РАЗДЕЛ 2
АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ ФОП
2.1. Общий алгоритм функционирования процессора
Используя уровни формализации при системном анализе, подойдём к алгоритмической концепции процессора на базе системотехники, используя при этом специальные дисциплины [117].
При системном описании сложных систем используется историческое описание (генетическое, прогностическое), морфологическое (предметное) описание (состав, структура) и функциональное описание (внутренние и внешние функции) [117].
В первом разделе диссертационной работы было выполнено генетическое описание.
С позиции уровней представления цифровых систем и теории сложных систем [13,14] и используя генетическое и функциональное описание, предложим следующую концепцию алгоритмической организации будущего процессора.
Исходной базой проектирования процессора с изменяемой архитектурой является работа [115]. В ней предлагается процессор с неизменной архитектурой RISC - ядра. А так как RISC - процессор строится на основе реализации микрокоманд, то такой RISC - процессор необходимо анализировать с позиций микропрограммируемых структур [118]. Однако, в известных RISC - процессорах при реализации глобальных микропрограмм используется фиксированная микропрограммируемая структура. Известно также, что для реализации разных микропрограмм необходимо использовать различные вычислительные структуры [119,120]. На основании вышеизложенного предлагается алгоритмическая концепция организации функционирования процессора
На рис. 2.1 представлен алгоритм перестройки максимальной (избыточной) структуры Smax микропрограммируемого процессора для "быстрой" реализации заданной микропрограммы [121].
Задатчиком вычислительного процесса здесь является идентификатор микроалгоритма (микропрограммы). Граф взаимодействия (взаимовлияния) аппаратно-программных средств процессора изображен на рис. 2.2. Вершины графа S, ОА, УА в свою очередь можно представить в виде графов прохождения сигналов (графов задержек).
... ... ... ...
Рис. 2.1. Взаимосвязь компонентов
Всё множество микропрограмм может быть обработано некоторыми структурами, представляющими собой набор операционных и управляющих автоматов. Причём, различные структуры могут обрабатывать одну и ту же микропрограмму с различным временем.
Из множества существующих микропроцессорных {S}m структур, необходимо выбрать те, которые более эффективно используются для реализации фрагментов глобальной микропрограммы МПi в соответствии с выбранным или заданным критерием оптимизации.
Рис. 2.2. Алгоритм работы
Каждая микропрограмма (микроалгоритм) вида (типа) МПi ? {МП}m наиболее эффективно реализуется некоторой структурой Si ? {S}m. Каждая j-я операция i-й микропрограммы МОij ? {МО}i требует для своей реализации определенный набор структурных элементов в операционных и управляющих автоматах (далее, соответственно - ОА и УА). Поэтому организовать вычислительный процесс можно, при требовании повышенного быстродействия, имея избыточное число необходимых узлов в максимальной структуре Smax ? {S} и избыточное число элементов в ОАmax ? {ОА} и УАmax ? {УА} этой структуры.
При проектировании ФОП обычно важными характеристиками для практической реализации являются сложность аппаратной реализации и быстродействие. Главным критерием в практическом отношении является всё же быстродействие, ибо стоимость аппаратных средств, вводимых в структуру, всё время снижается (т.е. количество вентилей на единицу объёма кристалла растёт с уменьшением стоимости единичных технологических операций микроэлектроники). Следовательно, при проектировании ФОП допускается возможность наличия в базовой структуре избыточных модулей. Введение избыточных компонентов в структуру позволяет повышать быстродействие, но в тоже время повышает стоимость ФОП, хотя, как уже отмечалось весьма незначительно.
При функционировании процессора возможно растекание информации по операционному автомату. Поскольку граф растекания может быть довольно сложным, то в данном параграфе он не приводится.
Оптимизация структуры Si заключается в выборе из множества возможных структурных решений Si ? {S}m для обеспечения максимальной производительности.
При практической реализации ФОП на начальном этапе трудно синтезировать его принципиальную схему, без необходимого этапа системного проектирования с использованием функциональных модулей. Поскольку такие модули позволяют реализовать множество {S}m на элементах {s}g, где в общем случае i ? g, а в коммерческом аспекте i ? g, то оптимальную структуру Si можно выбрать по условию оптимального вида.
Пусть Si подмножество структурных элементов (Si ? S), характеризующее некоторый i- й вариант структуры ФОП; П(Si) - производительность ФОП со структурой Si; N(Si) - аппаратурные затраты на реализацию в ФОП структуры Si. Тогда по минимаксному критерию оптимальной структурой Sопт является некоторая структура , удовлетворяющая условию оптимальности вида:
, (2.1)
где - целевая функция (функция эффективности структуры), при ограничении N(Si*) ? Nmax, где Nmax - наибольшая аппаратурная сложность ФОП, которая может быть обеспечена при данном уровне технологии.
В реальных условиях проектирования множество S содержит ограниченное число элементов s, поэтому поиск Sопт в соответствии с условием (2.1) может быть осуществлён методом полного перебора.
Действительно, ФОП можно представить полнодоступным графом (рис. 2.3), множество вершин которого представляется ограниченным набором функциональных подсистем.
Рис. 2.3. Полнодоступный граф ФОП
В соответствии с этим обобщённая структура ФОП б