Аппаратная реализация

Анализ сообщений. Как отмечалось, эта процедура является •одной из наиболее сложных и выполняется центральным процессором ЦП. В процессе накопления сообщения вычислительная машина (или соответствующее устройство, выполненное аппаратными средствами), производит анализ служебной части формата и определяет адрес сообщения (или набор адресов, если сообщение многоадресное), категорию срочности, его порядковый номер, время нахождения сообщения в сети и т. д. Если при анализе порядкового номера обнаруживается, что какое-то сообщение не поступило, на предыдущий узел передается запрос; аналогичная операция выполняется при обнаружении ошибок в принятом сообщении. Процессор также управляет движением сообщения между накопителями центра в соответствии со служебными знаками начала и конца сообщения, выявленными в процессе анализа.

выполнения команды. Напомним, что, находясь в состоянии ожидания, ЦП анализирует запросы прерывания и при необходимости может их обслуживать. Для обеспечения возможности совместного использования ША/Д процессоры снабжены соответствующими аппаратными средствами. Центральный процессор обладает преимущественным правом использования шины. Когда у сопроцессора возникает необходимость использования шкны, например при пересылке результата операции в память, он посылает запрос на предоставление шины ЦП по линии RQ/GT ( 3.8). Центральный процессор по этой же линии выдает сигнал разрешения на использование шины сопроцессору. После того как сопроцессор выполнит действия, связанные^: использованием шины, он вновь посылает сигнал по линии RQ/GT, свидетельствующий об окончании использования. Этот механизм позволяет синхронизировать работу процессоров, предоставляя ресурсы МПС в распоряжение сопроцессора.

Часть свойств машина (система) приобретает благодаря введению в ее состав электронного или электромеханического оборудования, специально предназначенного для реализации этих свойств. Это оборудование в вычислительной технике называют аппаратными средствами или просто аппаратурой. Арифметическое устройство машины или электронные схемы, управляющие процессом выполнения команды, являются примерами аппаратных средств.

При помощи, аппаратные средств соответствующие функции выполняются машиной значительно быстрее, чем программным путем. Поз тому одна и та же функция может реализовываться в малых моделях вычислительных систем при помощи программных средств, а в больших моделях, для которых быстродействие является одной из важнейших характеристик, — аппаратными средствами.

В предыдущем параграфе указывалось, что средства математического обеспечения вместе с аппаратными средствами являются двумя взаимосвязанными компонентами современной вычислительной техники.

новление ССП должно выполняться не аппаратными средствами, а командами самой прерывающей программы, в адресных частях которых может быть указано любое место в памяти ( 8-7,в). При использовании такой системы аппаратное формирование начального адреса и выборка первой команды прерывающей программы из памяти должны производиться помимо счетчика команд, бел изменения его содержания. Если необходимо обеспечить в дальнейшем возврат к прерванной программе, то в качестве первой команды прерывающей программы должна быть поставлена команда замены ССП. Если прерывающая программа состоит только из одной команды, то, тг^к как счетчик команд продолжает хранить старое содержание, после выполнения прерывающей команды машина автоматически вернется к старой программе. Если возвращения к старой программе не требуется, то первая команда может сразу начать выполнение полезных действий. Таким образом, указанная система обладает большой логической гибкостью, хотя запоминание информации программными средствами всегда требует большего времени, чем при аппаратном выполнении этих функций. Так как ССП запоминаются в произвольных участках памяти по указанию самих прерывающих программ, то глубина прерывания ограничивается только числом имеющихся в системе уровней прерывания и объемом памяти. Как уже говорилось ранее, запоминание дополнительной информации осуществляется с помощью стандартных методов программирования. Тем не менее в некоторых вычислительных системах с целью сокращения времени обслуживания применяют специальные средства по ускорению указанных операций. К таким средствам относятся используемые в машинах IBM 360 и ЕС ЭВМ команды группового запоминания и вызова, позволяющие быстро записывать в последовательные ячейки памяти информацию из группы регистров и, наоборот, гаписывать информацию из последовательных ячеек памяти в группу регистров.

пользователя, целевыми программами. Управляющую программу (или комплекс, программ), предназначенную для организации мультипрограммного режима выполнения целевых программ, будем называть программой-су-первизор или просто супервизор*. Поскольку наличие программы-супервизор есть главная характеристика данного класса мультипрограммных систем, мы будем часто пользоваться термином «супервизорные системы». Оперативная память машины в рассматриваемом случае представляется как бы разделенной на две части: одна часть постоянно отведена для хранения супервизора, другая часть доступна целевым программам. Супервизор загружает целевые программы в оперативную память машины из внешней памяти (барабаны, диски) или с первичных носителей (перфоленты, перфокарты) и передает управление целевой программе, имеющей в данный момент в соответствии с алгоритмом супервизора наибольшее право на исполнение. В этом случае говорят, что целевая программа вступила в период (или цикл) активности. Если программа во время активного периода окончилась, достигла точки ввода (или вывода) информации или произошли какие-либо другие события, контролируемые супервизором, последний передает управление другой целевой программе, организуя одновременно работу периферийных устройств, затребованную предыдущей программой. Супервизор представляет собой как бы расширение устройства управления машиной, и так как он является «устройством с программируемой логикой», то в сочетании с некоторыми новыми аппаратными средствами позволяет достигнуть большой гибкости и эффективности мультипрограммной системы. Управление мультипрограммным процессом требует, как правило, сложных суперв'изорных программ, создаваемых разработчиками машин и систем математического обеспечения. Однако при наличии этих программ работа программистов целевых программ упрощается, потому что, во-первых, целевую программу можно составлять гак, как если бы она шла на машине одна, и, во-вторых, управление вводом-выводом может осуществляться супервизорными программами. Таким обра-

ратуры: постоянный и случайный. Постоянный отказ связан с неисправностью соответствующего датчика или тракта передачи информации от него до ЭВМ. Будем считать, что неисправности аппаратуры тракта передачи информации контролируются и диагностируются средствами специализированной операционной системы ЭВМ. Тогда информационная система АСУ должна контролировать только данные о работоспособности датчиков. Сигнал о работоспособности датчика формируется аппаратными средствами или программно, например, путем проверки включения сигнала в интервал существования данного параметра. Если определена неработоспособность датчика, то информация, поступающая от него, не запоминается, а оператору АСУ выдается соответствующее текстовое сообщение. Для того чтобы не потерять информацию об изменении параметра, измеряемого неисправным датчиком, необходимо либо резервировать датчик, либо иметь возможность вычислить значение утерянного параметра через другие параметры, связанные с искомым функционально. В последнем случае требуется специальное функциональное резервирование параметра на стадии проектирования системы.

При помощи аппаратных средств соответствующие функции выполняются машиной значительно быстрее, чем программным путем. Поэтому одна и та же функция может реализовываться в малых моделях вычислительных систем при помощи программных средств, а в больших моделях, для которых быстродействие является одной из важнейших характеристик, — аппаратными средствами.

В предыдущем параграфе указывалось, что средства математического обеспечения вместе с аппаратными средствами являются двумя взаимосвязанными компонентами современной вычислительной техники.

пользователя, целевыми программами: Управляющую программу (или комплекс программ), предназначенную для организации мультипрограммного режима выполнения целевых программ, будем называть программой-су-первизор или просто супервизор*. Поскольку наличие программы-супервизор есть главная характеристика данного класса мультипрограммных систем, мы будем часто пользоваться термином «супервизорные системы». Оперативная память машины в рассматриваемом случае представляется как бы разделенной на две части: одна часть постоянно отведена для хранения супервизора, другая часть доступна целевым программам. Супервизор загружает целевые программы в оперативную память машины из внешней памяти (барабаны, диски) или с первичных носителей (перфоленты, перфокарты) и передает управление целевой программе, имеющей в данный момент в соответствии с алгоритмом супервизора наибольшее право на исполнение. В этом случае говорят, что целевая программа вступила в период (или цикл) активности. Если программа во время активного периода окончилась, достигла точки ввода (или вывода) информации или произошли какие-либо другие события, контролируемые супервизором, последний передает управление другой целевой программе, организуя одновременно работу периферийных устройств, затребованную предыдущей программой. Супервизор представляет собой как бы расширение устройства управления машиной, и так как он является «устройством с программируемой логикой», то в сочетании с некоторыми новыми аппаратными средствами позволяет достигнуть большой гибкости и эффективности мультипрограммной системы. Управление мультипрограммным процессом требует, как правило, сложных супервизорных программ, создаваемых разработчиками машин и систем математического обеспечения. Однако при наличии этих программ работа программистов целевых программ упрощается, потому что, во-первых, целевую программу можно составлять так, как если бы она шла на машине одна, и, во-вторых, управление вводом-выводом может осуществляться супервизорными программами. Таким обра-

Аппаратная реализация сложения в цифровых ЭВМ намного проще, чем реализация вычитания, поэтому, как правило, в ЭВМ имеются только команды сложения и отсутствуют команды вычитания. Вычитание одного числа из другого заменяют их сложением, при этом одно из чисел должно быть представлено отрицательным числом. Двоичная система счисления позволяет записывать отрицательные числа. Существует несколько способов представления отрицательных чисел с помощью бита знака. Как правило, бит знака занимает самый старший разряд поля представления двоичного числа. Если число положительное, би'т знака равен 0, если оно отрицательное, то этот бит равен 1.

Аппаратная реализация преобразования страниц. Если страничная таблица хранится в оперативной памяти, то выборка каждого слова требует двух циклов обращения к памяти вместо одного: лишний цикл необходим для обращения к страничной таблице. Для уменьшения потерь времени страничные таблицы хранят в специальных запоминающих устройствах (в быстродействующей памяти небольшой емкости на ферритовых сердечниках либо триггерных регистрах). Например, в машине Sigma-7 для этой цели используется память на интегральных схемах, добавляющая только 60 нсек к каждому циклу оперативной'памяти.

Дальнейшее увеличение быстродействия цифрового фильтра может быть достигнуто при использовании приемов, ускоряющих выполнение операции умножения в элементарных фильтрах. Одним из таких приемов является аппаратная реализация операции умножения, т.е. выполнение операции умножения в специализированной БИС, предназначенной для реализации этой операции. Ниже будут рассматриваться методы ускорения при программной реализации операции умножения. В схеме алгоритма на 8.28,6 предполагалось, что операция умножения реализуется подпрограммой, к которой производится обращение из различных точек главной программы. Использование подпрограммы умножения сокращает объем программы и емкость памяти, требуемой для ее хранения. Однако процессы, связанные с обращением к подпрограмме и возвратом в главную программу, снижают скорость выполнения программы и быстродействие цифрового фильтра. Если стремиться к увеличению быстродействия фильтра, следует, исключив подпрограмму, операцию умножения описывать непосредственно в главной программе. Так как это описание операции умножения в главной программе будет повторяться во всех местах, где требуется выполнение этой операции, то объем программы увеличится и для ее хранения потребуется большая емкость памяти.

Наиболее эффективна в этом случае аппаратная реализация, представленная на 8.30. Здесь регистры Ri-..R5 хранят соответственно переменные zl...zb. Регистры построены так, что в них обеспечивается выполнение операции циклического сдвига вправо. При каждом сдвиге, выполняемом одновременно над содержимым всех регистров, на их выходах образуется кодовая комбинация г[^...г^ (/— номер сдвига). Эта кодовая комбинация используется в качестве адреса, по которому производится обращение в постоянное ЗУ, хранящее функцию т>.

Наиболее известна аппаратная реализация таких обнаружителей по схеме на 4.15, которую можно трактовать как упрощение исходной схемы на 4.14 за счет бинарной дискретизации сигнала Z,-(T) на входе обнаружителя в соответствии с правилом (4.4). В этой схеме операция аналого-цифрового лреобразования выполняется бинарным амплитудным квантователем (т. е. одноразрядным АЦП), а опе-

носятся к простейшим и не требуют больших затрат времени. Более сложной технической задачей является аппаратная реализация соответствующего арифметического устройства при большой разрядности двоичных чисел ZS(T) и 2с(т), так как кроме операции суммирования требуется вычисление модуля отрицательных чисел, т. е. выполнение операций преобразования дополнительного кода (снимаемого с реверсивного сетчика) в прямой. Отсюда следует, что при наличии в составе

свой триггер прерывания ТПР, который запоминает сигнал запроса на прерывание. Сигналы с этих триггеров поступают на общую линию прерывания через схему ИЛИ. Если на линии прерывания появляется сигнал запроса, то МП выполняет специальные команды, которые последовательно проверяют состояние триггеров прерывания. При обнаружении взведенного триггера МП переходит к исполнению подпрограммы, адрес которой устанавливается в соответствии с номером триггера по порядку опроса. Более быструю реакцию МП на запросы прерывания обеспечивает аппаратная реализация опроса ВУ.

— аппаратная реализация 126, 144

Аппаратная реализация сложения в цифровых ЭВМ намного проще, чем реализация вычитания, поэтому, как правило, в ЭВМ имеются только команды сложения и отсутствуют команды вычитания. Вычитание одного числа из другого заменяют их сложением, при этом одно из чисел должно быть представлено отрицательным числом. Двоичная система счисления позволяет записывать отрицательные числа. Существует несколько способов представления отрицательных чисел с помощью бита знака. Как правило, бит знака занимает самый старший разряд поля представления двоичного числа. Если число положительное, то бит знака равен 0, если оно отрицательное, то этот бит равен 1.

О Откладывание вопроса о выделении конкретного исполнителя (для программной или аппаратной реализации) определенного поведенческого фрагмента системы на как можно более удаленный момент при условии, что описание поведения фрагмента существует и может использоваться для моделирования, а возможно даже для синтеза фрагмента. Программная реализация может быть достаточно компактной. После реализации основных функций ядра МП-системы добавление еще одной программы, как правило, будет очень слабо влиять на объем памяти, уже заложенной в систему, и не будет требовать замены типа используемой БИС памяти. Даже существенная модернизация функционирования системы (при правильно заложенных ресурсах модернизации) не требует изменений конструкции печатной платы при переходе к следующему более емкому корпусу ИС памяти. Основным результатом безоглядного наращивания числа параллельно исполняемых задач на одном и том же процессоре может оказаться ситуация, когда программная реализация не сможет вовремя реагировать на внешние события. Аппаратная реализация, в отличие от программной, хотя и требует значительных ресурсов, но зато не накладывает столь жестких ограничений на поведение одновременно работающих фрагментов.

Трудоемкость преобразований, реализуемых на этапе логического анализа, как правило, значительно уступает трудоемкости этапа выделения признаков. К тому же логический анализ трудно поддается распараллеливанию. Поэтому в настоящее время аппаратная реализация задач этого этапа практически не используется. В то же время аппаратная поддержка предварительных этапов обработки обеспечивает значительный рост производительности систем обработки сигналов и изображений и является во многих случаях оптимальным решением по критерию соотношения производительности и стоимости. Результаты предварительной обработки (отфильтрованный сигнал, спектральная функция и т. д.) можно передавать в процессорное ядро системы для логического анализа. В данной книге мы остановимся только на реализации типовых задач этапа выделения признаков в наблюдаемом сигнале, прежде всего задачи фильтрации.