В информационно-управляющих системах

На рис. 33 приведена модель вычислителя со структурой Дж. Неймана, соот­ветствующая однопроцессорной универсальной ЭВМ. В мо­дели рис. 33 в явной форме присутствуют устройства ввода (вх) и вывода (вых), чего нет на рис. 36, т.к. модель рис. 36 составлена из предположе­ния, что вся исходная информация уже внесена в ЗУ подсистемы И, там же накапливается и результирующая информация. Очевидно, что для данной моде­ли это не единственный способ организации внешних связей (рис. 37).

Рис. 37

При однопроцессорной подсистеме Ф принципы вычислений в струк­туре Дж. Неймана и структуре Ю.Ф. Мухопада будут отличаться последо­вательностью со­стояний, как и самим понятием состояния. Состояние в структуре 33 соответствует акту приема, преобразования и передачи ин­формации. В структуре 36 этот акт явля­ется общим (параллельным) для всех подсистем, тогда как для модели 33 он прин­ципиально последовате­лен. Действительно, рассмотрим случаи, когда для выполне­ния следующей команды необходима выборка очередной команды из ЗУ, модифика­ция ко­манды и адреса, выборка и передача двух операндов в подсистему Ф, срав­не­ние операнда с константой. Все эти операции в структуре Дж. Неймана реализуют последовательность на одном АУ, тогда как в структуре Ю.Ф. Мухопада (рис. 36) они могут осуществляться параллельно в один и тот же момент, хотя и при одном процессоре в подсистеме Ф, т.к. сравнение с константой происходит в подсистеме Л, модификация адреса – в подсистеме А, модификация команды – в подсистеме У, вы­борка и прием операндов – в подсистемах Ф и И.

Рассмотрим способы организации связей в структуре рис. 36. Предельно парал­лельным видом организации связей является независимая связь каж­дой подсистемы с внешней средой (рис. 37 а), предельно последователь­ным – организация связей че­рез единое ЗУ. Количество способов органи­зации связей определяется комбинатор­ной оценкой от числа вершин в гра­фе, однако из всего разнообразия свя­зей пред­ставляет интерес структуры рис. 37. На рис. 37 б представлена связь всех подсистем через одну общую шину, а на рис. 37 в – независимое выделение информационной шины и локальные (непосредственные) связи. В случае рис. 37 а в каж­дую из под­систем вводится информация своего типа: в логическую – сиг­налы внешних датчи­ков от концевых выключателей, схем сравнения, в управляющую – сигналы пуска, останова и др. с пульта управления, в ад­ресную – начальный адрес выполнения про­граммы, в функциональную – аналоговые сигналы (для аналого-цифровых вычисли­телей) датчиков, в информационную – массивы данных, кон­станты. Аналогично вы­ход из ло­гической подсистемы – непосредственное значение не­которых логических пе­ременных во внешнюю среду и для передачи их в устройство управления, из управ­ляющей подсистемы – сигналы управления исполнительными эле­ментами, из адрес­ной подсистемы – адреса коммутации внешних устройств, ин­терфейсов, блоков сиг­нализации, блоков внешней памяти, исполнитель­ных элемен­тов и т.п., из функцио­нальной подсистемы – результаты мас­штабных и функцио­нальных преобразований аналоговых сигналов, посту­пивших в подсистему Ф, из информационной подсис­темы – результирую­щий массив данных.

На рис. 37 г выделены три шины: информационная, адресная и управляю­щая. Очевидно, что в предельном случае допустима также организация пяти неза­виси­мых шин связи по количеству соответствующих подсистем.

Оценка той или иной структурной организации вычислителя и связи в нем должна произво­диться исходя из количественной (статистической) оценки слож­ности алгоритмов и количества переносимой во времени информации между под­системами при реали­зации вычислительного процесса. Этот же статистический ма­териал может исполь­зоваться и для принятия решений о совместимости аппаратной реализации каждой из подсистем с переходом к системам с общей или распреде­ленной по подсистемам памятью.

СВОЙСТВА СИСТЕМНОЙ МОДЕЛИ

Модель Ю.Ф. Мухопада универсальна в том смысле, что описывает не только аналого-цифровые, но и чисто цифровые системы управления, вычислительные преобразователи информации (ВПИ), микропроцессорные системы (МПС), ком­плексы и даже простые цифровые автоматы (ЦА) с заданным алгоритмом функцио­нирования.

Для записи алгоритмов систем управления используются блок-схемы Л.А. Ка­лужнина, ЛСА – логические схемы алгоритмов А.А. Ляпунова, регу­лярные схемы ал­горитмов В.М. Глушкова, МСА – матричные схемы алгоритмов, сети Петри, таб­личные схемы (ТСА) и др. *

В этом пособии будут использоваться преимущественно блок-схемы алгорит­мов, называемые в некоторых учебниках ГСА – граф-схемы (в от­личие от графов, которые не содержат операторов распознавателей).

Какой бы алгоритмический преобразователь мы ни рассматривали, его анализ и проектирование целесообразно проводить по модели Ю.Ф. Мухопада, которой присущ следующий ряд свойств: реализуемость, многофункциональность, связность, совместимость, параллелизм, иерархич­ность, быстродействие и контролируе­мость.

Рассмотрим свойства этой системной модели.

Свойство 1. Реализуемость. Любой алгоритм преобразования ин­формации реализуется техническим устройством (ВПИ, МПС, ЦА) с раз­дельными подсисте­мами. Объединение подсистем (Ф, И, А, Л, У) опреде­ляется в процессе проектирова­ния по выдвинутым критериям оптимизации с учетом структуры алгоритма и осо­бенности элементной базы.

Рассмотрим некоторый алгоритм (рис. 38). На рис. 38 а представлен алго­ритм управления как ГСА с последовательностью операторов от А₁₇ до А₁₆ с двумя логическими условиями (α₁ и α₄) и тремя параллельными ветвями S_1, S₂, S₃, начи­нающимися с общего оператора А₂ и заканчивающимися общим оператором А₁₅. На рис. 38 б все параллельные цепи S_1, S₂, S₃ расшифрованы, причем на обычную ГСА с указанием управляющих (причинных) связей между операторами А _i и A _j (которые обозначены сплошными линиями со стрелками) нанесены еще пунктир­ные стрелки, указывающие передачи промежуточной информации от А _i и A _j. Итак, информаци­онные связи (т.е. пунктирные линии) указывают, от какого оператора и к ка­кому передается проме­жуточный результат, например цифровой код или напряже­ние, оптический сигнал, пневматический сигнал и др.

Проанализируем такой алгоритм. Любая алгоритми­ческая запись содержит множество опера­торов действия А (функциональная подсис­тема) и операторов распознава­телей α (логическая подсис­тема), объединенных в структуру алгоритма информационными пространственными связями (адресная под­система) и временными связями (управляющая подсистема). В общем случае в реаль­ном алгоритме содержатся хотя бы два оператора с разными временными оценками, следовательно, необходимо не только соблюсти временную «причинную» последова­тельность операторов, но и произвести также гене­рацию по­следовательности времен­ных меток различной длительности (управляющая подсис­тема). При этом в алго­ритме с параллельными ветвя­ми найдутся хотя бы две ветви с разными временными оценками (при оди­наковых временных оценках операторов ветви могут отличаться числом операторов), тогда для реализации последующего (общего для обеих вет­вей) оператора потребуется временная задержка результата (за­поминающая подсистема) до окончания действия ветви с бóльшими временными оцен­ками. Таким образом, анализ алгоритма позволяет сделать вывод о действительной необходи­мости пяти подсистем для его реализации.

Рис. 38

Свойство 2. Многофункциональность. Покажем, что реализация не­скольких алгоритмов осуществляется пространственно-временной компо­зицией нескольких ВПИ, которая может быть сведена к одному ВПИ с комплексированными подсисте­мами и перестройкой комплексного ВПИ на разные функции по коду алгоритма. Оп­ределим функции комплексированной подсистемы.

Действительно, каждый ВПИ, согласно свойству 1, реализуется пя­тью подсис­темами Ф, И, А, Л, У. Для алгоритмов А₁, А₂ ,..., А _n создадим комплексные подсис­темы:

Ф (к) = Ф ( А₁ ) Ф(А₂) ... Ф(А _n)

И(к) = И(А₁) И(А₂) ... И(А _n)

…………………………….

У (к) = У(А₁) У(А₂) ... У(А _n)

Тогда Ф (к), И (к),..., У (к) должны иметь специальные кодовые входы для на­стройки подсистемы на выполнение функций i -го алгоритма, т.е. для каждого i 1, 2, …, n

Ф(к) = Ф(А _i),..., У(к) =У(А _i).

Для информационной подсистемы комплексирование есть распреде­ление (за­крепление) зон общей памяти за каждым из алгоритмов, а код i определяет началь­ный адрес i -й зоны.

Для функциональной подсистемы чаще всего при достаточно хоро­шем уровне совместимости алгоритмов (0,7–0,9) подсистема Ф(к)реализу­ется общим для всех алгоритмов процессором и ВПИ (табличными или таблично алгоритмическими), специфичными для каждого A _i. Совместимость алгоритмов здесь понимается в узком смысле через наличие в них одинаковых операторов действия независимо от их последовательности в ГСА.

Для управляющей подсистемы создается многопрограммный авто­мат, причем микропрограммы типовых операций будут общими для всех A _i (i = 1, N).

Свойство 3. Связность. Полная модель Ю.Ф. Мухопада включает
наличие всех связей (прямых и обратных) между подсистемами, а также
связи каждой подсистемы с внешней средой. Поэтому полная связность модели отображается в виде полного пятивершинного графа с добавленными внешними связями у каждой вершины. Неполная связность модели для конкретного алго­ритма определяется отсутствием каких-то связей. При реализации конкретного ал­горитма могут потребоваться не все связи, как между подсистемами, так и с внеш­ней средой. Например, часто из внешних связей остаются связи с информаци­онной и управляющей подсистемами, а связи функциональной подсистемы с адресной могут не исполь­зоваться, хотя обратная связь адрес­ной подсистемы с функциональной будет присутствовать. ВПИ и МПС с внешними связями каждой из подсистем назовем предельно связанными с внешней средой (рис. 36). Предельно связанные ВПИ имеют комплексированную структурную организацию, т.к. реализуют алгоритм ввода-вывода и алгоритм преобразования информации.

Свойство 4. Совместимость. Единичным внутренним состоянием вычисли­тельной системы назовем состояние «включения» в работу единственной подсис­темы (согласно системной модели) по каждому тактууправляющей подсистемы (в каждый момент времени работает лишь одна подсистема Ф, И, Л, А, такти­руемая сигналами подсистемы У). Если ВПИ, МПС или ЦА реализуют алгоритм через последовательность единичных состояний при одном и том же носителе ин­формации во всех подсистемах, то модель Ю.Ф. Мухопада может быть сведена к модели В.М. Глушкова (операционный и управляющий автомат) за счет объеди­нения функций подсистем Ф, И, Л, А в одном операционном устройстве. На рис. 39 представлены варианты наиболее целесообразных совмещений функ­ций под­систем:

а) совмещение А, У – структура с единым микропрограммным (программным) устройством управления (рис. 39 а);

б) совмещение Ф, И – структура без внешней памяти, но с расширен­ной внут­ренней памятью процессора (рис. 39 б);

в) совмещение Ф, Л – структура с единым арифметико-логическим
процессором (рис. 39 в);

г) совмещение Ф, Л и А, У – рис. 39 г. Это наиболее распространенная струк­турная организация, если нет высоких требований к быстродействию реализации ал­горитма (смешанный вариант – СВ);

д) независимая реализация каждой из подсистем рис. 36 (раздельный вари­ант – РВ) – структура с предельным быстродействием на данной элементной базе.

Заметим, что во всех структурах речь идет только об обработке информации и не рассматрива­ется устройство ввода информации (терминаль­ные, абонентские, интерфейсные мо­дули).

Рис. 39

Таким образом, свойство совместимости есть возможность реализа­ции при оп­ределенных ограничениях функций двух или нескольких под­систем в одной ком­плексной (совместимой в одной) подсистеме. В пределе, как видим, приходим к мо­дели В.М. Глушкова.

При реализации сложного алгоритма, разделенного на части, или при реализа­ции комплекса слабо совместимых алгоритмов возможен вариант с динамической пе­рестройкой структуры по графу рис. 40. Очевидно, такая реализация с переходом по коду алгоритма от структуры РВ к СВ или ИФ, АУ или ЛФ возможна только при на­личии аппаратной избыточности (может быть, незначительной в процентном отноше­нии), определяемой специ­фикой алгоритмов.

Рис. 40

Свойство 5. Параллелизм. ВПИ, МПС или ЦА, производящий одновременно преобразования в подсистемах Ф, И, Л, А (четырехкратное состояние), обладает предельным параллелизмом преобразования информации. ВПИ, реализо­ванный на основе системной модели при независимых многофункциональных под­системах, может работать параллельно по четырем алгоритмам. Пусть подсистемы Ф, И, Л и А при подаче кода i перестраиваются на i -й алгоритм. Тогда можно так ор­ганизовать вычислительный процесс, что каждая из подсистем будет работать в один и тот же момент времени с разными алгоритмами. Т.е. если в момент t ₁осуществля­ется работа Ф(1), И(2), Л(3), А(4),то в момент t ₂соответственно – Ф(2), И(3), Л(4) и А(5)и т.д. Тем самым достигается более высокий уровень быстродействия совмест­ной обработки информации по 4 алгоритмам.

Свойство 6. Иерархичность. Структуру ВПИ, МПС или ЦА назовем простой (одноступенчатой), если каждая из подсистем не разлагается на другие подсистемы на данной ступени анализа. При этом под ступенью анализа понимается уровень де­тализации, например: уровень типовых БИС, логических элементов, уровень прин­ципиально электрического описания и др. В более сложных случаях в каждой из подсистем могут быть выделены функции и узлы (блоки), соответствующие пяти­компонентной модели. Например, информационная подсистема представлена в виде БИС памяти с ультрафиолетовым стиранием информации. Но если рассмотреть внутреннюю структуру БИС, то в ней есть накопитель (информационная подсис­тема), дешифратор (адресная подсистема), устройства записи, считывания и стира­ния (управляющая подсистема) и др. подсистемы. В иерархических системахкаждая из подсистем Ф, И, Л, А, У в свою очередь представляется в виде струк­турной модели из пяти подсистем, например У(ф), У(и), У(л), У(а),У(у).

Свойство 7. Быстродействие. ВПИ, МПС или ЦА с предельным параллелиз­мом и простой структурой обладает предельным быстродействием реализации ал­горитма в силу того, что все подсистемы работают параллельно.

Свойство 8. Контролируемость. Последовательность активизации подсистем определяется заданным алгоритмом и структурной организацией всего ВПИ, следо­вательно, если выделить граф последовательности активизации подсистем, то он может быть использован как контрольный. В самой модели рис. 36 все подсис­темы ВПИ доступны наблюдениям (рис. 41), и предполагается, что каждая из под­систем имеет средства формирования асинхронных сигналов занятости (т.е подсис­тема Ф, И, Л, А или У активизирована, и уже закончилось преобразование очеред­ной порции ин­формации). Тогда действительно можно применить вышеназванную систему контроля правильности функционирования.

Рис. 41

Вместе с тем в реальных микропроцессорных системах, построенных на серий­ных БИС и СБИС, не все подсистемы обладают одинаковой на­блюдаемостью. На­блюдаемость подсистем зависит от архитектуры МПС и реального элементного ба­зиса. Например, некоторые микропроцессоры имеют схемы пря­мого доступа в память, обеспечиваю­щие доступность информационной подсистемы, а другие – 16-разрядную шину адреса, доступную как для встроенных средств диагно­стирования, так и для наблюдаемости адресной подсистемы внешним обо­рудова­нием.

Существуют методы контроля функционирования, основанные на на­блюдаемо­сти адресной и управляющей линии, и отладки МПС с по­мощью внутрисхемного эмулятора. Контроллеры обычно имеют большое количество функциональ­ных выходов, что дает возможность наблюдать действие функциональной подсис­темы, в то время как адресная шина может быть не доступна.

Системная модель используется при анализе и синтезе как специализирован­ных устройств, так и средств широкого (универсального) применения.

Свойства 1–8 позволяют применять модель как основу анализа и синтеза ЦА и ВПИ, включая МПС со сложной структурой данных (списки, изображения, графы и др.) и иерархическим алгоритмом обработки информации.

Исходя из специфики задачи и требований технического задания (ТЗ) на проек­тирование, функции некоторых подсистем могут объединяться в одном блоке (см. рис. 39). МПС может выполняться с единой и распределенной памятью. Это лишь разные конструкции информационной подсистемы (И). Переход к МПС с памятью, распределенной по подсистемам, повышает общее быстродействие, но не отменяет общей памяти при необходимости хранения предыстории состояний МПС.

Особенность модели заключается не только в том, что она более подробна по сравнению с моделью «черного ящика» или моделью В.М. Глушкова. Декомпози­ционный подход упрощает процесс анализа и синтеза частей более сложного объ­екта. Но если в общем случае в задачах проектирования при детализации струк­туры на основе других моделей направленность декомпозиции не определена, то в модели Ю.Ф. Мухопада она определяется классификацией информационных про­цессов в вычислительном комплексе. Как было показано, какой бы сложности комплекс не анализировался, в нем обрабатывается пять типов информации:

1. Функциональная (обрабатываемая информация), которая может быть представ­лена цифровым или аналоговым способом (напряжение, сила тока, давление воздушной среды в пневматических структурах, напряженность элек­тромагнитного поля в радиосистемах и др.);

2. Хранимая информация, которая по форме может отличаться от функциональ­ной; например, аналоговая информация для хранения преобразуется в двоич­ный код, или функциональный двоичный код преобра­зуется в биноидный код, код Хемминга и др.;

3. Адресная (коды адресов, номера каналов связи и др.);

4. Логическая (конкатенация бинарных признаков);

5. Управляющая информация, которая отличается от других типов если не фор­мой, то разрядностью.

Другого типа информации в вычислительных и управляющих системах нет.

В универсальных вычислительных структурах каждая из подсистем развита пропор­ционально по сравнению с другими и в качестве функционального, логического, адресного, управляющего и информационного базисов (операции пересылки, счи­тывания, записи в разные типы ЗУ) ис­пользуется достаточно большой набор опе­раций.

В специализированных управляющих и вычислительных системах приспо­собление к структуре исходной информации и алгоритму ее обра­ботки происходит двумя путями:

• специализацией набора функциональных операций или включением в универ­сальные структуры дополнительных узкоспециальных ВПИ;

• выделением одной из пяти подсистем в качестве ведущей подсистемы.

Например, в информационно-поисковых системах ведущими являют­ся подсис­темы ассоциативной и других типов адресации и блоки расшире­ния памяти.

В теле­коммуникационных системах функциональная подсис­тема ориентированна на ко­дирование информации.

В задачах автоматиче­ского регулирования хотя и присут­ствуют все подсистемы, но ведущей становится управляющая.

Во всех системах, связанных с обработкой семантической информа­ции (обра­ботка изображений, распознавание образов, обработка списковых таблиц, использо­вание баз данных и баз знаний и др.), ведущей становится информационная подсис­тема. Не только объем, но и форма представления информации и структура инфор­маци­онной подсистемы наравне со способом кодирования исходной информа­ции определяет сложность и быстродей­ствие алгоритмов обработки.

В спецпроцессорах комбинаторного типа (задачи на графах, на сетях связи, логические задачи и др.) ведущей подсистемой становится логиче­ская подсистема.

В навигационных процессорах все подсистемы достаточно развиты, но каждая из них узкоспециальна [23]. Столь же специфичны и задачи пер­вичной обработки изображений. Поэтому понятия «вычислительный пре­образователь» или «вычисли­тельная машина» являются относительными, т.к. роль собственно вычислительных процессов (в понимании элементар­ных арифметических или некоторых элементар­ных функциональных зави­симостей типа sin х, и др.) может быть незначи­тельна. В этом плане модель рис. 36 методически важна в том смысле, что описы­вает любой ал­горитмический преобразователь информации.

Большинство информационно-управляющих систем в промышленно­сти, робо­тотехнике и транспорте относятся к классу сложных систем, отли­чающихся не только большим числом элементов и связей, но и распределенностью подсистем, модульностью их построения, иерархией систем управления с аппаратно-программным обеспечением и большим объемом памяти, используе­мой в системе.

Применительно к сложным системам обработки информации и управления необходима модификация этой модели. Определим типы ие­рархии в системной модели.

ДВУХУРОВНЕВАЯ ИЕРАРХИЯ

Рассмотрим принцип модульности для каждой из подсистем модели. Мо­дель сложной системы можно представить в виде графа с двой­ными вершинами, так как каждая подсистема двухуровневая: подсисте­ма Ф расширяется за счет Ф _j, подсистема Л расширяется за счет Л _j, А – за счет A _j и т.д. (рис. 42).

При однородной иерархии возможны другие варианты структурной организа­ции.

1. Система с автономным управлением (рис. 43). В этом случае в каждой подсис­теме имеется свой микропрограммный автомат управления (УА, УИ, УФ,УЛ). В подсистеме У в простейшем случае роль такого автомата (УУ) выпол­няет генера­тор синхроимпульсов со схемой пуска. При наличии полисинхрон­ной системы тактирования этот автомат (УУ) действительно становится самостоя­тельным автоматом со структурой, сравнимой по сложности с основным автома­том.

2. Система с распределенной по подсистемам памятью (рис. 44). В этом слу­чае на верхнем уровне иерархии в каждой подсистеме выделяется информацион­ная среда (память).

3. Система с распределенной логикой. Здесь кроме общей логической под­сис­темы (Л), обеспечивающей функционирование всей системы, в каждой подсистеме представлены свои блоки формирования логических признаков, например, для ин­дикации состояния подсистемы, формирования синдромов для контроля и диагно­стики и др.

4. Система с распределенной обработкой информации, когда в каждую из подсис­тем включают блоки Ф _j, преобразующие свойственную этой систе­ме инфор­мацию.

5. Система с автономной адресацией. Такая система будет наиболее эффек­тивна для параллельных процессов, так как она позволяет подготавливать сле­дующий шаг обработки информации или управления (табл. 19).

Рис. 42

Рис. 43

Рис. 44

Таблица 19

	Одноуровневая модель
И	Ф	А	Л	У
	Двухуровневая модель
И	Ф	А	Л	У
R	R	R	R	R
	Трехуровневая модель
И	Ф	А	Л	У	W
Р	Р	Р	Р	р

Трехуровневая иерархия – система с централизованным управлением. В модели с автономным управлением выделяется независимый (централь­ный) уровень управления, где УФ, УА, УЛ, УИ, УУ – МПА для каждой из подсистем, ЦУ – сис­тема централизованного управления. Для информаци­онно-управляющих систем уровню ЦУ соответствует решение следующих задач:

- контроль и диагностика ИУС;

- распределение ресурсов, информационных потоков;

- выбор источников и потребителей информации;

- прогнозирование изменения информации по результатам предыдущих измере­ний параметров и характеристик объектов;

- обеспечение взаимодействия оператора с системой;

- самонастройка и адаптация системы.

R = Ф, А, Л, У или И; Р = И или У; W.

Варианту структурной организации с централизованной (общей) памятью, обо­значенной ОИ, при наличии памяти по подсистемам (ИФ, ИЛ, ИУ, ИА, ИИ) соот­ветствует система, в которой кроме промежуточной информации по подсистемам необходимо хранить большой объем результирующей ин­формации. В этом случае интересен структурный компонент (ИИ) для обобщенной ИУС. В конкретной сис­теме этот компонент (ИИ) можно ин­терпретировать как блок хранения информации о состоянии функциониро­вания на предыдущих фазах информационной среды (И). Например, для систем, сохраняющих работоспособность в условиях развивающихся (накапливающихся) отказов, в компоненте (И) может храниться информация о но­мерах блоков памяти, к которым на (i + 1)-м шаге запрещено обраще­ние. По анало­гии строятся трехуровневые однородные структуры для Ф, Л, и А.