Антошина И.В., Котов Ю.Т. Микропроцессоры и микропроцессорные системы (аналитический обзор)

Подождите немного. Документ загружается.

201

вья могут общаться между собой, не затрагивая более высоких

уровней сети.

Рис. 45

Рис. 46

Поскольку способ соединения процессоров друг с другом

больше влияет на производительность кластера, чем тип исполь-

зуемых в ней процессоров, то может оказаться более рентабель-

202

ьзуются операционные сис-

емы,

8.6.6. Транспьютеры

Транспьютер – это слово, производное от слов транзистор и

уска

транспьютера с другими транс-

пьютер

му новых процессоров.

ным создать систему из большего числа дешевых компьютеров,

чем из меньшего числа дорогих.

В кластерах, как правило, испол

т стандартные для рабочих станций, чаще всего, свободно

распространяемые -

Linux, FreeBSD, вместе со специальными

средствами поддержки параллельного программирования и балан-

сировки нагрузки.

компьютер. Транспьютер - это микроэлектронный прибор, объе-

диняющий на одном кристалле микропроцессор, быструю память,

интерфейс внешней памяти и каналы ввода-вывода (линки), пред-

назначенные для подключения аналогичных приборов.

Прибор

спроектирован таким образом, чтобы максимально облегчить по-

строение параллельных вычислительных систем. При соединении

транспьютерных элементов между собой требуется минимальное

число дополнительных интегральных схем. Связь между транс-

пьютерами осуществляется путем непосредственного соединения

линка одного прибора с линком другого. Это позволяет создавать

сети с различными топологиями с большим числом элементов.

Производство

транспьютеров началось в 1985 году с вы

п 32 – разрядного транспьютера Т414 с фоннеймановской

КСНК – архитектурой (рис. 47).

Взаимодействие каждого

ами и периферийными устройствами осуществляется по-

средством 4-х коммуникационных каналов связи, имеющихся в

составе БИС. Для передачи сообщений из внутренней и внекри-

стальной локальной памяти по последним каналам применяется

механизм

блочных ПДП-пересылок. Интерфейсы связи и процес-

сор работают одновременно, что приводит лишь к незначительной

потери производительности процессора. Использование прямых

последовательных коммуникационных каналов делает ненужным

арбитраж приоритетов и исключает проблемы, связанные с пропу-

скной способностью шин и их перегрузкой при введении в систе-

203

Рис.47.

Каждый исследуемый остоит из двух частей, слу-

ащих для передачи информации в противоположных направле-

ниях. П

канал с

ересылка производится в виде последовательностей байтов

со скоростью 10-20 Мбит/с, причем каждому байту предшествуют

два единичных бита, а завершает передачу один нулевой бит. По-

сле передачи байта данных пославший его транспьютер ожидает

получения

двухбитового подтверждающего сигнала, указывающе-

го на то, что принимающий транспьютер готов к дальнейшему

приему информации. Возможен обмен информации между незави-

204

пряжения последовательных каналов транспьютера с

нетран

стема прерываний в традиционном смысле этого понятия

отсутс

тер может быть использован в качестве отдельно-

го сам

Аппаратные средства транспьютера прямым образом ори-

ентиро

любое

количе

связан

симотактируемыми системами, если частоты тактирования

одинаковы.

Для со

спьютерными устройствами и интерфейсами связи преду-

смотрен ряд адаптерных схем. Контроллеры переферийных уст-

ройств также могут быть присоединены к имеющейся памяти, по-

средством которой возможно их обращение ко всему пространству

памяти.

Си

твует,

но имеют место аналогичные средства, реализован-

ные в виде двух уровнего приоритета, присваиваемых процессам,

ожидающим приема по последовательным каналам и запросному

входу события.

Транспью

остоятельного устройства, обеспечивающего производи-

тельность 10 млн. оп/с. При этом для программирования использу-

ется широкий набор стандартных высокоуровневых языков,

т.к.

архитектура транспьютера ориентирована на эффективное приме-

нение компиляции. Для полной реализации возможностей объеди-

нения транспьютеров в сети или матрицы при построении высоко-

производительных систем целесобразно применять язык Окками,

позволяющий максимальным образом использовать свойства

транспьютеров ориентированные на распараллеливание обработ-

ки.

ваны на реализацию параллельной

обработки и соответст-

вующих информационных пересылок (рис. 48).

Планировщик поволяет одновременно выполнять

ство параллельных процессов, между которыми распреде-

ляется процессорное время. Время переключения процессов со-

ставляет менее 1 мкс, а обмен информации между процессами

осуществляется посредством блочных передач ввод-вывод памяти.

Активные процессы, ожидающие выполнения, содержатся в

ной очереди рабочих просранств,

которая реализована с по-

мощью двух регистров, один указывает на первый процесс в оче-

реди, а второй указывает на последний процесс. Как только вы-

полнение процесса становится возможным, указатель команды за-

205

поминается в его рабочем пространстве, и из очереди берется

для выполнения следующий процесс.

Рис. 48

Транспьютер обеспечивает двухуровневую систему при-

оритет

уровня разделяется с оп-

рделен

тов был бы занят выполнением процессов высокого уровня.

ов. Процессы низкого уровня приоритета должны ожидать

выполнения до тех пор, пока в активном состоянии не останется

ни одного процесса высокого уровня.

Выполнение процессов низкого

ной периодичностью на интервалы времени, чтобы процес-

сорное время равномерно распределялось междузадачами, обра-

ботка

которых требует больших временных затрат. Продолжи-

тельность периода квантования составляет 4096 периодов входно-

го текстового сигнала, имеющего частоту 5 МГц, т.е. примерно

800 мкс. Не должна иметь место ситуация, когда весь период кван-

206

пересылке байтов;

ествляется

путем тора первого процесса, оказавшегося

готовы

ходит перепись сообщения, ожидающий про-

цесс д

нтерфей канала и

исклю

а или вывода сообщения произво-

дится ние указателя

коман

использованиинескольких

трансп

Подготовка процесса к вводу или выводу заключается в

загрузке в вычислительный стек:

- индентификатора канала;

- количества подлежащих

- указателя буфера.

Передача сообщения по внутренему каналу осущ

занесения идентифика

м в слово канала и занесения указателя в рабочее простран-

ство. После этого процессор выполняет очередной процесс

из пла-

нирующей очереди.

Когда оказывается готовым второй процесс, использующий

этот же канал, проис

обавляется к очереди активных процессов и производится

начальная установка канала в пустое состояние.

Когда сообщение пересылается по внешнему каналу, про-

цессор возлагает эту передачу на автономный и

чает процесс из

плана передач. Есле интерфейс канала реа-

лизует передачу сообщения посредством прямого доступа к памя-

ти, процессор вновь вводит ожидающий процесс в расписание пе-

ресылок. В то время когда имет место внешняя пересылка сооб-

щения, процессор может выполнять другие процессы.

Интерфейс включает три регистра, которые содержат:

- указатель рабочего пространства процесса;

указатель сообщений;

- количество байтов подлежащих пересылке.

При необходимости ввод

инициализация этих трех регистров и занесе

ды в рабочеепространство процесса. После того как оба про-

цесса инициализируют свои канальные интерфейсы, происходит

перепись сообщений и оба интерфейса ставят процесс в конец ло-

кальной очереди активных процессов.

Способ, последством которого транспьютерное семейство

реализует параллельную обработку при

ьютерных СБИС, определяется организацией последова-

тельных каналов и Оккам-каналов. Каждый последовательный ка-

нал позволяет реализовать два Оккам-канала, по одному для каж-

207

ри времени цикла транспьютера Т414 50 нс на 4-е канала

одновр

ются в виде последовательностей бай-

тов. К

соответствующий

высоко

-либо зада-

чи, то

дого из двух направлений передачи. Пока ЦПУ занят обработ-

кой, обмен информацией может происходить по всем четырем ка-

налам.

еменно работающих в обоих направлениях со скоростью

100Мбит/с с использованием внутренной памяти затрагивается 8%

производительности ЦПУ.

Сообщения пересыла

аждый 8-битовый байт предваряется двумя единичными би-

тами и сопровождается одним нулевым битом. В передающий

транспьютер передается сигнал подтверждения приема состоящий

из одного единичного и одного нулевого битов. Для обеспечения

непрерывности передачи информации сигнал подтверждения на-

чинает передаваться после получения двух заголовочных байтов.

Необходимо отметить, что архитектура транспьютера

включает

решение п облемы соединений. Для решения этой про-

блемы INMOS мог бы добавить несколько дополнительных ком-

мукационных каналов в чип, но общее число каналов оставалось

бы все-таки небольшим ввиду ограничений технологии VLSI.

Вместо этого INMOS избрал радикальное решение - добавление

аппаратного мультиплексора, который позволяет четко делить фи-

зический коммуникационный канал.

В пару к чипу INMOS также

разработал

производительный чип коммутации, так что транспьютеры

могут соединяться в полнодоступную сеть коммутации пакетов.

Каналы связи между транспьютерами станут виртуальными кана-

лами и их число определяется решаемой программой. С помощью

чипов коммуникации, отвечающих за эффективную доставку со-

общений по указанному назначению, виртуальные каналы могут

запускаться между транспьютерами, которые не

соединены на-

прямую физическими коммуникационными каналами.

Когда осуществляется программирование какой

необходимо однозначно определить, какой физический

коммуникационный канал закрепляется за каждым каналом пере-

дачи сообщений и может потребоваться несколько таких одно-

значных определений для приема сообщения от отдаленного

транспьютера. Это делает программу зависимой от точной тополо-

208

в произвольных мес-

тах сет

ческих

комму

аналы чипа почти

впятеро

быстре

а последо-

ватель

й пакет заканчивается специальным меркетом ЕОР

(End-O

Для сохранения синхронизации передачи сообщений, при-

емник

гии конкретной сети, следовательно, она становится неприло-

жимой к сети с любой другой топологией.

В чипе два процесса, расположенные

и. Они могут использовать один и тот же программный ка-

нал для связи. Аппаратура же сама упорядочит маршрут передачи

сообщения. С этим улучшением, программы могут быть независи-

мыми от

топологии сети, и поэтому более переносимыми.

Архитектура транспьютера включает четыре физи

никационных канала. Но она содержит встроенный в чип

контроллер коммуникаций, который поддерживает множество

виртуальных каналов путем разделения сообщений в пакеты и по-

очередной передачи пакетов от нескольких сообщений через один

физический коммуникационный канал.

Физические коммуникационные к

е (100 Мбит/сек полный дуплекс), чем транспьютерные фи-

зические коммуникационные каналы. Кроме того, системный па-

кет обеспечивает более эффективное использование канала, по-

этому производительность коммуникационного канала будет

улучшена немотря на сложность мультиплексирования.

Чип разделяет сообщения произвольной длины н

ность 32-байтовых пакетов, в отличие от существующего

транспьютера, который посылает сообщения

байт за байтом. Сме-

шанные пакеты, принадлежащие к различным сообщениям (т.е. к

различным виртуальным каналам) требуют, чтобы каждый пакет

имел заголовок, который бы говорил, какой виртуальный канал он

использует.

Кажды

f-Packet - конец пакета), за исключением последнего пакета,

который имеет маркер ЕОМ (End-Of-Message - конец сообщения).

Таким образом

, нет нужды использовать дополнительную логику

для счета пакетов, аппаратура знает, когда сообщение закончилось

и позволяет передавать сообщения короче 32 байт (и последние

части длинных сообщений, которые могут не занимать целый па-

кет).

должен подтверждать получение каждого пакета; подтвер-

ждение пакета - это пакет, не содержащий

данных. Каждое вирту-

209

каждому физи-

ческом

ов к приему пакета,

чип об

Для полной реализации концепции виртуальных

каналов,

требуе

я полным чипом обмена коммутируемыми

пакета

ит коммутатор 32×32 для соединения лю-

бого и

альное соединение содержит два виртуальных канала, один для

передачи пакетов данных вовне, другой для приема подтвержде-

ний. Процесс посылки пакетов сообщений не может продолжаться

до тех пор, пока переддддача последнего пакета не будет подтвер-

ждена. Подтверждение посылается тогда, когда принимается пер-

вый байт пакета, оно разрешает непрерывную передачу сообще-

ний, если

приемник готов к вводу информации.

Запросы на передачу ставятся в очередь по

у коммуникационному каналу связи, так что от МП не тре-

буется ожидания окончания передачи пакета.

В случае, если приемный процесс не гот

еспечивает буферизацию ровно одного пакета на каждый

физический коммуникационрый канал.

По этой же причине суще-

ствующие транспьютеры буферизуют 1 байт в аппаратном регист-

ре. В чипе процесс буферизации будет осуществляться в память,

что предпочтительнее буферизации в регистр, поэтому в случае

достаточного объема и производительности памяти на одном про-

цессоре может быть образовано любое число виртуальных кана-

лов.

тся дополнительный чип переключения марщрутов С104

(коммутатор) (рис. 49).

Чип С104 являетс

ми, аналогичным по принципу работы телефонной сети ор-

ганического доступа для обмена деловой информацией. Чип С104

содержит 32 физических коммуникационных транспьютерных ка-

нала и может коммутировать сообщение от одного из 32 чипов к

любым другим чипам

Чип С104 содерж

з его физических коммуникационных каналов с любым дру-

гим, и чудесно простую логику для подключения адресата для ка-

ждого принятого сообщения. Чипу не требуется внутреннее CPU

или значительное количество памяти благодаря схеме коммута-

ции, примененной разработчиками INMOSa.

210

Рис.49

В большинстве сетей коммутации пакетов каждый пере-

ключатель маршрута принимает полный пакет и сохраняет его в

буфере, декодирует адресную информацию пакета, и пересылает

пакет к следующему узлу назначения. Эта схема не очень подхо-

дит для высокопроизводительных транспьютерных сетей, по-

скольку она вносит относительно большую задержку между пере-

дачей пакета

и его прибыванием в пункт назначения (т.е.имеет

большое время ожидания), к тому же требует от чипа коммутации

С104 наличия промежуточной буферной памяти.

INMOS выбрал вместо этой схемы решение, называемое

червячным каналом маршрутизации, в котором читается только