Методы уменьшения шумов и повышения помехоустойчивости ЭВМ

  Многопроцессорные матричные и пирамидальные системы из 1024 и более процессоров можно будет построить на основе матрицы размером 16Х16,т.е. всего из 256 кристаллов,в каждом из которых содержится матрица размером 64Х64 из 4096

400-элементных процессоров с памятью объемом 512 бит.Такая матрица или пирамида,основанием которой была бы матрица,

содержащая не более одной трети числа процессоров в основании,может быть реализована на достаточно  небольшом числе кристаллов со степенью интеграции 10, упакованных на одной пластине.Высокорегулярная микромодульная  матричная или пирамидальная структура наиболее привлекательна для изготовления отказоустойчивой СБИС с интеграцией на уровне пластины.

Модульные многопроцессорные информационно-измерительные системы.

 В 60х г.г.развитие вычислительной техники привело к необходимости стандартизировать не только размеры  модулей,но и каналы связи между ним.Это было сделано к 1969г.,когда опубликовали европейский стандарт EUR-6100 на модульную систему КАМАК(CAMAC),разработанную ядерными электронщиками ведущих европейских институтов для оснащения сложных экспериментов,например,на ускорителях атомных частиц.Одно из прочтений слова CAMAC-Computer Applications for Measurements and Control-применение компьютеров для измерения и управления.

  В электронной системе модулем является печатная плата с узкой передней панелью и плоским многоконтактным разъемом на противоположной стороне платы.Модули вставляют в каркас с направляющими,в которых скользит плата.Задняя стенка каркаса выполнена в виде платы с ответными частями разъемов,которые соединены печатными или навесными проводниками,образующими электрические магистрали для передачи кодированной информации.По специально назначенным проводникам в модули подается электрическое питание.

  Все присоединительные размеры модулей и каркасов строго стандартизованы.Определены длительности и амплитуды электрических сигналов,а также напряжения питания модулей.Впервые в международной практике были стандартизованы не только размеры,но и логический протокол-правила передачи информации по линиям магистрали.

 В дорогостоящей магистрали КАМАК линии были использованы весьма нерационально:24 линии для чтения,5-для передачи команд и только 4 линии были определены для передач всего-навсего 16ти адресов в модуле.Все линии начинались в крейт-контроллере-крайнем правом модуле,который служил для связи магистали каркаса-крейта с внешним мини-компьютером,

работающим в ином логическом протоколе ("crate" по-английски означает плоский ящик с отделениями,например,ящик стекольщика).Налево в магистраль контроллер передавал для 24х модулей информацию,выработанную компьютером,а направо шла из модулей необработанная,но уже закодированная информация, отображающая величины,измеренные датчиками в эксперименте.Двунаправленность интерфейсного контроллера была отображена в эмблеме системы КАМАК в виде двуликого бога Януса.

  Через 3-4 года после публикации стандарта десятки фирм в разных странах выпускали модули КАМАК более 300 типов как для экспериментов,так и для контроля и управления технологическими процессами на производствах.

  Подобно железнодорожным системам,электрические модульные системы также долговременны.Если модули достаточно широко распространились и их количество превзошло некий критический уровень,то даже морально устаревшую аппаратуру оказывается выгодным эксплуатировать.Большой парк накопившихся разнообразных модулей позволяет в течение нескольких дней,а то и часов, скомпоновать систему с новыми характеристиками.Системе КАМАК уже более 25 лет,но она все еще используется как с ПЭВМ,так и с микропроцессорами,

встроенными непосредственно в контроллер.

Микропроцессоры в модулях.

  Создатели системы КАМАК в конце 60х г.г. сами начали применять только что появившиеся интегральные микросхемы, однако у них не хватило смелости предположить,что в 1972г. в электронике начнется революция-появится микропроцессор.

Неудобства магистрали КАМАК заставили электронщиков искать решения,позволяющие эффективно использовать качественно новую ИС.Введение микропроцессора в модули превращало их в микрокомпьютеры,а крейты-в многопроцессорные системы, которые нуждаются в емкой памяти с большим количеством адресов.16 адресов в модуле КАМАК оказались совершенно недостаточными,поэтому ведущие электронные фирмы Motorola и Intel к середине 70х г.г.создали модульные системы 3го поколения:Versabus и Multibus,магистрали которых содержали 16,а затем и 20 адресных линий,что обеспечивало емкость системы около 1млн.адресов.

  Потребовались и новые функции в логическом протоколе. Некоторые из процессорных модулей выполняли самые важные задачи в системе,а другие включались в работу реже, поэтому пришлось устанавливать приоритеты модулей на право занятия магистрали,а также разрешать конфликтные ситуации,когда 2 или больше модулей одновременно пытаются занять магистраль.

Для этого потребовались дополнительные линии.Чтобы ограничить общее количество линий,стали использовать одни и те же линии для передачи как адресов, так и данных:сначала передавали адрес(несколько битов которого являются адресом модуля),а затем линии переключали на регистр данных.Эти новшества заложили основы магистрально-модульных многопроцессорных информационно-измерительно-управляющих систем-МММИИУС.

 Что было дальше.

 Для завоевания мирового рынка Motorola быстро перевела свою систему на европейские конструктивы,назвав ее Versabus Module EuropeBus,сокращенно VME,а Intel в европейских же конструктивах выпустил новую систему Multibus-2,использовав новшества,реализованные в системе Fastbus,созданной

ядерными электронщиками США к 1982г.Во всех трех системах слова адреса и данных увеличены до 32х разрядов,что обеспечило емкость общей памяти системы в 4 млрд.адресов.

VME первой вышла на международный рынок,а более совершенная система Multibus-2 опоздала и не получила должного распространения,хотя эту аппаратуру начали выпускать более 100 фирм.Аппаратуру VME и ее улучшенные модификации выпускают более 300 фирм в разных странах,несмотря на архаичность базовой структуры системы.В России собирают модули VME,но на иностранных комплектующих и в небольших объемах.

  В ПЭВМ также есть магистраль,обслуживающая процессор,

платы памяти и устройства ввода-вывода информации.В компьютере PS/2 фирмы IBM к магистрали "Microchannel" могут быть присоединены до восьми 16-разрядных процессорных модулей или до четырех 32-разрядных модулей. Архитектура "Microchanne" специализирована на структуру микропроцессоров Intel.

  В стандарте Fastbus была определена локальная информационная сеть произвольной конфигурации,работающая в логическом протоколе,впервые едином для модулей, крейтов и сети.Скорость передачи информации через магистраль доведена до рекордного на те времена значения 80 Мбайт/сек.,для этого длительность фронтов импульсов пришлось уменьшить до 10 нс-

в 10 раз короче,чем в системе КАМАК.

  Развитие МАГИСТРАЛЬНО-модульных систем завершает разработка с громким названием Futurebus("магистраль будущего")по стандарту США 1991г.В этой системе сделано одно принципиальное добавление,учитывающее особенность многопроцессорных компьютеров.В таких системах каждый микропроцессор имеет в своем распоряжении вспомогательную кэш-память.Во время выполнения параллельных программ у одного из процессоров появляется промежуточный результат, необходимый другим процессорам для дальнейшей работы.Этот результат нужно быстро передать в кэш-памяти нуждающихся процессоров.Процедура таких передач как раз и предусмотрена в стандарте Futurebus.

Отказ от магистрали-переход к РСИ.

  Прогресс технологии микроэлектроники привел к тому,что в наше время размеры элементов в микросхемах

(транзисторов,резисторов,конденсаторов)удалось уменьшить до 0.6-0.8 мкм,а число элементов в одном кристалле увеличить до нескольких миллионов.Например,микропроцессор Pentium cодержит 3 млн. транзисторов,имеет соственную встроенную кэш-память и работает с частотой до 100 Мгц. Если несколько таких процессоров подсоединить к одной магистрали общего пользования,то их работа становится неэффективной:процессор,

быстро подготовивший промежуточный результат,занимает магистраль для передачи данных другому процессору,а остальные процессоры вынуждены простаивать в течение относительно медленной передачи.Магистраль,бывшая в

70-80х г.г. верхом достижений,к концу 80х годов стала узким местом,нужно было искать новое решение.

  Специалисты,создававшие Fastbus и Futurebus+,в 1988 г. объединились для создания системы,способной решить новые задачи.Была начата разработка стандарта,известного сейчас как ANSI/IEEE Std 1596-1992 Scalable Coherent Interface-SCI,в русском переводе-Расширяемый Связный Интерфейс,РСИ.

рис.4.Модель узла РСИ.  

  Принцип магистрали общего пользования был отклонен в начале исследований.Решили,что в новой системе узлы следует соединять индивидуальными связями,причем информация должна передаваться по каналам связи только в одном направлении.Узел получает информацию из входного канала в дешифратор адреса.Если сообщение адресовано данному узлу,оно через дешифратор поступает в промежуточную память FIFO с очередью типа "первым вошло-первым вышло" и далее проходит на прикладные схемы узла для обработки,например,

микропроцессорами и транспьютерами.Если сообщение адресовано другому узлу,оно через проходную FIFO и переключатель передается в выходной канал к следующему узлу.Если ранее уже началась выдача обработанной информации из выходной FIFO,передача проходящей информации задерживается до окончания выдачи. Можно заметить,что узлы РСИ действуют подобно железнодорожному узлу:если со станции выходит поезд и выходной путь занят,то приходящий поезд направляют на запасной путь для отстоя;если же состав адресован именно этому узлу,то его вагоны сортируют и подают на разгрузочные пути.

  Последний из цепочки узлов РСИ соединяется с первым узлом-образуется колечко из нескольких узлов связей.

Наименьшее колечко состоит из 2х узлов.Кольцеобразная структура позволяет любому узлу получать подтверждение в приеме своего сообщения.Для этого адресованный узел сразу же после приема сообщения вырабатывает эхо-сообщение и передает его в выходной канал,чтобы оно прошло по колечку к узлу,

вызвавшему первичное сообщение.Предусмотрены специальные узлы-агенты,имеющие выходы на боковые каналы, для соединения с другими колечками иными устройствами, выполняемыми в других стандартах.При помощи интерфейсных агентов конкретная система может быть расширена добавлением новых колечек с образованием сети произвольной конфигурации.РСИ является открытой системой, все составляющие которой работают в едином логическом протоколе и не требуют чуждых интерфейсов.

рис.5.Применение системы РСИ.

 У-узел РСИ,А-агент,М-агент-мост,П-агент-переключатель,

 РС-рабочая станция в стандарте РСИ,VME-крейт VME,

 ПК-персональный компьютер,

 ПКР-персональный компьютер в стандарте РС,

 Э-сеть Ethernet.      

Слово "связный" в названии системы означает,что в стандарте предусмотрены логические средства для образования связной группы кэш-памятей,получающих идентичную обновленную информацию.Связность устанавливается программно при помощи кодов-указателей адресов тех узлов,которые должны войти в связную группу. Затем процессор,создавший новую информацию,

быстро выполняет ее запись в основную память и в группу кэшей.

рис.6.Запомининие в кэшах связной кэш-строки при помощи

      кодов-указателей адресов.

Система РСИ-модульная,но не магистральная.Поскольку магистраль общего пользования в ней не понадобилась,из аббревиатуры МММИИУС исчезла одна буква М.Физический облик ММИИУС в стандарте РСИ может быть очень разнообразным:от персональной рабочей станции до суперкомпьютера,содержащего тысячи микропроцессоров,и транспьютеров;от одиночного персонального компьютера в комнате до информационной сети протяженностью десятки километров,объединяющей множество компьютеров и  измерительно-управляющих устройств.Для компоновки аппаратурных систем в стандарте определены каналы связи 2х типов.Для передачи сообщений между модулями в стандартизованном каркасе служат 18 параллельных печатных линий на задней плате.Передачи между обособленными узлами выполняются последовательными кодами-по коаксиальному кабелю на расстоянии десятки метров или по оптоволоконному кабелю на километры и более.Скорости передач рекордные:при параллельной передаче 1 Гбайт/сек на частоте 250 МГц,при последовательной-1 Гбит/сек.

  Объем полного адреса-64 разряда,причем наиболее значимые 16 разрядов выражают адрес узла в целом,поэтому в аппаратурной системе максимальное число узлов может быть равно 2 =65536.Остальные 48 разрядов определяют допустимое число адресов в каждом узле-около 280 трлн. Если в каждом адресе хранить стандартное 64-разрядное слово данных,то максимальный объем информации в узле  составит 1.8 трлн.

авторских листов по 40.000 знаков или 3.8 млрд.книг "Советский Энциклопедический словарь".На практике полный объем памяти не  используют,но запас нужен для удобства программирования.Стандартом предусмотрены и малые дешевые системы с 32-разрядным адресом.В 1995 г. РСИ стал международным стандартом,он принят в качестве базовой системы в ВВС США и в ВМФ США и Канады.Благодаря агентам-мостам аппаратура РСИ будет соединена со старыми магистрально-модульными системами и уже существующими сетями.

  Говоря языком рекламы,РСИ-мост в ХХ1 век-век информатики,основанной на модульных открытых информационных сетях.

Симметричная многопроцессорная обработка.

 Еще один пример фундаментальной компьютерной технологии,которая от уникальных вычислительных систем проложила себе путь к относительно массовым и недорогим платформам, используемым в локальных вычислительных сетях,-симметричная многопроцессорная обработка(Symmetric MultiProcessing-SMP).

Сущность SMP

 По сути,для многопроцессорной обработки всегда требуются и соответствующие аппаратные платформы,и операционные системы(ОС).Однако ОС могут использовать многопроцессорные платформы несколькими различными способами.

  При асимметричной многопроцессорной обработке процессы прикладных программ назначаются конкретному процессу на аппаратной платформе.Нити каждого процесса должны ждать, пока назначенный им процессор не освободится.Такой метод, как правило,менее эффективен,чем симметричный метод.

Симметричная многопроцессорная обработка предполагает,что все процессоры имеют одинаковые возможности.

  В SMP-модели нагрузка динамически распределяется между

процессорами,так что невозможна ситуация,в которой одни ЦП перегружены,в то время,как другие ничем не заняты.

1	2	3	4