Лекц.БЦВМиСР1-8(2) (Все лекции по БВМиС в ворде)
Описание файла
Файл "Лекц.БЦВМиСР1-8(2)" внутри архива находится в папке "Все лекции по БВМиС в ворде". Документ из архива "Все лекции по БВМиС в ворде", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "бортовые вычислительные машины и системы (бвмис)" из 11 семестр (3 семестр магистратуры), которые можно найти в файловом архиве МАИ. Не смотря на прямую связь этого архива с МАИ, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "бвмис" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Лекц.БЦВМиСР1-8(2)"
Текст из документа "Лекц.БЦВМиСР1-8(2)"
75
МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ Технический университет)
КУРС ЛЕКЦИЙ
«Бортовые вычислительные машины и системы»
(БВМиС);
Лектор: проф. Белоусов Юрий Алексеевич
2010 г.
Тема 1.
Особенности бортовых вычислительных машин и систем (БВМ и С) по сравнению со стационарными ЭВМ
Особенности БВМ и С по сравнению со стационарными ЭВМ определяются совокупностью двух факторов:
-
Назначением;
-
Условиями применения.
Назначение: Бортовые ВМиС предназначены для решения заданного, фиксированного (ограниченного) набора задач;
Условия применения БВМ и С отличаются от условия применения стационарных ЭВМ:
- жесткими ограничениями по массе, габаритам, потребляемой мощности;
- повышенным уровнем воздействия дестабилизирующих факторов:
-
широкий диапазон температур (-70° ÷ +125°);
-
повышенный уровень влажности;
-
широкий диапазон атмосферного давления;
-
высокий уровень механических воздействий (линейные ускорения, удары, вибрация);
-
радиационные воздействия;
-
нестабильность электропитания (изменения напряжения, скачки, перепады, перерывы);
- высокими требованиями по надежности вычислений;
- наличием специальных терминальных устройств;
- функционированием в реальном масштабе времени.
Совокупность перечисленных факторов определяет существенные различия бортовых ВМ и С от стационарных ЭВМ в следующих вопросах:
-
специальная конструкция (малые габариты, прочность, защита от воздействий дестабилизирующих факторов);
-
использование простых архитектурных решений;
-
использование упрощенного набора команд;
-
ограниченная разрядная сетка;
-
широкое использование форматов с фиксированной запятой;
-
использование постоянного запоминающего устройства для хранения программы;
-
использование надежных специальных интерфейсов.
Все это в совокупности приводит к тому, что разработка БВМ и С – это специальное направление (раздел) вычислительной техники.
Тема №2.
Методика оценки узлов и устройств БВМ и С по критериям сложности (С) и быстродействия (Б).
2.1. Противоречивость критериев С и Б.
Проектирование узлов и устройств бортовых ВМ - это поиск рационального компромисса между критериями сложности и быстродействия.
Требования к увеличению быстродействия, связанные с усложнением и увеличением качества решаемых на борту задач, достигается за счет усложнения аппаратуры, т.е. приводит к росту сложности (С).
С другой стороны ограничения по массе, потребляемой мощности и физическому объему БВМ ужесточаются (на современном истребителе устанавливается более 20- ти БВМ), т.е. требуется минимизировать затраты оборудования, т.е. сокращать сложность аппаратной части БВМ.
Таким образом выбор решения по построению любого устройства и БВМ и С в целом – это поиск компромисса между критериями С и Б.
2.2. Критерий сложности – С (по Квайну).
Сложность устройства определяется суммарным количеством входов логических элементов в составе устройства.
Единица сложности – один вход логического элемента, цена инверсного входа принимается равной 2.
Достоинства критерия оценки сложности по Квайну:
-
является наиболее точным методом, т.к. применяется минимальная единица измерения сложности по сравнению с другими единицами (вентилем, триггером, корпусом и т.д.);
-
позволяет оценивать логические схемы по булевым выражениям;
-
все классические методы минимизации обеспечивают минимум сложности (по Квайну).
Недостаток критерия – трудности расчета сложности для больших устройств – может быть преодолен за счет заранее подготовленных таблиц сложности для более простых узлов.
Пример таблицы сложности триггеров:
Тип триггера | R-S асинх. | R-S тактир | D тактир | Dt тактир с вн. зад. | J-Kt тактир с вн. зад. | T асинхр | Tt тактир с вн. зад. |
Время перекл. tп | 2 | 3 | 3 | 4 | 4 | 3 | 3 |
С | 4 | 8 | 8 | 18 | 20 | 8 | 17 |
2.3. Критерий быстродействия - Б.
Быстродействие - это величина обратная максимальному времени выполнения устройством своих основных функций:
Б = 1 / Tmax
Величина Tmax измеряется в условных единицах времени. Единица измерения Tmax - это задержка сигнала на одном логическом элементе (И, ИЛИ, И-НЕ, …) Задержка сигнала от инверсного входа логического элемента до его выхода принимается равной 2-м условным единицам времени.
Данный критерий обеспечивает высокую точность оценки быстродействия устройств и не зависит от типа используемых логических элементов. Для любой конкретной системы элементов можно легко перейти от условных единиц времени к реальным единицам времени.
2.4. Применение методики на примере построения двух вариантов одноразрядного сумматора.
Одноразрядный сумматор – это узел ВМ, осуществляющий арифметическое сложение трех одноразрядных операндов – ai , bi , ci и формирующий сигналы на выходах Si (сумма) и Сi+1 (перенос в следующий старший разряд) в соответствии со следующей таблицей истинности:
№ набора | ai | bi | ci | Si | Сi+1 |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
2 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
3 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
4 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
5 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
6 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
7 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
2.4.1. Сумматор с раздельным формированием выходов Si и Сi+1 ( ∑1 ).
В соответствии с таблицей истинности формируем совершенные дизъюнктивные нормальные формы булевых функций для выходов Si и Сi+1:
Si = (1, 2, 4, 7), Сi+1 = (3, 5, 6, 7);
Проводим минимизацию этих функций с помощью диаграмм Вейча, принимая ai за старший разряд, а сi за младший:
Функция Si не поддается минимизации:
Функция после минимизации принимает следующий вид:
Предполагаем, что на входе сумматора нет инверсий входных сигналов ( ). Это предположение распространим на другой вариант построения сумматора. Схема сумматора 1 ( ∑1 ) представлена на рис. 2.1.
Оценки ∑1 по критериям С и Б:
С = 31; ts = 3; tп = 2.
Задержка tп считается как время распространения переноса, т.е. от входа до выхода .
Т.о. сумматор 1 характеризуется следующей тройкой цифр ∑1 (31, 3, 2).
2.4.2. Сумматор с зависимым формированием выходов и Si ( ∑2 ).
Идея построения этого варианта сумматора основана на анализе показанной выше таблицы истинности функционирования сумматора. На всех наборах входных переменных, кроме двух крайних (000) и (111), сигнал на выходе Si можно легко сформировать на основе сигнала на выходе :
(т.е. Si это инверсия ) (2.1);
Теперь остаеться только подкорректировать эту формулу (2.1) для наборов 000 и 111 :
-
для набора (000) это можно сделать так:
Скобка обращается в «0» только на одном наборе (000). Т.о. на наборе (000) формула 2.2. «работает» в соответствии с таблицей истинности, но на наборе (111) она формирует сигнал Si =0;
-
для набора (111) формулу (2.2) необходимо дополнить знаком дизъюнкции ( ) с минтермом , который принимает значение «1» только на одном наборе (111). Окончательный вид формулы для Si будет иметь вид:
Для упрощения схемной реализации ∑2 запишем выражение для выхода в следующем виде:
Схемная реализация ∑2 в соответствии с формулами 2.3 и 2.4 представлена на рис.2.2..
Оценки ∑2 по критериям С и Б : С =17; ts = 6; tп = 2.
Здесь, как и в ∑1 величина tп рассчитывается как задержка распространения сигнала от входа до выхода .
Т.о. сумматор 2 характеризуется следующей тройкой цифр: ∑2 (17, 6 , 2)
2.4.3. Сравнение ∑1 и ∑2
Сумматор 1 (∑1) лучше по критерию быстродействия. Сумматор 2 (∑2) лучше по критерию сложности.