10. Структурная схема ЦПУ на основе МП Аm29300.

Основным преимуществом МП Аm29300 являются: применение “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.

5.1. 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.

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).

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).

Необходимо отметить, что повышение производительности ММПС, которое может быть достигнуто за счет параллельной обработки, зависит от доли вычислений, которые могут выполняться параллельно. На рис. 5.3 иллюстрируется повышение производительности, которое может быть достигнуто при использовании различного количества процессоров, работающих параллельно, по сравнению с долей Р вычислений, которые могут выполняться параллельно.

Рис. 5.3. Зависимость производительности параллельных процессов от доли вычислений Р, выполняемых параллельно

На рис. 5.4 приведено соотношение между возможностями ММПС по выполнению векторной, параллельной и скалярной обработки информации. Увеличение производительности ММПС, которое достигается за счет использования векторной и параллельной обработки, является весьма существенным, поэтому скорость реализации алгоритмов, в которых заложены обе указанные формы параллелизма, возрастает.

Мультимикропроцессорные системы, которые являются параллельными ЭВМ, строятся из большого числа процессоров, располагающих собственной памятью, и используют широкий спектр связей между процессорами для обмена. Топологии этих МПС могут быть организованы в соответствии со следующими схемами:

-        древовидные сети;

-        шины;

-        конвейеры;

-        процессоры БПФ;

-        сети перекрестного обмена;

-        гиперкубы;

-        сетки (решетки) с одним, двумя, тремя  или большим числом измерений;

-        кольца;

-        цилиндры;

-        тороиды;

-        пирамидальные сети.

Рис. 5.4. Взаимосвязь между векторной, параллельной и скалярной производительностью ММПС

Перечисленные выше структуры сопоставляются по следующим характеристикам: легкость реализации системы на основе существующих устройств, сложность соединительной сети, наличие предпосылок для расширения структуры, сопоставление используемого алгоритма и структуры системы. На рис. 5.5 приведен набор топологических решений для реализации тех или иных алгоритмов.

Древовидные сети подвержены влиянию переменных задержек, которые имеют место при добавлении узлов к поддереву, когда данные у всех узлов одного поддерева должны быть переданы на другое.

Производительность конвейера ограничивается производительностью самого медленного его участка. Кроме этого в конвейере имеют место затраты времени на посылку сообщений из одного каскада в другой.

Для того, чтобы преодолеть ограничения, присущие традиционным сетям связи, разработаны высокопоточные сети. Для параллельной обработки информации предложены три варианта построения высокопоточных сетей: сеть «бабочка»; сеть с перекрестным обменом и гиперкуб.

Рис. 5.5. Виды топологии параллельных ММПС

Сеть «бабочка», разработанная в конце 60-х годов Рабинером и Гоулдом, повышает скорость вычислений при реализации БПФ, которое требует выполнения 4N2 умножений и 4N2 сложений комплексных чисел (на этой сети необходимо повторить алгоритм N/2log2 N раз).

Сеть перекрестного обмена предложена в конце 60-х годов Пизом и Стоуном и представляет собой альтернативный вариант топологии связной сети по отношению к варианту «бабочка» для выполнения БПФ, которое реализуется за log2 N шагов.

Гиперкуб или бинарный N-куб представляет собой теоретическую концепцию, обосновывающую возможность наращивания структуры за пределами трех измерений (см. рис. 5.6).

Рис. 5.6. Топология ММПС “гиперкуб”

N-размерный куб содержит 2N узлов (узловых процессоров). Концепция гиперкуба удобна для описания универсальных матричных ЭВМ, так как многие другие сетевые топологии могут быть отображены на гиперкуб путем отбрасывания некоторых связей.

Сетки (решетки) представляют собой одномерные, двумерные матрицы или матрицы большей размерности. На их основе реализуются систолические или волновые матрицы, в которых каждая ячейка соединена со своими ближайшими «соседями» во всех измерениях.

Цилиндры и тороиды являются разновидностью решеток, в которых число используемых измерений и топология поверхности выбираются таким образом, чтобы они соответствовали реализуемому прикладному алгоритму.

5.2. Основные перспективные проекты высокопроизводительных ММПС

Высокопроизводительные ММПС (или суперЭВМ) были ориентированы, главным образом, на выполнение больших объемов вычислений с плавающей запятой. Для достижения высокой производительности, существенной для данной области приложений, в суперЭВМ использовалась комбинация быстрых схем и усовершенствования в методах организации архитектуры. Эти усовершенствования вывели производительность машины за те пределы, которые можно было обеспечить только за счет быстродействия схем.

ЭВМ IBM 7030, известная под названием STRETCH, была в 100 раз быстрее, чем более старая IBM 704. Для достижения столь смелой цели был введен ряд архитектурных усовершенствований. Отдельное устройство обработки команд позволяло одновременно обрабатывать до шести команд. Чтобы сгладить различие между длительностью такта ЦП и относительно большим временем доступа к основной памяти, было использовано несколько методов, включая опережающую выборку данных и метод «закорачивания» для предотвращения множественного доступа к одной и той же ячейке памяти.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6