6. Покрытие структуры на основе ФМ конструктивными модулями (КМ).

На третьем этапе рекомендуется древовидное представление граф-схемы алгоритма функционирования системы с последующей детализацией функциональных операторов, реализуемых на всех уровнях.

При определении операторов i-ro уровня воспользуемся свойством иерархических форм материи в своеобразной форме повторять основные этапы предшествующего развития.

Можно показать, что функциональный модуль i-ro уровня ФМг должен реализовать слеующую совокупность функциональных операторов: обработки информации Р; хранения М; управления С; обмена Т.

На этапе эквивалентных преобразований операторов, формирования функциональных и конструктивных модулей и синтеза СОИ могут быть рекомендованы следующие подходы:

- количественное изменение функциональной нагрузки многократным использованием операторов и увеличение числа активных и пассивных компонентов одного и того же функционального назначения;

- изменение состава операторов и ФМ;

- изменение связей и перераспределение функций между модулями системы;

- изменение состава ФМ и связей;

- усложнение базовых операторов в ФМ;

- использование дополнительных операторов и ФМ;

- аппаратное и программное временное разделение реализуемых функций;

- аппаратное и программное временное совмещение реализуемых функций;

- использование операторов непрерывной и дискретной настройки ФМ;

-.использование инверсных режимов работы ФМ;

- регенерация функций ФМ;

- реализация новых функций и макрофункций на основе определенного набора функций;

- композиция различных аспектов.

Как отмечалось выше, оптимальная (например, по быстродействию) структура СОИ предполагает определенное сочетание многофункциональных и специализнроваиных модулей. Для формирования ФМ и КМ рекомендуется использование обобщенных функционально-информационных карт.

§ 1.7. МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ И КОНСТРУКТИВНЫХ МОДУЛЕЙ. ОБОБЩЕННЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ КАРТЫ

Анализ принципов проектирования СОИ на основе БИС, ограничений и возможностей интегральной технологии показывает, что одной из основных задач при проектировании СОИ является минимизация числа типов составляющих их модулей. Решение этой задачи может

быть обеспечено лишь при ее постановке из самых ранних стадиях разработки как на функциональном, так и на конструктивном уровнях. При этом становится возможным переход от ФМ к КМ оо принципу максимального структурно-логического соответствия.

В данном параграфе рассматривается методика формирования процессорных функциональных модулей (ПФМ), обеспечивающая разработку комплекта ФМ для построения процессоров, отличающихся регулярностью структурной организации, многофункциональностью составляЕощих их ФМ и ПФМ в целом, а такнсе минимальной номенклатурой БИС.

Обобщенная функционально-информационная карта процессора.

функционально-информационный анализ микро- и мини-ЭВМ, анализ принципов организации процессоров и подходов к их проектированию показывает, что наиболее общим условием функционирования процессоров является выполнение функций обработки (Р), хранения (М), обмена (Т) и управления этими процессами (С) над тремя вгдaми информационных слов: данными (D), управляющими словами (CW) и адресами (А). Причем первые три функции можно определить как основные, а последнюю - как обеспечивающую их выполнение.

Необходимость хранения данных, управляющих слов и их адресных частей очевидна. Обработка данных - основное назначение процессора; простейшие виды обработки управляющей информации - ее дешифрация (специальная обработка), анализ признаков в формате команд или микрокоманд; вид обработки адресов определяется видами адресации в процессоре и микро-ЭВМ и, как правило, соответствует их логической или арифметической обработке.

Обмен информацией - обязательное условие функционирования процессора, обусловленное различным пространственным расположением операндов, исходных данных и результатов выполнения инструкций и соответствующих Ф.М. Управление процессом реализации выделенных функций вызвано необходимостью синхронизации во времени выполнения отдельных действий. Основные варианты реализации функции управления - применение таймеров и других управляющих устройств.

Степень декомпозиции выделенных функций, видов информационных слов, а также длина последних определяются факторами внешней и внутренней среды проектирования (областью использования процессора, реализуемыми алгоритмами, режимами работы, элементно-технологической базой, требованиями к техническим характеристикам и т. д.).

Например, функция хранения может быть представлена в виде совокупности функций оперативного и сверхоперативного хранения исходной, промежуточной и конечной информации, а также включать функции долговременного хранения с возможностью или без возможности смены информации. Обработка может быть дифференцирована на функции логической одно- или многоместной обработки, арифметической, а также специальной обработки (сдвига, усиления, преобразования кодов, шифрации - дешифрации и т. д.). Функция обмена предусматривает осуществление обмена информацией внутри процес-

сора, а также обмена процессора с внешними устройствами различного типа. Степень декомпозиции функции управления определяется количеством уровней и принципами управления.

Декомпозиция информационных слов может осуществляться в соответствии с их типом и длиной. Так, к данным могут быть отнесены входные и промежуточные данные, константы; к управляющим словам - команды, микрокоманды, отдельные коды, логические условия; объектами адресации могут служить данные, константы, команды, микрокоманды, их операнды, функциональные элементы внутри и вне процессора.

Рис. 1.2

Исходя из вышеизложенного, модель процессора может быть интерпретирована в виде обобщенной функционально-информационной карты (ОФИК, рис. 1.2.).

ОФИК представляет таблицу, строками которой являются функции, реализующие операторы М, Р, Т, С, а колонки соответствуют основным видам информационных слов. Декомпозиция функций и информационных слов в ОФИК осуществляется До уровня функциональных возможностей и разрядности или емкости модулей, которые на данном этапе проектирования приняты за элементарные. Это, в частности, может быть уровень, соответствующий рекомендованной к применению элементной базы - ИС малой, средней и большой степени интеграции. На пересечении строк и колонок ОФИК указываются конкретные функции, выполнение которых необходимо в процессоре над конкретным типом информационных слов. На рис. 1.2 каждая такая функция обозначена символом одного из операторов (М, Р, Т, С), после которого в скобках указан тип соответствующего информационного слова (D, CW, А).

ОФИК является наглядной функционально-информационной моделью проектируемой СОИ. Для определения классов СОИ могут быть разработаны типовые проблемно-ориентированные ОФИК.

Формирование ФМ производится методом ортогональных сечений ОФИК. При вертикальных сечениях формируются ФМ различной разрядности, при горизонтальных - ФМ памяти, ФМ обработки, ФМ ввода - вывода, ФМ управления. При различных сочетаниях горизонтальных и вертикальных сечений могут быть сформулированц различные варианты ФМ. При формировании КМ учитываются конструкторско-технологические ограничения. При разработке ФМ и КМ должны быть учтены требования минимизации числа типов модулей и регулярности связей на различных уровнях. ,

Наряду с отображением основных функций и информационные слов в ОФИК приводятся типовые средства, выполняющие отмеченные функции, а также основные типы многофункциональных модулей.

Многофункциональным модулем (МФМ) первого рода (МФМ-1) будем называть ФМ, реализующий неединичный набор функций, а МФМ второго рода (МФМ-П) - ФМ, используемый для реализации одной или более функций над двумя и более типами информационных слов. В соответствии с приведенными определениями МФМ. могут быть ФМ любого уровня функциональной иерархии.

Разбиение структуры процессора на ФМ может производиться тремя способами:

1. Декомпозицией функций М, Р, Т-, С и разработкой модулей пониженной функциональной нагрузки.

2, Созданием комплекта модулей для данного функционального р1азбиения. .

, 3. Совмещением в модуле выделенных функций.

Выбор набора ФМ для построения процессоров во многом определяется уровнем развития интегральной технологии. Так, первый путь характерен для определения функционального состава ИС малой степени интеграции, причем уменьшение степени многофункциональности в смысле определения МФ.ДМ компенсируется ее увеличением в смысле определения МФМ-И. С совершенствованием технологии большое развитие получают последние два пути. Убедительным дока-зательство.м этого положения является разработка микропроцессорных комплектов БИС.

Формирование процессорных модулей. Определим ПФМ как ФМ, предназначенный для построения процессоров. Требования минимизации числа типов модулей при проектировании СОИ и возможности интегральной технологии предполагают применение в качестве ПФМ ФМ высших уровней функциональной иерархии (ТФБ, ФУ ЭВМ).

Выполнение условия "функционирования процессора требует, чтобы комплект ПФМ содержал средства для выполнения всех требуемых функций над всеми выделенными видами информационных слов (требование функционально-информационной полноты комплекта ПФМ). В геометрической интерпретации это означает, что поле ОФИК, построенной в рамках данного функционально-информационного разбиения, должно быть покрыто ПФМ, причем часть площади может быть заполнена горизонтальной трансляцией ПФМ, а наличие перекрытий ПФМ в ОФИК - свидетельство функциональной избыточности комплекта, вводимой часто с целью улучшения основных технических nd-

казателей. Дополнительным требованием к комплекту ПФМ является минимизация числа их типов, способствующая сокращению номенклатуры процессорных КМ.

Представление модели процессора в виде ОФИК позволяет формировать ПФМ методом ортогональных сечений ОФИК. Для горизонтального разбиения основным видом многофункциональных процессорных модулей является МФМ-П, для вертикального - МФМ-1 (см. рис. 1.2). Комбинированное разбиение способствует образованию МФМ1-И. Уровень и способ разбиения определяются используемой технологией и требованиями к номенклатуре и характеристикам модулей. Очевидно, что вертикальное разбиение дает максимальный уровень функциональной нагрузки ПФМ в смысле определения МФМ-1, а удовлетворение требованию функционально-информационной полноты комплекта ПФМ обеспечивается в этом случае горизонтальной трансляцией МФМ-1 и созданием ПФМ типа МФМ1-П.

Переход от ФМ к КМ может быть осуществлен путем оценки значений основных ограничивающих факторов для данной элементно-технологической базы (площадь кристалла или платы, рассеиваемая мощность, число внешних связей и др.).

Рассматриваемый подход позволяет создавать эффективные проблемно-ориентированные системы обработки информации на основе модулей различной функцьональной и конструктивной сложности.

Контрольные вопросы

1. Какие закономерности имеют место при развитии систем обработки информации?

2. Как изменялись принципы организации ввода-вывода информации в различных поколени5Гх ЭВМ?

3. Укажите основные области применения микропроцессорных комплектов БИС. -

4. Какова степень интеграции современных БИС?

5. В чем заключается идея проблемной ориентации вычислительных и управляющих систем?

6. Как изменялось соответствие понятий «функциональный» и «конструктивный» модуль в различных поколениях ЭВМ?

7. Какие могут быть выделены основные этапы проектирования систем -обработки информации?

8. Перечислите основные эвристические цриемы, используемые при формировании многофункциональных модулей.

Упражнения

I. Изобразите основные структурные схемы ЭВМ первого, второго и третьего поколений.

2. Приведите примеры временного совмещения и разделения функций в вычислительных системах.

3. Сравните достоинства и недостатки способов реализации аппаратуры на специализированных и многофункциональных модулях.

4. Рассмотрите сущность основных принципов проектирования систем на основе БИС.

5. Рассмотрите возможные варианты соответствия функциональных и конструктивных модулей в ЭВМ третьего поколения. Приведите примеры такого со- ; ответствия в конкретных моделях ЭВМ и периферийного оборудования.

6. Приведите примеры удаЧНого и неудачного формироваиня функциональных и конструктивных модулей.

7. Рассмотрите на конкретных примерах подходы к формированию функциональных и конструктивных модулей.

8. Составьте обобщенную функционально-информационную карту для известной Вам вычислительной (управляющей) системы.

9. Рассмотрите с помощью ОФИК стратегию формирования типовых микропроцессорных комплектов БИС. Используйте при этом материал глав 2, 4, 9 и 14.

Г Л а В а 2 АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА , § 2.1. ПОНЯТИЕ ОБ АРХИТЕКТУРЕ

Основой любой микро-ЭВМ является МП, который осуществляет необходимое преобразование информации внутри МП, управляет остальными компонентами микро-ЭВМ и обеспечивает передачу информации между компонентами микро-ЭВМ, а также между микро-ЭВМ и внешней средой.

Особенность МП как устройства с программируемой логикой заключается в подчиненности его аппаратного состава (или структуры - совокупности элементов, составляющих МП, и связей между ними) программируемости. Это означает, что функции, реализуемые МП, определяются не столько его структурой, сколько последовательностью управляющих слов (команд), поступающих из программной памяти на входы МП. При изменении этой последовательности изменяется и выполняемая МП функция. Поэтому разработчик микро-ЭВМ при анализе функциональных возможностей МП должен учитывать не только его структуру, но и возможности программной реализации функций. Для комплексной характеристики возможностей МП будем пользоваться понятием архитектуры.

Архитектура МП - это его логическая организация, определяемая возможностями МП по аппаратной или программной реализации функций, необходимых для построения микро-ЭВМ. Понятие архитектуры МП отражает его структуру, способы обращения ко всем доступным для пользователя элементам структуры, способы представления и форматы данных, набор операций, выполняемых МП, способы указания (адресации) данных, участвующих в операциях, форматы управляющих слов, поступающих в МП извне, характеристики и назначение вырабатываемых МП управляющих сигналов, реакцию МП на внешние сигналы.

Анализ особенностей архитектуры МП в настоящем пособии производится в соответствии с обычным порядком его проектирования: сначала излагаются вопросы, связанные со структурой МП (гл. 2), а затем - способы реализации в МП типовых функций (гл. 3). Тесно переплетающиеся с понятием архитектуры вопросы сопряжения МП с другими компонентами микро-ЭВМ рассматриваются в гл. 4.