7. Какое расширение возможностей МПС можно получить с помощью дополнительных проблемно-ориентированных процессоров?

8. Какие возможности открывают МП для реализации параллельных вычислительных процессов?

2. АРХИТЕКТУРА МИКРОЭВМ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

Реальная система на основе микропроцессора содержит значительное число функциональных устройств, одним из которых является микропроцессор. Все устройства системы имеют стандартный интерфейс и подключаются к единой информационной магистрали.

Микропроцессор выполняет в системе функции центрального устройства управления и устройства арифметико-логического преобразования данных. В качестве устройства управления он генерирует последовательность синхронизирующих и логических сигналов, которые определяют последовательности срабатывания всех логических устройств системы. Кроме этого микропроцессор задает и последовательно осуществляет микрооперации извлечения команд программы из памяти системы, их расшифровку и исполнение, тем самым выполняя арифметические, логические или иные операции над числами.

Для подключения разнообразных устройств ввода или вывода данных (а также комбинированных аппаратов ввода-вывода) необходимо привести все их связи и сигналы к стандартному виду, т.е. провести согласование интерфейсов. Для этого используется специальный аппаратурный блок – информационный контроллер (ИК), имеющий стандартный интерфейс со стороны подключения к информационной магистрали и нестандартный интерфейс со стороны устройства ввода-вывода, т.е. являющийся преобразователем интерфейсных сопряжений.

МП, ОЗУ и ПЗУ вместе с УВВ, называется микроЭВМ. МикроЭВМ – это ЭВМ, центральная часть которой в составе процессора, ОЗУ, ПЗУ, информационного контроллера построена на основе БИС. Применение БИС в качестве основных элементных компонентов обеспечивают микроЭВМ такие преимущества перед другими типами ЭВМ, как компактность, надежность, малая материалоемкость, низкие мощность потребления и стоимость. Но магистральная структура микроЭВМ и скоростные ограничения микропроцессора определяют умеренные характеристики производительности микроЭВМ. Это относится к микроЭВМ на основе микропроцессоров на одном или нескольких кристаллах. В микроЭВМ на основе биполярных микропроцессорных секций можно получить высокое быстродействие за счет реализации конвейерной обработки данных и высокоэффективного скоростного управления вычислительным процессом даже при магистральной структуре.

При использовании микроЭВМ в контуре управления некоторого объекта (процесса) она становится центральной частью системы контроля, управления и вычисления. Для сопряжения с микроЭВМ объект (процесс) должен быть оснащен датчиками состояния и исполнительными механизмами. Датчики выступают как источники вводимой для микроЭВМ информацией, а исполнительные механизмы – как приемники выводимой информации. Для согласования интерфейсов подключение датчиков и исполнительных механизмов в системе осуществляется через блоки сопряжения датчиков и исполнительных механизмов.

На рис.2.1 приведена обобщенная логическая структура микроЭВМ, в которой в качестве всех управляющих блоков и устройств используются программируемые контроллеры (например, контроллер системного пульта управления КСПУ).

Все устройства ввода-вывода управляются контроллерами устройств ввода-вывода (КУВВ) или групповыми контроллерами устройствами ввода-вывода (ГрКУВВ). Оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ) запоминающие устройства управляются с помощью соответствующих контроллеров (КОЗУ и КПЗУ). При такой организации центральный процессор (ЦП) обеспечивает программируемые контроллеры только управляющей информацией высокого уровня, детализируемой контроллерами. Поэтому количество управляющей информации на информационной магистрали системы резко уменьшается, что позволяет увеличить скорость передачи данных. По существу в этой схеме приведена многопроцессорная вычислительная система, в которой в пределе контроллер имеет те же возможности, что и центральный процессор. Низкая стоимость и высокая надежность БИС позволяют для достижения желаемых параметров ввести распределенное управление и распределенную обработку во всех подсистемах системы, что определяет новые способы организации вычислительных процессов в системах с децентрализованным управлением и обработкой информации.

Рис 2.1. Обобщенная логическая структура микроЭВМ с микропроцессорными контроллерами.

Для включения МП в любую МПС необходимо установить единые принципы и средства его сопряжения с остальными устройствами системы, т.е. создать унифицированный интерфейс.

Унифицированный интерфейс – совокупность правил, устанавливающих единые принципы взаимодействия устройств МПС. В состав интерфейса входят аппаратурные средства соединения устройств (разъемы и связи), номенклатура и характер связей, программные средства, описывающие характер сигналов интерфейса и их временную диаграмму, а также описание электрофизических параметров сигналов.

На рис. 2.2 представлена общая схема сопряжения МП с устройствами ввода-вывода УВВ и ОЗУ в микропроцессорной системе.

Рис 2.2. Схема интерфейсных связей микропроцессора

Связь МП с УВВ требует пять групп связей, обеспечиваемых через выводы корпуса МП. По группе шин 1 передается код выбора (адреса) устройства, по шине 2 – сигнал управления считыванием – записи, по шине 3 – сигнал запроса на прерывание, шины 4 и 5 используются для передачи данных от МП к УВВ и от УВВ к МП. Связь МП с ОЗУ также содержит пять групп связей, которые необходимо обеспечить через выводы корпуса МП. По группе шин 6 передается адрес в ОЗУ, шина 7 нужна для управления чтением/записью, по сигналам на шине 8 принимаются команды в МП, а шины 9 и 10 обеспечивают передачу данных из ОЗУ в МП и обратно.

Совершенствование технологии БИС оказывает влияние на архитектуру МПС: создаются принципиально новые функциональные модули на СБИС, что, в свою очередь, обуславливает изменение в архитектуре систем из микроЭВМ. К преимуществам этих МПС относятся: невысокая стоимость, эксплуатационная надежность, расширение функциональных возможностей, повышение производительности и, как следствие, расширение класса решаемых задач и областей применения. В результате сформировался новый подход к построению МПС и их архитектур.

Традиционная последовательная обработка информации предполагает последовательную архитектуру МПС. В этом случае говорят, что архитектура МПС является архитектурой типа ОКОД: Один поток Команд предназначается только для обработки Одного потока Данных (SISD - Simple Instructions Simple Dates).

Наряду с этой появились следующие типы организации вычислительного процесса и, соответственно, следующие типы архитектур МПС:

- магистральные - Много потоков Команд обрабатывают Один поток Данных (МКОД или MISD - Many Instruction Simple Dates);