§1.3 Архитектура микро- и мини – эвм

Изменения элементно-технологической базы привели к изменению сложившихся принципов проектирования вычис­лительной техники. На смену им приходят идеи проблемной ориентации систем, параллельной и конвейерной обработ­ки информации, использования табличных методов обра­ботки данных и принятия решений, развиваются принципы регулярности и однородности структур на различных уров­нях организации, становится реальной возможностью идея создания адаптивно перестраиваемых вычислительных си­стем, конфигурация которых изменяется в процессе реше­ния задачи с целью наиболее эффективной организации вы­числительного процесса и обеспечения живучести системы.

Характерной чертой развития средств ВТ является ап­паратная реализация функций математического обеспече­ния, что позволяет существенно повысить производитель­ность вычислительных систем.

Дальнейшее развитие получает принцип ЗМ—модуль­ность, магистральность, микропрограммируемость.

Модульная организация систем. Принцип модульной ор­ганизации предполагает построение вычислительных и уп­равляющих машин и систем на основе набора модулей. Под модулем в данном случае понимается конструктивно, функционально и электрически законченное вычислитель­ное устройство, позволяющее самостоятельно или в сово­купности с другими модулями решать вычислительные или управляющие задачи заданного класса. Следует различать функциональные и конструктивные модули.

Модульный подход при проектировании микро- и мини-ЭВМ позволяет создать семейство ЭВМ, отличающихся друг от друга функциональными возможностями и харак­теристиками, способствует стандартизации элементов все более высоких уровней и сокращению затрат на проекти­рование систем, а также упрощает наращивание мощности и реконфигурацию систем, отодвигает время морального старения технических средств.

При решении вопроса о функциональном составе моду­лей в соответствии с рассмотренными выше закономерно­стями развития систем сосуществуют две диалектические противоположности: многофункциональность и специали­зация модулей. Повышение универсальности модулей рас­сматривается как средство, обеспечивающее сокращение номенклатуры, снижение затрат на проектирование и изго­товление, высокую серийность, а следовательно, и низкую стоимость; специализация модулей—как средство дости­жения высокой эффективности систем за счет оптимального согласования структуры вычислительных средств и реали­зуемых ими алгоритмов и функций, а также уменьшения избыточности структуры модулей.

Оба этих подхода нашли сегодня практическое примене­ние. Особо следует отметить прогресс в области микропро­цессорных средств, реализующих первый из упомянутых путей. Однако низкая эффективность использования МП в ряде применений, которая является следствием несоответствия их структуры характеру выполняемых задач, недоиспользование значительной доли аппаратной и программной час­тей комплектов, сложная программная реализация сравни­тельно простых функций привели к появлению огромного числа типов МПК, увеличению их состава, включению спе­циализированных БИС, реализующих главным образом функции обмена и связи с объектами управления.

Специализация модулей низшего конструктивного уров­ня ведет к несоблюдению основного требования при проек­тировании БИС—минимизации числа их типов и, за ис­ключением создания систем специального назначения с экс­тремальными параметрами, не может быть выдвинута в качестве основной концепции проектирования модулей. Практика подтвердила целесообразность решения вопроса о функциональном составе модулей соединением рассмот­ренных крайних направлений путем создания систем в виде совокупности многофункциональных и специализированных модулей, проблемно и функционально ориентированных в рамках определенных классов задач, алгоритмов, функций.

Магистральный способ обмена информацией. Можно выделить два принципа взаимосвязи элементов модулей и самих модулей в системе: принцип произвольных связей, реализующий правило «каждый с каждым», и принцип упо­рядоченных связей—магистральный, позволяющий мини­мизировать число связей. Магистральный принцип обеспе­чивает обмен информацией между функциональными и кон­структивными модулями различного уровня с помощью магистралей, объединяющих входные и выходные шины. Обычно выделяются следующие магистрали: шины данных, шины адресные, шины управления. Адресные шины и шины данных обычно однобайтные или двухбайтные.

Магистральный обмен информацией является одним из аспектов обеспечения регулярности структуры МПС как на уровне БИС, так и на уровне связей между конструктивны­ми модулями МПС.

Применение магистрального обмена позволяет миними­зировать число связей между блоками, обеспечить регуляр­ность операционного устройства управления путем сосредо­точения большинства комбинационных схем в АЛУ и коммутаторах, обеспечить стандартизацию интерфейсов, сократить число выводов БИС.

Необходимо отметить взаимосвязь схемотехнических и структурных решений, которая проявляется при реализации данного принципа обмена в виде специальных двунаправ­ленных буферных каскадов с тремя устойчивыми состояниями и при использовании временного мультиплексирования каналов обмена.

Микропрограммная организация управления. Для сов­ременных систем обработки информации характерна мно­гоуровневая организация программного управления. Прин­цип микропрограммного управления обеспечивает наиболь­шую гибкость при организации многофункциональных микропроцессорных модулей и путем определенной комбина­ции микрокоманд позволяет осуществить проблемную ори­ентацию микро- и мини-ЭВМ. Принцип микропрограммного управления позволяет использовать макрооперации в МПС, что существенно эффективнее использования стандартных подпрограмм и соответствует адаптации МПС к реализуе­мому алгоритму.

Микропрограммное управление повышает гибкость уст­ройств за счет смены микропрограмм, увеличивает регуляр­ность устройств за счет широкого использования матрич­ных структур типа памяти, обеспечивает параллелизм решения задач при рассредоточенном управлении и распределенности памяти, повышает надежность устройств за счет применения серийно освоенных БИС памяти, упрощает контроль функционирования устройства (контроль блока микропрограммного управления сводится, по существу, к контролю содержимого ЗУ).

Передача управляющих слов в виде зашифрованных кодовых последовательностей соответствует условиям ми­нимизации числа выводов БИС и снижению числа соедине­ний в модулях.

Регулярность структуры. Принцип регулярности предпо­лагает закономерную повторяемость элементов структуры и связей между ними. Регулярность системы следует рассматривать на различных уровнях ее организации. Приме­нение данного принципа позволяет повысить эффектив­ность интегрального исполнения устройств вследствие уве­личения интегральной плотности, уменьшения длин связей на кристалле, упрощения и сокращения времени топологи­ческого и схемотехнического проектирования БИС, упро­щения процедур контроля топологии, уменьшения числа пересечений, сокращения числа типов функциональных и конструктивных элементов, повышения серийности и сни­жения стоимости средств.

Основными путями увеличения регулярности структуры вычислительных и управляющих систем (ВУС) являются широкое использование структур и устройств типа памяти (ОЗУ, ПЗУ, ПЛМ), применение регистровых структур, от­каз от закрепления определенных микроопераций за реги­страми, выполнение регистров общего назначения в виде ячеек ОЗУ, использование магистрального способа обмена, стандартизация интерфейсов, использование принципа мик­ропрограммного управления, вертикальное (поразрядное) разбиение структуры ЭВМ на БИС, развитие многопроцес­сорных параллельных систем.