Развитие мини-ЭВМ. По своим возможностям новые иии-ЭВМ быстро приближаются к средним и "большим ЭВМ середины и конца 70-х годов, а сфера их применения становится очень широкой. Ниже кратко рассматриваются только некоторые направления в развитии аппаратных и программных средств мини-ЭВМ.

Процессор. Как правило, длина машинного слова новых мини-ЭВМ составляет 32 бита. Такое слово обеспечивает реализацию многочисленных типов данных с различными форматами. Увеличивается до 32-64 число регистров общего назначения, что увеличивает производительность процессора. Благодаря широкому применению СИС и БИС время командного цикла доведено до 200-1000 ис. В разработках устройств управления преобладает принцип микропрограммного управления с конвейеризацией микрокоманд. Иногда вводится внутренний буфер команд, обеспечивающий опережающую выборку команд из программной памяти с совмещением выборки и выполнения команд.

Система команд становится все более обширной, в частности она осуществляет операции с плавающей запятой, табличные преобразования, десятичную арифметику и др.

Память. Емкость и быстродействие основной памяти миии-ЭВМ заметно увеличиваются благодаря применению компактной, быстродействующей и экономичной полупроводниковой памяти. Для компенсации энергозавнсимостн полупроводниковой памяти во многих мини-ЭВМ предусматривается энергонезависимая ферритовая память небольшой емкости.

Однако быстродействие памяти большой емкости пока несколько ниже быстродействия процессора. Для уменьшения влияния этой диспропорции в некоторых мини-ЭВМ применяется кэш-память. Это быстродействующая биполярная память сравнительно небольшой емкости 2К-8К байт, которая находится между процессором и основной памятью. Работа кэш-камяти опирается на принцип локальности программ: значительная часть обращений к памяти прн выполнении программы приходится на небольшие ее области. В кэш-памяти копируется содержимое этих областей, и в операциях считывания, составляющих до 80 % обращений к памяти, она заменяет основную память.

В мини-ЭВМ широко применяются средства преобразований (отображения) сравнительно коротких логических адресов памяти, формируемых процессором, в данные физические адреса, содержащие до 32 бит. Такие физические адреса обеспечивают емкость основной памяти более 4 млрд. байт.

Средства ввода-вывода. Совершенствование средств ввода-вывода идет по пути введения каналов ввода-вывода, позволяющих совместить операции ввода-вывода с действиями центрального процессора. Расширяется набор периферийных устройств, улучшаются их технические характеристики, создаются более удобные условия для работы пользователей. Особенно следует подчеркнуть широкое применение символьных и графических дисплеев. Благодаря встроенным микропроцессорам и микро-ЭВМ периферийные устройства выполняют многие функции автономно от центрального npqjieccopa, приобретая черты «искусственного интеллекта».

Программное обеспечение. В разработке новых мини-ЭВМ наблюдается устойчивая тенденция сохранения программной совместимости «вверх» с предыдущими моделями, особенно получившими широкое распространение. Объясняется это стремлением максимально использовать те огромные средства, которые были вложены в разработку программного обеспечения ЭВМ.

Программное обеспечение становится асе более мощным, создаются совершенные операционные системы, например система UNIX. Мини-

ЭВМ вснащаются трансляторами со многих языков высокого уровня, в том числе языков С, «Паскаль» и «Ада». Как уже отмечалось в § 7-1, заметна тенденция к аппаратной и аппаратно-программной реализации функций операционных систем.

Распределенные системы на базе мини- и микро-ЭВМ. Встраивание микро-ЭВМ в цифровые системы обеспечивает такие преимущества программного управления, как гибкость, надежность, удобство эксплуатации и дешевизна. Сейчас производятся системы, выпуск которых ра- . иее оказывался неэкономичным. Естественной эволюцией систем на базе мини- и микро-ЭВМ стала распределенная обработка информации («распределенный интеллект»), базирующаяся на мультипроцессорных и мультимашинных системах. Эти два класса систем имеют некоторые принципиальные различия, поэтому ниже они рассматриваются отдельно.

Мультипроцессорные системы. Мультипроцессорные системы характеризуются тем, что имеют один входной поток заданий (рабочую нагрузку). Единая операционная система распределяет аппаратные ресурсы, а физические расстояния между элементами системы невелики. Такие системы применяются в ситуациях, где определяющим фактором является надежность, которая обеспечиваетсялибо введением значительной избыточности аппаратуры, либо средствами быстрой реконфигурации системы при отказе.

Различают два типа мультипроцессорных систем: слабосвязанные и сильносвязанные. В слабосвязанных системах каждый процессор имеет локальные программную память, средства ввода-вывода и память данных (оперативную память). Получающуюся структуру называют процессорным элементом. Для межпроцессорной связи (взаимодействия) предусматриваются резидентные средства, с помощью которых можно косвенно использовать другие элементы системы. Каждый процессорный элемент выполняет сравнительно автономные функции, например опрос датчиков и калибровку. Взаимодействия с другими процессорными элементами оказываются нечастыми и обычно реализуются с помощью блоковых передач либо непосредственно в нужный элемент, либо через общую память данных (рис. 8-20).

Когда данные передаются непосредственно в другой процессорный элемент, их необходимо записать в оперативную память элемента-приемника. Для компенсации уменьшения производительности и в некотором смысле изолирования источников и приемников применяется буферная память типа FIFO. Она, представляет собой двухпортовую оперативную память, допускающую асинхронную запись и считывание данных.

Если для взаимодействия используется разделенная общая память, каждому процессорному элементу выделяется область общей памяти, адрес которой известен остальным процессорам системы (рис. 8-21). Такая область памяти, обычно называемая почтовым ящиком, становится как бы частью процессорного элемента. Процессор опрашивает свой почтовый ящик по некоторому периодическому алгоритму, либо организуется общее системное прерывание для инициирования опроса процессорами их почтовых ящиков.

Независимо от способа взаимодействия процессоров важное значение имеет организация системной шины. Простой вариант с общей шиной, к которой обращаются все процессорные элементы, имеет серьёзные ограничения, если важно обеспечить немедленный доступ к шнне. В системе появляются дополнительные аппаратные средства, которые управляют доступом к шние и называются арбитром шины. Арбитр анализирует запросы шины от всех процессорных элементов и в соответствии, с их приоритетами разрешает доступ к шине. В более дорогом

Процессор 1

Межпроцессорная шина

Разделенная локальная память

Локальная память

Процессор 2

Разделенная локальная память

Локальная память

Разделенная общая память

П роцессор 1

Локальная память

Процессор 2

Локальная память

Рис. 8-20. Межпроцессорная связь: а -с помощью прямых передач; б -с помощью общей памяти

варианте вводится несколько трактов связи и взаимодействия становятся менее зависимыми от других действий в системе. Если допустима сравнительно невысокая скорость передачи данных, применяются линии последовательной связи.

Для снльносвязаиных мультипроцессорных систем характерны бли-< зость элементов, параллельная структура шины и разделенные ресурсы. Процессоры могут иметь общую программную память, память данных или средства ввода-вывода. Каждый процессор обращается к общей шнне для выполнения циклов памяти или ввода-вывода. Это предъявляет жесткие требования к быстродействию шины и ограничивает число процессоров в системе. На рис. 8-22 показаны известные зависимости производительности системы Тс от числа процессоров N. Величина Тп соответствует производительности одного процессора, а коэффициент использования шины b представляет собой часть доступных циклов шн-

Почтовый

ящик процессора 1

Рис. 8-21. Организация поч

общей па- ppoSpaN

Почтовый ящик

От процессора 2 процессору I

От процессора 3 процессору 1

От процессора N процессору I

От процессора t процессору. 2

От процессора 1 процессору N От процессора 2 процессору N

От цессора N-1 процессору N