автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Система ввода-вывода специализированного символьного процессора и ее микропрограммная реализация

о

ч/

Ордена Ленина Институт Прикладной Математики имени М.В.Келдыша Академии Наук СССР

На правах рукописи Тульский Вячеслав Петрович

СИСТЕМА ВВОДА-ВЫВОДА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СИМВОЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА И ЕЕ МИКРОПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

Специальность 05.13.11 - математическое и программное обеспечение вычислительных машин и систем

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Ордена Ленина Институте прикладной математики имени М.В. Келдыоа Ахадемии Наук СССР.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

6. К. Смирнов.

Официальные оппоненты - член-корр. АН СССР,

доктор технических наук Б.К.Левин; - кандидат физико-математических наук Ю. П. Смольянов.

Ведуиая организация - Научно-исследовательский Центр электронной вычислительной техники СНИЦЭВТЭ.

и п

Защита диссертации состоится _1991 г.

в_часов на заседании специализированного совета Д 002.40.01

при Институте прикладной математики имени М. В. Келдыша АН СССР (125047, г. Москва. Миусская пл.. 4}.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослав " _1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета канд. фю.-мат. наук /" ( /И.А. Бахарев /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Система ввода-вывода специализированного символьного процессора представляет собой совокупность средств связи и обменов символьного процессора и используется для связи процессора с внешним миром. Система предназначена для повышения производительности при выполнении программ симзольной обработки. В диссертационной работе исследована задача построения системы ввода-вывода символьного процессора в условиях ограниченного набора ресурсов и разработан метод организации управления вводом-выводом символьного процессора, подключен-ного к универсальной ЭВМ. Работа выполнена в связи с созданием рефал-процессора ЕС2702, эксплуатирующегося в Институте прикладной математики имени М. В. Келдыша АН СССР.

За основу входного языка процессора был взят Рефал-2, представляющий собой установившийся вариант рефала. Для ввода-вывода во входном языке процессора используется последовательный . метод доступа с очередями. Причем, в рефале отсутствуют средства для работы с аппаратурой. Представляется оправданным не вводить их и не перегружать язык, а использовать для работы с аппаратурой ввода-вывода микропрограммные средства.

Актуальность темы. При решении задач средствами вычислительной техники значительная роль принадлежит символьным преобразованиям. Отечественная и зарубежная практика доказывает, что эффективным направлением дальнейшего развития символьной обработки является создание специализированных процессоров. Неотъемлемой часть» разработки такого процессора является создание системы ввода-вывода, обеспечивающей связь

символьного процессора с внешним миром и организацию эффективного управления вводом-выводом.

Создание системы происходило в условиях ограниченного набора рерурсов: это - ограничение объема управляющей памяти, выделяемой на рефал-процессоре для реализации ввода-вывода, и отсутствие собственных внешних устройств. Решение этой задачи потребовало проведения соответствующих исследований. Был проанализирован спектр возможных подходов к организации взаимодействия процессора с внешним миром. В итоге установлено, что при ограниченном наборе ресурсов целесообразно подключить символьный процессор к универсальной ЭВМ, например ЕС, и использовать ее внешние устройства. Соответствую ьий вариант рефал-процессора был реализован на макете. У него была своя оперативная память и он имел микропрограммное управление. По сравнению с программными рефал-системами производительность при выполнении символьных преобразований возросла, примерно, на порядок С с учетом поправок на сопоставимость оборудования). Недостаток этого варианта заключался в том, что построенная на ЭВМ система ввода-вывода оказалась малоэффективной при работе с символьным процессором. Для задач с интенсивным вводом-выводом время выполнения программы начинало увеличиваться Синогда в несколько раз). Неэффективность связана со значительными накладными расходами по времени, затрачиваемыми на ЭВМ.

Постановка задачи. Задача состояла в том, чтобы исследовать управление обменами в вычислительном комплексе, содержащем универсальную ЭВМ и символьный процессор. С учетом полученных результатов требовалось обосновать как распределение функций управления между ЭВМ и символьным процессором.

так и введение (при необходимости) новых функций и средств управления обменами.

Надо отметить, что эту задачу приходилось начинать решать в условиях, когда не было ни подходящих разработок, ни критериев того, как строить систему ввода-вывода, функционирующую на символьном процессоре. В итоге проведенного исследования был выявлен ряд проблем.

Первая проблема вызвана тем, что выполнение действий по управление и осуществлении ввода-вывода допустимо как на ЭВМ, так и на символьном процессоре. Поэтому необходимо было предложить решения по эффективному отображение функций ввода-вывода на архитектуру комплекса, содержащего ЭВМ и символьный процессор, и определить набор требований к системе ввода-вывода, функционирующей на процессоре.

Вторая проблема заключена в том, что хотя ЕС ЭВМ предоставляет в готовом виде ряд фирменных средств для работы с внешними устройствами, однако это не обеспечивает эффективной работы с символьным процессором. Следовательно, требовалось разработать способ и средства управления, ориентированные на эффективную реализацию обменов процессора с ЭВМ.

Третья проблема связана с использованием микропрограммных средств. Целесообразно использовать их не только для работы с аппаратурой, но и для того, чтобы систему ввода-вывода на символьном процесоре реализовать полностью микропрограммно. Целесообразность такой реализации объясняется эффективной интерпретацией микрокодов.

Решение перечисленных проблем дается на примере специализированного символьного процессора ЕС2702, подключенного к ЕС ЭВМ.

Цели диссертационной работы состоят в следующем.

1) Определить основные требования к системе ввода-вывода процессора ЕС2702.

2) Разработать способ и средства управления вводом-выводом символьного процессора.

3} Выполнить проектирование системы ввода-вывода и микропрограммно реализовать ее на процессоре ЕС2702.

Научная новизна и практическая значимость работы состоят в следующем.

1. Определен набор требований к функционированию средств связи и обменов символьного процессора и выработан подход к созданию системы ввода-вывода при ограниченном наборе ресурсов.

2. Разработан и реализован метод управления, обеспечивающий эффективное выполнение процессов ввода-вывода символьного процессора. Сделано описание системы т языке уровня регистровых передач.

3. Осуществлена микропрограммная реализация системы ввода-вывода на процессоре ЕС2702. Получен опыт по созданию системы ввода-вывода символьного процессора.

Апробация и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались на объединенном семинаре в Институте прикладной математики имени М.В. Келдыша АН СССР, По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения. пята глав, заключения и списка литературы. Общий объем

диссертации -116 страниц, из них основного текста - 111 страниц. Список литературы включает 44 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цели диссертационной работы, обоснована актуальность и научная новизна выполненных исследований. В завершение дан краткий обзор содержания диссертации по главам.

В первой главе исследуются подходы к построении средств связи и обменов символьного процессора. Анализ этих подходов позволяет определить меры, направленные на созданне системы ввода-вывода, обеспечивавшей высокий уровень эффективности работы процессора.

В разделе 1.1 проводится исследование подходов к построении системы ввода-вьгвода символьного процессора. Исследование направлено на определение решений, подходящи для использования при ограниченном наборе ресурсов.

При создании символьных процессоров возникают задачи разработки специализированных архитектур вычислительных систем, содержащих символьный процессор ССТО. В разделе рассмотрены примеры, которые показывают, что различия в архитектурных решениях связаны в значительной мере с составом и. возможностями используемой аппаратуры. Принимаемые решения должны учитывать наличие либо отсутствие у СП как собственных внешних устройств, так и связи с ЭВМ.

В разделе 1.2 рассматривается назначение системы ввода-вывода, функционирующей на процессоре ЕС2702, в определяются

требования к ней. При этом обращается внимание на те функции управления вводом-выводом, реализация которых на символьном процессоре целесообразна с точки зрения повышения эффективности его работы.

Взаимодействие между ЭВМ и символьным процессором необходимо для управления работой СП и для связи его с внешним миром. На ЭВМ эту роль выполняет Монитор, а общение с ним должна поддерживать система ввода-вывода, функционирующая на символьном процессоре.

Для создания эффективно функционирующей системы ввода-вывода необходимо выполнить ряд требований.

1) Программа СП работает с данными, которые хранятся на дисках ЭВМ, выдаются на печать. Программа должна также работать с дисплеем, находящимся на ЭВМ. То есть, требуется, чтобы система была ориентирована на использование различных внешних устройств ЭВМ.

2Э Обмены с ЭВМ приводят к.накладным расходам, ухудшающим характеристики символьного процессора. Чтобы уменьшить эти расходы, целесообразно организовать параллельное функционирование рефал-программы и Монитора, а также сократить количество обменов.

3) Для входного языка процессора требуется реализация последовательного метода доступа. В связи с этим возникает вопрос о микропрограммной реализации метода в условиях подключенного процессора ЕС2702.

4) В процессе выполнения рефал-программа может обращаться к нескольким наборам данных. Поэтому нужно следить за готовностью и местонахождением ее данных внутри СП и правильностью обращения к ним. Следовательно, требуется обеспе-

чить на СП управление данными на логическом и физическом уровнях.

5) Работа системы станет более эффективной, если параметры управления данными на СП и ЭВМ будут согласованными. То есть, нужно предусмотреть обмены управляющими параметрами.

Перечисленные требования охватывают главные аспекты создания эффективно функционируют средств связи и обменов процессора ЕС2702. Эти требования взяты за основу при определении функций системы ввода-вывода.

В разделе 1.3 обсуждаются обаяв контуры системы ввода-вывода, взаимодействие ее различных компонентов и определяются функции системы.

Прежде всего, на СП нужна исходная настройка операционных и аппаратных средств подключения процессора. Блок, осуществляющий соответствующую инициализацию, входит в состав микропрограммного ядра символьного процессора.

Затем, необходимо принимать от ЭВМ и размещать в процессоре микропрограммы Сне входящие в ядро), а также программу символьной обработки. То есть, имеется в виду функция загрузки процессора, завершающаяся запуском программы.

Значительная роль принадлежит планированию обменов. Требуются средства, которые при операциях ввода-вывода осуществляют: управление данными, управление буферами, выбор необходимого обмена. Планирование ориентировано на реализацию последовательного метода доступа в условиях рассматриваемого процессора.

При этом нужно запрашивать и поддерживать обмены с ЭВМ. Здесь необходимо изыскать возможности для совмещения во вре-

ыени работы Монитора и выполнения программы. Решение этой задачи связано с разработкой протоколов, представляющих собой набор соглашений, касающихся формата и синхронизации передаваемых сообщений и массивов.

Следующая функция - это выполнение обменов записями с рабочей памятью программы. При выполнении этих обменсв система должна осуществлять специфичное обслуживание - с учетом знаний о структуре памяти и форматах данных рефал-процессо-ра. Необходимость такого обслуживания вызвана тем, что процессор работает со списками, образующими структурированную память программы, а тахже тем, что необходимо выполнять преобразования форматов данных. Преобразования обеспечивают переход от внешнего представления (представление данных в программе) к внутреннему (представление данных в рефал-процес-сореЗ и наоборот.

Рассмотренные в главе 'функции необходимо конкрэтизиро-вать и свести в единую систему. Это вызвано отсутствием средств, удовлетворяющих перечисленным требованиям - с точки зрения необходимого набора услуг и условий их реализации.

Во второй главе рассматривается выбор способа и средств управления вводом-выводом символьного процессора. Решения по организации управления вводом-выводом должны охватывать весь спектр взаимодействия системы с ЭВМ и с рефал-программой. Отсутствие подходяща разработок привело к поиску и отбору нужных решений.

В разделе 2.1 предлагаются специальные средства управления вводом-выводом подключенного процесора.

В первую очередь необходимо уделить внимание средствам, с помощью которых можно поддерживать аппаратно-независимый

- и -

интерфейс символьного процессора и ЭВМ. При этом приходится учитывать, что имеющиеся на ЕС ЭВМ средства не обеспечивают эффективной работы с подключенным процессором. Это затруднение преодолено посредством создания механизма входных и выходных директив рефал-процессора. Кроме того, уделено внимание буферизации выходных директив и организации разгрузки очереди выходных директив.

В разделе 2.2 обосновывается целесообразность использования ряда технологических приемов, удушающих характеристики системы.

В разделе 2.3 рассматривается управление вводом-выводом. Здесь суммированы предложения, полученные в результате поиска и отбора подходящих решений.

Прежде всего необходимо обеспечить аппаратно-независи-ыый интерфейс символьного процессора и ЭВМ. С этой целью использованы входные и выходные директивы процессора. Для эффективного функционирования системы крайне важно уделить внимание работе с очередью выходных директив, а именно - в дополнение к буферизации запросов требуется решить задачу по организации автоматической разгрузки непустой очереди запросов.

Следующий аспект управления связан с использованием команд ввода-вывода, входящих в программу СП. Условно это отнесено к программно-ориентированному управлению.

Специфика работы с командами состоит в том, что здесь используются знания о структурах памяти и форматах данных рефал-процессора. В соответствии с этим выполнение команды включает три этапа: (1)- анализ структуры и содержимого поля зрения рефал-процесса; (2)- копирование управляющих разделов

системы ввода-вывода и изолированное построение результата выполнения команды; (3)- подстановка результата и изменившихся копий управлявших разделов.

Особенность выполнения команд использована для организации борьбы со сбоями. Учитывая крайнею необходимость экономии ресурсов, задачу удобно решить посредством повторного выполнения команды. С этой целью используется содержимое поля зрения и управлявших разделов, которое сохраняется без изменений в течение первых двух этапов выполнения команды ввода-вывода. На последний этап приходится так называемый интервал уязвимости.

Третий аспект управления вводом-выводом включает управление данными. Одна из проблем состоит в том, чтобы на основе решений, относящихся к этому уровню, получить существенный выигрыш по времени при выполнении ввода-вывода.

Для эффективного функционирования системы важно, чтобы параметры управления данными на СП и ЭВМ были согласованными. Исследования показывают, что эту задачу можно решить следующим образом: в ответ на свой запрос открыть набор данных, СП получает от ЭВМ блок управляющих параметров этого набора. В итоге параметры управления данными на СП можно согласовать с параметрами, взятыми от операционной системы, функционирующей на ЭВМ.

Например, чтобы уменьшить накладные расходы, вызванные обменами с ЭВМ, требуется сократить количество обменов. Для этого целесообразно производить обмены не отдельными, а сблокированными записями. Следовательно, необходимо осуществлять на СП блокирование и разблокирование записей и выполнять работу с буферами ввода-вывода, содержащими блоки запи-

сей. При этом используются полученные от ЭВМ параметры, определяющие размер буферов ввода-вывода и длину логических записей. Пользователю предоставляется возможность определять Св рефал-программе) для каждого набора данных количество буферов ввода-вывода на СП. Эти параметры учитываются на СП при организации управлешм буферами ввода-вывода, включая опережающие просмотры для выявления неготовых буферов.

Использование результатов опережающих просмотров позволяет организовать на СП эффективное планирование обменов. Появляется возможность заранее обнаружить неготовый буфер, сформировать запрос на обмен с ЭВМ и поставить его в очередь. Эти приемы Свместе с автоматической разгрузкой непустой очереди запросов) направлены на организацию параллельного функционирования обслуживающей программы на ЭВМ (Монитора) и рефал-программы. В итоге создаются условия для предотвращения задержек выполнения программы, связанных с тем, что на СП буфера ввода-вывода оказываются в состоянии неготовности.

Последний аспект управления вводом-выводом заключается в отображении функций управления на аппаратуру. Для работы с аппаратурой ввода-вывода используются микропрограммные средства процессора. Здесь же решается задача реализации протоколов обмена с ЭВМ, включая синхронизацию взаимодействия процессора и ЭВМ при передаче сообщений и массивов. Это делается на основе работы с прерываниями, которыми система обменивается с ЭВМ.

Рассмотренные решения по организации управления вводом-выводом охватывают весь спектр взаимодействия системы .с ЭВМ и с рефал-программой. Эти решения определили схему управле-

ния вводом-выводом. Ее особенности общесистемного характера состоят в следующем:

1) возможность параллельного функционирования рефал-програм-мы и Монитора Сее обеспечивают опережающие просмотры на СП буферов ввода-вывода, буферизация запросов на обмен с ЭВМ и автоматическая разгрузка непустой очереди запросов);

2) уменьшение количества обменов с ЭВМ благодаря согласованию на СП и ЭВМ параметров управления данными.

Специфика системы состоит в работе со списками, образующими структурированную память рефал-процессора, и в преобразовании данных при обменах записями.

К технологическим особенностям системы, повышающим надежность и уменьшающим трудоемкость работы с процессором, относятся возможность загрузки микропрограмм с дисков ЭВМ и использование системы для повышения помехоустойчивости процессора.

Система используется для автоматического восстановления работоспособности процессора Скогда не удается подавить сбой путем повторения сбойного шага рефал-машины). В этом случае с помощью системы передается сообщение Монитору о возникшей ситуации, а затем выполняется перезагрузка процессора и осуществляется повторный запуск программы.

В третьей главе проводится исследование условий эффективного функционирования системы ввода-вывода символьного процессора. Критерием эффективности системы является отсутствие задержек выполнения программы из-за неготовности ввода-вывода. Введен набор параметров, описывающих С с определенной степенью детализации) выполнение ввода-вывода. Получены соотношения, определяющие (в терминах введенных параметров и с

учетом упрощающих предположений) область эффективного функционирования системы. Определено влияние изменения введенных параметров на эффективность системы. Показано, каким образом влияние изменений одних параметров может быть компенсировано либо усилено изменениями остальных параметров. Предложены рекомендации по выбору оптимальных значений рабочих.параметров для поддержания эффективного функционирования системы в процессе выполнения программы.

В четвертой главе дается описание структуры системы ввода-вывода и рассматриваются алгоритмы функционирования различных подсистем. Разработка системы осуществлена с учетом результатов проведенных исследований.

В разделе 4.1 определяются функции подсистемы инициализации средств связи с ЭВМ. Подсистема входит в состав микропрограммного ядра символьного процессора и используется при подготовке процессора к работе.

В разделе 4.2 дается описание подсистемы загрузки символьного процессора. Подсистема принимает от ЭВМ и размещает в процессоре рефал-программу и подготавливает ее запуск. На снижение трудоемкости работы с процессором ЕС2702 направлено решение предусмотреть возможность загрузки микропрограмм с дисков ЭВМ.

В разделе 4.3 рассматривается подсистема обменов записями с рабочей памятью программы. Важная задача состоит в том, чтобы обеспечить рефал-программе интерфейс с различными внешними устройствами ЭВМ. Эта задача решена путем создания набора команд ввода-вывода для работы с данными, которые хранятся на дисках ЭВМ, а также выдаются на печать. Программа рефал-процессора может работать с дисплеем, находящимся

на ЭВМ. Специфика подсистемы состоит в том. что в своей работе она учитывает знания об используемых структурах рабочей памяти и форматах данных рефал-процессора.

В разделе 4.4 дается описание подсистемы обменов данными с ЭВМ. В рамках подсистемы решается задача создания средств, предназначенных для всего спектра взаимодействия с ЭВМ. Задача решена путем определения специального набора, включающего в себя команды канала, входные и выходные директивы процессора. Набор ориентирован на осуществление параллельного функционирования Монитора и рефал-программы.

В разделе 4.5 исследуются особенности обменов для виртуального варианта символьного процессора и предлагаются решения, направленные на минимизацию маршрутов потоков данных и на уменьшение количества переходов из состояния ЭВМ в состояние СП и наоборот.

В пятой главе рассматриваются технологические аспекты проектирования, реализации и экспериментального исследования системы.

В разделе 5.1 отмечается, что основная технологическая задача, решаемая на этапе проектирования, заключается в определении порядка принятия решений. Актуальность этой задачи объясняется тем, что обилие подробностей затрудняет их обзор и учет. Эти затруднения преодолены посредством выбора и использования методов проектирования.

В разделе 5.2 уделяется внимание решениям, принятым на этапе реализации системы ввода-вывода. Эти решения во многом определили степень эффективности системы и ее доступность для понимания. В то же время система обладает свойством прозрачности, то есть ее внутренние механизмы скрыты от програ-

ммиста я ему не нужно ни разбираться в них, ни знать о них.

Созданы три версии системы Сдля макета, виртуального варианта и процессора ЕС2702). Общее во всех случаях заключалось в ограничениях объема управляющей памяти, выделяемой системе ввода-вывода. Принятые решения позволили избежать дублирования работ Спри создании различных версий) и разместить микропрограммы в выделенной памяти.

В разделе 5.3 подведены итога экспериментальных исследований, выполненных во время опытной эксплуатации процессора ЕС2702. Представляет интерес экспериментальная оценка вклада разработанных средств в улучшение показателей системы. Приведены результаты измерений для двух примеров работы рефал-транслятора Свзятого в качестве эталонной программы). В первом примере не использовались средства, повышающие эффективность осуществления ввода-вывода. Применение этих средств, а также соблюдение предложенных рекомендаций, позволило во втором примере уменьшить в 3,5 раза время выполнения программы и примерно в 7 раз сократить время использования центрального процессора ЗВМ. Эти данные свидетельствуют об удачном отображении функций управления вводом-выводом на архитектуру вычислительного комплекса и подтверждают правильность рекомендаций по выбору оптимальных значений рабочих параметров системы.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе и выносимые на защиту:

1) Определены основные требования к системе ввода-вывода процессора ЕС2702 и выработан подход к ее построению.

2) Разработан метод управления вводом-выводом для обслуживания символьного процессора.

3) Спроектирована и микропрограммно реализована система ввода-вывода процессора ЕС2702.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Мямлин А. Н. , Смирнов В. К. , Ковалев Э. С., Меламед В. И., Рубин А.Г., Тульский В.П., Прхеблевская С. К. Специализированный символьный процессор. Всесоюзная конференция. Технология программирования. Тезисы докладов. ИК АН УССР, Киев, 1979.

2. Тульский В.П. Средства связи символьного процессора ЕС-2702 с универсальной ЭВМ. Препринт Ин. прикл. матем. им. М.В. Келдыша АН СССР. 1987, N169, с. 20.

3. Тульский В. П. Организация ввода-вывода в символьном процессоре ЕС-2702. Препринт Ин. прикл. матем. им. М. В. Келдыша АН СССР, 1987, N 237, с. 21.

4. Мямлин А. Н. , Смирнов В. К., Головков С. Л., Пономарен-ко 0. Н., Тульский В. П. Микропрограммная реализация языка РЕФАЛ. В сб. научн. трудов "Машинная реализация систем искусственного интеллекта". Под ред. Л.Т. Кузина, МИФИ, Москва, Энергоатомиэдат, 1988, с.58-65.

5. Тульский В. П. Особенности обменов для виртуального процессора. Препринт Ин. прикл. матем. им. М.В. Келдыша АН СССР, 1988, N 78, с. 16.

6. Тульский В. П. Исследование функционирования системы ввода-вывода процессора ЕС2702. Препринт Ин. прикл. матем. им. М.В. Келдыша АН СССР, 1990, N 94, с.20.