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. МУЛЬТИМИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ

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.