Обчислювальна система

Обчислювальна система, що містить процесор і зовнішні пристрої, зв'язані між собою загальною шиною, кожний і-й зовнішній пристрій (і=1...п) містить блок переривань, перший вихід якого підключений до керуючого входу процесора, яка відрізняється тим, що в склад кожного і-го зовнішнього пристрою введено елемент АБО, елемент І та тригер, вихід якого зв'язаний з інформаційним входом тригера і+1-го зовнішнього пристрою та з першим входом елемента І і-го зовнішнього пристрою, вихід якого через перший вхід елемента АБО підключений до входу блоку переривань і-го зовнішнього пристрою, другий вихід якого зв'язаний з другим входом елемента АБО і+1-го зовнішнього пристрою, другі входи кожного елемента І та кожного тригера підключені до керуючого виходу процесора, причому вихід тригера та другий вихід блока переривань n-го зовнішнього пристрою підключені відповідно до інформаційного входу тригера та другого входу елемента АБО і-го зовнішнього пристрою. Корисна модель стосується обчислювальної техніки і може бути застосована при створенні обчислювальних систем. Відома обчислювальна система із загальною шиною, яка містить процесори та зовнішні пристрої [Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 143, рис. 5.3]. Процесор зв'язаний із зовнішніми пристроями за допомогою загальної шини. У системі зовнішні векторні переривання реалізуються за допомогою спеціального централізованого контролера. Централізований контролер виконаний у вигляді окремого пристрою. По запитах від зовнішніх пристроїв контролер з урахуванням системи пріоритетів видає процесору сигнал вимоги переривання ВП. Умовою формування цього сигналу є готовність пристроїв до взаємодії з процесором і відсутність маскування запитів з боку процесора. Одержавши сигнал ВП, процесор завершує до кінця виконання чергової команди, видає контролеру сигнал підтвердження переривання ПП і зчитує із загальної шини вектор, що виставляє на шину контролер. Після цього процесор переходить на обслуговування переривання. До недоліків системи із централізованим арбітром переривань варто віднести: велике число ліній запитів у шині управління; обмеження на ма ксимальне число джерел переривань. Зазначені недоліки обмежують можливості застосування даного підходу при побудові обчислювальних систем з відкритою архітектурою, яка дозволяє при необхідності збільшувати кількість зовнішніх пристроїв. Найбільш близьким до корисної моделі по технічній сутності є обчислювальна система із загальною шиною, яка містить процесори, загальну шину та зовнішні пристрої [Организация ЭВМ. 5-е издание. / К. Хамахер, 3. Вранишеч, С. Заки. СПб.: Питер; Киев: BHV, 2003. - с. 242. рис. 4.8]. Процесор зв'язаний із зовнішніми пристроями за допомогою загальної шини. У системі зовнішні векторні переривання реалізуються за допомогою розподіленого контролера Переривань. До складу кожного зовнішнього пристрою входить блок переривань. В купі ці блоки реалізують розподілений контролер переривань. Блок переривань зовнішнього пристрою, що готовий до обміну даними, видає сигнал запиту переривання на загальну лінію вимоги переривань ВП. Технологічні особливості елементної бази повинні допускати таке об'єднання виходів елементів (наприклад, використовуються елементи з відкритим колектором, відкритим стоком). Відповідний сигнал процесора підтвердження переривання ПП поширюється послідовно через блоки переривань, що со О) 10444 переривань на Фіг.1 умовно не показана). Вихід утворять так називаний пріоритетний ланцюжок тригера 5.і зв'язаний із інформаційним входом (daisy chain). Елементи ланцюжка в кожнім блоці тригера 5.(і+1), а вихід тригера 5-й підключений до пропускають сигнал ПП чи розривають ланцюжок. інформаційного входу тригера 5.1. Таким чином, Пріоритетний ланцюжок розривається на першому тригери об'єднані у кільце. Вихід тригера 5.і під(по шляху поширення сигналу) зовнішньому приключений також до першого входу елемента І 6.і, строю, що виставляв сигнал залиту переривання. вихід якого зв'язаний з першим входом елемента Даний активний зовнішній пристрій видає на загаАБО 7.і, який своїм виходом підключений до входу льну шину вектор переривання, що приймається 8.і блока переривань 4.і. Вихід 9.і блока перерипроцесором. Після цього процесор обслуговує вань 4.і підведений до другого входу елемента запит зовнішнього пристрою. 7.(і+1), а блока 4.п - 7.1. Таким чином, блоки переДо достоїнств розподілених арбітрів можна ривань 4.і через елементі АБОоб'єднані у кільце. віднести: мале число ліній зв'язку в шині управлінВиходи 10.і блоків переривань 4.і об'єднані у єдину ня; простота нарощування числа зовнішніх прилінію і підключені до входу вимоги переривань строїв. (ВП) процесора 1, вихід підтвердження перериНедоліком системи із розподіленим контролевання (ПП) якого підведений до керуючих входів ром переривань є використання фіксованих рівнів тригерів 5.і та других входів елементів І б.і. (Техпріоритетів запитів, які не можна змінювати динанологічні особливості елементної бази повинні мічно. Використання фіксованих рівнів пріоритетів допускати об'єднання виходів Ю.і. Наприклад, не забезпечує гарантованого обслуговування завикористовуються елементи з відкритим колектоявок від зовнішніх пристроїв на визначеному відріром, а сигнали вимоги переривань мають активний зку часу. Заявки з низьким рівнем пріоритету при низький рівень). великій інтенсивності заявок з більшими пріоритетами можуть не виконуватися тривалий час (ситуУ якості блоків переривань 4.і можуть викорисація "starve"). Ця обставина може привести до товуватися стандартні блоки розподілених систем уповільнення обчислювального процесу, а іноді переривань. Приклад логічної організації таких до тупикової ситуації. блоків показаний у вигляді функціональної схеми на Фіг.2. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення обчислювальної системи шляхом Обчислювальна система працює наступним забезпечення гарантованого обслуговування печином. У системі реалізовано динамічний пріориреривань процесора від кожного зовнішнього притет зовнішніх пристроїв 2.і. У кожний момент часу строю на визначеному відрізку часу, що дає можтільки в одному із тригерів 5.1, ..., 5.п записана ливість уникнути тупикових ситуацій при реалізації одиниця (наприклад, на початку обчислень - у триобчислювальних процесів, тобто підвисити ефекгері 5.1). Всі інші тригери встановлені в нуль. Найтивність обчислювальної системи у режимі перевищій пріоритет має зовнішній пристрій 2.і, тригер ривань. якого встановлений в одиницю. Готовий до обміну інформацією з процесором 1 будь який зовнішній Встановлена задача виконується тим, що в пристрій 2.і формує сигнал запиту переривання обчислювальній системі, що містить процесор і (ЗП.і) на виході Ю.і. При наявності такого сигналу зовнішні пристрої, зв'язані між собою загальною розривається приоритетний ланцюжок між входом шиною, кожний і-й зовнішній пристрій (1=1...п) міс8.і та виходом 9.і блоку переривань 4.і (Фіг.2). Яктить блок переривань, перший вихід якого підклющо є хоч один сигнал на виходах 10.1, ..., Ю.п, чений до керуючого входу процесора, новим є те, формується загальний сигнал вимоги переривань що в склад кожного і-го зовнішнього пристрою на вході ВП процесора. Після закінчення чергової введено елемент АБО, елемент І та тригер, вихід команди процесор у відповідь на сигнал ВП форякого зв'язаний з інформаційним входом тригера мує сигнал підтвердження переривання на виході і+1-го зовнішнього пристрою та з першим входом ПП. Цей сигнал потрапляє у пріоритетний ланцюелемента І і-го зовнішнього пристрою, вихід якого жок, замкнутий у кільце, починаючи з зовнішнього через перший вхід елемента АБО підключений до пристрою з найбільшим пріоритетом, так як відвходу блоку переривань і-го зовнішнього прикритим є тільки один елемент І б.і в цьому зовнішстрою, другий вихід якого зв'язаний з другим вхоньому пристрої. Сигнал ПП розповсюджується по дом елемента АБО і+1-го зовнішнього пристрою, ланцюжку тільки до першого на його путі блока другі входи кожного елемента І та кожного тригера переривань 4.і, який виставив сигнал запиту перепідключені до керуючого виходу процесора, приривання ЗП.і. В цьому блоці 4.і формується вектор чому вихід тригера та другий вихід блока перерипереривання, який видається на загальну шину З вань п-го зовнішнього пристрою підключені відпота приймається в процесор 1. Після цього процевідно до інформаційного входу тригера та другого сор починає виконувати програму обслуговування входу елемента АБО 1-го зовнішнього пристрою. переривання і знімає сигнал ПП. Після зняття проНа Фіг.1 показана структурна схема обчислюцесором сигналу ПП (по перепаду цього сигналу) вальної системи; на Фіг.2 - приклад побудови блоодиниця переписується у наступний тригер по кіка переривань. льцю тригерів 5.і, ..., 5.і. У цьому випадку зовнішній Обчислювальна система (Фіг.1) містіть процепристрій, що обслуговується, одержує мінімальний сор 1, зовнішні пристрої 2.1, ..., 2.п, загальну шину пріоритет, а максимальний рівень пріоритету одеЗ, до якої підключені процесор 1 та зовнішні приржує наступний по кільцю тригерів 5.1, ..., 5.п зовстрої 2.1, ..., 2.п. До складу Кожного і-го зовнішньонішній пристрій. го пристрою входить блок переривань 4.і, тригер Таким чином, в обчислювальній системі, що 5.і, елемент І 6.і та елемент АБО 7.і. (апаратура пропонується, забезпечується автоматичний пезовнішніх пристроїв, яка не стосується реалізації 10444 2 1 4 2 ренос початку пріоритетного ланцюжка після кож5 3 ного чергового надання переривання, що забезпе1 3 2 5 4 3 чує динамічну зміну рівнів пріоритетів зовнішніх 4 1 4 2 3 5 пристроїв. 4 2 1 5 5 3 Порівняємо відому систему та систему, що пропонується, за ефективністю реалізації ПерериЗ табл. 1 видно, що пріоритет ЗП із номером і вань. Ефективність системи переривань можна в кожен момент часу визначається номером j акоцінити по величині часу чекання обслуговування. тивного ЗП (що обслуговується). Отже, рівень Взаємодію зовнішніх пристроїв (ЗП) із процесором пріоритету ЗП із номером і можна визначити по при реалізації переривань можна розглядати як формулі замкнену мережу масового обслуговування. s = Гп + i - j при i j. _ (з) ритети, що визначаються їх позиціями в ланцюжку Порівняємо ефективність різних дисциплін об(перший ЗП має найвищий, а п-й - найнижчий слуговування потоків заявок за умови однакової пріоритет). інтенсивності потоків від кожного ЗП. У цьому виБудемо вважати. Що заявки мають відносні падку завантаження системи кожним ЗП буде одпріоритети, потік заявок є стаціонарним, а час обнаковим (рі = р ). Тоді з урахуванням (2) і (3) для слуговування для всіх заявок однаковий. Тоді сединамічних пріоритетів час чекання обслуговуванредній час чекання обслуговування складе [Осноня можна визначити як вы теории вычислительных систем. Под ред. С.А. Майорова. М., "Высш. школа", 1978. - с. 74, форt мула 3.17] 2(1 - R) " Отримане значення часу чекання при прийнятих вихідних даних однакове для всіх ЗП. Проілюн струємо зміну часу чекання для різних дисциплін обслуговування заявок на конкретному прикладі Zti-FVOn-R,) (1) при різному сумарному завантаженні системи. Для де j= jtj - завантаження системи обслуговувизначеності будемо вважати, що п=10, час обванням заявок j-ro пріоритету ( j- інтенсивність слуговування та інтенсивність потоку заявок однакові для всіх ЗП. При використанні фіксованих потоку заявок j-ro пріоритету, tj - час обслуговупріоритетів середній час чекання для ЗП неоднавання заявок); R,_i = XPk ' R| = XPk ' сумарне ковий, причому, зі збільшенням завантаження сисk=1 k=1 теми розходження в часі збільшується. Наприклад, завантаження системи обслуговуванням заявок при п=10 збільшення завантаження на 0,25 привовідповідно (і-1) і і старших пріоритетів; Ф, - середдить до п'ятикратного збільшення часу чекання. ній час обслуговування заявок j-ro пріоритету; j Використання запропонованих методів реалікоефіцієнт варіації, що визначає відношення серезації переривань з динамічними пріоритетами задньоквадратичного відхилення тривалості обслубезпечує на визначеному відрізку часу гарантоваговування до його математичного чекання. не обслуговування заявок на переривання. Це Для визначеності будемо вважати, що час обдозволяє уникнути тупикових ситуацій і створює слуговування заявок у даному випадку постійний і передумови для зменшення часу обробки інфордорівнює (коефіцієнти варіації рО), з (1) одермації в обчислювальних системах. жимо Крім того, використання дисципліни обслугоRx вування переривань з динамічними пріоритетами t, = забезпечує мінімізацію максимального часу чекан(2) ня обслуговування. Це є важливим чинником для систем реального часу, коли тривалість перетводе R = - сумарне завантаження системи, рення інформації обмежується зовнішніми факторами. причому R