Устройство для синхронизации вычислительной системы

 

(72) Автори вэобретеявя

В.П. Хельвас, Л. Н. Еремеева и Л. Г. Иаркитан (7l ) Заяввтель

I (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении многомашинных (мультипроцессорных) вычислительных систем, работающих в реальном масштабе времени.

В многомашинных вычислительных, системах повышение производительности достигается за счет распараллеливания по ЦВИ системы алгоритмов рева-,о емых задач. Распараллеливание предусматривает в большинстве случае необходимость организации обмена информацией и управляющими словами между ЦВИ вычислительной системы, причем производительность всей системы в целом существенно зависит от быстродействия межмашинного обмена в системе.

При организации межмашинного об- 2о мена через канал прямого доступа ЦВИ быстродействие межмашинного обмена определяется временем реакции ЦВИ на внешний запрос типа приостановка.

Это время составляет один рабочий цикл.

Таким образом, время передачи одного слова информации между ОЗУ ЦВИ не может быть меньше двух рабочих циклов. Это время можно уменьшить до одного рабочего цикла, если тактовые сетки ЦВИ, участвующих в обмене, синхронизировать друг относительно друга таким образом, чтобы запрос, поступивший от ЦВИ-приемника в

ЦВИ-датчик в каком-либо рабочем цикле, принимался и выполнялся в ЦВИ-датчике в этом же цикле. Такая синхро низация позволяет свести к минимуму время реакции ЦВИ на внешний запрос типа приостановка. Синхронизация распределителей импульсов вычислительной системы осуществляется специальными устройствами синхронизации.

Известно устройство для синхронизации вычислительной системы, содержащее генератор тактовых импульсов, распределители тактовых импульсов з 94 по числу процессоров в системе, схемы управления и элементы И по числу управляемых процессоров в системе, причем выход генератора тактовых импульсов соединен с первыми входами элементов И, выходы которых подключены к входам распределителей импульсов управляемых процессоров, группы выходов распределителей импульсов соединены с группами входов соответствующих схем управления и являются выходами устройства, вторые входы схем управления являются входами задания программного сдвига распределителей импульсов.

Распределители импульсов управляются импульсами, поступающими с генератора тактовых импульсов на вход распределителя импульсов управляющего процессора непосредственно, а на входы распределителей импульсов управляемых процессоров через элементы И. Разрешение (и запрет) на прохождение тактовых импульсов на распределители импульсов управляемых процессоров формируется по состоянию соответствующего распределителя импульсов (1), Недостатком указанного устройства является его низкая надежность, которая обусловлена наличием в устройстве состязаний сигналов (гонок), что приводит к уменьшению длительности отдельных тактовых импульсов на выходах распределителей импульсов управляемых процессоров, а также к появлению ложных тактовых импульсов, которые не позволяют осуществить заданную синхронизацию распределителей импульсов. Причиной состязаний сигналов является различие во времени их прохождения по логическим цепям и через запоминающие элементы(триггеры).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для синхронизации вычислительной системы, содержащее генератор тактовых импульсов, управляющий и управляемый распределители импульсов, блоки управления, две группы элементов И и группу элементов ИЛИ с числом элементов в каждой группе, равным числу управляемых процессоров, причем выход генератора соединен с первыми выходами элементов И первой и второй групп, выходы которых подключены к входам соответствующих элементов ИЛИ, выходы элементов ИЛИ

0148 4

l0

55 соединены с входами управляемых распределителей импульсов, группы выходов которых подключены к первой группе входов соответствующих блоков управления и являются выходами устройства, к второй группе входов блоков управления подключена группа входов устройства.

Распределители импульсов запускаются импульсами, поступающими от общего генератора тактовых импульсов на вход распределителя импульсов управляющего процессора непосредственно, а на входы распределителей импульсов управляемых процессоров— через элементы И и ИЛИ. Управление прохождением тактовых импульсов управляемых процессоров производится стробами управления, отражающими текущее состояние управляемых распределителей импульсов. Устранение ложных сигналов на фронтах при совпадении управляющего строба и тактов с выхода генератора обеспечивается соответствующей задержкой строба управления на элементах задержки. Устройство обеспечивает заданную заранее (или устанавливаемую по программе) сходимость временных диаграмм распределителей импульсов всех процессоров системы и поддержание синхронной работы распределителей в течение всего времени работы вычислительной системы (2 ).

Известное устройство предусматривает синхронную работу всех процессоров системы независимо от решаемых ими задач, причем предполагается, что длительность рабочих циклов всех процессоров равна в течение всего времени работы системы, т.е. в системе команд процессоров отсутствуют команды с переменным циклом.

В ряде процессоров длительность рабочего цикла в некоторых операциях является переменной (3 j и (4 1. . Например, если в процессоре, содержащем управляющий распределитель импульсов, выполняется операция с увеличенным рабочим циклом; то это приводит к рассинхронизации процессоров системы, и устройства синхронизации управляемых процессоров начинают подстраивать свои распределители под работу управляющего распреде-. лителя, т.е. необоснованно увеличивать время выполнения операций управляемых процессоров, что приводит к снижению их быстродействия. Осо94014

5 бенно существенно такое снижение быстродействия при передаче управляющим процессором массива информации (многократное повторение операций обмена с увеличенным рабочим

5 циклом) .

Таким образом, применение известных устройств синхронизации в вычислительных системах, содержащих процессоры, в составе которых имеют- 1о ся команды с переменным циклом, приводит к снижению быстродействия управляемых процессоров, и следовательно, всей системы в целом, что является недостатком известного уст- >s ройства.

Кель изобретения - повышение быстродействия вычислительной системы.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для синхронизации вычислительной системы, содержащее генератор тактовых импульсов, и бло, ков выработки,синхросигналов (n— число процессоров), причем каждый блок выработки синхросигналов содержит распределитель, узел управления, два элемента И, элемент ИЛИ, причем выход генератора тактовых импульсов соединен в каждом блоке выработки синхросигналов с первым входом первого элемента И, с первым входом второго элемента И, с синхровходом узла управления, управляющие входы узлов управления являются группой управляющих входов устройства, выходы распределителей в каждом блоке выработки синхросигналов соединены соответственно с тактовыми входами узла управления и являются тактовыми выходами устройства, выход узла управ-, ления соединен в каждом блоке выработки синхросигналов с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен в. каждом блоке выработки синхросигналов с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемен,та И, введены в каждый блок выработки синхросигналов элемент НЕ, два элемента И и формирователь строба, so выход которого соединен в каждом блоке выработки синхросигналов с вторым входом второго элемента И, третий вход элемента ИЛИ соединен с выходом третьего элемента И, первый вход которого соединен с выходом

55 генератора тактовых импульсов и с синхровходом формирователя строба, второй вход третьего элемента И сое8 6 динен с входом элемента НЕ, с входом управления режимом синхронизации каждого блока выработки синхросигналов и является входом управления режимом синхронизации устройства, выход элемента НЕ в каждом блоке выработки синхросигналов соединен с третьим входом первого элемента И и с входом режима синхронизации формирователя строба, вход управления стробом которого соединен в каждом блоке выработки синхросигналов с выходом четвертого элемента И, первый вход которого соединен с выходом узла управления в каждом блоке выработки синхросигналов, второй вход четвертого элемента И в каждом блоке выработки синхросигналов является . входом запуска устройства. формирователь строба содержит два элемента НЕ и триггер, выход которого является выходом формирователя, вход режима синхронизации которого соединен с первым установочным входом триггера, с первым и с вторым входами сброса триггера, третий вход сброса которого соединен с вторым установочным входом триггера и с выходом первого элемента НЕ, вход ко.торого соединен с синхровходом формирователя, вход управления стробом которого соединен с входом второго элемента НЕ и с третьим установочным входом триггера, четвертый вход которого соединен с выходом второго элемента НЕ.

На фиг. 1 приведена схема устройства для синхронизации вычислительной системы; на фиг. 2 - схема блока управления; на фиг. 3 - схема формирователя строба; на фиг. 4временная диаграмма работы устройства.

Устройство содержит генератор l тактовых импульсов, распределители

2 и 3 тактовых импульсов, узлы 4 и 5 управления, элементы И 6-13, формирователи 14 и 15 строба, элементы

ИЛИ 16 и 17, элементы НЕ 18 и 19, управляющие входы 20, вход 21 запуска, вход 22 управления режимом синхронизации, блоки 23 выработки синхросигналов. Узлы 4 и 5 управления содержат элементы И 24-27, элементы

ИЛИ 28-30, элемент И 31, триггер 32, элемент НЕ 33. Формирователи 14 и 15 содержат элементы НЕ 34 и 35 и триггер 36.

94

Устройство обеспечивает синхронизацию тактовых импульсов распределителей импульсов, входящих в состав вычислительной системы.

Распределители импульсов могут работать в автономном режиме, при котором тактовая сетка соответствующего распределителя импульсов независима от работы других распределителей системы и в то же время не управляет работой других распределителей, в режиме управления, при котором блоком управления соответствующего распределителя импульсов (управляющего) формируется и передается на общую магистраль строб управления, исполь=уемый в режиме синхронизации, в режиме синхронизации, при котором тактовая сетка соответствующего распределителя (управляемого) подстраивается под тактовую сетку какого-либо другого распреде- лителя (управляющего) системы.

Следует отметить, что если устройство в течение какого-либо интервала времени обеспечивает синхронную работу нескольких распределителей импульсов, то только один иэ них работает в режиме управления, а остальные — в режиме синхронизации.

Режим работы распределителей импульсов определяются управляющими сигналами, устанавливаемыми на шинах 21 и 22.

Генератором 1 тактовых импульсов формируется серия тактовых импульсов, из которых распределителями

2 и 3 импульсов формируются серии синхронизирующих импульсов ТИ1-ТИ8, управляющие .работой процессоров вычислительной системы.

Устройство синхронизации работает во всех трех режимах следующим образом.

Автономный режим устанавливается разрешающим потенциалом на шине 22 и запрещающим потенциалом на шине

21, которыми закрываются элементы

И 6-9, 12 и 13 и отключаются формирователи 14 и 15 строба. Тактовые импульсы с выхода генератора 1 через элементы И 10 и 11 и ИЛИ 16 и 17 поступают на вход распределителей 2 и 3 импульсов на выходах которых формируются серии синхроимпульсов

ТИ1-ТИ8. При этом одноименные синхроимпульсы в разных распределителях размещены во времени произвольно друг относительно друга.

В режиме управления в любом интервале времени может работать только один распределитель импульсов из числа входящих в устройство для синхронизации вычислительной системы.

Допустим, что в этом режиме работает распределитель 2 импульсов. Режим управления устанавливается разрешающими потенциалами на шинах 21 и 22.

При. этом разрешается прохождение тактовых импульсов с выхода генератора 1 через элементы И 10 и ИЛИ 16 на вход распределителя 2 импульсов.

Группа выходных синхроимпульсов ТИ1ТИ8 поступает на вход блока 4 управления, на выходе которого формиру0148

1О

15 ется строб управления, поступающий через элемент И 12, на входы всех формирователей 14 и 15 строба. Временная характеристика строба управления, которая определяет временное положение синхронизируемых распределителей импульсов, задается блоком 4 управления в соответствии с управляющими сигналами, подаваемыми по группе шин 20 на вход блока 4 управ20

2$ ления. Эти управляющие сигналы, поступая на входы элементов И 24-27, разрешают прохождение соответствую3о щих синхроимпульсов, которые через элементы ИЛИ 28-30 и элемент И 31 поступают на вход триггера 32 со счетным входом, на выходе которого формируется строб управления. На элеучитывать задержки на кабельных линизз менте И 31 производится стробирование синхроимпульсов инвертированными на элементе НЕ 33 тактовыми импульсами ГИ.

Этим стробированием достигается ю совпадение фронтов строба управления с отрицательными фронтами импульсов

ГИ, т.е. фронты строба задаржаны относительно соответствующих фронтов синхроимпульсов на 1/2 периода им45 пульсов ГИ или на 1/2 длительности синхроимпульса (фиг. 4) .

Условимся, что в режиме синхронизации работет распределитель 3 импульсов, при этом распределитель 2 импульсов работает в управляющем режиме. Рассматриваемое устройство синхронизации в общем случае входит в состав территориально рассредоточенных вычислительных систем, т.е. систем, в которых процессоры размещены на некотором расстоянии друг от друга и соединены между собой кабельной сетью. Таким образом, необходимо

940148 !

О ях передаваемых по ним тактовых импульсов и строба управления. Особенно велико влияние указанных задержек в вычислительных системах с рабочим циклом распределителей, например, в

1-2 мкс, т.е. с периодом тактовых импульсов генератора, равным 125- °

240 нс..

Режим синхронизации устанавливается запрещающими потенциалами на шинах 21 и 22. При этом запрещается прохождение тактовых импульсов через элемент И 11 и строба управления через элемент И 13. Одновременно разрешающим потенциалом с выхода элемента НЕ 19 разрешается работа элемента. И 7 и формирователя 15 строба.

Предположим, сигналами на группах шин 20 задаются условия синхронизации, при которых сетка импульсов распределителей 2 и 3 должна быть сдвинута во времени относительно синхроимпульсов распределителя 3 на половину цикла, т.е. должны совпадать

ТИ8 одного распределителя с ТИ4 другого. Допустим, что в момент включения распределителя 3 в режим синхронизации распределители 2 и 3 ра ботали таким образом, что формируемые ими одноименные синхроимпульсы совпадали по времени, как это показано на временной диаграмме (фиг.4).

На временной диаграмме показана заДеРжка стРоба УпРавлениЯ Т 0тр и тактовых импульсов на входах элемента И 7 и формирователя 15 строба несколько меньше периода тактовых импульсов. В общем случае стр будет отличаться от 1„ „„. Строб управления, формируемый узлом 4 управления через элемент И 12, поступает на вход формирователя 15 строба, на второй вход которого поступают тактовые импульсы. Элементами НЕ 34 и 35 и триггером 3б обеспечивается привязка фронтов строба управления к отрицательному фронту ближайшего тактового импульса. . Необходимость такой привязки обусловливается смещением фронтов строба управления относительно тактового импульса, связанным с различной задержкой тактовых импульсов и строба управления на входе формирователя

15 строба. Через элемент И 9 и ИЛИ 17 тактовые импульсы проходят на вход распределителя 3 импульсов при наличии на выходе формирователя 15 положительного строба управления, сфор5

ЭО

55 мированного от тактовой сетки распределителя 2 импульсов, а через элементы И 7 и ИЛИ 17 на вход распределителя проходят тактовые импульсы при наличии на выходе блока 5 управления положительного строба управления, сформированного от тактовой сетки распределителя 3 импульсов. При работе двух распределителей с заданным временным сдвигом на выходах блока 5 управления и формирователя 15 строба формируются синхронные и противофазные стробы. Таким образом, через элементы И 7 и 9 и . ИЛИ 17 на вход распределителя 3 импульсов непрерывно поступают тактовые импульсы, поскольку всегда на одном из управляющих входов элементов И 7 и 9 установлен положительный, уровень одного из стробов управления, причем через каждый из элементов И 7 и 9 проходят по четыре тактовых импульса. Если при вклчении устройства или в результате сбоя в процессе работы происходит нарушение заданной синхронизации, возникает ситуация, когда на управляющих входах элементов И 7 и 9 действует запрещающий уровень потенциала, блокирующий поступление определенного количества тактовых импульсов (на фиг.4трех заштрихованных) на вход распределителя 3 импульсов, За счет этого увеличивается длительность текущего синхроимпульса на выходе распределителя 3 импульсов, т.е. производится смещение временной сетки распределителя 3 относительно распределителя 2 импульсов на величину рассогласования. С этого момента распределители работают синхронно и синфазно.

Предлагаемое устройство отличается от известных более высоким быстродействием. Известными устройства ми обеспечивается синхронная работа всех распределителей импульсов с заданной для каждого управляемого распределителя синфазностью. При этом . предполагается, что рабочий цикл всех команд одинаков, т.е. не учитывается тот факт, что некоторые команды имеют переменную длительность рабочего цикла (например, команды ввода-вывода).

При выполнении управляющей ЦВМ операции с увеличенным рабочим циклом распределители импульсов всех управляемых ЦВМ отслеживают этот цикл, что формула изобретения

11 9401 и ри води т к необоснованному снижению быстродействия выполнения операций с обычным циклом. В предлагаемом устройстве синхронизируются распределители импульсов только тех ЦВМ, между которыми осуществляется межмашинный обмен. Работа распределителей импульсов других ЦВМ не влияет на их синхронизацию.

Кроме того, предлагаемое устрой- 1р ство обладает более высокой надежностью по сравнению с известными.

Низкая надежность которых обусловлена возможностью уменьшения длительности отдельных синхроимпульcos на выходах РИ, а также появлением ложных тактовых импульсов. В предлагаемом устройстве этот недостаток устранен.

1. Устройство для синхронизации вычислительной системы, содержащее генератор тактовых импульсов, и блоков выработки синхросигналов (ичисло процессоров), причем каждый блок выработки синхросигналов содержит распределитель, узел. управления, два элемента И, элемент И.1И, причем выход генератора тактовых импульсов соединен в каждом блоке выработки синхросигналов с первым входом первого элемента И, с первым входом

35 второго элемента И, с синхровходом узла управления, управляющие входы узлов управления являются группой управляющих входов устройства, выходы распределителей в каждом блоке выработки синхросигналов соединены соответственно с тактовыми входами узла управления и являются тактовыми выходами устройства, выход узла управления соединен в каждом блоке

45 выработки синхросигналов с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен в каждом блоке выработки синхросигналов с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго эле50 мента И, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения быстродействия, в каждый блок выработки синхросигналов введены элемент НЕ, два элемента И и формирователь строба, выход которого соединен в каждом блоке выработки синхросигналов,с вторым входом второго элемента И, 48 l2 третий вход элемента ИЛИ соединен с выходом третьего элемента И, первый вход которого соединен. с выходом генератора тактовых импульсов и с синхровходом формирователя строба, второй вход третьего элемента И соединен с входом элемента НЕ, с входом управления режимом синхронизации каждого блока выработки синхросигналов и является входом управления режимом синхронизации устройства, выход элемента НЕ в каждом блоке выработки синхросигналов соединен с третьим входом первого элемента И и с входом режима синхронизации формирователя строба, вход управления стробом которого соединен в каждом блоке выработки синхросигналов с выходом четвертого элемента И, первый вход которого соединен с выходом узла управления в каждом блоке выработки синхросигналов,,второй вход четвертого элемента И в каждом блоке выработки синхросигналов является входом запуска устройства.

2. Устройство по и. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что формирователь строба содержит два элемента

НЕ и триггер, выход которого является выходом формирователя, вход режима синхронизации которого соединен с первым установочным входом триггера, с первым и с вторым входами сброса триггера,. третий вход сброса которого соединен с вторым установочным входом триггера и с выходом первого элемента НЕ, вход которого соединен с синхровходом формирователя, вход управления стробом которого соединен с входом второго элемента НЕ и с третьим установочным входом триггера, четвертый вход которого соединен с выходом второго элемента НЕ.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Ю 458829, кл. G 06 F 15/16, опублик.

1975.

2. Авторское свидетельство СССР

N 809132, кл. G 06 F 1/04, 1981 (прототип).

3. Соучек Б. Мини-ЭВМ в системах обработки информации. М., "Мир", 1976, с. 242,246;

4. Бауман Б., Куртц Ц., Науман Г.

Стандартные интерфейсы для цифровых измерительных систем. M. "Мир, 1977, с. 42.

94О148

Редактор С. Крупенина

Заказ 4668/70 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 тюк ти

3Q4

ring

R/g

mr

73fg

/му

ФвжФ

Составитель H. Торопова

Техред Е.Харитомчик Корректор 8. Бутяга

Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, москва, Ж"35, Рауаская наб., д; 4/5