Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Выбор микропроцессорного набора 9
1.1. Обоснование требований к методам выбора МЛН . 9
1.2. Двухступенчатый выбор МЛН 20
1.3. Выбор системы параметров и их анализ 38
1.4. Рекомендации по применению методов выбора МЛН 50
В ы в о д ы 53
Глава 2. Определение рациональной архитектуры микропро цессорных контроллеров 54
2.1. Обобщенная постановка задачи определения рациональной архитектуры МПК 54
2.2. Определение рациональной архитектуры МПК . 58
2.2.1. Постановка задачи определения рациональной архитектуры МПК с вертикальным микропрограммированием 63
2.2.2. Постановка задачи определения рациональной архитектуры МПК с горизонтальным микропрограммированием 67
2.2.3. Определение рациональной архитектуры МПК на базе МП с фиксированной системой
команд 69
2.3. Методы решения задачи оптимизации архитектуры 79
2.4. Определение ограничений 84
2.5. Оптимизация программного обеспечения 88
Вы в о д ы 92
Глава 3. Анализ задач определения рациональной архитектуры МПК 93
3.1. Методы формирования координат оптимизации . 93
3.2. Исследование линейности задач определения рациональной архитектуры МПК 106
3.3. Методика подготовки задачи определения рациональной архитектуры МПК 109
3.4. Обоснование требований к системе автоматизации проектирования МПК 115
Б ы в о д ы 120
Глава 4. Примеры проектирования микропроцессорных контроллеров 122
4.1. Особенности применения методов проектирования 122
4.2. Контроллер уровнемера 123
4.3. Контроллер накопителя на магнитной ленте . 135
4.4. Микропроцессорная система контроля остойчивости судна 148
Выводы .
Заключение 159
Литература
- Двухступенчатый выбор МЛН
- Постановка задачи определения рациональной архитектуры МПК с вертикальным микропрограммированием
- Исследование линейности задач определения рациональной архитектуры МПК
- Контроллер накопителя на магнитной ленте
Двухступенчатый выбор МЛН
Этапу выбора МПН предшествует этап системного проектирования, в результате которого должно быть четко определено назначение проектируемой системы и предварительно сформулированы требования, которым она должна удовлетворять. Таким образом, в качестве исходных данных для решения задачи выбора МПН имеем: - множество И = МА МП] базовых конфигураций контроллеров, соответствующих числу сравниваемых вариантов МПН; - состав вектора К= . ... гп) частных критериев эффективности БКК и его численные значения Kit, L= 4 ГГ\ , =4,П для каждого из ї\ БКК; - вектор Кэ Кэ4,...,Кэт Э1алошшх значений частных критериев К і , t =Н, го і - множество Ко - Коц,..., Кот ограничений, накладываемых на частные критерии эффективности требованиями технического задания.
Состав вектора К = K iv..,Km включает совокупность тех частных критериев, которые должны учитываться в процессе выбора МЛН. Состав и численные значения составляющих этого вектора определяются при формировке исходных данных и анализе БКК.
Вектор Кэ а Кэ4,... эКэт) состоит из численных значений составляющих вектора KL , L - ї,m , причем каждое значение Кэ1 , l ,m является наилучшим (не обязательно Кэ1 = SL Kj I ) с точки зрения требований конкретного при-менения: может быть КзУ. \Ul или Кэ1 KU. для конкретного МЛН. Часть значений, составляющих ( КэО , определяется непосредственно из технического задания, часть - косвенным путем. Например, длины фрагментов программ и время их выполнения могут определяться известными методами разложения алгоритмов в выбранном базисе операторов.
Ограничения Ко = Ко ,»,.эКот) , накладываемые на величины частных критериев эффективности могут быть типа равенств ( К\. = Кос ) и неравенств ( Kl 4 Kol , К u \Wt ). Введение множества Ко имеет следующий практический смысл: некоторые частные критерии должны иметь строго определенный диапазон изменения, требуемый условиями реального применения. Например, верхний (Тв) и нижний (Тн) пределы температурного диапазона МШ должны быть больше некоторой допустимой величины Ть ТъЪоп 9 Тч ТнЪоп ; потребляемая мощность не должна превышать P don 5 число источников питания не должно быть более Ц ton и т.д.
Предлагаемый метод выбора состоит из двух этапов. На первом этапе (предварительный выбор) определяется множество Мн состоящее из Г\4 (г\\ п) і не худших вариантов БКК, М Є. VA На втором этапе (окончательный выбор) из множества Мн определяется тот вариант БКК и, следовательно, МЛН, являющийся предпочтительным с точки зрения требований конкретного применения.
В качестве общего критерия эффективности на первом этапе выбора МЛН предлагается использовать норму разности векторов l\ U - Ks \\ . Вследствии того, что частные критерии имеют различную физическую природу и потому различную размерность, они преобразуются в относительную форму и приводятся к виду, соответствующему требованиям системного анализа. В качестве нормирующей величины предлагается использовать эталонные значения \ \. , \. 4,гх\ частных критериев эффективности. Использование в качестве общего критерия эффективности выражение (І.І5) совместно с фактом сравнения БКК, а не МПН, имеет, по сравнению с известными методами, следующие важные преимущества: - отражает степень соответствия МПН требованиям конкретного применения, так как сравнение значений частных критериев каждой БКК производится с эталонными значениями тех же критериев, определяемыми для конкретного случая проектирования МПК; - имеет связь со всеми частными критериями, интересующими разработчика; - имеет количественный характер; - имеет ясный для разработчика смысл \эв\ .
Кроме того, суммирование в выражении (І.І5) модулей нормированных разностей К и, и Кэ1и учет ограничений вида (і.Іб) поз воляет уменьшить, по сравнению с известными аддитивными критериями [зз,34] , возможность взаимной компенсации частных критериев.
Анализ предлагаемого критерия эффективности выявляет его некоторые недостатки. Главными из них являются: - грубая оценка влияния частных критериев эффективности на качество БКК; - малая чувствительность критерия к изменению величин отдельных частных критериев, особенно если их общее число велико.
Вследствие этого введение весовых коэффициентов в общий критерий эффективности (І.І5) нецелесообразно, так как весовые коэффициенты создают лишь видимость большей объективности выражения (І.І5), а определение их значений сталкивается с серьезными трудностями и обычно сводится к экспертным оценкам. В качестве примера проведем подсчет числа экспертов необходимых для определения значений весовых коэффициентов для восьми частных критериев БКК с допустимой вероятностью ошибки Ї = 0,05. Вероятность допущения ошибки а -ым экспертом была принята равной 0.2. По значению величины Q. , определяемой по соотношению: где VT\ - число сравниваемых параметров, и значению Q/ из таблицы, приведенной в работе \Ч5\ получим, что необходимое число экспертов составит 17 человек.
Постановка задачи определения рациональной архитектуры МПК с вертикальным микропрограммированием
В зависимости от способа включения полей в микрокоманду различают вертикальное и горизонтальное микропрограммирование. Вертикальное микропрограммирование предполагает введение нескольких типов (форматов) микрокоманд. Каждый формат включает лишь определенную группу полей или даже одно поле. В структуре микрокоманды при этом появляется специальное поле - код формата. На рис.2.I представлен пример форматов микрокоманд для процессора на базе МЛН К582 с вертикальным микропрограммированием.
В случае вертикального микропрограммирования повышение быстродействия достигается за счет введения дополнительных элементов - микрокоманд CU ф \ &о) К- 4,тг с соответствующим увеличением аппаратных затрат ІГц и сокращением времени выполнения оператора Al заданного алгоритма -IE] на величину "Ь\л В качестве примера на рис.2.2 приведен фрагмент программы умножения двух шестнадцатиразрядных слов с системой микрокоманд Go , представленной на рис.2.I и программы с системой микрокоманд, в которую дополнительно включена микрокоманда "JN 2. Введение такой дополнительной микрокоманды дает выигрыш по быстродействию в 30 машинных тактов, сокращает число управляющих слов на 2 и увеличивает аппаратные затраты БКК (рис.1.3) на величину 0,75 интегральных микросхем серии KI55.
Следует отметить, что введение дополнительного элемента CL позволяет сократить число управляющих слов на величину с.к Число управляющих слов можно оценить выражением L - Lo - 2 к Хк . (2.19) Здесь Lo - число управляющих слов базовой конфигурации контроллера.
Определение рациональной архитектуры таких МПК осуществляется путем выявления из базиса функций качества целевой функции (лучше аппаратные затраты (2.5) или условную цену разработки (2.18)), а остальные использовать как ограничения.
При горизонтальном микропрограммировании каждая микрокоманда имеет одну и ту же структуру, т.е. содержит одни и те же поля [57] . При этом микрокоманда должна содержать поля всех операционных элементов функциональной схемы процессора одновременно (рис.2.3). Каждый разряд в любой микрокоманде имеет один и тот же содержательный смысл.
В этом случае повышение быстродействия достигается за счет введения в качестве дополнительных элементов О,к дополнительных блоков или связей 4 к ф\ Foj с одновременным добавлением соответствующих управляющих полей в базовую структуру микрокоманды. В этом случае, как и для МПК с вертикальным микропрограммированием, введение дополнительного элемента тк требует аппаратных затрат \"Ч и сокращает время выполнения оператора i\u Є. \Е.) на величину Ь\л
Базис функций качества (2.5 - 2.б) и (2.15 - 2.19) сохраняет ту же форму. Но при этом появляется возможность ввести дополнительные ограничения на длину управляющего слова Ъ и объем управляющей памяти V . Если принять, что базовой конфигурации контроллера соответствует длина микрокоманды ]}0 и объем управляющей памяти Vo , а введение дополнительного элемента ф \ "о\ требует дополнительного управляющего поля сік и изменяется объем управляющей памяти на величину О" , ( ОЪ могут быть и положительными и отрицательными), то
Таким образом, задача определения рациональной архитектуры МПК с горизонтальным микропрограммированием остается прежней, только к базису функций качества добавляются еще функции (2.20) и (2.21).
Использование комбинированной архитектуры МПК с элементами вертикального и горизонтального микропрограммирования не меняет процесс определение рациональной архитектуры МПК.
Особенностью таких микропроцессоров является то, что они имеют готовую фиксированную систему команд (а не микрокоманд) и неизменяемую архитектуру процессора. К таким МП относится, например, широко используемый МП INTEL 8080 и его отечественный аналог МП К580ИК80, KI8I0BMI0.
Интересует случай, когда не обеспечивается требуемое быстродействие при выполнении отдельных операций алгоритма Е \ или его отдельных частей Tv. Т мч. .
Оказалось возможным повысить быстродействие таких процессоров за счет включения в качестве дополнительного элемента архитектуры дополнительного операционного элемента W , позволяющего быстро выполнить "трудную" операцию Al. . К таким операциям можно отнести: умножение, деление, вычисление специальных функций и так далее. Каждый такой элемент подключается к 1ЩЭ как отдельное периферийное устройство. Работа с такими дополнительными операционными элементами осуществляется как с обычными периферийными устройствами.
Исследование линейности задач определения рациональной архитектуры МПК
Исследованию подлежат функции, определяющие базис функций оптимизации Т -- То 2 і р»Ро р хк; (3.8) V - Vo + 51 tft К . Определение рациональной архитектуры ШК осуществляется путем решения соответствующей задачи линейного программирования с булевыми переменными, что накладывает требования на линейность ограничений и целевой функции.
Очевидно, что функции, входящие в базис функций качества, будут линейны только тогда, когда все элементы, входящие в них, линейны. Условием линейности этих элементов является зависимость значений элементов множества AKS fX -Ьк,рк, SK, K,CK, К, сік, Ок) только от соответствующего им дополнительного элемента архитектуры или макрооператора, заменяющего некоторую стандартную последовательность МК/команд или подпрограмму. Если обозначить заменяемые участки программ множеством кортежей I йк\ , Ks 4,m , то необходимым условием линейности элементов базиса функций оптими - 107 зации является невозможность сформировать кортеж последовательности, полученный объединением в любом порядке других кортежей, эквивалентный любому из выбранных Условие (3.9) обеспечивает независимость дополнительных элементов архитектуры. Рассмотрим три основных типа ШК.
1. МПК на базе МП с фиксированной системой команд.
Для таких ШК реализация макрооператоров вида I и 2 требует введения дополнительного операционного устройства (блока), как отдельного периферийного устройства. Выполнение условия (3.9) заключается в том, что каждый дополнительный операционный блок реализует определенную, отличную от других, последовательность команд или подпрограмму. Таким образом, выбор независимых последовательностей ВД/команд или подпрограмм обеспечит линейность базиса функций качества (3.8).
2. МПК с горизонтальным микропрограммированием.
Для таких МПК введение каждого дополнительного элемента архитектуры CU соответствует введению дополнительного операционного блока или связи к и введению дополнительного управляющего поля d в формат микрокоманды для управления блоком tк .
Нелинейность, вызываемая изменением длины управляющего слова и изменением числа управляющих слов, устраняется в данном подходе к определению рациональной архитектуры за счет введения двух функций L Lo , ІК X , Ъо + Hi dufc . - 108 Для этих функций элементы к и сік всегда независимы. Для остальных функций базиса функций качества условие линейности заключается в выполнении условия (3.9) при вводе макрооператоров вида I и 2. 3. МПК с вертикальным микропрограммированием.
Вертикальное микропрограммирование в отличие от горизонтального предполагает фиксированную разрядность управляющего слова. Введение нового дополнительного элемента архитектуры СЬк соответствует введению нового формата микрокоманды.
Формат микрокоманды задается определенным числом двоичных разрядов п . Максимальное число форматов 3 составляет величину
Для системы микрокоманд, представленной на рис.2.I, число двоичных раврядов, задающих код формата, составляет п = 3. Следовательно, максимальное число различных форматов для этой системы микрокоманд равно 7=3. Для этого случая введение трех дополнительных форматов, к уже имеющимся пяти, с кодами соответственно ОІі в , IOOV и III В приводит к линейному изменению элементов множества А к (при выполнении условия (3.9)).
В случае, если суммарное число форматов 5 2м , то для реализации такой системы МК потребуется введение дополнительного двоичного разряда в код формата (n +1). Это приведет к скачкообразному изменению числа элементов, входящих в состав дешифратора МК, схемы синхронизации и усилителей мощности.
Контроллер накопителя на магнитной ленте
Практическая реализация изложенных методов проектирования выявила некоторые особенности их применения.
Сравнительный анализ технических данных МПК, приводимых в литературных источниках, например [84-85] , и опыт проектирования показал, что для таких параметров как потребляемая мощность Р , площадь печатной платы S и аппаратные затраты R справедливы следующие соотношения
Здесь d. - коэффициент запаса, учитывающий изменения аппаратных затрат при переходе от БКК к реальному МПК.
Сравнение приведенных на рис.1.2 - 1.7 БКК с известными МПК показывает, что значение коэффициента к лежит в пределах (1,5 -2). Таким образом, параметры эталонной БКК Рэ , Sa и i\a должны быть в 1,5 - 2 раза ниже соответствующих значений, заданных техническим заданием.
Практика показывает, что задавать строгие временные ограничения на этапе выбора МПН нецелесообразно, так как БКК, естественно, не отражает всех возможностей соответствующего МПН. Достигнуть требуемого быстродействия возможно на этапе оптимизации архитектуры МПК, используя все возможности повышения быстродействия, присущие этому набору.
Ниже приводятся примеры проектирования МПК, При выборе примеров проектирования МПК ставились следующие задачи, 1. Показать на конкретных примерах разработки МПК предлагае мый метод проектирования, 2, Использовать в приведенных примерах различные типы микро процессорных наборов: с фиксированной системой команд и микро программируемые с вертикальной и горизонтальной организацией микропрограммирования.
Все приводимые примеры проектирования МПК отражают основные результаты работу выполненные на кафедре ЭВМ Рязанского радиотехнического института с 1976 г, при участии автора настоящей диссертационной работы.
Особо следует отметить, что приводимые в настоящей главе примеры разработки МПК осуществлялись на элементной базе, которая существовала в период разработки соответствующего контроллера,
Схематическое устройство уровнемера РУМБ-БК и временные диаграммы, поясняющие его принцип действия, приведены на рис,4.1,а,б [79-80] Уровнемер обеспечивает измерение уровня жидких продуктов (нефти, сжиженного газа) в резервуаре Р , В резервуар спущен стальной стержень С, Уровень продукта фиксируется поплавком П с постоянным магнитом М. С помощью пьезоэлектрического возбудителя В формируется сигнал старта \$\ , Возникающая при этом ультразвуковая волна распространяется по стержню. Под воздействием магнита М изменяются магнитострикционные свойства стержня (на небольшом участке), что вызывает появление отраженного сигнала У г при про хождении границы раздела двух сред. Второй отраженный сигнал 4$ при достижении ультразвуковой волны конца стержня (дна резервуа- ра). Сигналы \S\ 9 а ъ формируются в моменты времени {.\ , "tij ъ соответственно. Выходной сигнал уровнемера представлен в виде двух временных интервалов ТГ lta "t ) иТ= із--Ьн . Заполнением импульсной последовательностью частоты Jo интервалы Т\ и t преобразуются в пропорциональные коды Коды Н\ и N пропорциональны соответственно величинам ( L"H ) и L . Длина стержня L и скорость ультразвука в материале стержня КГ зависят от температуры продукта t в соответствии с соотношениями: L = Lo (А + КЬІ) , О - 0 о И - At) . Здесь о\. - коэффициент линейного расширения материала стержня (стали)} О - коэффициент, характеризующий изменение скорости ультразвука в материале стержня; 0 о и Lo - скорость ультразвука и длина стержня при 20С.
Температурная погрешность такого уровнемера без коррекции в диапазоне температур от -60 до +100С при длине измерительного стержня Lo = 16000 мм лежит в пределах от -1295 до 1544 мм. Для определения истинного значения измеряемого уровня приходится учитывать зависимость скорости ультразвука и длины базы от температуры. Линеаризующая зависимость первого приближения Н « Lo І1 Ш (4.1) дает при тех же условиях максимальную погрешность измерения +14 мм.
Корректирующее соотношение в форме (4,1) принято для реализации в МІЖ уровнемера. Техническим заданием на разработку контроллера были оговорены следующие требования: - время реализации заданного алгоритма - 2 мс; - длина измерительного стержня - 16000 мм (при 20C)j - точность измерения уровня - ІІ6 мм; - температурный диапазон от -40 до +80Cj - потребляемая мощность не более 8 BTJ - форма представления выходной информации - двоично-десятичный код.
На период проектирования контроллера уровнемера отечественной промышленностью для широкого круга потребителей предлагалось только три типа МЛН; среди них МПН К582 (К584), К580 и К589.
Выбор МПН осуществлялся по результатам сравнения параметров, характеризующих типовые схемы процессоров, приведенные в соответствующих руководящих, технических материалах по применению данного набора. Функциональные схемы таких процессоров приведены в работе \jii]
В качестве определяющих параметров при выборе МПН были взяты: длина программы, реализующей зависимость (4,1) в числе управляющих слов Lo , время выполнения программы То , аппаратные затраты в числе микросхем Ro и потребляемая мощность в Вт Ро (табл.4,і), В качестве целевой функции взята условная цена, определяемая выражением (І.І7), в виде условной стоимости разработки в рублях
