Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аппаратурное проектирование СМУ

1. Модули технической структуры СМУ

Набор конкретных ФУ, представляющих ТС СМУ, должен находиться в полном соответствии с функциональной структурой СМУ. ТС должна иметь организацию, позволяющую осуществлять возможные изменения функционально-структурных и программно-аппаратурных соотношений.

ФУ - результат расчленения аппаратуры на составные части. Формирование составных частей с соблюдением комплекса технических требований, обеспечивающих их совместимость по конструкции и интерфейсу, создаёт основу модульной аппаратуры. Термин «модуль» распространён в различных областях техники и в большинстве случаев означает исходную меру составной унифицированной части того или иного сооружения, устройства, объекта. В электронной аппаратуре под модулем понимают функциональный узел, блок, устройство. Постоянные требования оптимизации аппаратуры по технологичности, габаритным размерам, надёжности, стоимости и прочие приводят разработчиков к необходимости искать новые технические решения модулей.

Оставляя в стороне принципы и процедуры расчленения аппаратуры на составные части, назовём ФУ средств обработки, хранения и ввода-вывода информации сборочными компонентами.

Для САПР необходимо иметь банк унифицированных технических модулей. В результате использования такого банка разработчик решает только системные вопросы по созданию средств вычислительной техники.

В состав банка выдвижных модулей входят одноплатная ЭВМ; модули ОЗУ, ПЗУ, электропрограммируемое ПЗУ, РПЗУ, комбинированный модуль ОЗУ-ПЗУ, таймер; ПДП; приём приоритетных сигналов, модули НМД, ВЗУ на БИС, дисплеев на ЭЛТ, ГИП и ЖКИ, знаковой и матричной печати на ленту, ввода-вывода с магнитной карты, клавиатуры в частичном блоке, автономной клавиатуры, модема; контроллеры ВЗУ и ПУ; адаптеры (МПИ, ОШ, И-41, КАМАК, Манчестер, РТМ14 95-75, RS 232, ИРПС, ИРПР и др.); модули дискретного ввода, вывода и ввода-вывода; мощный дискретный вывод; расширитель ввода-вывода; коммутатор; последовательный ввод и вывод; управление шаговым двигателем; силовой коммутатор; АЦП (базовый, высокоточный); ЦАП (базовый, высокоточный); совмещённый ЦАП - АЦП, коммутатор аналоговых сигналов; знакогенератор для дисплеев; графопостроитель и печатающие устройства; графический генератор; эмуляторы для отладочных комплексов; логический анализатор для отладочных комплексов; программатор ПЗУ и ПЛМ для отладочных комплексов; интерфейс пользователя; кросс-плата; коннектор; усилитель магистрали; блоки питания.

Таким образом, разработчик СМУ может использовать сборочные компоненты различного уровня расчленения аппаратуры на составные части - от микроЭВМ и микроконтроллера, до микропроцессорных комплектов БИС (СБИС).

Возникает вопрос: как отобразить алгоритм решения прикладной задачи пользователя на нужную совокупность ФУ, т.е. как осуществить выбор технических средств для реализации заданного в техническом задании или разработанного алгоритма.

Отметим здесь, что сущность комплексирования ТС СМУ с использованием готовых сборочных компонентов заключается в определении номенклатуры модулей из арсенала средства вычислительной техники и их количества с целью объединения в единый комплекс, предназначенный для решения функциональных задач.

При построении ТС СМУ среди возможных альтернатив необходимо учитывать следующие принципы:

соблюдение эргономических требований;

пропорциональность, т.е. обеспечение требуемой производительности модулей, при которой исключались бы «узкие» места в осуществлении процесса решения ФЗ;

совместность модулей, программного обеспечения и информационной базы в едином устройстве;

развитие, допускающее реконфигурацию ТС с целью замены модулей и подключения новых;

достижение требуемой надёжности и стоимости.

2. Постановка задачи выбора технических средств из банка модулей

Ввиду значительного количества исходных данных и влияния друг на друга переменных структуры СМУ непосредственное построение математической модели общей задачи синтеза структуры СМУ и её решение затруднено. Решить задачу можно с помощью декомпозиции общей задачи синтеза структуры СМУ на комплекс частных взаимосвязанных задач, которые формулируются в виде задач синтеза структур определённых подсистем технической структуры. При этом используются отношения между подсистемами технической и функциональной структуры. Многоуровневая структура СМУ представляется модулями ПОД, ПВС и др.

На первых этапах разработки частных задач, когда трудно установить функциональную связь между параметрами технической структуры и видом критерия эффективности СМУ, синтез ПОД, ПВС и других можно производить исходя из условий соответствия параметров подсистем требованиям ТЗ, т.е. по критерию соответствия заданным нормативным показателям.

Условия соответствия:

(1)

Здесь и - i - ый и l-ый технические параметры j-ой подсистемы; j - порядковые номера подсистем, из которых производится выбор; - значения i - го и l - го параметров, определяемых ТЗ либо расчётом; i, l - порядковые номера.

3. Выбор типовой ЭВМ (контроллера) для реализации СМУ

Для выбора базисной ЭВМ введём следующие допущения.

1. Режим работы ЭВМ однопрограммный.

2. Заявки на решение задач поступают в порядке очереди с известной интенсивностью и обрабатываются сразу.

3. Процессор ЭВМ - единственный ресурс для обработки данных.

Известны типы существующих промышленных микроЭВМ и микроконтроллеров.

Пусть формулировка вычислительной задачи (модель процесса) представляется в виде (см. (2.1.))

Y=Ф(X), (2)

причём

Алгоритм решения такой задачи можно представить операторной схемой (М). Каждой функции y_i ставится в соответствие оператор (блок) (j) алгоритма.

Для каждого оператора (j) выбран численный метод и точность реализации , определён диапазон изменения входных аргументов .

В результате приближённой оценки операторной схемы алгоритма можно получить общее количество входных N_вх и выходных величин N_вых, констант N_k, машинных операций N_мо; связанность алгоритма N_пр; максимальную длину цепи с последовательными округлениями m, параллельность алгоритма C.

Анализ характеристик алгоритма позволяет определить технические характеристики ЭВМ. Формат представления данных определяется диапазоном изменения чисел. Если диапазон изменения чисел велик (), необходимо представлять данные в форме с плавающей запятой.

Длина разрядной сетки данных определяется количеством разрядов, отводимых для представления чисел. При использовании чисел с фиксированной запятой длина разрядной сетки:

=] log₂0.5/[+] 0.5log₂m[+] log₂x_max/x_min[(3)

где n - целое число разрядов; - погрешность представления n₁ - разрядного числа, равная ; m - длина цепи операций умножения и деления, при выполнении которых производится округление результатов; x_max, x_min - соответственно наибольшее и наименьшее числа, которыми оперирует ЭВМ.

При использовании формы с плавающей запятой для представления мантиссы необходимо (n₁+n₂) разрядов, а число разрядов для представления порядка,

N₄=] log₂log₂N [,

где N = max(x_min,1/x_max) (4)

Инженерная методика выбора системы команд заключается в следующем.

Выбор адресности команд осуществляется либо по критерию минимума объёма памяти, либо минимума времени реализации алгоритма. Для определения адресности необходимо проанализировать алгоритм, который в общем случае может иметь ярусно-параллельную форму, поскольку составляющие его операции могут выполняться как последовательно, так и параллельно.

По критерию минимума объёма памяти программы для одноадресных ЭВМ в большинстве случаев оказываются экономичнее (в среднем на 20…25%) двух - или трёхадресных ЭВМ.

Влияние адресности на быстродействие ЭВМ [3]:

(пар) (1-С)+(пос) С]_ОЗУ, (5)

где - время работы ОЗУ в процессе решения i-ой задачи; (пар), (пос) - коэффициенты, зависящие от адресности , степени совмещения работы АЛУ и ОЗУ и вида алгоритма; С - коэффициент использования последовательных математических операций в алгоритме.

С = m_пос / (m_пос + m_пар), (6)

m_пос - общее число последовательных математических операций в алгоритме; m_пар - общее число параллельных математических операций в алгоритме; _ОЗУ - время обращения к ОЗУ.

Система команд взаимно связана с набором машинных операций. Единой инженерной методики выбора системных машинных операций не существует. В результате анализа (2) можно определить процентный состав машинных операций N_мо по всем операторам _j, т.е. частоту выполнения каждой операции при одной реализации алгоритма. В список N_мо целесообразно включать только операции с высокой частотой использования. При этом необходимо, чтобы время (я) работы ядра было не больше заданного, т.е. чтобы выполнялись соотношения:

(я)=Е_ijs*_j*+Е_ijs * t_j * <= (я) (доп); (7)

Q_i*_i + R_i * _i <=3 (8)

где Е_ijs - частота выполнения операций j-го типа в S-ой реализации i-го алгоритма; _j, t_j - время выполнения операций j-го типа аппаратным и программным способами реализации соответственно; {0,1}, Q_i, R_i - множество затрат соответственно при аппаратном и программном способах реализации команд; (я) (доп) - допустимое время работы ядра; 3 - допустимые суммарные затраты.

Оценить разрядность команд можно следующим образом. Для прямой адресации разрядность R адресных полей в команде

R =] log₂A,

где А - размер адресного пространства, равный суммарному числу ячеек памяти, а также число других адресуемых источников и приёмников информации.

При косвенной, базовой и индексной адресации поле R адреса команды сокращается, что очень существенно для микроЭВМ в условиях короткого слова.

Разрядность поля кода операции:

K =] log₂N_мо,

где N_мо - выделенный основной список машинных операций.

Быстродействие чаще всего является определяющей характеристикой при выборе ЭВМ.

Оценить время (я) работы ядра или время непосредственного решения задачи можно трудоёмкостью (3.1).

Полную трудоёмкость алгоритма Т(пол) определяют с учётом дополнительных операций, выполняемых для решения задачи, а именно связанных с обнаружением ошибок и их исправлением, ликвидацией последствий сбоев и отказов.

Трудоёмкость носит случайный характер.

С учётом изложенного время, необходимое для выполнения всех вычислительных операций,

Т(яп) = Т(пол) * _э,

причём (Т(П), Т(а), Т(ВА))Т(яп), (9)

где Т(П) - время тандемных пересылок между ОЗУ и АЛУ;

Т(а) - время, определяемое по формуле (5);

Т(ВА) - время реализации алгоритма, зависящее от вида применяемой адресации.

Время ввода

Т_вв = N_вх / V_вв, (10)

где V_вв - быстродействие устройства ввода.

Время вывода

Т_выв = N_вых / V_выв, (11)

V_выв - быстродействие устройства вывода.

Время обмена информацией между ОЗУ И ВЗУ (если ВЗУ есть)

Т_обм =[(N_ОЗУ+N_вп)*_ц+n_q*_q]*k_q, (12)

где N_ОЗУ и N_вп - общее количество чисел и команд, пересылаемых соответственно из q - той внешней памяти ВП в ОЗУ и обратно; _ц - время цикла обмена информацией между ОЗУ и ВП; n_q - число обращений к q - той ВП для записи и считывания информации; _q - максимальное время поиска информации в q - ой ВП; k_q - коэффициент уменьшения времени, затрачиваемого на передачу информации из ОЗУ в q - ю ВП за счёт совмещения операции записи и считывания в q - й ВП с другими операциями.

Время контроля Т_к затрачивается на периодический контроль в процессе решения задачи.

Таким образом, общее время, затрачиваемое на однократное решение задачи ЭВМ при работе в однопрограммном режиме, равно сумме составляющих, полученных из (9) - (12):

Т_робщ = Т_яп +Т_вв * (1 - Е₁) + Т_выв * (1 - Е₂) + Т_обм + Т_к, (13)

где Е₁ и Е₂ - коэффициенты, учитывающие совмещение операций ввода-вывода и обмена информацией с другими операциями.

В формулу (13) включено время ремонта, которое обычно учитывается в долях от общего времени решения задачи.

Общее время решения задачи должно удовлетворять требованиям выбранных режимов работы ЭВМ.

Окончательный выбор ЭВМ по быстродействию осуществляют с помощью моделирования алгоритма на кросс-ЭВМ или натуральных испытаний с использованием специализированных алгоритмов - смесей команд.

Смеси для различных классов задач составляют на основе статистического анализа типов и порядка следования команд, характерных для данного класса алгоритмов. Так, для микроЭВМ применяются бенчмарковские смеси.

Оценка требуемого объёма памяти ЭВМ производится на базе полученной полной трудоёмкости алгоритма Т_пол, т.е. общего количества приведённых машинных операций, с использованием других характеристик алгоритма и ЭВМ.

Емкость памяти N₁ для хранения программ и констант:

аппаратура быстродействие алгоритм моделирование

, (14)

где - объём стандартных, служебных и других программ.

Объём памяти, необходимый для хранения оперативной информации,

N_выхN_пр). (15)

К числу важных характеристик ЭВМ относятся также номенклатура внешних устройств, система прерываний, особенности системного программного обеспечения, требования к встроенному контролю, организация интерфейса, надёжность и др.

Если среди «готовых» (серийных блоков) не найдётся ЭВМ, удовлетворяющей требованиям (1), то структура СМУ компонуется из ПОД, ПВС и др.

4. Структура СМУ на уровне ПОД и ПВС

Согласно понятию многоуровневой структуры ВС топологический уровень позволяет выделить ПОД, ПВС и др. Взаимосвязи этих подсистем определяют структуру СМУ для реализации функциональных задач. Как правило, структура СМУ является простейшей и содержит одну ПОД и одну ПВС или ПВО (подсистему взаимодействия с объектом).

ПОД объединяет устройства центральной части СМУ, а ПВО - устройства ввода-вывода и устройства их связи с ПОД. При большом числе видов и типов ПВО формализовать отношения на топологическом уровне удобно двоичной матрицей [_fv], где _fv равен либо 1, если ПВО(f) будет v - го типа, либо 0, в противном случае.

ПОД участвует в решении всех ФЗ.

При декомпозиции ПОД выделим следующие основные ФУ: центральный процессор (ЦП), ОЗУ, ПЗУ. В состав ЦП входят МП, таймер, формирователи, интерфейсные компоненты и др. Технические параметры МП в значительной степени определяют параметры ЦП и, следовательно, ПОД.

СМУ строятся по принципу модульности и магистральности, поэтому нет необходимости в формализации взаимосвязей ФУ в структуре ПОД. Однако при синтезе СМУ требуется выбрать тип ФУ каждого вида с учётом возможности их совместной работы. Обязательно должна быть определена совместимость ЦП и ОЗУ, ЦП и ПЗУ и прочих, но определять отдельно совместимость ОЗУ - ПЗУ, ОЗУ - ВП нет необходимости.

Отношения совместимости ФУ определяются матрицей смежности.

[_jg]; j = 1,…, J, g = 1,…, G

где J - общее число видов ФС, G - максимальное число видов ФУ. Правило заполнения:_jg равен либо 1, если для ФС_j выполняются ФУ_g, либо 0, в противном случае.

Формализация структуры ПВО осуществляется также с помощью матрицы смежности устройств, входящих в ПВО.

Для решения задачи выбора технических средств на уровне отдельных сборочных компонентов ЭВМ необходимо удовлетворить требования (1) по каждой подсистеме с учётом методики, изложенной в В результате выбираются промышленные изделия ПОД, ПВО и др. Они объединяются в систему согласно РТМ с помощью массовых магистралей типа Unibas (ОШ), Q-bus (МПИ), Maltibus (И-41) и др.

Если СМУ, синтезируемое на модулях банка выдвижных модулей, не удовлетворит требованиям (1), разработчик обращается к следующему уровню технических средств - микропроцессорным комплектам БИС (МПК БИС).

Размещено на Allbest.ru