Лекция 14. АРХИТЕКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Использование двухпроводной логики (например, активный низкий 1). Любое устремление выполнить контроль аппаратно приводит к дополнительному оборудованию, но часто это оправдано. Наиболее ярким примером такого подхода считается резервирование.

Аппаратное обнаружение.

Учет особенностей операндов — анализируется специфика задачи и возможный результат (близкий к нулю или переполнение) и если возникает признак, значит выносится решение о неисправности.

Сумма по модулю 2 — поскольку сумма по модулю 2 обнаруживает только нечетные ошибки, разработаны методы суммы по модулю Р (где Р>2), которые позволяют обеспечить большую разрешающую способность, но объем оборудования пропорционален степени Р. Учитывая, что контроль — задача вспомогательная, оборудование схем контроля не должно быть значительным.

Контроль выполнения логических операций — сумма по модулю. При формировании управляющего сигнала применяют преобразования с целью сравнения истинного результата и контрольного. Число схем совпадений (сумма по модулю) может быть больше в каждой линии выхода (2 или 3). Часто прямое преобразование требует значительных затрат, тогда променяют обратные преобразования с целью восстановления входного сигнала из выходного. Иногда вместо дублирования схемы прямого преобразования формируется специальная свертка (контрольный разряд). Сравнение результата и выхода с генератора также по комбинационной схеме. Учет особенностей результата — появление 1 или 0 в конкретных разряда. Этот метод искусственный, он не формализуется, поэтому решение о его принятии вносит разработчик. Любые схемы контроля встраиваемые в процессор, увеличивают аппаратную сложность и стоимость, уменьшают надежность работы устройства.

Контроль арифметических операций проводят по тем же методам, что и логических. При контроле последовательностных схем используют специальные аппаратные средства — сигнатурные анализатора. Сигнатурные анализаторы построены на сравнении результата — комбинации 1 и 0 со сверткой — сигнатурой. В каждом разряде запоминается последовательность 1 и 0 за конкретный интервал времени. Реализация записывается в кольцевой сдвиговый регистр. Циклически сдвигая содержимое регистра объединяют определенные разряды по модулю 2. В результате на выходах схем объединения формируется свертка — сигнатура. Если она совпадает с контрольной, ошибки нет, в противном случае ошибка. Сигнатурные анализаторы встраиваются в рабочие схемы и по результату сравнения: контрольная сигнатура — рабочая, выносится решение об ошибке. Диагностика проводится программно или аппаратно. Аппаратная диагностика — все основные узлы охвачены схемами контроля. И если какая-либо из схем контроля дает ошибку по ее номеру (выходу) выносится решение о неисправности этого узла. Т.е. диагностика это не только обнаружение ошибки, но и определение неисправного узла в блоке. Программные методы диагностики основаны на контроле с помощью отдельных диагностических программ определенных узлов блоков. Любая диагностическая программа выявляет наличие ошибки. Программа отвечает на вопрос: появится ли ошибка при работе этой программы. Если ошибка появилась узел (блок) неисправен. Если ошибка не появилась — программа не выявила ошибки. Среди программных методов диагностики наиболее известным подходом является циклическое выполнение операции (например, записи 1 или 0 в соседние ячейки памяти). При этом полярность сигнала постоянно изменяется. «Шахматный тест» памяти предусматривает «шахматное поле» куда периодически записываются 0 и 1, далее сдвиг информации на одну ячейку и так несколько раз. Любая диагностическая программа прокручивается не один раз в устройстве и решение выносится по результату всех испытаний.

Лекция 13. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ, ТИПЫ

13.1.Классификация систем

Понятие вычислительная машина обычно применяют к вычислительному устройству, имеющему небольшие габариты и единую конструкцию. Обычно это устройство включает минимально необходимые функциональные узлы. Система относится к более сложным устройствам и объединяет функциональные блоки территориально разнесенные, чаще однотипные. В составе системы может быть несколько функциональных однотипных блоков. Понятие комплекс выше системы, его применяют к устройствам занимающим определенное пространство, т.е. разнесенные, имеющие каналы связи и разнотипные повторяющиеся функциональные блоки. Поскольку между комплексом и системой граница размыта, обычно их разделяют по конструктивному признаку. Комплекс — это множество самостоятельных конструктивно устройств. Сети — территориально разнесенные вычислительные устройства, использующие стандартные способы связи между собой. Обычно система — вычислительная, сегодня информационно-вычислительная система (ИВС). Как правило информационно-вычислительная система или информационно-вычислительный комплекс имеют прикладное назначение. Те или иные конфигурации предназначены для сбора и обработки информации, управления, диагностирования, автоматизированных рабочих мест. В этих приложениях непосредственно вычислительные процедуры занимают не основную роль. Основным становится передача, хранение информации. В зависимости от состава системы изменяется конфигурация, динамические характеристики, надежность устройств. В процессе эволюции системы прошли длинный путь, поэтому появились различные конфигурации вычислительных систем.

Наиболее традиционно системы делят на два типа по режиму использования: однопрограммные и мультипрограммные. Первые, как бы последовательные и начав обработку одной программы, последовательно выполняют ее до завершения, даже если процедура предусматривает ввод-вывод (простой процессора) программа не прерывается. На этом подходе построены большинство небольших вычислителей, разнообразием в которых является введение режима пакетной обработки: сразу после выполнения i-й задачи, программа без участия оператора переходит к следующей задаче. Режим пакетной обработки вводится для повышения производительности. Мультипрограммная система также может работать в режиме пакетной обработки и как система коллективного пользования. Во втором случае система может решать как бы одновременно несколько задач для нескольких абонентов. Мультипрограммный режим ориентирован на полную загрузку процессора вычислительными процедурами, во время работы с внешними устройствами процессор занят решением другой задачи. На конфигурацию режим работы влияния не оказывает. Основное — программное обеспечение.

Второй подход — по количеству процессоров: одномашинные (типовая структура, причем сопроцессор объединяется с основным) и многопроцессорные (многомашинные). Отличие в том, что многопроцессорные системы могут иметь единый конструктив, многомашинные — различные конструктивы, каждая машина свой конструктив. Многопроцессорные комплексы могут работать в режиме реального времени или в обычном пользовательском режиме. Режим реального времени предусматривает выполнение законченных процедур до обновления информации. Например, с внешнего устройства вводится массив, он обрабатывается за Dt, выносится решение и только после этого времени поступает новый массив. Такие системы необходимы в информационно-вычислительных комплексах, в АСУТП, в устройствах слежения и управления.

По территориальному расположению системы подразделяют на: сосредоточенные конструктивно в одном месте, с телеобработкой (вычислители разнесены на небольшое расстояние), сети ЭВМ. Принципиальным различием телеобработкой и сетями является то, что обмен информации в сетях происходит по последовательному принципу.

Помимо этой классификации существует деление многопроцессорных вычислительных устройств по принципам передачи информации. Поскольку многопроцессорные системы ориентированы на модульный принцип построения, их ресурсы могут увеличиваться за счет наращивания функциональных блоков.

Типовая структура ЭВМ имеет представление: 1 поток команд, 1 поток данных. Однородная матричная система имеет структуру: 1 поток команд, множественный поток данных. Такие структуры обрабатывают большие данные (матричные процессоры). Если применить несколько программ для обработки массивов данных, получаем структуру: множественный поток команд, множественный поток данных. Как поток данных, так и потоки команд функционируют по конкретным шинам, поэтому аппаратно эти структуры требуют значительных затрат процессоров, так и каналов связи процессор-память. Одно из перспективных направлений мультипроцессорных систем — потоковые машины. Рассмотренная классификация не затрагивает многих вопросов, например способов управления (микрокоманды, команды, макрокоманды, теги), способов разделения памяти, обращения к ней, протоколов связи, интерфейсов и т.д.

13.2.Одно- и многопрограммный режим работы вычислительного устройства

Функционирование вычислителя можно представить различными временными отрезками, основными из которых являются счет и ввод-вывод. После загрузки вычислителя процессор переводится в режим счета, а закончив его в режим ввода-вывода. Вместе с тем в процессе работы необходимо ввести информацию и по истечению процедуры ввода процессор вновь переводится в режим счета. Однопрограммный режим работы предусматривает последовательное выполнение каждого состояния, поэтому процессор в режиме ввода-вывода простаивает, ожидая окончания процедуры. Для индивидуального пользователя такой режим нормальный. Вместе с тем производительность системы в целом (число операций деленное на время) невысока. Оценка работы машины по этому параметру мала. Режим работы применяют в несложных вычислителях (микроЭВМ). Для повышения эффективности используют мультипрограммный режим работы. Целью является снижение времени, когда простаивает процессор. В этом режиме система одновременно может выполнять операции ввода-вывода, т.е. на временной диаграмме это можно представить следующим образом.

При мультипрограммном режиме после выполнения счета первой задачи процессор настраивается на счет второй задачи. Ресурсы и информация первой поступают на ввод-вывод. Каждый счет выполняется процессором в свободное окно. Такая загрузка процессора более равномерна и с ростом числа задач возрастает. Это стремление, казалось бы, должно привести к использованию сразу множества заданий при счете. Однако число одновременно существующих заданий технически ограничено. Коэффициент мультипрограммирования —число задач одновременно стоящих на счет. Время пребывания задачи U на счете и производительность l определяется примерно кривой. На практике оптимальное число 3-7. Особенность режима мультипрограммирования — в необходимости дополнительных программных средств обеспечивающих распределение ресурсов, загрузку программ и анализ занятости процессора, устройств ввода-вывода. Поскольку в памяти одновременно загружены несколько программ возникает задача определения приоритетов — какую задачу поставить на счет.

Режим мультипрограммирования применяют не только для нескольких задач, но и для одной большой задачи, если возможно выполнение ее по частям, т.е. несколько подпрограмм одной задачи могут выполняться параллельно. Особенностью мультипрограммных режимов считается то, что задание разбивается на составляющие части — пункты или шаги задания. Каждый пункт задания может в результате работы вызывать другую программу. В этом режиме могут создаваться подзадачи, т.е. в целом режим мультипрограммирования предусматривает деление задания на составляющие, с которыми процессор работает как с самостоятельными задачами. Память разбивается на системную область где храниться ядро операционной системы и основные программы и динамическую область в которой располагаются сведения о всех заданиях. Приоритет — в сторону увеличения адресов, т.е. программа находящаяся в динамической памяти с большим адресом имеет больший приоритет.

13.3.Использование пакетного режима

Использование пакетного режима — одна из форм организации вычислений, суть которой в том, что в память ЭВМ загружаются несколько заданий сразу, но выполняется каждое задание последовательно (однопрограммный режим). Выигрыш в том, что сразу после счета первой задачи начинается выполнение второй. Такие процедуры как загрузка второго задания, распределение памяти уже не выполняются. После того как первое задание закончено, по стеку задачи опускаются, и на свободное место ставится новая задача и так последовательно. Цель пакетного режима та же, повысить производительность системы за счет более полной загрузки процессора. Структуру такого режима можно представить в следующем виде.

С учетом мультипрограммного режима в пакетном режиме число одновременно находящихся в памяти задач также конечно. Рост числа задач требует увеличения памяти, поэтому с учетом стоимостных характеристик величина Мопт снижается до 4-5 задач. При рассмотрении обоих режимов следует учитывать, что выполнение процессором второго задания после первого требует небольшого времени на перезагрузку управляющих программ.

Режим реального времени применяют в вычислительных системах, работающих с физическими сигналами — информационно-контролирующими, управляющими, обрабатывающими программами. Понятие это условно, поскольку время изменяется. Условие реального времени tобр.<tпер.след.вх.сигн. В этом режиме в первую очередь требуется быстрое измерение сигнала и занесение его в память, поэтому время начала работы процессора определяется временем поступления входного сигнала. Программа запускается по какому-то внешнему событию (чаще прерыванию). Использование современных алгоритмов требует корреляционной обработки, быстрого преобразования Фурье, соответственно объем памяти должен позволять хранить соответствующие выборки. Помимо процедур обработки вычислительная система должна обеспечивать процедуры преобразования сигналов в цифру и наоборот (АЦП, ЦАП).