Файл: Журавлев, Ю. П. Системное проектирование управляющих ЦВМ.pdf

шая наибольшую «сжимаемость» программ, выбирается за основу.

Математическое моделирование также не лишено не­ достатков. Во-первых, не для каждой ситуации можно, как это указывалось, построить более или менее точную математическую модель, а во-вторых, в некоторых слу­ чаях испытания математических моделей с помощью ЦВМ требуют очень больших затрат машинного времени.

§ 1.6. ЭТАПЫ ЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЮ Щ ИХ ЦВМ

Бурный прогресс новейших средств обработки дис­ кретной информации настоятельно требует дальнейшего развития теории проектирования ЦВМ и особенно той ее части, которая охватывает круг задач, связанных с вы­ явлением оптимальной в определенных смыслах логиче­ ской структуры машины, т. е. теории логического проек­ тирования [1, 2].

Проектирование вычислительных машин до сих пор остается трудоемким творческим процессом, требующим длительного напряжения больших коллективов. Нередко сроки разработки машин настолько затягиваются, что машина морально устаревает, не успев появиться на свет. Это происходит по целому ряду причин. Во-первых, на каком-то этапе могут вноситься изменения в ранее принятые решения, которые объясняются либо допущен­ ными ошибками, либо стремлением реализовать новые оригинальные идеи. Зачастую это приводит к тому, что проектирование приходится начинать сначала, поскольку вносимое изменение может потребовать существенного пересмотра других технических решений.

Во-вторых, обилие и большой объем выполняемых ра­ бот требуют внедрения в практику автоматизации про­ цессов проектирования.

Необходимым и достаточным условием автоматиза­ ции процесса проектирования ЦВМ является полная формализация и алгоритмизация всех задач, решаемых в процессе проектирования. Для этого необходимо оты­ скать действительно массовый алгоритм логического проектирования, что возможно лишь при условии полной разработки всех теоретических вопросов. В настоящее время построить такой алгоритм нельзя, поэтому целесо­ образно решать эту проблему по частям путем построе­

53

быстродействие, скорость работы внешних устройств й некоторые другие.

2. Макросинтез логической структуры ЦВМ. Целью решаемых на этом участке логического проектирования задач является выявление типов, количества и характе­ ристик функциональных узлов-сумматоров, счетчиков, дешифраторов, различного вида регистров и др., а так­ же связей этих узлов между собой и порядка их работы по времени.

При этом функциональные узлы рассматриваются безотносительно к их детальной логической структуре как «черные ящики», для которых известно лишь функцио­ нальное назначение. Другими словами, на участке макросинтеза рассматриваются вопросы, связанные с вы­ явлением укрупненной функциональной схемы проек­ тируемой ЦВМ и определением порядка функционирова­ ния этой схемы во времени, обеспечивающем ее соответствие предъявляемым к машине требованиям.

Основной исходной информацией для решения за­ дач макросинтеза являются сведения о технических ха­ рактеристиках машины и об условиях ее работы, т. е. об алгоритмах выполнения машинных операций, преду­ смотренных системой команд.

3. Микросинтез логической структуры ЦВМ. Комплекс задач, решаемых на этом участке синтеза, имеет целью выявление детального строения оптимальной логической структуры проектируемой ЦВМ вплоть до отдельных логических элементов некоторого фиксированного ба­ зиса.

Основной исходной информацией, необходимой для решения задач микросинтеза, служат сведения о поряд­ ке функционирования во времени выявленной на участ­ ке макросинтеза укрупненной функциональной схемы проектируемой ЦВМ.

Пусть макроструктура проектируемой ЦВМ задана. Используя известные методы синтеза конечных автома­ тов (11—13 и др.], можно выявить оптимальную микро­ структуру каждого функционального узла, однако это не означает, что оптимальным образом раскрыв детальную микроструктуру каждого функционального узла, мы тем самым получаем оптимальную микроструктуру всей ма­ шины. Дело в том, что всякая ЦВМ, помимо функцио­ нальных узлов, предназначенных для непосредственной переработки внешней по отношению к машине информа-

55

Ции, ^содержит целый ряд обслуживающих логических цепей, выполняющих функции управления процессом пе­ реработки этой информации. Эти логические цепи, как правило, являются комбинационными автоматами' без памяти и для выявления оптимальной структуры этих ЦВМ вполне достаточно сведений о макроструктуре

Обзор периодической и фундаментальной литературы, посвященной тем или иным вопросам логического проектирования, в настоящее время характеризуется следующими основными чертами. Во-первых, задачи под­ лежащие решению в процессе логического проектирова­ ния, являются типовыми экстремальными или много­ экстремальными задачами. Во-вторых, задачи различных участков описанной выше модели логического проекти­ рования, как правило, сильно взаимосвязаны и должны решаться совместно. Характер взаимозависимости меж­ ду логическими и техническими параметрами разраба­ тываемых ЦВМ не поддается пока точному математиче­ скому описанию, что приводит к необходимости расчле­

В результате такого подхода на практике зачастую при­ ходится после выявления логической структуры машины возвращаться к первому участку и уточнять некоторые ”3 технических параметров и т. д.

Задачам первого участка логического проектирова­ ния, т. е. задачам разработки критериев эффективности ЦВМ и задачам выбора и расчета основных технических характеристик уделяется здесь основное внимание.

Что касается вопросов макро- и микросинтеза, то они в достаточной степени освещены в литературе (см на­ пример, [1, 2, 10] и др.).

Для сокращения сроков проектирования вычислитель­ ных машин в настоящее время ведутся интенсивные ра­ боты по автоматизации проектирования ЦВМ. При этом решаются как вопросы автоматизации отдельных этапов проектирования, так и вопросы автоматизации всего процесса проектирования.

Автоматизация процессов проектирования ЦВМ осно­ вывается на использовании аппарата математического моделирования и применении алгоритмических методов описания как логических структур проектируемых ЦВМ, так и режимов их функционирования в дискретном авто­

56

матном времени. Строят и испытывают модели разра­ батываемых объектов с помощью универсальных ЦВМ.

Для любого исследуемого объекта, процесса можно построить математическую модель и испытать ее, исполь­ зуя различные возмущающие факторы. Математическая модель представляет собой совокупность соотношений (например, уравнений, неравенств, логических формул и др.), описывающих с достаточной степенью приближе­ ния поведение исследуемого объекта в зависимости от его характеристик, а также исходных условий. При по­ строении математической модели проектируемого объек­ та должны учитываться его основные параметры. Из­ лишняя детализация и учет второстепенных параметров значительно усложняют процесс моделирования, делают его длительным и дорогостоящим. С другой стороны, чем большее число параметров учитывается при модели­ ровании объекта, тем с большей степенью точности до­ стигается соответствие модели реальному объекту.

Математическая модель разрабатываемого объекта преобразуется в специальный моделирующий алгоритм универсальной вычислительной машины. Исследование модели сводится к реализации моделирующего алгорит­ ма на ЦВМ, фиксации и выводу информации о требуе­ мых параметрах и характеристиках, а также обработке полученных результатов. При этом приводится анализ самых разнообразных вариантов решений, в результате чего может претерпеть изменения моделирующий алго­ ритм.

Моделирующий алгоритм может быть записан на входном языке универсальной вычислительной машины, для чего должны быть использованы методы непосредст­ венного программирования. Однако такой способ записи моделирующего алгоритма является трудоемким. Ис­ правления описаний моделей, которые неизбежно со­ провождают процесс проектирования, в этом случае вы­ зывают дополнительные трудности и приводят к боль­ шим затратам времени. Кроме того, моделирующий алгоритм должен быть записан в виде, отображающем особенности структуры конкретного моделирующего объекта.

Поэтому описания моделирующих алгоритмов разра­ батываемых объектов выполняются с помощью ориенти­

57

печивают автоматический перевод описания модели

салгоритмического языка на язык цифровой машины. Поскольку на отдельных этапах проектирования

ЦВМ решаются разные задачи, то предъявляются и различные требования к алгоритмическим языкам, ис­ пользуемым на этих этапах. В настоящее время создано достаточно много алгоритмических языков, например, СОЛ, ЛОТИС, АЛОС, ЛЯПАС и др., которые использу­ ются для описания моделей разрабатываемых объек­ тов.

Так, алгоритмический язык СОЛ ориентирован на создание моделей сложных систем. Он создан на базе универсального алгоритмического языка АЛГОЛ. Ха­ рактерной особенностью языка СОЛ является возмож­ ность параллельного выполнения последовательностей операторов.

Ориентированный алгоритмический язык ЛОТИС ис­ пользуется для описания логической структуры ЦВМ на этапах макро- и микросинтеза. Язык удобен для описа­ ния временной последовательности работы вычислитель­ ных машин. При описании разрабатываемых объектов на языке ЛОТИС используется иерархический принцип, позволяющий строить структурные схемы с различным числом уровней.

Целый ряд работ по созданию ориентированных язы­ ков проведен в Советском Союзе. Примером тому могут служить языки: АЛОС — язык описания алгоритмиче­ ских структур вычислительных машин и устройств; СЛЭНГ — язык программирования, ориентированный на описание и моделирование вычислительных машин; ЦИМОД — язык для записи и моделирования работы цифровых структурных схем; хМОДИС — язык, исполь­ зуемый для описания функциональных схем и времен­ ных диаграмм дискретных устройств; ПРОЕКТ— алго­ ритмический язык, позволяющий решать задачи синтеза и моделирования цифровых автоматов, а также задачи технического проектирования. Известны и другие языки.

В настоящее время ведутся работы по созданию си­ стем автоматического проектирования, позволяющих автоматизировать весь процесс проектирования вычисли­ тельных машин. Автоматизированные системы проекти­ рования представляют собой совокупность аппарата ма­ тематического обеспечения и различных технических средств, позволяющих широко использовать универсадь-

58

ные ЦВМ на всех этапах проектирования. Математиче­ ское обеспечение должно состоять из алгоритмических языков, основных моделирующих программ и алгорит­ мов, программ обслуживания системы, языка общения с системой при реализации программ проектирования. Технические средства должны обеспечить удобный об­ мен информаций между проектировщиком и машиной, возможность гибкого управления системой, высокое ка­ чество выходной документации.

Использование ориентированных алгоритмических языков и аппарата математического моделирования по­ зволило почти полностью автоматизировать отдельные этапы проектирования вычислительных машин, в частно­ сти, этапы макро- и микросинтеза. Большой практиче­ ский эффект дает решение задач автоматизации этапа технического проектирования.

В настоящее время известен ряд систем автоматиче­ ского проектирования, например: малая система авто­ матизации синтеза цифровых автоматов, разработанная в Институте кибернетики АН УССР, которая осущест­ вляет построение функциональных схем цифровых авто­ матов; сквозная система автоматического проектирова­ ния ЦВМ, разработанная в институте математики СО АН СССР, предназначенная для проектирования эле­ ментарной машины однородной вычислительной систе­ мы; система автоматического проектирования с исполь­ зованием логических схем на твердом теле, с помощью которой проектировалась IBM/360, а также и другие

отметить, что получение математических моделей, с до­ статочной полнотой описывающих поведение ЦВхЧ под управлением операционной системы, в настоящее время оказываются невозможным, так как характер взаимосвя­ зи между логическими и техническими параметрами раз­ рабатываемых ЦВМ не поддается пока точному мате­ матическому описанию. Часто при исследовании вычи­ слительных систем практически полезные результаты, близкие к реальным, удается получить сравнительно простыми аналитическими методами. Например, для анализа систем с разделением времени можно исполь­ зовать готовые результаты теории массового обслужива­ ния; при выборе и обосновании внутреннего языка

59