На рис. 33 приведена модель вычислителя со структурой Дж. Неймана, соответствующая однопроцессорной универсальной ЭВМ. В модели рис. 33 в явной форме присутствуют устройства ввода (вх) и вывода (вых), чего нет на рис. 36, т.к. модель рис. 36 составлена из предположения, что вся исходная информация уже внесена в ЗУ подсистемы И, там же накапливается и результирующая информация. Очевидно, что для данной модели это не единственный способ организации внешних связей (рис. 37).
Рис. 37
При однопроцессорной подсистеме Ф принципы вычислений в структуре Дж. Неймана и структуре Ю.Ф. Мухопада будут отличаться последовательностью состояний, как и самим понятием состояния. Состояние в структуре 33 соответствует акту приема, преобразования и передачи информации. В структуре 36 этот акт является общим (параллельным) для всех подсистем, тогда как для модели 33 он принципиально последователен. Действительно, рассмотрим случаи, когда для выполнения следующей команды необходима выборка очередной команды из ЗУ, модификация команды и адреса, выборка и передача двух операндов в подсистему Ф, сравнение операнда с константой. Все эти операции в структуре Дж. Неймана реализуют последовательность на одном АУ, тогда как в структуре Ю.Ф. Мухопада (рис. 36) они могут осуществляться параллельно в один и тот же момент, хотя и при одном процессоре в подсистеме Ф, т.к. сравнение с константой происходит в подсистеме Л, модификация адреса – в подсистеме А, модификация команды – в подсистеме У, выборка и прием операндов – в подсистемах Ф и И.
Рассмотрим способы организации связей в структуре рис. 36. Предельно параллельным видом организации связей является независимая связь каждой подсистемы с внешней средой (рис. 37 а), предельно последовательным – организация связей через единое ЗУ. Количество способов организации связей определяется комбинаторной оценкой от числа вершин в графе, однако из всего разнообразия связей представляет интерес структуры рис. 37. На рис. 37 б представлена связь всех подсистем через одну общую шину, а на рис. 37 в – независимое выделение информационной шины и локальные (непосредственные) связи. В случае рис. 37 а в каждую из подсистем вводится информация своего типа: в логическую – сигналы внешних датчиков от концевых выключателей, схем сравнения, в управляющую – сигналы пуска, останова и др. с пульта управления, в адресную – начальный адрес выполнения программы, в функциональную – аналоговые сигналы (для аналого-цифровых вычислителей) датчиков, в информационную – массивы данных, константы. Аналогично выход из логической подсистемы – непосредственное значение некоторых логических переменных во внешнюю среду и для передачи их в устройство управления, из управляющей подсистемы – сигналы управления исполнительными элементами, из адресной подсистемы – адреса коммутации внешних устройств, интерфейсов, блоков сигнализации, блоков внешней памяти, исполнительных элементов и т.п., из функциональной подсистемы – результаты масштабных и функциональных преобразований аналоговых сигналов, поступивших в подсистему Ф, из информационной подсистемы – результирующий массив данных.
На рис. 37 г выделены три шины: информационная, адресная и управляющая. Очевидно, что в предельном случае допустима также организация пяти независимых шин связи по количеству соответствующих подсистем.
Оценка той или иной структурной организации вычислителя и связи в нем должна производиться исходя из количественной (статистической) оценки сложности алгоритмов и количества переносимой во времени информации между подсистемами при реализации вычислительного процесса. Этот же статистический материал может использоваться и для принятия решений о совместимости аппаратной реализации каждой из подсистем с переходом к системам с общей или распределенной по подсистемам памятью.
СВОЙСТВА СИСТЕМНОЙ МОДЕЛИ
Модель Ю.Ф. Мухопада универсальна в том смысле, что описывает не только аналого-цифровые, но и чисто цифровые системы управления, вычислительные преобразователи информации (ВПИ), микропроцессорные системы (МПС), комплексы и даже простые цифровые автоматы (ЦА) с заданным алгоритмом функционирования.
Для записи алгоритмов систем управления используются блок-схемы Л.А. Калужнина, ЛСА – логические схемы алгоритмов А.А. Ляпунова, регулярные схемы алгоритмов В.М. Глушкова, МСА – матричные схемы алгоритмов, сети Петри, табличные схемы (ТСА) и др. *
В этом пособии будут использоваться преимущественно блок-схемы алгоритмов, называемые в некоторых учебниках ГСА – граф-схемы (в отличие от графов, которые не содержат операторов распознавателей).
Какой бы алгоритмический преобразователь мы ни рассматривали, его анализ и проектирование целесообразно проводить по модели Ю.Ф. Мухопада, которой присущ следующий ряд свойств: реализуемость, многофункциональность, связность, совместимость, параллелизм, иерархичность, быстродействие и контролируемость.
Рассмотрим свойства этой системной модели.
Свойство 1. Реализуемость. Любой алгоритм преобразования информации реализуется техническим устройством (ВПИ, МПС, ЦА) с раздельными подсистемами. Объединение подсистем (Ф, И, А, Л, У) определяется в процессе проектирования по выдвинутым критериям оптимизации с учетом структуры алгоритма и особенности элементной базы.
Рассмотрим некоторый алгоритм (рис. 38). На рис. 38 а представлен алгоритм управления как ГСА с последовательностью операторов от А17 до А16 с двумя логическими условиями (α1 и α4) и тремя параллельными ветвями S1, S2, S3, начинающимися с общего оператора А2 и заканчивающимися общим оператором А15. На рис. 38 б все параллельные цепи S1, S2, S3 расшифрованы, причем на обычную ГСА с указанием управляющих (причинных) связей между операторами А i и A j (которые обозначены сплошными линиями со стрелками) нанесены еще пунктирные стрелки, указывающие передачи промежуточной информации от А i и A j. Итак, информационные связи (т.е. пунктирные линии) указывают, от какого оператора и к какому передается промежуточный результат, например цифровой код или напряжение, оптический сигнал, пневматический сигнал и др.
Проанализируем такой алгоритм. Любая алгоритмическая запись содержит множество операторов действия А (функциональная подсистема) и операторов распознавателей α (логическая подсистема), объединенных в структуру алгоритма информационными пространственными связями (адресная подсистема) и временными связями (управляющая подсистема). В общем случае в реальном алгоритме содержатся хотя бы два оператора с разными временными оценками, следовательно, необходимо не только соблюсти временную «причинную» последовательность операторов, но и произвести также генерацию последовательности временных меток различной длительности (управляющая подсистема). При этом в алгоритме с параллельными ветвями найдутся хотя бы две ветви с разными временными оценками (при одинаковых временных оценках операторов ветви могут отличаться числом операторов), тогда для реализации последующего (общего для обеих ветвей) оператора потребуется временная задержка результата (запоминающая подсистема) до окончания действия ветви с бóльшими временными оценками. Таким образом, анализ алгоритма позволяет сделать вывод о действительной необходимости пяти подсистем для его реализации.
Рис. 38
Свойство 2. Многофункциональность. Покажем, что реализация нескольких алгоритмов осуществляется пространственно-временной композицией нескольких ВПИ, которая может быть сведена к одному ВПИ с комплексированными подсистемами и перестройкой комплексного ВПИ на разные функции по коду алгоритма. Определим функции комплексированной подсистемы.
Действительно, каждый ВПИ, согласно свойству 1, реализуется пятью подсистемами Ф, И, А, Л, У. Для алгоритмов А1, А2 ,..., А n создадим комплексные подсистемы:
Ф (к) = Ф ( А1 ) Ф(А2) ... Ф(А n)
И(к) = И(А1) И(А2) ... И(А n)
…………………………….
У (к) = У(А1) У(А2) ... У(А n)
Тогда Ф (к), И (к),..., У (к) должны иметь специальные кодовые входы для настройки подсистемы на выполнение функций i -го алгоритма, т.е. для каждого i 1, 2, …, n
Ф(к) = Ф(А i),..., У(к) =У(А i).
Для информационной подсистемы комплексирование есть распределение (закрепление) зон общей памяти за каждым из алгоритмов, а код i определяет начальный адрес i -й зоны.
Для функциональной подсистемы чаще всего при достаточно хорошем уровне совместимости алгоритмов (0,7–0,9) подсистема Ф(к)реализуется общим для всех алгоритмов процессором и ВПИ (табличными или таблично алгоритмическими), специфичными для каждого A i. Совместимость алгоритмов здесь понимается в узком смысле через наличие в них одинаковых операторов действия независимо от их последовательности в ГСА.
Для управляющей подсистемы создается многопрограммный автомат, причем микропрограммы типовых операций будут общими для всех A i (i = 1, N).
Свойство 3. Связность. Полная модель Ю.Ф. Мухопада включает
наличие всех связей (прямых и обратных) между подсистемами, а также
связи каждой подсистемы с внешней средой. Поэтому полная связность модели отображается в виде полного пятивершинного графа с добавленными внешними связями у каждой вершины. Неполная связность модели для конкретного алгоритма определяется отсутствием каких-то связей. При реализации конкретного алгоритма могут потребоваться не все связи, как между подсистемами, так и с внешней средой. Например, часто из внешних связей остаются связи с информационной и управляющей подсистемами, а связи функциональной подсистемы с адресной могут не использоваться, хотя обратная связь адресной подсистемы с функциональной будет присутствовать. ВПИ и МПС с внешними связями каждой из подсистем назовем предельно связанными с внешней средой (рис. 36). Предельно связанные ВПИ имеют комплексированную структурную организацию, т.к. реализуют алгоритм ввода-вывода и алгоритм преобразования информации.
Свойство 4. Совместимость. Единичным внутренним состоянием вычислительной системы назовем состояние «включения» в работу единственной подсистемы (согласно системной модели) по каждому тактууправляющей подсистемы (в каждый момент времени работает лишь одна подсистема Ф, И, Л, А, тактируемая сигналами подсистемы У). Если ВПИ, МПС или ЦА реализуют алгоритм через последовательность единичных состояний при одном и том же носителе информации во всех подсистемах, то модель Ю.Ф. Мухопада может быть сведена к модели В.М. Глушкова (операционный и управляющий автомат) за счет объединения функций подсистем Ф, И, Л, А в одном операционном устройстве. На рис. 39 представлены варианты наиболее целесообразных совмещений функций подсистем:
а) совмещение А, У – структура с единым микропрограммным (программным) устройством управления (рис. 39 а);
б) совмещение Ф, И – структура без внешней памяти, но с расширенной внутренней памятью процессора (рис. 39 б);
в) совмещение Ф, Л – структура с единым арифметико-логическим
процессором (рис. 39 в);
г) совмещение Ф, Л и А, У – рис. 39 г. Это наиболее распространенная структурная организация, если нет высоких требований к быстродействию реализации алгоритма (смешанный вариант – СВ);
д) независимая реализация каждой из подсистем рис. 36 (раздельный вариант – РВ) – структура с предельным быстродействием на данной элементной базе.
Заметим, что во всех структурах речь идет только об обработке информации и не рассматривается устройство ввода информации (терминальные, абонентские, интерфейсные модули).
Рис. 39
Таким образом, свойство совместимости есть возможность реализации при определенных ограничениях функций двух или нескольких подсистем в одной комплексной (совместимой в одной) подсистеме. В пределе, как видим, приходим к модели В.М. Глушкова.
При реализации сложного алгоритма, разделенного на части, или при реализации комплекса слабо совместимых алгоритмов возможен вариант с динамической перестройкой структуры по графу рис. 40. Очевидно, такая реализация с переходом по коду алгоритма от структуры РВ к СВ или ИФ, АУ или ЛФ возможна только при наличии аппаратной избыточности (может быть, незначительной в процентном отношении), определяемой спецификой алгоритмов.
Рис. 40
Свойство 5. Параллелизм. ВПИ, МПС или ЦА, производящий одновременно преобразования в подсистемах Ф, И, Л, А (четырехкратное состояние), обладает предельным параллелизмом преобразования информации. ВПИ, реализованный на основе системной модели при независимых многофункциональных подсистемах, может работать параллельно по четырем алгоритмам. Пусть подсистемы Ф, И, Л и А при подаче кода i перестраиваются на i -й алгоритм. Тогда можно так организовать вычислительный процесс, что каждая из подсистем будет работать в один и тот же момент времени с разными алгоритмами. Т.е. если в момент t 1осуществляется работа Ф(1), И(2), Л(3), А(4),то в момент t 2соответственно – Ф(2), И(3), Л(4) и А(5)и т.д. Тем самым достигается более высокий уровень быстродействия совместной обработки информации по 4 алгоритмам.
Свойство 6. Иерархичность. Структуру ВПИ, МПС или ЦА назовем простой (одноступенчатой), если каждая из подсистем не разлагается на другие подсистемы на данной ступени анализа. При этом под ступенью анализа понимается уровень детализации, например: уровень типовых БИС, логических элементов, уровень принципиально электрического описания и др. В более сложных случаях в каждой из подсистем могут быть выделены функции и узлы (блоки), соответствующие пятикомпонентной модели. Например, информационная подсистема представлена в виде БИС памяти с ультрафиолетовым стиранием информации. Но если рассмотреть внутреннюю структуру БИС, то в ней есть накопитель (информационная подсистема), дешифратор (адресная подсистема), устройства записи, считывания и стирания (управляющая подсистема) и др. подсистемы. В иерархических системахкаждая из подсистем Ф, И, Л, А, У в свою очередь представляется в виде структурной модели из пяти подсистем, например У(ф), У(и), У(л), У(а),У(у).
Свойство 7. Быстродействие. ВПИ, МПС или ЦА с предельным параллелизмом и простой структурой обладает предельным быстродействием реализации алгоритма в силу того, что все подсистемы работают параллельно.
Свойство 8. Контролируемость. Последовательность активизации подсистем определяется заданным алгоритмом и структурной организацией всего ВПИ, следовательно, если выделить граф последовательности активизации подсистем, то он может быть использован как контрольный. В самой модели рис. 36 все подсистемы ВПИ доступны наблюдениям (рис. 41), и предполагается, что каждая из подсистем имеет средства формирования асинхронных сигналов занятости (т.е подсистема Ф, И, Л, А или У активизирована, и уже закончилось преобразование очередной порции информации). Тогда действительно можно применить вышеназванную систему контроля правильности функционирования.
Рис. 41
Вместе с тем в реальных микропроцессорных системах, построенных на серийных БИС и СБИС, не все подсистемы обладают одинаковой наблюдаемостью. Наблюдаемость подсистем зависит от архитектуры МПС и реального элементного базиса. Например, некоторые микропроцессоры имеют схемы прямого доступа в память, обеспечивающие доступность информационной подсистемы, а другие – 16-разрядную шину адреса, доступную как для встроенных средств диагностирования, так и для наблюдаемости адресной подсистемы внешним оборудованием.
Существуют методы контроля функционирования, основанные на наблюдаемости адресной и управляющей линии, и отладки МПС с помощью внутрисхемного эмулятора. Контроллеры обычно имеют большое количество функциональных выходов, что дает возможность наблюдать действие функциональной подсистемы, в то время как адресная шина может быть не доступна.
Системная модель используется при анализе и синтезе как специализированных устройств, так и средств широкого (универсального) применения.
Свойства 1–8 позволяют применять модель как основу анализа и синтеза ЦА и ВПИ, включая МПС со сложной структурой данных (списки, изображения, графы и др.) и иерархическим алгоритмом обработки информации.
Исходя из специфики задачи и требований технического задания (ТЗ) на проектирование, функции некоторых подсистем могут объединяться в одном блоке (см. рис. 39). МПС может выполняться с единой и распределенной памятью. Это лишь разные конструкции информационной подсистемы (И). Переход к МПС с памятью, распределенной по подсистемам, повышает общее быстродействие, но не отменяет общей памяти при необходимости хранения предыстории состояний МПС.
Особенность модели заключается не только в том, что она более подробна по сравнению с моделью «черного ящика» или моделью В.М. Глушкова. Декомпозиционный подход упрощает процесс анализа и синтеза частей более сложного объекта. Но если в общем случае в задачах проектирования при детализации структуры на основе других моделей направленность декомпозиции не определена, то в модели Ю.Ф. Мухопада она определяется классификацией информационных процессов в вычислительном комплексе. Как было показано, какой бы сложности комплекс не анализировался, в нем обрабатывается пять типов информации:
1. Функциональная (обрабатываемая информация), которая может быть представлена цифровым или аналоговым способом (напряжение, сила тока, давление воздушной среды в пневматических структурах, напряженность электромагнитного поля в радиосистемах и др.);
2. Хранимая информация, которая по форме может отличаться от функциональной; например, аналоговая информация для хранения преобразуется в двоичный код, или функциональный двоичный код преобразуется в биноидный код, код Хемминга и др.;
3. Адресная (коды адресов, номера каналов связи и др.);
4. Логическая (конкатенация бинарных признаков);
5. Управляющая информация, которая отличается от других типов если не формой, то разрядностью.
Другого типа информации в вычислительных и управляющих системах нет.
В универсальных вычислительных структурах каждая из подсистем развита пропорционально по сравнению с другими и в качестве функционального, логического, адресного, управляющего и информационного базисов (операции пересылки, считывания, записи в разные типы ЗУ) используется достаточно большой набор операций.
В специализированных управляющих и вычислительных системах приспособление к структуре исходной информации и алгоритму ее обработки происходит двумя путями:
• специализацией набора функциональных операций или включением в универсальные структуры дополнительных узкоспециальных ВПИ;
• выделением одной из пяти подсистем в качестве ведущей подсистемы.
Например, в информационно-поисковых системах ведущими являются подсистемы ассоциативной и других типов адресации и блоки расширения памяти.
В телекоммуникационных системах функциональная подсистема ориентированна на кодирование информации.
В задачах автоматического регулирования хотя и присутствуют все подсистемы, но ведущей становится управляющая.
Во всех системах, связанных с обработкой семантической информации (обработка изображений, распознавание образов, обработка списковых таблиц, использование баз данных и баз знаний и др.), ведущей становится информационная подсистема. Не только объем, но и форма представления информации и структура информационной подсистемы наравне со способом кодирования исходной информации определяет сложность и быстродействие алгоритмов обработки.
В спецпроцессорах комбинаторного типа (задачи на графах, на сетях связи, логические задачи и др.) ведущей подсистемой становится логическая подсистема.
В навигационных процессорах все подсистемы достаточно развиты, но каждая из них узкоспециальна [23]. Столь же специфичны и задачи первичной обработки изображений. Поэтому понятия «вычислительный преобразователь» или «вычислительная машина» являются относительными, т.к. роль собственно вычислительных процессов (в понимании элементарных арифметических или некоторых элементарных функциональных зависимостей типа sin х, и др.) может быть незначительна. В этом плане модель рис. 36 методически важна в том смысле, что описывает любой алгоритмический преобразователь информации.
Большинство информационно-управляющих систем в промышленности, робототехнике и транспорте относятся к классу сложных систем, отличающихся не только большим числом элементов и связей, но и распределенностью подсистем, модульностью их построения, иерархией систем управления с аппаратно-программным обеспечением и большим объемом памяти, используемой в системе.
Применительно к сложным системам обработки информации и управления необходима модификация этой модели. Определим типы иерархии в системной модели.
ДВУХУРОВНЕВАЯ ИЕРАРХИЯ
Рассмотрим принцип модульности для каждой из подсистем модели. Модель сложной системы можно представить в виде графа с двойными вершинами, так как каждая подсистема двухуровневая: подсистема Ф расширяется за счет Ф j, подсистема Л расширяется за счет Л j, А – за счет A j и т.д. (рис. 42).
При однородной иерархии возможны другие варианты структурной организации.
1. Система с автономным управлением (рис. 43). В этом случае в каждой подсистеме имеется свой микропрограммный автомат управления (УА, УИ, УФ,УЛ). В подсистеме У в простейшем случае роль такого автомата (УУ) выполняет генератор синхроимпульсов со схемой пуска. При наличии полисинхронной системы тактирования этот автомат (УУ) действительно становится самостоятельным автоматом со структурой, сравнимой по сложности с основным автоматом.
2. Система с распределенной по подсистемам памятью (рис. 44). В этом случае на верхнем уровне иерархии в каждой подсистеме выделяется информационная среда (память).
3. Система с распределенной логикой. Здесь кроме общей логической подсистемы (Л), обеспечивающей функционирование всей системы, в каждой подсистеме представлены свои блоки формирования логических признаков, например, для индикации состояния подсистемы, формирования синдромов для контроля и диагностики и др.
4. Система с распределенной обработкой информации, когда в каждую из подсистем включают блоки Ф j, преобразующие свойственную этой системе информацию.
5. Система с автономной адресацией. Такая система будет наиболее эффективна для параллельных процессов, так как она позволяет подготавливать следующий шаг обработки информации или управления (табл. 19).
Рис. 42
Рис. 43
Рис. 44
Таблица 19
Одноуровневая модель | ||||||||
И | Ф | А | Л | У | ||||
Двухуровневая модель | ||||||||
И | Ф | А | Л | У | ||||
R | R | R | R | R | ||||
Трехуровневая модель | ||||||||
И | Ф | А | Л | У | W | |||
Р | Р | Р | Р | р | ||||
Трехуровневая иерархия – система с централизованным управлением. В модели с автономным управлением выделяется независимый (центральный) уровень управления, где УФ, УА, УЛ, УИ, УУ – МПА для каждой из подсистем, ЦУ – система централизованного управления. Для информационно-управляющих систем уровню ЦУ соответствует решение следующих задач:
- контроль и диагностика ИУС;
- распределение ресурсов, информационных потоков;
- выбор источников и потребителей информации;
- прогнозирование изменения информации по результатам предыдущих измерений параметров и характеристик объектов;
- обеспечение взаимодействия оператора с системой;
- самонастройка и адаптация системы.
R = Ф, А, Л, У или И; Р = И или У; W.
Варианту структурной организации с централизованной (общей) памятью, обозначенной ОИ, при наличии памяти по подсистемам (ИФ, ИЛ, ИУ, ИА, ИИ) соответствует система, в которой кроме промежуточной информации по подсистемам необходимо хранить большой объем результирующей информации. В этом случае интересен структурный компонент (ИИ) для обобщенной ИУС. В конкретной системе этот компонент (ИИ) можно интерпретировать как блок хранения информации о состоянии функционирования на предыдущих фазах информационной среды (И). Например, для систем, сохраняющих работоспособность в условиях развивающихся (накапливающихся) отказов, в компоненте (И) может храниться информация о номерах блоков памяти, к которым на (i + 1)-м шаге запрещено обращение. По аналогии строятся трехуровневые однородные структуры для Ф, Л, и А.