Мультимикропроцессорные системы и коллективы вычислителей.

В настоящее время характерен переход в области информационных систем от однопроцессорных управляющих и вычислительных систем к мультимикропроцессорным. Архитектура мультимикропроцессорных систем образуется соединением в одну систему большого числа микропроцессоров. Такой переход обусловлен необходимостью создания высокопроизводительных микропроцессорных систем с быстродействием в сотни миллионов операций в секунду, например в системах распознавания образов или обработки аналоговых сигналов. Особенно недостаточное быстродействие накладывает существенные ограничения при построении приборов для измерения и управления высокодинамичными процессами. Микропроцессоры в мультимикропроцессорных системах могут быть одинаковыми и универсальными, а могут быть специализированными на выполнение определенных функций. Типичным примером такой системы может служить персональный компьютер IBM класса AT и выше, содержащий в своей структуре центральный процессор и математический сопроцессор. В такой системе функции управления ресурсами и оборудованием системы, задаваемых программой работы и выполнения математических операций над числами с плавающей запятой разделены. Реализация первой возлагается на центральный процессор, а второй - на специализированный математический сопроцессор, благодаря чему время выполнения некоторых программ может быть сокращено в несколько раз.

Особенно полезна мультимикропроцессорная организация при построении измерительных устройств с использованием специализированных сигнальных процессоров. В этом случае функции системы разделяются между центральным универсальным процессором или их группой и сигнальным процессором. Центральный процессор может выполнять, например, функции управления портами, обеспечивать индикацию результатов измерения на жидкокристаллическом индикаторе, обеспечивать связь с памятью системы, осуществлять загрузку рабочей программы и т.п. Специализированный сигнальный процессор берет на себя задачу цифровой обработки сигналов и имеет своеобразную архитектуру, позволяющую осуществлять распараллеливание операций по этой обработке. Так, например сигнальные процессоры серии ADSP-21хх фирмы Analog Devises имеют в своей структуре встроенную память данных, разделенную на две области, называемыми буферами. Пока первый буфер накапливает данные, поступающие с внешних устройств ввода, например с аналого-цифрового преобразователя, сигнальный процессор производит параллельно с этим обработку данных, запомненных ранее в другом буфере. Кроме того, сигнальные процессоры имеют набор специализированных команд, позволяющих реализовывать следующие алгоритмы: спектральный анализ, корреляционный анализ, цифровую фильтрацию, статистический анализ, выполнять различные математические операции над сигналами. Все эти особенности сигнальных процессоров, интегрируемых в мультимикропроцессорные системы, позволяют решать сложные задачи контроля, измерения и управления быстропротекающих процессов в реальном масштабе времени. В настоящее время подобные комплексы уже применяются в разных отраслях промышленности как переносные виброанализаторы, в метрологии как измерительные системы, службами безопасности для обнаружения внештатных подключений к телефонным линиям и прослушивающих устройств в исследуемом объеме, в геофизике, при транспортировке спецгрузов, в медицинской диагностике и т.д.

В общем случае при выборе из известных структур мультимикропроцессорных систем - с общим запоминающим устройством, с местным запоминающим устройством, шинной, конвейерной, радиальной, кольцевой, пирамидальной иерархической, с регулярным объединением через коммутаторы, с регулярным объединением через память, с соединением узлов системы по полному графу (когда все узлы связаны между собой) - следует исходить из внутренней структуры классов задач. Это означает, что выбираемая структура мультимикропроцессорной системы должна быть адекватна внутренней структуре решаемой задачи. Например, выбор структуры может определяться: количеством распараллеливаний операций по обработке информации, способами обмена данными между отдельными участками алгоритма, оптимальностью построения потоков данных и потоков команд в возможной программной реализации алгоритма и т.д. Если структура мультимикропроцессорных систем образуется соединением в одну систему большого числа микропроцессоров, запоминающих устройств и устройств ввода-вывода, иначе говоря большого числа ЭВМ, то такая структура будет называться мультимашинной или коллективом вычислителей. Ряд типичных структур мультимикропроцессорных систем приведен на рис.4.3. (окружностями на схеме изображены отдельные микропроцессорные системы): а - шинная; б - конвейерная; в - радиальная; г - кольцевая; д - пирамидальная иерархическая. Каждая микропроцессорная система, входящая в структуру, может управляться как самостоятельной программой обработки, так и общей для всей системы.

Перспективной при построении данного класса систем является универсальная коммутационная структура, которая позволяет программным путем образовывать любые прямые каналы связи между входами и выходами отдельных процессоров, входящих в систему, а также между процессорами и отдельными секторами памяти или устройствами ввода-вывода, обеспечивая возможность реализации любой из приведенных на рис.4.3 структур. Среди других тенденций при построении мультимикропроцессорных систем можно отметить переход от сосредоточенной памяти к распределенной для всей системы, обеспечивающей прямой параллельный доступ для всех процессоров системы.

Рис.4.3. Типы структур мультимикропроцессорных систем.

Кроме высокой производительности мультимикропроцессорная система позволяет обеспечить высокую живучесть и надежность. Такая особенность заключается в возможности взаимозамены отдельных частей системы и их однотипности. Обеспечение живучести достигается созданием мультимикропроцессорных систем, позволяющих заменять вышедшие из строя процессоры или элементы памяти на эквивалентные сохранившиеся, которые в процессе работы менее загружены или не задействованные вовсе.