Теоретические основы вычислительной техники 7 страница

в) данные на шину данных

г) выдача сигнала синхронизации по шине синхронизации

БКИД – служит для обнаружения сбоев и отказов в аппаратуре процессора; восстановление после сбоя и поиск мест неисправности при отказе.

ПИ – обеспечивает индикацию основных РОНов и базовых точек процессора. Обеспечивает режим ручного управления.

Алгоритм работы процессора

Комментарии

1. Адрес команды хранится в счётчике команд. При определении адреса следующей команды к текущему содержимому счётчика прибавляется длина предыдущей команды.

2. Адрес команды посылается из счётчика команд в РА, а БС выполняет операцию ввода слова через интерфейс.

Введённое слово поступает на РК. Если длина команды >1 слова, то на основании анализа 1-го слова вводится остальная часть команды.

3. Определяется группа команды и её адресность

4. ------------

5. По вычисленным адресам производится ввод операндов из ОЗУ через интерфейс на регистры слов БР

6. Подготавливается последовательность действий АЛУ по выполнению данной команды

7. Операнды подаются в АЛУ. Работой АЛУ управляют сигналы с шага

8. Результат с выхода АЛУ даётся на место операнда приёмника в соответствующий регистр БР

8. Результат выводится из процессора. Интерфейс обеспечивает режим вывода.

III. АЛУ.

В общем случае АЛУ обеспечивает выполнение всех операций арифметико-логической группы.

Структура АЛУ зависит от формы представления данных (операндов), т. е. существуют:

- АЛУ с фиксированной запятой

- АЛУ с плавающей запятой

- десятичные АЛУ (десятичная арифметика) и др.

В универсальных ЭВМ существуют многофункциональные АЛУ.

Ограничимся рассмотрением структуры и принципов работы АЛУ для положительных и отрицательных чисел с плавающей запятой.

РВх – входной регистр

Р1 и Р2 – регистры операндов

СМ – параллельный комбинационный сумматор

РР – регистр результата

СПР – КС формирования признака результата:

=0 – нулевой результат

>0; <0 – формирование знака результата

П – переполнение (поступает в УУ, где формируется код прерывания)

Выполнение операций умножения и деления в АЛУ возможно при реализации соответствующих микропрограмм, которые выполняются последовательностью микроопераций по схеме:

РО – регистр операнда

АКК – аккумулятор

ДШ – дешифратор микрооперации

РР – регистр результата

АЛУ обладает магистральной (подключается к шине входа и шине выхода). Такая структура позволяет обеспечить модульный принцип организации многофункционального АЛУ.

Например, дополним структуру АЛУ блоками, реализующими основные логические операции:

К, Д, М2 – комбинационные схемы, реализующие поразрядные операции конъюнкции, дизъюнкции и mod2 соответственно.

КМР – схема коммутатора результата.

В настоящее время АЛУ могут выполняться в виде одной или нескольких БИС. Возможен секционный принцип построения многоразрядного АЛУ из 2х, 4х, 8-ми разрядных БИС АЛУ, т. е.

При таком построении АЛУ следует предусмотреть организацию цепей межсекционных переносов и заемов.

2.4. Системы ввода-вывода информации.

I. Модульная организация ЭВМ и интерфейсы.

вспомним состав ЭВМ

ПУ:

1. для хранения больших объёмов информации (внешние ЗУ)

2. для ввода-вывода (устройства ввода-вывода)

Современные ЭВМ – модульный принцип организации, т. е. ЭВМ из набора блоков: Процессор, Оперативная Память, Периферийные Устройства и др.

Модуль – законченный функционально и конструктивно элемент.

Преимущества модульной организации:

- гибкость структуры (наращивание или усечение)

- оперативный ремонт (замена блоков)

- надёжность (поблочное резервирование).

Связь модулей (устройств ЭВМ) друг с другом осуществляется с помощью сопряжений называется в вычислительной технике интерфейсом.

Передача информации из периферийного устройства в ядро ЭВМ называется операцией ввода.

Передача информации из ядра ЭВМ в периферийное устройство называется операцией вывода.

Характеристики ввода-вывода влияют на производительность и эффективность ЭВМ.

Интерфейс – совокупность шин, сигналов, элементов схем и алгоритмов, предназначенная для обмена информацией между устройствами.

Шины:

- информационные (передача команд, адресов и данных)

- идентификации типа информации (передаваемой по информационным шинам)

- управляющие (синхронизация, инициирование и завершение передачи).

Характеристики интерфейса:

- информационная шина (количество бит передаваемых параллельно)

- скорость обмена информацией

- максимальное расстояние

- связность:

односвязный И

многосвязный И (обмен по нескольким независимым путям)

II. Способы организации и основные структуры систем ввода-вывода.

Существует два основных способа организации и передачи данных между оперативной памятью и периферийными устройствами:

1. программно-управляемая передача (обмен программным путём)

2. прямой доступ к памяти (обмен при помощи аппаратных средств)

1. Передачей данных управляет процессор, отвлекаясь на время этой операции от решения задачи. Использование процессора неэффективно. Скорость обмена ниже возможностей ЗУ на дисках и бобинах.

2. Автономное от процессора установление связи и передача данных между ОП и ПУ. Устройство управляющее доступом к памяти – контроллер.

Основные структуры систем ввода-вывода.

А) Структура с одним общим интерфейсом (общая шина).

Модули соединены по схеме:

Контроллер – устройство управляющее ПУ.

Функции:

- синхронизация работы ПУ с другими устройствами

- буферизация информации (временное запоминание информации на время обмена)

- преобразование сигналов интерфейса в последовательность сигналов, обеспечивающих работу конкретного ПУ.

Каждому ПУ необходим свой контроллер.

Правила обмена информацией при едином интерфейсе.

1) информация передаётся словами, равными ширине интерфейса

2) в каждый момент обмен только между одной парой устройств – источником и приёмником информации

3) прямой обмен между ПУ и ПУ невозможен

4) конфликт при одновременной необходимости передать между несколькими устройствами решается на основе приоритетов

Более высокий приоритет у устройств с более высоким быстродействием

ЕИ эффективен в малых и микро ЭВМ с коротким словом (1-2 байта), небольшим количеством ПУ, умеренной производительностью.

Например в СМ-4

организация «общей шины»

БУ – блок управления

По второму правилу обмена всегда обменивается лишь пара устройств активное и пассивное.

Процесс обмена.

Активное устройство инициирует обмен:

- захватывает шины интерфейса

- передаёт адрес пассивного устройства и сопровождает его синхроимпульсом

- одновременно передаёт код операции задающей направление обмена

- при выводе передаёт данные

Пассивное устройство:

- распознаёт свой адрес (селектор адреса)

- анализирует код операции и подключает буф. регистр к шинам данных (при вводе) или подключает буф. регистр через усилители к шинам данных (при вводе)

Буф. регистр рассчитан лишь на 1 слово.

По окончании синхроимпульса активное и пассивное устройства отключаются от шин интерфейса. Обмен закончен.

Прямой обмен между ПУ и ПУ невозможен.

Два типа пар:

ПР* и ПУ

ОП и ПУ*

* - активное устройство

Что же делает контроллер?

Он анализирует состояние ПУ по двоичному вектору состояния.

Структура контроллера ПУ

БСЕИ – блок сопряжения с интерфейсом

БСИУ – блок сопряжения с интерфейсом устройств все регистры БРег доступны

БСЕИ содержит:

- селектор адреса устройства (схемы совпадения (СС)), если это адрес одного из регистров БР то СС выдаёт 1.

- дешифратор кода операции обмена

- формирователь синхроимпульсов

В простых контроллерах БУ и АЛУ отсутствуют.

Б. Иерархическая структура построения ЭВМ из модулей.

(в ЭВМ общего назначения (ЕС ЭВМ))

ККВ – программно-управляемый специальный процессор ввода-вывода.

Обменом руководит специальная программа: супервизор ввода-вывода.

плюс – основной процессор разгружен от управления вводом-выводом (благодаря КВВ)

минус – нет однородности в структуре потоков и формах передаваемых данных.

1. и 2. быстродействующие интерфейсы (слово обмен или двойное слово)

3. информация представляется 1 или 2 байтами. Унифицированы.

4. не унифицированы

Процедура обмена.

1. Процессор получив команду ввода-вывода передаёт её в канал (КВВ)

2. КВВ из фиксированной ячейки памяти канала выбирает начальный адрес начальной программы ввода-вывода и выполняет её. Каждая команда программы задаёт параметры одной операции обмена:

- обмена

- начальный адрес СЗУ

- число

3. КВВ выполняя команды инициирует работу ПУ и последовательно читает или записывает слова информации, обращаясь в ПО.

плюс – при большом числе ПУ экономиться оборудование за счёт централизации в КВВ сложных функций по обслуживанию ПУ

минус – процессор не так оперативно реагирует на различные ситуации во внешней среде.

Скорость выдачи данных из ОП –

Скорость выдачи данных из ПУ –

быстродействующие (диски, барабаны)

медленнодействующие (перо, АЦПУ) до

В. Основные типы и структуры КВВ.

В зависимости от соотношения быстродействия ОП и ПУ в КВВ реализуют два режима работы:

монопольный – ПУ монополизируется канал на всё время передачи данных

разделения времени (мультиплексирования) – каждое из ПУ связывается с каждым на короткие сеансы связи. Передача порций по 1 или нескольким

Подробно структуры КВВ в Каган Б. М. «ЭВМ и системы»

Характеристики КВВ ЭВМ ЗВ-1045:

до 2х мультиплексных каналов (40-120 кбайт/сек)

до 5ти селекторных каналов (500-1500 кбайт/сек)

Общая суммарная пропускная способность всех КВВ 5Мбайт/сек

3. Организация систем.

3.1. Принципы построения оптимальных систем.

Любую систему (аппаратную или программную) можно представить в виде системы уравнений, параметры которой описывают ее функционирование (1).

F_optВТ=f₁{x₁, x₂,…, S₁,N,…}

F_{optВнУстр.}=f₂{x₁, x₂,…, S₂,N,…} (1)

……………………………………

F_{opt n}=f_n{ x₁, x₂,…, S_n,N,…}

F_opt – отдельные функции системы. Если речь идет об аппаратно-программном комплексе, то могут рассматриваться, например, функционалы, описывающие характеристики средств вычислительной техники (ВТ), внешних устройств (ВнУстр) и т.д. Структура такого рода системы представлена на рис. 2.

рис.2

Подсистемы 1, 2 и т.д. реализуются таким образом, чтобы число связей между элементами было минимальным, а количество выполняемых функций каждым элементом максимально.

Решение системы уравнений (1), в общем виде, заключается в поиске ее частных производных. В общем случае, число параметров такого рода систем стремится к бесконечности и число частных производных, соответственно, тоже. Например, для средств вычислительной техники параметры могут быть следующего типа: быстродействие (x₁), объем оперативной памяти (x₂), объем постоянного запоминающего устройства (х…),…,характер изготовления ЭВМ (промышленного или бытового типа), потребляемая электроэнергия, параметры надежности, стоимость, и т.д. Естественно, что какие-то из этих параметров носят первостепенный характер, а какие-то – второстепенный. Все зависит от конкретно решаемой задачи.

С этой точки зрения, основной задачей разработчиков и пользователей при построении и использовании оптимальной системы является задача поиска квазиоптимальной системы. То есть необходимо минимизировать число функций (F_i £ P) и параметров (x₁£n) системы уравнений (1), что приведет к практически возможному решению данной системы. При этом необходимо осознавать, что любые вводимые ограничения приводят к тем или иным искажениям конечного результата.

В зависимости от конкретно решаемой задачи можно использовать универсальные или специализированные средства. Универсальные средства, по сравнению со специализированными, уменьшают стоимость системы, позволяют решать более широкий круг задач, облегчают перенастройку, увеличивают время решаемой задачи и т.д. Все вышесказанное в равной мере относится, как к аппаратным, так и программным комплексам. Остановимся более подробно на аппаратных системах.

Они могут быть реализованы следующим образом:

1. С встроенными устройствами.

Пример: сверлильный станок с числовым программным управлением. Его функции ограничены типоразмерами обрабатываемой детали, набором сменного оборудования, качественными и количественными характеристиками обрабатываемого изделия и т.д.

То есть, такая система хороша для специализированных задач, но если задача меняется, то все приходится менять.

2. С внешними устройствами управления.

На рисунке представлена система, которая позволяет осуществлять взаимодействие одной ЭВМ, через интерфейс (И) и внешнее устройство управление, с одним внешним объектом (О). Если в ЭВМ присутствует более одного свободного порта, то число подключаемых объектов может быть увеличено.

Такая система позволяет использовать специализированные и универсальные средства, но ресурсы машины, при этом, полностью не реализуются. Объясняется это тем, что быстродействие ЭВМ, как правило, во много раз превосходит возможности канала ввода/вывода информации (КВВИ), а компьютер в оперативном режиме решает задачи О, то есть неэффективно тратит свои ресурсы.

С точки зрения быстродействия такая система близка к системе 1-го типа.

3. На базе промышленных контроллеров (ПК).

Простейшая система такого типа представлена ниже на рисунке. В ее состав входят ЭВМ, ПК, состоящий из контроллера и магистрали крейта, и внешних устройств (У), подключаемых к посадочным местам магистрали.

рис. 3

В такой системе, по сравнению с предыдущими, увеличивается число абонентов, но уменьшается скорость обмена данными (оперативность принятия решения). Количество внешних устройств, подключаемых к ЭВМ, определяется числом посадочных мест магистрали. Если внешний объект очень сложен и требует большого числа посадочных мест, то на базе системы рис.3 проектируются многомашинные и/или многоконтроллерные системы. При этом, обязательным условием работоспособности системы является обеспечение реального масштаба времени функционирования объекта.

Несмотря на внешнюю простоту структуры рис.3, она является основополагающей для всех ведущих фирм мира, работающих в области автоматизации производства, диагностики, контроля качества продукции и т.п.

Самым «узким» местом систем, связанных с обменом информацией, является канал приемо-передачи информации (рис. 4). Определяется это тем, что ЭВМ может обрабатывать и вырабатывать огромное количество информации. Внешний объект или процесс, в свою очередь, может создавать или поглощать еще больший объем, а канал приемо-передачи сродни водопроводной трубе – диаметр трубы определяет возможное количество передаваемой воды.

ЭВМ Интерфейс О

рис. 4

Необходимо также обратить внимание на то, что при решении задач систем автоматизированного управления производством необходимо реализовывать следующие аппаратные и программные функции:

1. Сбор информации

2. Хранение, обработка, архивирование и предоставление информации и т.д.

3. Управление технологическими процессами

Управление должно осуществляться в реальном масштабе времени, то есть в темпе протекания эксперимента.

Желание создать оптимальную систему привело разработчиков и пользователей к выработке основных принципов построения систем автоматического производства. Некоторые из них приведены ниже:

1. Блочно-модульный принцип.

2. Открытость архитектуры (возможность увеличения количества модулей и функций).

3. Унифицирование и агрегатирование.

4. Наличие самоконтроля на работоспособность.

Первый принцип позволяет осуществлять оперативную замену вышедшего из строя модуля и строить системы по типу игрушечного конструктора: ставится задача, имеется набор стандартных модулей и в заданном пространстве связей и объема осуществляется попытка получения конечного результата при известном входном воздействии (классическая задача «черного ящика»).

Открытость архитектуры – сродни желанию покупателя на рынке: побольше, получше и подешевле. Мы хотим иметь такую систему, чтобы любое изменение ее архитектуры и связей, по желанию пользователя, гарантировало бы ее работоспособность и обеспечивало бы желаемый результат. Реализация этого принципа на практике осуществляется путем ограничений сверху для количества модулей и функций. Например, число модулей не более 24-х или 48-и и т.д. – такое ограничение может быть введено для модулей крейта КАМАК, где в одном крейте число посадочных мест – 24.

Очень важным для практики является третий принцип. В мире существует очень большое количество фирм выпускающих однотипную аппаратуру (программное обеспечение). И если каждая фирма будет пользоваться своими стандартами на их выпуск (что происходило в нашей стране лет 10-15 назад и более), то пользователь не может безболезненно осуществлять замену отдельных элементов одной фирмы на другую. А предпосылок для этого очень много: банкротство фирм, невозможность использования отдельных элементов в конкретных климатических условиях и т.д. Этими причинами обусловлено то, что подавляющее число стран мира старается придерживаться общепринятых мировых стандартов. Рассмотрим несколько примеров. В качестве одной из составляющих для принятия решения о работоспособности турбоагрегата электрической станции используется информация о его вибрационном состоянии. Для сбора первичной информации могут быть использованы датчики (Д) перемещения. Их установка на турбоагрегат – дело трудоемкое и дорогостоящее, поэтому типоразмеры и электрические параметры этих датчиков у различных фирм конкурентов одинаковые. Если вдруг появится какая-то фирма, выпускающая аналогичные датчики с другими характеристиками, то ей понадобиться очень много средств, чтобы убедить владельцев электрических станций оснащать турбоагрегаты именно ее продукцией. Для согласоваия сигналов после датчиков по уровню, виду и качеству с последующей аппаратурой используют вторичные преобразователи (ВП). Их входные и выходные сигналы унифицируют таким образом, чтобы имелась возможность их использования независимо от типа датчика (температурный, давления, перемещения,…) – лишь бы выходной сигнал Д соответствовал входному ВП. И т.д.

Современные системы (и аппаратные и программные) необходимо обеспечивать самоконтролем на работоспособность. Обусловлено это тем, что пользователь очень часто не в состоянии оценить достоверность получаемой информации. Что в свою очередь может привести к непоправимым, а иногда и катастрофическим последствиям. На рис.5 приведен пример структуры с самоконтролем для датчиковой аппаратуры. В качестве сигнала самоконтроля используется постоянная состовляющая (при этом считается, что измеряется чисто переменный сигнал), Если на выходе Д отсутствует постоянная составляющая, то переменная составляющая является шумом и канал не работоспособен.

Система с самоконтролем.

рис. 5

3.2. Реализация технических систем на базе контроллеров

Контроллеры – это устройства, позволяющие увеличить число подключаемых абонентов к ЭВМ и имеющие возможности предварительной обработки данных. Контроллеры можно разбить на больших класса: для научных исследований (КНИ) и промышленные контроллеры (ПК). Их названия отражают качество изготовления, а различия такие же как для бытовой и промышленной аппаратуры.

Все контроллеры изготавливаются в соответствии со стандартами на них разработанными. Для КНИ наибольшее распространение получила аппаратура САМАС, а для ПК – Евростандарт.

Для всех контроллеров общим является следующее:

1. Они имеют три функциональные части: крейт (где размещаются функциональные модули); блок питания (может использоваться один на несколько контроллеров); интерфейс, осуществляющий связь с ЭВМ (называемый контроллером крейта – КК);

2. Возможность строить многоконтроллерные системы;

3. Основными функциями модулей является: сбор; хранение; диагностика; частичная обработка информации; выдача управляющих сигналов и т.д.;

4. Возможность организации межмодульных связей.

В крейте имеется определенное число (в зависимости от стандарта) посадочных мест, в которых размещаются модули. Модули могут занимать одно, два, три (как правило, не более) посадочных мест. Для интерфейса отводятся жестко закрепленные места. В зависимости от типа контроллера крейта они могут соединяться с ЭВМ той или иной архитектуры. Размеры модуля имеют стандартные габариты и любой из модулей может быть установлен в любое посадочное место. Промышленные контроллеры используются там где требования по влияющим факторам особые (повышенная влажность, вибрация, радиоактивность и т.д.).

На рис. 6 представлена структурная схема использования контроллеров в системах автоматизации производства. Где ШУ – это штатные устройства ЭВМ, такие как: процессор, память, дисплей с интерфейсом и т.д. В зависимости от типов контроллеров схема будет видоизменяться.

рис. 6

Группа ПК, объединенная последовательно магистралью данных.

Магистраль данных

16

Группа ПК объединенная 4-мя магистралями данных:

1 1

2 2

рис.7

Отечественным аналогом Евростандарта являются контроллеры Микродат, которые позволяет объединять ПК в группы, строить иерархические системы, локальные сети (рис 6 и рис. 7). Где:

*-модуль последовательного ввода/вывода.

**-ПК128 или ПК248.

Объединения ПК, изображённые на рис. 6 и рис. 7 могут охватывать территорию до 8 км.

Если существует необходимость охватить большую территорию, то используются устройство связи объектом (УСО), схема связи которых представлена далее на рисунке.

рис. 8

Таким соединением можно охватить территорию с неограниченной площадью, т.к. происходит ретрансляция. Недостатком является то, что при неограниченном росте время выполнения будет неограниченно и при выходе одного из устройств из строя будет нарушена связь. Следует помнить, что для промышленных систем основным фактором является обеспечения функционирования системы в реальном масштабе времени.