АСИНХРОННИ
КОНВЕЙЕРНИ СИСТЕМИ С
ОБЩА
СТРУКТУРА
(
МЕТОДОЛОГИЯ ЗА СИНТЕЗ )
ASYNCHRONOUS PIPELINE SYSTEMS WITH COMMON STRUCTURE
( METHODOLOGY FOR
SYNTHESIS )
ПРЕДГОВОР
FOREWORD
Съвременното
състояние на
компютърните
науки се характеризира
с интензивно
и
многопластово
развитие.
Отделните
главни
направления се
припокриват
и активно си
взаимодействат.
Алгоритмично-програмните
проблеми, обектите
на
приложение и
дори
данновите
структури
влияят върху
апаратната
архитектура
на компютърните
системи и
обратно.
Каквито и да
са обаче
взаимните
връзки между
отделните
аспекти в
това научно и
технологично
направление,
развитието
на
компютърните
системи продължава
да е
подчинено на
една главна
цел – постигане
на все
по-високо
бързодействие
и производителност.
Тази цел е
особено
значима в
апаратното
научно-технологично
направление.
Развитието
на
компютърните
системи в смисъла
на апаратно и
архитектурно
отношение
може да се
характеризира
от различни
гледни точки.
В съвременни
условия
обаче искаме
да отбележим
“израстването”
им от гледна
точка на
алгоритмичното
и приложното
осигуряване,
което имат
амбицията да
поддържат. В този
смисъл
съвременните
системни
хардуерни
решения
отнемат
задачи, които
досега са традиционно
решавани със
софтуерни
средства.
Това се
отнася както
до
градивните
елементи,
така и до
конструктивно
завършените
хардуерни
системи. В
същото време
развитието
на
хардуерните
системи въз
основа на прилаганите
за тяхното
производство
технологии
започват да
изпитват
затруднения,
които са свързани
с основния
метод за
управление –
синхронния.
Както в
преследването
на основната
цел, така и в
борбата с
недостатъците
на хардуерните
системи,
едновременно
с
технологично-производствените
методи и
средства, се
прилагат
нови
теоретични
подходи,
методи и
форми за
организация
на
изчислителния
процес на
различни
негови нива.
В
настоящата
книга
авторът
представя
едно
обобщение на
разултати от
своите
научни изследвания,
публикувани
в неговите
дисертации и
научни публикации,
подчинявайки
ги на
заявените
по-горе
характеристики.
Обезпечаването
на
максимална
производителност
за
компютърните
системи е
възможно при
едновременното
използване
на следните
основни
подходи:
1.
Апаратна
реализация
на всички
възможни за
това
изчисления;
2.
Електронна
реализация с
най-съвременни
интегрални
технологии;
3.
Асинхронен
метод на
управление
на всички нива;
4.
Внедряване
на
разнообразни
форми на паралелизъм.
Че
апаратната
реализация
на едно
изчисление е
по-бързо от
програмната
му, е
неоспорим
факт. Ето
защо съвсем
естествено, с
развитието
на технологиите,
много
изчисления
бяха реализирани
чрез
специализирани
интегрални схеми,
а в
последствие
вграждани в
други големи
интегрални
схеми.
Предимствата
на програмната
реализация
на
компютърните
изчисления
са безспорни,
което
означава, че
тази реализация
ще бъде
водеща още
дълги години,
но тя е обречена
да бъде в
постоянна
симбиоза с апаратната.
Електронната
реализация
също е
неоспорим
факт по
простата
причина, че
човечеството
не познава
по-бързо
природно
явление от
разпространението
на полето и в
часност на
електрическото
поле, което е
изучено в
най-висока
степен. С
други думи,
когато говорим
за апаратна
реализация,
подразбираме
електронна
такава.
Асинхронният
метод за
управление е
безспорно
желан, тъй
като той може
да отстрани
непроизводителните
времеви
интервали в
отделните
степени на
изчислителните
системи.
Отстраняването
на непроизводителните
латентности
води до повишаване
на
бързодействието
на една система
като цяло,
без нейната
реализация
да изисква
по-съвършени
градивни
елементи.
Паралелизмът
е особена
форма на
организация.
Основните
форми са две –
явна и
неявна. Като
пример за
явна форма на
паралелизъм
могат да
бъдат
посочени
няколкото
еднакви АЛУ в
структурата
на един
процесор.
Най-ярък пример
за неявен паралелизъм
представлява
конвейерната
форма на
организация.
Настоящата
книга
представя
формулирането
и
принципното
теоретично
решаване на проблеми,
свързани с
хардуерната
реализация
на
изчислителен
процес с обща
алгоритмична
структура,
търсейки по
този начин
възможности
за
хардуерните
системи, които
са присъщи на
софтуерните.
Книгата представя
разработената
методологичната
основа за
анализ и
синтез на
хардуерна
реализация с
неконвенционална
организация
на
изчислителния
процес,
характеризиращ
се с
произволна
алгоритмична
структура.
Използвайки
познати
принципи,
методи и средства,
авторът се е
фокусирал
върху възможностите
за
разработване
на нови
методи за
апаратна
реализация
на
функционално
пълна
система от
алгоритмични
структури, които
са
ориентирани
преди всичко
към
асинхронна и
конвейерна
организация
на
изчислителния
процес. Освен
конвейерна
организация,
са
разгледани и
други форми
на
паралелизъм,
като
естествен и
суперскаларен, които освен
това са
подчинени на
конвейерния
принцип.
Стилът на
представения
хардуерен
дизайн може
да се
определи
като смесен,
тъй като
прилага
както
синхронния
така и
асинхронния
методи за
управление.
Асинхронният
дизайн,
представен в
книгата, възприема
принципа на
“ръкостискане”.
Изложението
се придържа в
максимална
степен към
традиционната
терминология.
Съществуват
обаче случаи,
в които тя е
недостатъчно
ясна и точна,
ето защо
където се
налага,
новите разбирания
са
допълнително
пояснявани.
Книгата
съдържа 5
глави. В
глава 1 са
изложени
проблемите,
които са
изявени при
анализа на изчислителния
процес, от
гледната
точка на по-горе
посочените
му
характеристики.
Анализът
естествени
води към
основните
задачи, чието
решаване е
обект на
последващото
изложение в
отделните
глави на
книгата.
В глава 2 е
представено,
а по-нататък
и приложено, едно
ново
разбиране
относно
възможността
за
организация
на
управлението
на операционни
(изчислителни)
структури.
Разбирането
позволява
нов подход
към
апаратния синтез,
прилагайки
конвейерната
организация
като
естествена
алтернатива
на микропрограмното
управление,
което
обикновено
се постига
чрез крайни
автомати.
Новата
концепция се
основава на
събитийността
и причинно
следствените
връзки при
функциониране
на структурите.
Представен
е още
и синхронен
синтез на
оригинални
многотактови
микроконвейерни
звена, функциониращи
в
разнообразни
условия, включително
и в състава
на
асинхронни
микроконвейери.
В глава 3 са
представени
методи за
синтез на
уникални по
структура
асинхронни
конвейерни и
микроконвейерни
системи.
Анализът на
всяка от
разгледаните
теми изявява
множество
нови научни
задачи.
Такива са
задачата за
конвейерна
организация
на нелинейни
алгоритмични
структури;
задачата за възстановяване
на реда на
слизащите от
конвейера
резултати;
задачата за
арбитриране
на заявките в
общите точки;
задачата за
конвейерна
организация
на
разнообразни
многотактови
циклически
структури;
задачата за
конвейерна
организация
на структури,
реализиращи
естествен
паралелизъм;
задачата за конвейерна
организация
на
суперскаларни
структури;
както и
задачите за
синтез на множество
оригинални
микроконвейерни
автомати,
реализиращи
управлението
на
споменатите
структури.
Анализът на
общи по
структура
комбинации
от
разгледаните
конвейери
позволява формулирането
на ново и
самостоятелно
направление
в
изследването
и
оптимизирането
на
конвейерните
структури.
Глава 4 е
посветена на
анализа и
синтеза на модела
на
фактическото
закъснение
за операционни
логически
схеми,
характеризиращи
се с
латентност,
която може да
се променя в
твърде
широки
интервали.
Този модел
придава на
операционните
схеми способност
да участват в
структурата
на всяко асинхронно
конвейерно
звено, като
му осигуряват
минимално
необходимата
реална латентност
при всяка
отделна
операция.
Представен е
логическият
синтез на
многовходови
концентратори
за операция
събиране като
една от най-тежките
операции,
както и тяхно
приложение в
схемата на
конвейерен
умножител.
Глава
5 е посветена
на
класическите
структури за
логическо
управление.
Класическите
подходи за
логическо
управление
чрез обособени
(в смисъла на
декомпозиционния
модел на
Глушков)
управляващи
автомати не
могат да
бъдат отречени,
защото те
имат своите
безспорни достойнства.
Определяща
същността на
представеното
обаче е
идеята за
асинхронно
управление.
Представена
е достатъчно
пълна колекция
от средства
за
генериране
на управляващи
импулси,
функциониращи
събитията в
логическите
схеми. В духа
на
асинхронния
метод за
управление
са
представени
методи за синтез
на
апериодични
крайни
автомати с
апаратно и с
програмно
закрепена
логика.
ã
Димитър
Тянев.
2016 г.