автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Разработка структурно-интерпретированных микропроцессорных вычислительных систем на основе таблично-разрядных методов вычислений

РГ6

АКАДПЛЯ НАУК УКРАШШ ИНСТИТУТ ПР0БЛЕ1 МОДЕЛИРОВАНИЯ В ОНЕРГКГОКЕ

ОД

На правах pyitormcn УДК 6Л1.32Г,

ВЕЛИЧКО Сергея Михайлович РАЗРАБОТКА СЛ7ТОТ7ИЮ-ИГГЕРПРЕТИР0ВА1ГШК МШСРОПРОЦЕССОРНЩ

внчяслителншх. гостем на основе такжчно-разрящш миолог. вычислений

Специальность 05.13.13 - Вачпслителыше илшны, комплпксч, систевд и сети

Автореферат ДИССВрТЯЦИИ ЛЯ СОИ1Ж8НИГ! ученой СТеПРНИ кяндалчтя технических каук

КИЕВ 1993

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена в Киевской институте инженеров гражданской авиации

Научные руководитель - доктор технических наук,

профессор Стаскм А.И. Научный консультант - кандидат технически! наук

Корченко А.Г,

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Роианцов В.П. - кандидат технических наук Скорик В.Н.

Ведущая организация - Институт кибернетики АН Украины

о ,„&0

часов

на заседании специализированЯЬго сойёта Д016.61.01 Института проблем моделирования в энергетике АН Украины по адресу 252680, г. Киев-164, ул. Генерала Наумова 15.

Занята состоится ЫтЦл 1993 г. В /Г часс

асеДании специализированного совета Д016.61.01 Институт

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблей моделирования в энергетике АН Украины.

Автореферат разослан 7*7 М^ьМИ** _ 1993 г

Ученый секретарь

специализированного соврта .

кандидат технических наук Э.П.Сеиагика

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность. За последние года существенно возросло чис-ю проблей,связанных с моделированием крупномасштабных задач [ли пробедением численного эксперимента в фундаментальных и ¡рикладных исследованиетребующих для их удовлетворительного чтения более совершенна вычислительных средств с производи-ельностью, измеряемой сотнями миллионов и миллиардами операций ; секунду. Постоянное развитие интегральной технологии способ-твовало появлению вычислительных систем принципиально новой рхитектуры с распределением функций, нагрузок, организацией аралиельной обработки информации, а также обладающих улучшенными характеристиками, такими как надежность, кивучесть и др. ткрылясь перспективы для развития новых методов параллельных ачислений с учетом особенностей функционирования как зксплуа-ируемнх, так и разрабатываемых вычислительных средств. Появил-н ряд направлений, отражающих современные тенденции увеличен ия производительности вычислительных средств, организация ко-орых осуществляется на базе модели большого числа параллельно вботаодих процессорных элементов. Стало очевидным, что архи-эктурные решения современных вычислительных систем и тех, ко-зрые появятся в ближайшее время, будут определяться в первую зередь уровнем развития интегральной технологии. При этом наи-элве весомый вклад в достижение высокой скорости вычислений 5еспечивает адекватность архитектуры вычислительной системы тсленныы методам решения класса задач, на который она рассчи-ша.

На основе опыта развития вычислительной техники и анали-1 существующих и разрабатываемых вычислительных систем иокнд делать вывод, что потенциальные возможности относительно уве-гчения производительности вычислений состоят в совместном ис-» юдоввнша алгоритмов и вычислительных систем на уровне разря-® обрабатываемой информации с целью болега полного использо-!Я возможностей создаваемых и существующих больших и сверх-(льшх тггвгрэлышх схем. . '

В связи-с этим, целью настоящей работы является разработка исследование таблично-разрядных методов вычислений, обеспечи-щйх ряспраллвливаниа вычислительных процессов на уровне Си-

парных переменных и на их базе создание методов синтеза сверхбыстродействующих вычислительных структур, обеспечивающих обработку информация за время переходного процесса в схеме и микропроцессорных систем, ориентированных на современные интегральные технологии,

В соответствии с поставленной целью исследования провода-лись в следующих направлениях:

-разработка методов таблично-разрядной интерпретации математических моделей и создание способов формирования аналитических зависимостей и вычислительных процессов на уровне разрядов представления информации!

-разработка таблично-разрядных методов вычислений, использующих ограниченное число простых операций, например алгебраического сложения и сдвига;

-на базе существующих и перспективных СБИС создание методики синтеза сверхбыстродействующих процессоров, представляющие собой объединение запоминающего блока и параллельного однородного вычислителя}

-разработка методики построения функционально ориентированных микропроцессорных вычислительных систем на основе предложенных высокопроизводительных процессоров;

-создание способов оценки показателей качества функционирования разрабатываемых вычислительных устройств и систем.

Методы исследования. В работе использованы методы линейной алгебры, математический аппарат Т-преобразований„ метода диагностики, основные положения теории моделирования, теории графов, а такке логические и схемотехнические методы анализа и синтеза вычислительных структур. Исследование правильности теоретических положений разработанных методов проводилось иммитационвш моделированием и результатами зкепереиентальных исследований. Научная новизна работа заклшается в следующем. Проведенные теоретические в прикладные исследования организации высокопроизводительных таблично-разрядных вычислительных структур и микропроцессорных вычислительных систем на их основе позволили получить следующие новые научные результаты! • I. Разработаны, ориентированные на аппаратную реализацию, таблично-разрядные метода вычислений,позволяющие распараллелить

вычислительный процесс широкого класса математических моделей и Трансцендентных функциональных зависимостей на уровне разрядов предетапленил информации, показана возможность организации параллельных вычислений в виде однотипных разрядных рекурентюи процедур.

2.Предложены методы синтеза сверхбыстродействующих табличНо-разрядных многофункциональных вычислительных структур, вклю-чащих однородный параллельный матричный процессор, блок памяти хранения опорных точек и промежуточных коэффициентов, которые обеспечивают организацию одновременного прохождения и обработки потока данных за время переходного процесса и ориентированных на совреченн/ю интегрлльную технологию в виде СБИС.

3.На основе предложенных таблично-разрядных вычислительных структур разработана методология синтеза высокопроизводительных структурно-интеотретироваиних микропроцессорных систем позволяющих благодаря организации воспроизведения фрагментов математических модрррй в процессе выполнения команд обмена существенно увеличить производительность вычислений.

4. Получены аналитические зависимости, позволяющие оценить 9ффективкэсть р..зра1отаных таблично-разрядных вычислителей я зтруктурно-иитерпретироваиных микропроцессорных систем.

Прпкти':оска'и ценность работы заключается в разработке ттенерной методики синтеза таблично-разрядных процессоров я . груктурно-интерпретированнчх шкропроцессорных систем, на бвзв соторой получено! °

Г.Шрокий набор структур таблично-разрядных процессоров, Срабатывающих информации за время прохождения сигнала между годными и выходными шин я ми.

2.Структуры многофункциональных параллельных процессоров, юзволяюиих за время переходного процесса воспроизводить заданию математическую зависимость, что определяется по условию настройки вычислителя.

3.Нв основе предложенных процессоров, ряд архитектурных ешений микропроцессорных вычислительных систем повышенной ян-ориацаонной производительности я ориентированных на рвяюниё адач линейной алгебры, обработки сигналов в др.

Работоспособность предложенных структур проворена ииягацв-

оннш ыоделировашец и результатами эксперементалышх исследований макетного образца структурно-интерпретированной микропро-' цессорной вычислительной системы. Новизна технических решений подтверждается авторскими свидетельствами.

Гашмзация и внедрение рпзультятов. Полученные результата были использованы при разработке и создании макетного образца микропроцессорной вычислительной системы, структурно ориетиро-вшшой на обработку сигналов, который внедрен. Основные результаты работа таете используются при курсовом и дипломном проектировании в учебном процессе Киевского института инженеров гражданской авиации (КНИГА). Кроме того, результаты исследований используются в госбюджетной и хоздоговорной научно-исследовательской работе, проводимой на кафедре КНИГА.

А1робацин рабоуц■ Основные положения диссертационной работ докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Математическое моделирование в энергетике" (г.Киев 1990;, на четвертой научно-технической конференции "Проблемы нелинейной злектротепшки" (г.Киев 1992), на научной конференции "Метода и средства прикладного моделирования" (Киев 1993), а также на научных семинарах ЙГМЭ АН Украины, на заседаниях кафедры Киевского института инженеров гражданской авиации.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе два авторских свидетельства На изобретение.

ОПьем и структура диссертации. Диссертационная работа ссдершг введение, четыре главы и заключение, изложенная на страницах машинописного текста, 26 рисунков, 5 таблиц, спи' сок литературы содержит 127 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАКОТЫ

Во рн&лянш обосновывается актуальность работы, формируется ее цель я основные положения, выносимые на защиту и указывается логическая взаимосвязь глав.

В первой глвви на основе проведенного анализа существующих и разрабатываемых вычксштельных систем, а также с учетом опыта развития вычислительной толики делается вывод, что потенциаль-,ные возможности относительно увеличения производительности вычислений состоят в совместном исследовании алгоритмов и вычислительны; структур на уровне разрядов обрабатываемой информации

- б -

с целью более полного использования вознокностей создаваем а м существующих больших и срлрхбольших интегральных схем.

Для организации парыьлельных алгоритмон функиионирумциг на уровне разрядов и быстродействующих вычислительны! сгрухт.ур формируется ряд определс:шй,

ОПРЕДЕЛЕНИЕ I. Принцип таблично-разрядной интерпргтадш математической модели ф (х,у)= 0 состоит в представлении ее в виде двух фрагментов, первый из которых представляется как Хр Ф(У',е:1,г4') где Х1, У^- значения старших разрядов векторов X, У; <р - оператор; е^ - вектор промежуточных вычислений; г - основание системы счисления, а второй представляется системой

к к-Г .

разрядных уравнений Х^ = <р( Xj lej,г 1 ),мп основания каждого

из которых воспроизводится к-й разряд искомого вектора X.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ 2.Тяблично-разрядные метода вычислений - численные методы решения задач с распараллеливанием вычислительного процесса таким образом, когда ш - старших разрядов Х^ вектора неизвестных X и полноразрядный вектор промежуточнях вычислений & определяется на основе таблицы в соответствии с

I *

= Ф (У^.е^.г ), а (п-га) младших разрядов Х(- вектора X -

путем моделирования соответствущих к - разрядных уравнений I к-<

% а ф ( Х^^.е^г"')-

ОПРЕДЕЛЕНИЕ 3.Таблично-разрядными процессорами называются рараллельные вычислительные структуры, состоящие из разрядно-¡штерпретированной электронной модели системы разрядных уряв-

к к-1 I ,

нений Xj = ф ( Xj,Уj lEj ,г~') и запоминающего устройства для хранения и воспроизведения т-разрядного неизвестного X и полноразрядного вектора промежуточных вычислений е1_. Предполагается, что при подаче . на вход таблично-разрядного процессора заданной величины X, через время, равное переходному процессу в схеме, на выходе запоминающего блока формируется и старших разрядов искомого вектора Х,а на выходе разрядно-интерпретаро-ванной электронной модели получаем п-ш младших разрядов этого ке вектора X.

Подобный подход позволяет в большей степени использовать преимущества современных БИС, в частности ПЗУ. Поскольку время считывания с ПЗУ приблизительно равно времени воспроизведения

одного разрядного уравнения, то быстродействие таблично-разрядных процессоров в несколько раз выше, чей в однородных разря-дно-отггерпрвтированных структурах.

Благодаря тому, что вычислительный процесс в параллельных таблично-разрядных вычислителях реализуется асинхронно за время переходного процесса в схеме, то представляется перспективным синтез на их базе микропроцессорных вычислит? яыш* систем, обеспечивающих организацию одновременного прохождения и обра-Сотки потока данных, <[ри этом производительность вычислнвдй в теких иикропроцвсооршх структура* будет определяться скоростью вычислений матричного процессора, а широкие логические возможности - применяемыми микропроцессорный» элементами.

Микропроцессорные системы, структурная ориентация которых осуществляется путем применения заданной совокупности параллельных табличных разрядно-интерпретировышых процессоров, обье-диненных в архитектуру, отображаодую особенности класса решаемых задач, и обрабатывающих информацию как в процессе обмена с г микропроцессорными элементами, так и параллельно с ними называются структурно-интерпретированными микропроцессорными системами.

Фермулирется концепция создания структурно-ориентированых микропроцессорных вычислительных систем.В зависимости от класса решаемых задач или сложности воспроизводимых математических моделей структурно-интерпретированные системы представляются многоуровневыми. В основу архитектурного принципа их синтеза положен принцип декомпозиции и таблично-разрядного представления математических моделей на базе которого модвль <р(Х,У)=0 представляй тсв в виде (Х1 ^^>=0, ^ Л^ )=0. Далее, на основе принципа структурной интерпретации микропроцессорных вычислительных систем определяется количество и тип параллельных разрядных процессоров и микропроцессорных элементов.

Первый уровень иерархии представляют собоЛ методы синтеза табличных разрядно-интерпретиров^нных процессоров для обработки скалярных данных и на их базе микропроцессорных систем с обработкой информации в процессе передачи дангых. Метод« синтеза параллельных процессоров для обработки данных, представленных в векторной форме, в способы организации микропроцае-

с.оршх систем на их основе представляют второй уровень иерархии, Вычислительные структуры, моделирующие математические задачи, и синтезируемые но их базе микропроцессорные системы, обеспечивающие обработку информации в процессе передачи и приема данных, определяют третий уровень. Вычислительные структуры всех трех уровней когут использоваться как самостоятельно, так и в качество составных блоков вычислительных комплексов для обеспечения 1ребуемоЯ скорости вычислений.

Изложенный в этой главе подход построения структурно-интор-претированных вычислительных систем позволяет существенно увеличит!. производительность вычислений,благодаря параллельной обработке фрагментов математических моделей, и открывает возможность повышения уронил машинного языка, а такяе иувдествешгого упроще;шя процесса их программирования и синтеза.

Во ото рой главе изложены методы синтеза широкого масса параллельных вычислительных структур на основе табличчо-разряд-ных способов обработки и!п$ормацки, ориентированных на интегральную технолошю. В инженерной практике довольно часто возникает необходимость в моделировании, експоненидаалыгой фушеции вида

ï = s

Для

вычислительного

организации таблично-разрядного процесса значения Y = ех представим аргумент X в виде даух зна-

fm) in -irr)

чений X x 4 X где n - разрядность представления инфор-(т) _(n-mJ

иации, X -и старших разрядов аргумента разрядов аргумента т.р.

Um)

i 2 m

X X ... X

t

vfn-m)

i x(

- (n-ro) младших t

m* i m»2

X X ... X

Далео представим выражение Y = e как

e*i,. ,e"j

3 = О, I, 2, ... | X,

g1 exo ex i ln(I+2(n,t")

и учитывая, что Y = e • (1+2" )• (1+2

) ... (1+2 " J ' )

Запишем систему разрядных уравнения следующим образом

П i. i 0

при > , i- - Г: - Î: 0 îj < 0 J ' 11 *

yjif» yj+ 2~<m>l yj

с

X 1 > 0

1 при '

-xj-i+xj

(I)

т (п т) т

где у4= в1 , X -Х,=11Р 3 - 0,1,...п-т, 8*

На основе разрядных уравнений предлагается параллельный

процессор, включающий ПЗУ для хранения 2™ значений ех, и матрицы сумматоров, воспроизводящих(п-ш) разрядных уравнений (1), Время вычисления экспоненициальной функции определяется длительностью переходного процесса 1, равному Т= (п-п>И) ("ч <1 ), где я - задержка вносимая г.умыатором;^ - задержка, вносимая группой элементов И. Аналогично, более;общий случай моделирования показательно-степенной функции У при и > 0, 0 * X 4 I при дета-вляется системой рекуррентных уравнений.

" ^ а ) 1-1,а,...П-ш , У -о* (2)

Если -15 X 5. О, то выражение (2) представляется в форме

им/

т* j

При моделировании задач, сводящихся к системе нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений, к.чк правило, возникает необходимость в воспроизведении нелинейных зависимостей.

одной из наиболее чаете встречающихся есть извлечение квадратного корня X = при 04X41, 0 « У 4 I. Представив

поразрядные значения Х1

■Ш..1

1

X • • » х!

которые определяла

TTf У I У

по таблице и соответственно 2т-разрядные У

1=Т,?.,..»2™. Тогда чацгнй (im-J)-® разряд искомой величины определяется по разрядным уравнениям

«<-<...........г, 7-1

if<j £3 > Хс О

vf < IV V

d-I,2,...n-m, где S.» У - У,, >.=1, f

<11

значение переноса из

старшего разряда при вычислении

7! ,

i ii

i

Поскольку m старших разрядов искомой величины X считывают-ся из памяти, а п-га младших разрядов воспроизводятся по уравнениям (3), то время вычисления квадратного корня X = /У будет определяться по выраженью Т = (п - ш + 4)- г, где х- моделирование зависимости (3).

Поступая по аналогии,реализуем синтез параллельного таблично-разрядного процессора для вычисления тригонометрических функций У =» ЭШф! X = СО&р, при 0 i ср S П/2, Запишем

< 1 » - < V m 11 ГТ ♦ 1 n

ф а Ф Ф <P Ф ! Фе„.т; = Ф Ф • . ■ Ф Ф

Старшие га разрядов синуса и косинуса представляются в виде таблиц Х„ = СОБф„ , = БШ фт , значение п-ш младших разрядов аргумента используются для уточнения Х„ У„ по выражению

^ Го

если

«W О

(4>

V* -Л^Л.«' 10

'Р»«!® 'Чг ~ Нру Ек " Н=

гк.т =хт- с=сошр с, Ук-Г) с=в!пфт с, о = п «а м

Кычислокие обратных тригононетрическиг фуякцяй <р{ = агсвШУ и ф1= агссовУ » П/2-^ при 0 i X 1 I может ЙЫть организовано

следующим образом. Запишем значения <рт = агсв1пУш, Хр= С-со&р^,

Л-1 I ь

1С* С-в1п(рт , С = п(сов Лс^) , 2\ где <рт, Ут - га

к «т

старших разрядов ф и У соответственно. Рекуррентные выражения роспризведения обратных тригонометрических функций представля-

ются как

(-1 yL <0 г-1 \

in" 1 при , t Е :,.«= { при

Ii yU(>0 l 1 \

Vi"1' Ym.t= Y

xi<0 \>0

(5)

где 1= пн-1,п)+2, •.. 2(п-т)чт , а к= ^ при 1-четнои, к= ^ при 1-нечетном.

Время вычисления обратных тригонометрических функций монет быть определено по следующему выражению Т = 2(п-пн1 )• а.

При решении многих прикладных задач часто возникает неоЗ-Ходимость вычислять за короткие пропеку тки времени ¡.¡^личные математические зависимости. В качестве примера возьыии задачу моделирования текущих гначений координат вектора,что представляется выражениями

У( = а со ad + <3 Bind, Yj = б cosd + a Bind Представим d как

(6)

при 0 i d. i 11/2

dm

Z 4

d d d d ... d

oL

in-m)

я.ГГ IT. . г (TJf 3 in* ^ n

a d d d ... a

Далее■представим выракакие (6) как

л -/л

где С = | | со&р" i>l

Yi = С( a coed + б Bind ),

Уг = С( в coed + а вШ ). <j>m'* = arctg 2 *1' и запишем сиптему рекуррентных вяракений

,1»!

*<т г

yUl=i4yj е1' '

. I mtl i

di~ Ф е

i»< 2 * <т ♦11

g - <<" • i >.

1 » 0

, пр1Ч„ <о

=1, 1= 0,1,2,3,.. .n-m. (7,

Время вычисления значений У< Yt в параллельном процессоре по выражению (6) будет равно задержке сигнала между входными а выходными шинами которая определяется как Т = (n-m+2)-a.

При решении навигационных задач нвобходамо с шейкой скоростью воспроизводить синусно-косинусные произведения вида УА= slnci ainfi; Y4 = cood elnp; Bind сова; Y^* coed сов|Э; (в) Поступая по аналогии представим значения аргументов

, . m ,п-т , m гi-m

d = d+ d , |) = - р и сформируем систему разрядных уравнений как

< У'Г + У/ 1

V'l2"

U> -

Уз = *з * 4 1 " '

+ V' - у^' ''к1" 2"''У^е' г' 2~^''

4 ~~ 4 31 "¿г 11 'г

сб * о при ; (1 = й

в, < О ^

Л-/П ГЯ, I

п п I -/

= Рг ,:< ф

1 р| * о „ п,

ПРИ „ ' I3! = I3 . -

-1

д < о

При иоделировашм быстропротекающих процессов достаточно часто возникае';' необходимость в применении параллельного многофункционального процессора для воспроизведения ряда макроопера-цай, синтезированных на базе единой архитектуры. К таким микрооперациям мокно отнести операции деления, умножении и извлечения квадратного корня. При выполнении операции деления X = У/г,

V П Ч V и V

представлено?! в форме У-^2 I Х=0, базовой операцией явля-

v V 1 v

ется У^У^ -5 I. В процессе ноделмропанип операции умно-

V V v i

;шшя Х=У 1 рекурентной операцией является У^ У;.£ -2 е.^ 2 У. Вычисления X - /у реализуется на основе-

"г " -,. _ 1-4

X X ... X 0 I

У = 2 X X х" X , Х<

I •I

Соьынсгная система разрядных уравнений формируется как

ч v ■Г«' v у

' \ гу,

v v v

¥1 - -Г2"'

» v -К' v ,

■ Ч

1 У' О при » к О У< О

1 К = 1

при . (10)

-1 X = О

При моделировании рцраяекшз СО) в многофункциональной

процессоре воспроизводится значение \ и далее,в зависимости от настройки, вычисляется реэ/льтат произведения Уп или соответст-

ввнно разряды X частного, либо кор>ш. Аналогично ыоано записать совокупность разрядных уравнений для воспроизведения экспоненциальной У = ах а логарифмической X * 1пУ функции следующим образом

■ 1.4 -

4 г1 0 '

<СЫ = 2е^! =|0при ^ о |

^ ' ( *и{ при 1 х (И)

{'Х^Хи, . &= О

Г1 ^ 0

х'иг + ХА ! Ч = "Ри е „ ' 5

1 . (.0 О

<*1 =

1*» *

\ Ц-

Многофункциональный матричный процессор для. ■чоспроизведв-ния тригонометрических, гиперболических функций, а также операции поворота вектора формируется ив системе рекуррентных базовых выражений вида

х1ч= * " '„„ 0

уЫ= ^ - е У г-1» '

при

-1 фи1< 0 (13)

При этом, если воспроизводятся тригонометрические, гиперболические зависимости или поворот вектора,то начальные условия воспроизводятся соответственно

»

^ = С1-в1пого! = С(- СОБО^; -Г^сов Ц,

X, = Сг' сы0\ \ = сгт сг Ч

Х^ сз- (асовс<0>6в1пс^), Хг с3' (есовсго-ав1пс(0), С3 =^сов Ло^

В последние годы для решения нелинейных дифференциальных уравнений широкое развитие получили метода Т-преобразоввний. В работе предложен подход организации трехмерного цифрового генератора для воспроизведения функций в Т-области, а также рассмотрены вопросы построения параллельных вычислительных структур для генерации Т-спектров. В качестве примера рассмотрен вопрос синтеза параллельного процессора для вычисления Т-спектра фуню-тга У я 1пХ путем моделирования в области изображений зависимости вида^ (1+1>Х(к-1Ш1+1ЫКИ>Х(к+1).

Третья глава посвящена вопросам синтеза . структурно-интер-

претированных микропроцессорных вычислительных систем на основе таблично-разрядных и многофукционалышх процессоров. С точки зрения практического применениям в теоретическом плане, весьма перспективной прпдставлявтся организация микропроцессорной вычислительной системы таким образом, когда асинхрошшс таблично-разрядныв процесоры используются для обработки информации во время реализации микропроцессором обмена денных с памятью ила внешними устройствами т.е. в процессе реализации микропроцессором цикла шины. При такой организации вычислений микропроцессор за одно и то же время осуществляет не только запись или считывание из блока памяти или внешнего устройства, но и выполняет над этими данными макрооперации, групповые операции или другие преобразования, что определяется типом используемого таблично-разрядного процессора. Такой подход позволяет в полной пере использовать преимущества современной микропроцессорной техники и микроэлектронной технологии, а также существенно увеличить производительность вычислений. Особенностью архитектурной реализации разработанной микропроцессорной системы является применение в базовой конфигурации микропроцессорного комплекта таблично-разрядных процессоров, подключенных выходами с помощью шнкых формирователей у мультиплексной шине микропроцессора. Тжэя структурная организация позволяет реализовать традиционный обган данными ыекду микропроцессором и внешними устройствами, а в случае,когда реализуется обмен данными с обработкой, то системным контроллером осуо-зствляется автоматическое подключение мультиплексной шиш микропроцессора к выходам параллелышх вычислительных устрой) ти.

. Рассмотрена реализация * микропроцессорной вычислительной системы, структурко.-ориентированной на выполнение векторно-мат-ричнах преобразований и задач линейной алгебры. Приведен анализ производительности и Еффективности Ире укж шшх вычислительных систем в зависимости от степени распараллеливания вычислений а. размерности решаемых падач, показанъ пути увеличения производительности вычислений, базирующее^ на декомпозиции решаемых задач и применении несколько * параллельно работающих процессоров. В этой ев главе рассмотрена конкретная.схемная реализация микропроцессорной вычислительной системы, ориентированная на

обработку первичяых данных в реальном времени. Базоьан конфигурация вычислительной системы формируется на основе микропроцессорного комплекта серии 1810, а в качестве СБИС-процессора используется интегральная схема (П5Г8ВЖЗ. СБИС-процессор подключается к системной вине микропроцессора с помощью локальной шины и контроллера сопроцессора, что позволяет реализовать параллельную работу сопроцессора и микропроцессора, а также обман данными в режиме ожидания сопроцессор?. Контроль за состоянием СБИС-процессора и запуск осуществляется с помощью резидентной пины ввода-вывода.

В четвертой главе приводятся результаты зксперзиентальных исследований таблично-разрядных процессоров и микропроцессорных •структурно-интерпретированных вычислительных систем. Приводятся описания и основные характеристики многофункциональных процессоров и таблично-разрядных процессоров для вычисления за один такт таких операций как извлечете квадратного корня, экспоненциальной, тригонометрической функции многофункциональных процессоров и др.

Изложены результаты машинного моделирования разрядных алгоритмов и вычислительных устройств на их основе, показано их преимущество по сравнению с существующими. Рассмотрены результаты эксперементальшх' исследований микропроцессорной вычислительной системы, аппаратно ориентированной на обработку первичных данных. Приведены результаты исследований сопроцессора для воспроизведения разл! них функциональных зависимостей, макроопераций таких,как поворот вектора, и фрагментов математических моделей. Представлены технические характеристики и получены оценки эффективности системы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Нч основе анализа совместных свойств математических моделей, разрядных алгоритмов, структур, а также технологических особенностей изготовления СБИС разработан способ распараллеливания вычислений на уровне булевых переменных и на его базе ориентированные на соврэиенкную интегральную технологию методы синтеза параллельных таблично-разрядных вычислительных структур. Изложины метода построения высокопроизводительных микропроцессорных систем, структурно-интерпретированных на решение

задач данного класса и обеспечивающих воспроизведение макроопераций, фрагментов математических моделей в процессе обмена данными микропроцессорным элементом с блоками памяти или внешними устройствами.

1.Для широкого класса математических моделей разработаны и предложены таблично-разрядные метода в алгоритмы распараллеливания вычислений, сочетающие табличную и разрядные формы обработка данных, обеспечивающие параллельный вычислительный процесс на уровне разрядов и ориентированные на интегральную технологию изготовления в виде СБИС.

2.Предложена концепция создания высокопроизводительных структурно-интерпретированных микропроцессорных систем на основа микропроцессорных комплектов я асинхронных параллелышх вычислительных структур, реализующих моделирование достаточно сложных математических зависимостей в процессе обмена информацией, что позволяет существенно увеличить быстродействие и уровень машинного языка.

3.Предложены метода синтеза широкого класса сверхбыстродействующих таблично-разрядных вычислительных устройств а струк тур, включающих однородный матричный выччслитель и блок паияти для хранения промежуточных коэффициентов, которые в совокупнос-т,1 обеспечивают непрерывный процесс прохождения и обработки потока данных, ориентированных на интегральную реализацию и обработку скалярных данных, моделирование показательных, тригонометрических, гиперболических ф/нкций, а также сложных тригонометрических аависииостей.макроопераций и ыатрично-векторных преобразований.

4.На базе математического аппарата Т-преобразований предложены способы организации параллельных и таблично-алгоритмических процессоров для воспризведения 1-функций, которые совместно с микропроцессорными системами обеспечивают реализацию не-линейностей в области Т-ипображений.

5.Изложена методика синтеза высокопроизводительных однородных многофункциональных матричглх процессоров.результат преобразования в которых определяется соответствующими наборами управляющих сигналов, а время преобразования задержкой сигналов КВжду входнымл и выходными шинами вычислителя.

6.На базе разработанных таблично-разрядных и многофункциональных вычислительных структур предложены методы синтеза структурно-интерпретированных микропроцессорных систем,высокая производительность которых достигается благодаря совмещению процессов обработки и обмена информацией, выполняемой микропроцессором с блоками памяти или внешними устройствами. Это позволяет во время цикла записи или считывания воспроизводить заданный набор макроопераций или фрагментов математических-моделей, определяемые примашемыш типами таблично-разрядных процессоров.

7.Разработаны структурно-интерпретированные микропроцессорные вычислительные системы как широкого назначения так и функционально-ориентированные на моделирование матрично-вектор-ных операций и задач линейной алгебры. Проведен анализ производительности и эффективности предложенных вычислительных систем в зависимости от степени распараллеливания и размерности решаемых задач, а также получены аналитические зависимости и графики для их оценки.

8.Разработан и изготовлен макет конкретной структурно-интерпретированной микропроцессорной система, ориентированной на обработку первичных данных в реальном времени, включающей СБИС -процессор, управление которым осуществляется по резидентной шине ввода- вывода, а обмен информацией - по системной шине.

9.Проведены зксперементальные исследования таблично-разрядных процессоров и микропроцессорных вычислительных систем, в результате которых получен ряд экспереиентальных показателей эффективности предложенных структур.

По теме диссертации опубликованы следующие работу*.

1. Величко С.М. Построение параллельных процессоров на основе таблично-разрядных методов вычислений. - Киев, 1992.- 34с. (Препр, / АН Украины. Ин-т проблем моделирования в энергетике! 92-56У,

2. Дсриев Й.ЗЧщут 0.П., Хадиди H.A., Величко С.М. Многофункциональные параллельные вычислительные структуры. - Киев, 1993. - 40 с. - (Препр. / Äff Украины. Ин-т проблем моделирования в энергетике; 93-59).

3. I.e. KI777135 (СССР), НКИ1 G06F7/544. Устройство для

\Э -

вычисления функций в Т-области / Стасюк А.И,, Григорян Г.С., Величко С.М., Мазурчук B.C., Лисник Ф.Е., Коростиль D.M. - Опу-

4. Решение о выдаче а.с. по заявке № 4848842 от 27.11.92 Микропроцессорный модуль '/ Стасюк А.И., Мазурчук B.C., Челы-шев A.A., Величко С.М., Головцова A.A., Овчарук М.Е.

5. Стасюк А.И., Мазурчук B.C., Величко С.М. Сверхбыстродействующая вычислительная система многофункционального применения для решения задач оперативного управления энергетическими объектами, - Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Математическое моделирование в энергетике". Часть 4,-Киев, 1990, с.121.

6. Стасюк А.И., Мазурчук B.C., Величко С.М. Сверхбыстро-, действующая микропроцессорная система для решения задач моделирования и управления. - Тезисы докладов четвертой научно-технической конферениции "Проблемы нелинейной электротехники". Киев, 1992, с. 152.

бликовано 23.II.92. Бюл. IS 43