Проблема быстродействия микропроцессорной системы

Классическая МПС имеет следующую структуру: (рис. 1)

Рис. 1.

Микропроцессор функционирует в соответствии с программой, реализующей корректирующее устройство. Обобщенная блок-схема управляющей программы представлена на рис. 2.

Рис. 2.

Цикличность выполнения программы приводит к дискретности всех сигналов в МПС (рис. 3).

Рис. 3.

Рассмотрим простейшую САУ с пропорциональным регулятором (рис. 4).

Рис. 4.

В модуле Характеристики непрерывных и дискретных систем показано, что при дискретной реализации блока управления в такой системе, можно получить следующую формулу для выходного сигнала :

т.е. от значения произведения зависят характеристики системы — при увеличении этого значения система может стать колебательной и вообще неустойчивой.

Это означает, что накладываются жесткие ограничения на значение . При слишком большом система не сможет обеспечить требуемую точность (невозможно увеличивать ) и может потерять устойчивость.

Что же такое ? Это период дискретизации, равный времени выполнения одного цикла управляющей программы (рис. 2). Время выполнения управляющей программы зависит от сложности самой программы и быстродействия МПС. Сложность программы определяется выбранным алгоритмом коррекции и, как правило, не может быть существенно уменьшена. Следовательно, реальный путь уменьшения периода дискретизации — увеличение быстродействия МПС.

Существуют два пути увеличения быстродействия МПС:

• Использование конвейерных структур. Принцип конвейеризации процесса обработки информации заключается в разделении этого процесса на отдельные действия и выполнение их разными блоками МП с возможностью их параллельной работы.
• Использование многопроцессорных систем. Алгоритмическая реализация корректирующего устройства в ряде случаев позволяет разделить вычисления на несколько параллельно выполняющихся операций. Например, вычисление суммы может быть представлено в виде: . При этом вычисление и можно вести параллельно, на двух разных МП. Если обозначить время выполнения одного сложения , время вычислений в первом случае составит , а во втором — .

Понятие о конвейеризации

Принцип конвейеризации заключается в следующем: некая операция (Op) разбивается на несколько подопераций (SOp1…Sopm), выполняемых последовательно (рис. 1).

Рис. 1.

Результат, полученный в очередной подоперации, является исходными данными для следующей подоперации.

Длительность каждой подоперации обозначим . Тогда общее время выполнения операции может быть рассчитано как сумма времен отдельных подопераций

Важно отметить, что суммарное время выполнения операции остается одинаковым, как при использовании конвейера, так и без его использования.

В чем же тогда состоит смысл использования конвейера, если общее время выполнения операции не изменяется? Смысл заключается в возможности выполнения большего числа операций за единицу времени, так как отдельные подоперации выполняются параллельно. Если без использования конвейера результаты операции появляются с интервалом времени , то при использовании конвейера — с интервалом , где — длительность самой продолжительной подоперации.

Если все равны между собой, конвейер работает без задержек, результат каждой подоперации сразу же поступает на вход следующей подоперации (рис. 2).

Рис. 2.

Если же времена выполнения подопераций различны, может возникнуть ситуация, когда результат подоперации 1 не может сразу же быть передан на вход подоперации 2, так как подоперация 2 еще не закончена. В течение промежутка времени от завершения подоперации 1 до завершения подоперации 2 результат подоперации 1 должен сохраняться на ее выходе, для чего используются специальные блоки — фиксаторы (рис. 3).

Рис. 3.

Блоки SOp и F на приведенном выше рисунке составляют ступень конвейера. Переход результатов от одной ступени конвейера к другой происходит в соответствии с сигналами синхронизации, которые подаются через равные интервалы времени, называемые периодами синхронизации:

Структура конвейера, представленная на рис. 3. носит название линейной.

Классификация конвейерных структур

Рис. 4.

Конвейеры с обратной связью предполагают, что характер действий на какой-либо ступени конвейера может быть изменен в зависимости от результатов, полученных на последующих ступенях.

Многофункциональный конвейер предполагает, что характер действий на отдельных ступенях конвейера может быть изменен. В статическом случае — достаточно редко, в динамическом — часто. При частой смене функций ступеней в многофункциональном динамическом конвейера он должен работать под управлением специальной системы диспетчеризации.

Будем пользоваться следующими допущениями:

• будем рассматривать только линейные конвейеры;
• не будем рассматривать вопрос оптимального разбиения операции на подоперации.