назначения для достижения необходимого функционального эффекта при допустимых материальных, энергетических и временных затратах. Таким образом, многофункциональность более высокого уровня системы обеспечивается специализацией нижних уровней.

Универсальность следует понимать как свойство объекта реализовать полную совокупность функций определенного класса. В определенном смысле универсальность следует рассматривать как предельный случай многофункциональности. Очевидно, что при решении конкретных задач, определяемых функпиональным назначением системы, эффективность использования универсальных средств оказывается ниже, чем многофункциональных и специализированных.

Отображение алгоритмоз иа базовые структуры на основе многофункциональных и спгциализирозанных модулей. Успехи интегральной технологии, создание наборов многофункциональных (алгоритмических универсальных) МПК БИС, переход к функционально-программному методу проектирования привели к дальнейшему развитию принципа отображения реализуемых алгоритмов на множество многофункциональных и специализированных модулей путем интерпретации алгоритма в терминах команд и микрокоманд этих модулей. Данный принцип находит самое широкое применение при проектировании систем на базе МП и проявляется в тенденции введения в состав МПК функционально-ориентированных модулей для эффективной проблемной ориентации комплектов. Он также предполагает разработку базовых, наиболее общих и устойчивых структур ЭВМ, что способствует типизации структурных, решений при проектировании ЭВМ реализует идею унификации модулей. Принцип обеспечивает наращиваемость, совершенствование систем на базе основной модели.

Развитие ЭВМ идет в направлении их проблемной ориентации Это означает, что в разрабатываемых системах реализуется компромиссное решение вопроса о соотношении универсальности и специализаци! . путем разработки средств, предназначенных для эффективного решени: задач достаточно широкого класса. Примерами таких средств являютс системы централизованного контроля и управления, системы числового программного управления технологическим оборудованием, систем! управления подвижными объектами, системы связи и др.

Функциональная ориентация как составная часть проблемной ориентации есть специализация систем для эффективного выполнени одной или нескольких достаточно специфических и автономных функций определенного класса.

В качестве примеров функциональной ориентации можно указать модули (БИС) для выполнения операций ускоренного переноса, быстрого умножения, преобразования матриц, вычисления элементарных функций, преобразования кодов и т. д.

Осуществление проблемной и функциональной ориентации систем предполагает на начальных этапах проектирования проведение анализа классов задач с целью выделения особенностей их решения, а также функций и требований к их реализации и последующее распределение этих функций между многофункциональными (проблемно-ориентированными) и специализированными (функционально-ориентированными) 20

модулями. Проблемная ориентация - одно из средств повышения технико-экономической эффективности систем.

Отмеченные принципы проектирования ЭВМ на основе БИС, получившие развитие благодаря совершенствованию интегральной технологии.

§ 1.5. КОНСТРУКТИВНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МОДУЛИ*)

Определим модуль как законченный элемент, который может служить конструктивной, функциональной, метрологической, информационной и другой единицей (мерой) при проектировании, изготовлении, эксплуатации, а также сравнении изделий.

При разработке ЭВМ под модулем будем понимать вычислительное устройство, обладающее функциональной, конструктивной и электрической завершенностью, способное самостоятельно или в совокупности с другими модулями решать требуемые задачи.

Функциональная завершенность характеризует способность реализовать без помощи дополнительных средств конечное число функций вычислительного процесса.

Конструктивная завершенность предполагает выполнение устройства в виде конструктивного элемента одного из уровней иерархии конструктивов, а также наличие средств механической фиксации и электрической коммутации при установке в качестве элемента в конструктивном модуле высшего уровня.

Электрическая завершенность предусматривает наличие в модуле средств электрического сопряжения с модулями определенного класса, а также автономных схем синхронизации и питания.

Дополнительными требованиями при проектировании модулей являются требования автономности (асинхронности), энергетической, конструктивной, информационной, электрической, эксплуатационной совместимости - способности непосредственного сопряжения модулей без использования дополнительных средств.

Конструктивно-функциональный анализ модулей существенно осложняется тенденцией отображения все более сложных функций конструктивными элементами все более низких уровней, вызванной интенсивным развитием интегральной технологии. В связи с этим целесообразно рассматривать отдельно конструктивные и функциональные модули.

Функциональный модуль (ФУИ) - функциональная часть вычислительного устройства, обладающая функциональной завершенностью, не имеющая, как правило, самостоятельного конструктивного оформления.

Можно выделить следующие функциональные уровни рассмотрения средств ВТ и соответствующих им ФМ:

1. Логические элементы (ЛЭ) - вентили - логически неделимые элементы, реализующие одно- или двухступенчатые логические функции И - НЕ, ИЛИ - НЕ, И - ИЛИ - НЕ, И - ИЛИ, И, ИЛИ,НЕ.

* Параграфы 1.5 и 1.7 написаны совместно с кайд. тухн. наук В. Е. Ко-ЧГеткОБЫМ., , • -j: ;

2. Элементарные функциональные модули (ЭФМ) - совокупность ЛЭ, реализующая заданную функцию хранения или преобразования информации над операндами единичной длины. К ним относятся одноразрядные ячейки памяти, триггеры, разрядные сечения регистров, счетчиков, сумматоров и других типовых функциональных узлов. Частным случаем ЭФМ являются ЛЭ.

3. Типовые функциональные узлы (ТФУ) - совокупность ЭФМ, предназначенная для хранения или (и) преобразования информационных слов (регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы, многоразрядные ячейки памяти). .Частным случаем ТФУ являются ЭФМ.

4. Типовые функциональные блоки (ТФБ) - совокупность ТФУ, реализующая функции хранения, обработки, обмена массивов информации или управления этими процессами. Примерами ТФБ являются ОЗУ, ПЗУ, АЛУ, блок управления.

5. Функциональное устройство ЭВМ (ФУ ЭВМ) - совокупность ТФБ, реализующая одну или несколько функций хранения, обработки, управления и обмена над различными типами информационных массивов в ЭВМ, Примерами ФУ ЭВМ являются процессор, устройства ввода - вывода, ЗУ. Частным случаем ФУ ЭВМ являются ТФБ.

6. ЭВМ - совокупность устройств, осуществляющая автоматическое решение задач, представленных программами и данными в цифровой или аналоговой форме.

Необходимо отметить определенную условность деления ЭВМ на указанные ФМ.

Основными макрофункциями вычислительного процесса, реализуемыми ФМ различного уровня являются функции хранения (memory)- М, обработки (processing) - Р, обмена (transfer) - Т и управления (control) - С.

Конструктивный модуль (КМ) - устройство, обладающее конст руктивной завершенностью и рассматриваемое, как правило, безотно сительно к функциональному назначению.

Можно выделить следующие уровни конструктивной иерархии соответствующие им КМ:

1. Навесные элементы (НЭ)-электро-, радио- и вычислительны! элементы, рассматриваемые при проектировании РЭА как конструк тивно неделимые, выполненные методами дискретной или интегрально! [ технологии, имеющие средства защиты (корпус), а также механической и электрической коммутации с другими КМ, Основным видом НЭ !"ри проектировании ЭВМ являются ИС, СИС, ВИС, МПК БИС.

2. Печатные узлы (ПУ) - совокупность НЭ (ИС, БИС), размеще ных на печатной плате и объединенных в законченную схему печати ми проводниками, имеющая средства коммутации с другими КМ. практике конструирования ЕС ЭВМ и других ЭВМ ПУ получил назв, ние типовой элемент замены (ТЭЗ). ТЭЗ - типовая минимальная о тавная часть устройств ЭВМ, которая может быть заменена аналоги ной. ТЭЗом может быть КМ любого уровня.

3. Блок (Б)* -совокупность ПУ (ТЭЗ), электрически объединенн

проводным или печатным монтажом и имекмцая средства защиты от внешних воздействий (в панели отсутствуют) и электрической коммутации с другими КМ.

4. Рама (Р) - совокупность панелей.

5. Стойка (С) - совокупность блоков (рам, панелей), имеющая корпус, средства стабилизации режимов эксплуатации, питания, управления и коммутации. К этому уровню могут быть отнесены автономные пульты управления, тумбы и т. д.

6. Конструктивный комплекс (К) - совокупность стоек, пультов управления, тумб и други>: КМ, выполняющих все необходимые функции в соответствии с назначением системы обработки информации.

В ЕС Э ВМ - панель (П).

Рис. 1.1

Большое число модулей .низших конструктивных уровней (НЭ, ПУ) в современных ЭВМ, снижение их повторяемости, различие темпов роста степени интеграции элементов и числа внешних связей КМ усложняет проблему конструктивно-функциональной организации модулей при их исполнении в виде БИС, ПУ, ТЭЗ. Число ИС и их типов в ЭВМ измеряется соответственно десятками и сотнями тысяч (в процессоре ЭВМ ЕС 1060 20000 ИС и 500 типов ТЭЗ, а повторяемость последних не превышает 2).

Большое внимание при разработке ЭВМ в настоящее время уделяется функциональной организации БИС и ПУ. Это вызвано тем, что они являются основными видами ТЭЗ, на уровне которых производится ремонт ЭВ.М Поэтому особенно важной является задача сокращения номенклатуры модулей низших конструктивных уровней.

На рис. 1.1 приведены варианты взаимного соответствия (взаимо-отображения) Ф.М и КМ, характерные для 3Bh\ различных поколений (I - IV). Функциональное наполнение КМ и конструктивное оформление ФМ определяются как конструктивно-технологическими ограничениями, характерными для данного этапа развития технологии, так и принципами проектирования и структурной организации ЭВМ.

Изменение характера зон при переходе к новым поколениям ЭВМ отражает, с одной стороны, увеличивающееся разнообразие конструк-

тивного выполнения ЭВМ, а с другой - бозрастание функциональной

нагрузки КМ низших уровней.

Анализ развития элементно-технологической базы показывает, что опережение роста функциональных возможностей элементов уровня их конструктивной сложности приводит к развитию и углублению взаимно-неоднозначного соответствия функциональных и конструктивных модулей и необходимости их совместного функционально-технологического синтеза.

Разрешить противоречия взаимно-неоднозначного соответствия ФМ и КМ можно совместным функционально-технологическим проектированием модулей и использованием принципа максимального структурно-логического соответствия ФМ и КМ. Этот принцип предполагает разработку структур ФМ с учетом конструкторско-технологических ограничений. Это означает последующее отображение ФМ конструктив ными модулями, характеризующимися в функциональном отношении общностью структурной организации и логики функционирования с отображаемыми ФМ. Функциональное наполнение КМ при этом от личается от ФМ лишь количественными показателями (разрядностью, объемом памяти) и различной схемотехнической интерпретацией структурных решений ФМ.

Таким образом, вопрос о функционально-конструктивной органи зации модулей в условиях технологии БИС становится исключительно важным.

Решение этого вопроса осложняется ограничениями экономического характера, проявляющимися в требованиях минимизации числа ти пов модулей, их внешних выводов, времени проектирования, изготов ления и диагностики неисправностей и требует проведения работ не только в области конструкторско-технологической, но и в облает: функциональной унификации.

Десятки типов МП, имеющихся сегодня на мировом рынке, свиде тельствуют, с одной стороны, об освоении процессов разработки и из Готовления МПК БИС, а с другой, - о трудностях концепции уни нереальных модулей. Отсюда вытекает необходимость совыестноп использования принципов универсальности и специализации путе выделения и исследования классов задач, алгоритмов, функций и соз Дания проблемно- и функционально-ориентированных на эти класа модулей и обеспечения возможности развития, наращивания средств н основе базовых, относительно устойчивых структур.

В качестве основных направлений развития микропроцессорны: средств можно отметить следующие:

- создание все более развитых и эффективных универсальных М. путем повышения уровня интеграции, увеличения числа функци] реализуемых на кристалле, и развития схем сопряжения;

- разработка проблемно-ориентированных МПК БИС, включаю щих как многофункциональные, так и специализированные модули

- создание ЭВМ на основе многофункциональных регулярны: структур типа систем памяти.

Непременным условием проектирования ЭВМ в рамках каждого и направлений является анализ и учет возможностей, ограничений 24

тенденций развития интегральной технологии и принципов проектирования ЭВМ на БИС.

Отсутствие общей методологии разработки минимального числа типов структурно-однотипных процессорных модулей, отвечающих требованиям технологи БИС, и организации на их основе проблемно-ориентированных ЭВМ существенно усложняет разработку систем.

§ 1.6. ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНЫЙ ПОДХОД к СИНТЕЗУ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

Принято выделять следующие взаимосвязанные этапы проектирования систем обработки информации (СОИ): системный, структурный, логический и конструкторско-технологический. Наиболее разработанными являются логический и конструкторско-технологичес:<:ий этапы.

Этап структурного проектирования не удается формализовать до настоящего времени из-за отсутствия аппарата глубоких формальных преобразований на данном уровне.Необходи.\ю также отметить резкоэ уменьшение удельной стоимости аппаратных средств СОИ. Выше отмечалось снижение стоимости логических и запоминающих модулей на БИС на несколько порядков. Так, например, стоимость вентиля уменьшилась с 1970 по 1980 гг. на три-четыре порядка.

Непрерывно возрастающие требования повышения производительности систем и значительное уменьшение стоимости аппаратных средств позволяет пересмотреть традиционные соотношения между аппаратными и программными средствами.

Одна из перспективных архитектурных организаций СОИ состоит в объединении микромашин, многофункциональных н специализированных модулей, оперативной, постоянной памяти в системы конвейерного типа, аналогичные аналоговым комплексам. При такой архитектуре специализированные модули могут выполнять как относительно простые операции и макрооперации (например, умножение, вычисление элементарных и тригонометрических функций), так н более сложные (например, матричные, векторные).

В подобных проблемно-ориентированных системах достигаются очень высокие скорости вычислений, если эти системы хорошо сбалансированы и имеют средства синхронизации.

Основные этапы проехтирозакня систем обработки информации. Рекомендуемая методика, базирующаяся на функционально-структурном подходе, предусматривает следующие этапы разработки СОИ:

1. Разделение прогктируемой системы на иерархические уровни.

2. Выделение функциональных операторов, реализуемых на всех уровнях иерархии системы.

, 3. Формальное описание функционирования системы на всех уровнях.

4. Реализация операторов i-ro уровня функциональными модулями соответствующего уровня.

5. Эквивалентные преобразования на уровне операторов и функциональных модулей (ФМ). Результатом пятого этапа является структура СОИ на основе ФМ.