Ситкевич Т.А., Сюрин В.Н. Параллельные вычислительные среды

101

онная структ ура дает возможность запрограммировать при ре-

шении любой зада чи такую систему каналов связи между про-

цессорами многопроцессорной системы, ко т орая б удет адекв а т-

на внутренней струк туре решаемой задачи. Программирование

прямых каналов связи обеспечив ает наилучшее распараллели-

вание вычислительног о процесса, высокую скорость обмена

данными между процессорами и м ак симальную производитель-

ность системы. Особое зна чение имеет то, что программирова-

ние прямых каналов связи адекватно отражает внутреннюю

структуру задачи, обеспечив ает линейный рост произво дитель-

ности мног опроцессорной системы с программируемой архи-

тект урой в зависимости от числа задействованных в решении

задачи процессоров, что не удается обеспечить в мног опроцес-

сорных системах с жестк ой архитек турой. К онструктивно каж-

дая мног опроцессорная вычислительная система с программи-

ру емой архитектурой может быть выпо лнена в моду льной фор-

ме, состо ящей из сверх бо льших интегральных схем, к аждая из

которых вклю чает процессор, сектор распределенной памяти,

локальную к о ммутационную структ ур у. Внутренние каналы связи

СБИС организую тся так, чтобы процессор имел прямой доступ

к распределенной памяти и к о ммутационной струк туре, а рас-

пределенная память была связана прямым к анало м св язи с ком-

мутационной структурой.

Мног опроцессорные системы с программир уемой архитек-

турой дают возможность сбрасыва ть вирту альные мног опроцес-

сорные системы других классов. В частности, в многопроцес-

сорной системе с программируемой архитектурой мо ж ет быть

легко запрограммирована любая известная жесткая многопро-

цессорная система: магистральная, ма тричная и т.д. Это соот-

ветству ет программированию виртуальных машин в о днопро-

цессорных ЭВМ. Однако существенная разница заключается в

том, что, в о тличие от процедурной реализации вирт у альной

машины в однопроцессорной ЭВМ, в многопроцессорной сис-

теме с программируемой архитектурой вирту альная вычисли-

тельная система реализу ется аппара т урно, структ урно. В насто -

ящее время созданы большие интегральные сх емы к о ммутат о-

ров со зна чительным число м входов и выходов, к о т орые позво-

ляют программиров а ть соединение любого вхо да с любой груп-

102

пой выходов. Из по добных схем могут быть образованы весьма

мощные коммутационные стр укт уры с сотнями и даж е тысяча-

ми вх одов и вых одов, к о т орые обеспе чиваю т в озмо жность про-

граммирования, настройки и перестройки сотен и тысяч кана-

лов связи в процессе работы мног опроцессорной системы.

Вследствие одно типности процессоров, одноро дности рас-

пределенной памяти и к о ммутационной струк туры мног опроцес-

сорные системы с программируемой архитектурой от личаю тся

высокой технологичностью и ремонтоспособностью, а также

способностью к наращиванию аппарат урных ресурсов. Все струк -

турные элементы многопроцессорных систем с программируе-

мой архитектурой могут быть изг отов лены в виде БИС или СБИС,

причем число типов необ хо димых БИС и СБИС невелико.

Многопроцессорные системы с программируемой архитек-

турой от личаю тся высок ой живучестью и надежностью – они

про д о лжают эффективно работать при выходе из строя даже

зна чительной части входящих в систему микропроцессоров, сек-

торов распределенной памяти или локальных элементов ком-

мутационной струк туры.

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ КОМПЛЕКТ БИС

С ПРОГРАММИРУЕМОЙ СТРУКТУРОЙ

Многопроце ссорные вычислительные системы с

программиру емой архитектурой строятся на основе микропро-

цессоров, реализующих крупные операции струк турными ме-

то дами, и имею т распределенную память и универсальную ком-

мутационную систему.

Основными устройствами системы являются: поле процес-

соров, состо ящее из микропроцессоров с программируемой

структурой; распределенная память, состо ящая из блоков; УБО

– устройство быстрог о обмена данными между полем микро-

процессоров и распределенной памятью, с одной стороны, и

системным устройством с друг ой, представляющее собой буфер-

ное запоминающее устройство – буферную память; коммутаци-

онная система, позволяющая подключать выходы микропроцес-

соров, распределенной памяти и устройства быстрого обмена к

любым вх о дам микропроцессоров; магистраль, через которую

осуществляется обмен данными и настроечной информацией с

системным устройство м; системное устройство СУ, представ-

103

ляющее собой типовую ЭВМ и состо ящее из вво дных и выво д-

ных устройств, общей памяти и процессора. Системное устрой-

ство выполняет ф ункции вво да-вывода, управления всей МВС и

долговременног о хранения больших массивов информации.

Пользов а тель на языке высокого уровня, б лизко м к матем а-

тической нотации, вво дит программу решения зада чи в СУ, где

эта программа транслиру ется на язык крупных операций СУ

(м акроопераций) микропроцессоров, кр упных ко ммутаций К

(м акрокоммутаций) ко ммутационной системы и макрокоманд

управления б лок ами распределенной памяти и УБО. С помо-

щью операционной системы оттранслиров анная программа заг-

ру жается через магистраль в поле МП, ко ммутационную систе-

му, б локи памяти и УБО. По к о м анде СУ все устройства систе-

мы начинаю т рабо ту. Вычислительная часть системы имеет де-

централизованное, т.е. распределенное по всем блок ам управ-

ление, и поэто му она мо жет запуск а ться по частям, чт о позволя-

ет совмещать различные режимы работы, такие, как решение,

вво д, выв о д. При загрузке и выгрузк е бо льших массивов данных

использ у ется УБО. Информация в него может принима ться с

выходов любых микропроцессоров и блоков распределенной

памяти и за тем быстро выдава ться в общую память СУ. То чно

так же информ ация из общей памяти СУ мо ж ет быстро прини-

ма ться в УБО и затем параллельно выдав аться на входы различ-

ных МП. Быстрый обмен мож ет проводиться одновременно с

решением и вводо м-выво до м через магистраль.

По добные мног опроцессорные системы имеют весьма вы-

сокую произво дительность, ко т орая об еспечивается параллель-

ной работой всех МП и б локов распределенной памяти, а также

возможностью совмещать во времени такие работы, как вво д-

выво д через м агистраль и быстрый обмен массив ами инфор ма-

ции через УБО. Параллельная, т.е. о дновременная работа всех

микропроцессоров и блоков распре деленной памяти, обеспечи-

вается ко ммутационной системой, позволяющей осуществлять

параллельный обмен данными одновременно между всеми МП,

б лок ами распределенной памяти и УБО. Все устройства систе-

мы могут авто м а тически перестраива ться с решения одной за-

да чи на другую. Так, микропроцессоры и коммута торы могут

ав т о м а тически без вмеша тельства СУ перестраиваться с о дних

104

макроопераций и макрокоммутаций на другие. Многопроцес-

сорная вычислительная система с программир у емой архитекту -

рой характериз уется просто той программирования. Эта просто та

достигается высоким уровнем вх о дного языка всех устройств

системы.

На основании рассмотрения общей схемы МВС с

программиру емой архитектурой нетрудно определить состав

микропроцессорног о ко мплек та. Очевидно, что минимальное

число типов элементов к омплек та должно быть не меньше че-

тырех: для поля процессоров необ ходимо и доста точно иметь

соответствующий микропроцессор; для коммутационной сис-

темы необ ходимо иметь соо тветств ующий элемент коммутации

– коммутат ор; распределенную память можно построить, исполь-

зуя выпускаемые промышленностью большие интегральные

сх емы памяти и, возможно, еще о дин-два типа интегральных

сх ем для организации децентрализованного управления, одна-

ко представляет интерес возможность использования одного

типа БИС для построения распределенной памяти; то чно так

же, как и распределенная память, из дв ух-трех типов БИС мо-

жет быть построено и устройство быстрого обмена, для него

также представляет интерес возможность использования о дно-

го типа БИС.

Общими для вс ех элементов комплекта принципами

построения яв ляю тся следующие. Все э лементы должны выпол-

нять соответствующие крупные операции: микропроцессор –

вычислительные операции, коммутат ор – стандартизиров анные

совокупности коммутаций; БИС памяти – операции обмена

стандартизированными м ассивами, БИС УБО – операции обме-

на стандартными массивами с преобразованием данных. Все БИС

к омплек та должны иметь программир уемую структуру, крупные

операции в них должны выпо лняться не процедурно, т.е. не как

совокупность последова тельности действий, а структ урным ме-

то дом – по граф-с хеме алгоритм а или, другими словами, схем-

но. Необходимо, чтобы элементы к о мплек та выполняли ф унк-

ции децентрализованног о управления, без которог о практичес-

ки невозможно эффективно осуществлять параллельные вычис-

ления. К омплект БИС должен иметь широкие ф ункциональные

возмо жности.

105

Набор крупных операций каждого э лемента комплек та прак-

тиче ски не может быть одновременно универс альным и

высокоэффек тивным для всех классов зада ч. Поэтому набор кр уп-

ных операций до лжен быть расширяемым. Для этого необ ходи-

мо, чтобы все элементы ко мплек та допускали возмо жность их

программирования на языке более низкого уровня. На пример,

МП должен иметь возможность программирования ег о на язы-

ке арифметик о-логических операций, коммута т ор – на уровне

элементарных ко ммутаций, т.е. ко ммутаций «о дин вход на один

выход». Эт о позволит в процессе эксплуатации перед решением

класса задач, для к о торых треб уются дополнительные м акроопе-

рации, произвести всего лишь один раз вво д в э лементы систе-

мы структ урных программ этих крупных операций и за тем уже

опера тивно использов а ть их на языке высокого уровня (анало-

гично тому, как это делается при построении новых стандарт-

ных подпрограмм для ЭВМ).

Комплек т БИС для МВС ПА должен удовлетв орять неко т о-

рым общим требованиям, обеспечивающим его единство и

совместимость как с точки зрения обработки информации, так

и со стороны ег о внешних э лектрических х арактеристик. К этим

требованиям относятся единство представления и форматов

числовой, программной и управляющей информации. Это уп-

рощает программирование, обеспе чивает единство интерфей-

сов межпроцессорного обмена и вво да-выво да, что позволяет

соединять БИС к о мплек та в произвольных сочетаниях и объе-

динять их в ма тричные, к онвейерные и другие сложные струк-

туры. Идентичность внешних электрических харак теристик всех

БИС ко мплек та обеспе чивает совпадение уровней логическ ого

ну ля и е диницы, а также динамических параметров сигналов на

выво дах БИС. Это наиболее просто достигается при использо-

вании для построения комплекта единой микроэлектронной те х-

нологии.

Важнейшими характеристик ами системы яв ляются произво-

дительность, сложность и класс решаемых зада ч [6]. Высок ая

производительность об еспе чивается параллельным решением

задач на большо м числе процессоров струк т урными мето дами

реализации крупных операций и в озмо жностью совмещения во

времени различных режимов рабо ты. Класс решаемых на МВС

106

задач зависит от универсальности наборов крупных и арифме-

тико-логических операций, возможностей к о ммутационной си-

стемы и емк ости памяти. Наиболее просто обеспе чивается не-

об ходимый объем памяти, доста т очно лишь увеличить число

б локов распределенной памяти. Кро ме того, сами МП имею т

собственную распределенную память. Такж е относительно не-

сложно увеличением числа коммутат оров расширяются возмож-

ности к оммутационной системы. Основной харак теристикой,

наиболее существенно влияющей на класс решаемых задач, яв ля-

ются наборы крупных и арифметико-логических операций, при-

чем если набор кр упных операций влияет на эффективность ре-

шаемых задач, то арифметико-логический набор в основном

определяет класс решаемых зада ч . В связи с этим набор ариф-

метико-логических операций долж ен быть ф ункционально по л-

ным, а набор крупных операций – расширяемым.

Свое го рода законом является зависимо сть

произво дительности и класса эффективно решаемых зада ч от

сложности МВС. Чем выше производительность и шире класс

решаемых задач, тем большую сложность имеет система. По-

этому важное значение при построении многопроцессорных

систем с программируемой архитект урой приобретают испо ль-

зу емые в ней принципы переработки и межпроцессорной пере-

да чи информации, так как именно они в зна чительной степени

определяют сложность микропроцессоров и коммутат оров, а те,

в свою о чередь, - сложность всей системы.

Наибольший вклад в сложность МВС вносит коммутаци-

онная система. Так, для коммутации 256 вх одных шин на 256

вых о дных в общем случае потребу ется 256 к о ммутат оров 16х16,

т.е. коммута т оров, позволяющих в различных к о мбинациях со-

единять 16 вх о дов с 16 вых о дами. Это зна чительный об ъем. С

по мощью такой к оммутационной системы можно к о ммутиро-

вать не более 16 микропроцессоров. Поэтому необ хо димо, что-

бы при заданной сложности коммутационная система имела

весьма широкие ф ункциональные возможности, т.е. максималь-

ное число о дновременно работающих каналов межпроцессор-

ного об мена. Очевидно, что число таких каналов зависит от спо-

собов передачи информации. При обмене информацией парал-

лельными кодами число каналов мак симальное, при обмене

107

информ ацией последов а тельными к одами – миним альное. Так

как и в том и в друг о м случае об ъем информации, пере даваемый

в единицу времени через коммутационную систему, о динаковый,

то с точки зрения функциональных возмо жностей передача ин-

фор мации последов а тельными к одами имеет бесспорное пре-

имущество.

ОРГАНИЗАЦИЯ МАШИННЫХ ЯЗЫКОВ ВЫСОКОГО УРОВНЯ

И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ МВС

С ПРОГРАММИРУЕМОЙ АРХИТЕКТУРОЙ

Для МВС с ПА необходимо создание машинных языков

высокого уровня, описывающих каждую крупную (макро-) опе-

рацию о дним операт оро м. Такая фор м а машинног о язык а высо-

кого уровня обладает непроцедурностью и требу ет для своей

реализации задания только входных параметров без указания

процесса реализации о тдельных кр упных операций. В структ у-

ру операторов устройств, выполняющих крупные операции,

должны входить параметры, располагаемые в произвольном или,

в зависимости от структуры транслятора, в позиционном по-

рядк е с соответств ующими признаками. Основными признака-

ми, определяющими реализацию операт ора, являются следую-

щие: признак принадлежности опера т ора реализ у емой зада че

(для ассоциативног о способа загрузки МВС с ПА); признак при-

надлежности операт ора устройств у, к о т орый необх о дим для ре-

ализации ассоциа тивног о способа рассылки операт оров по уст-

ройствам; номер программног о блок а, в которо м участву ет дан-

ный оператор; код операции, выпо лняемой данным устройство м;

параметр длины вектора операндов, обраба тываемых устрой-

ством; параметр состо яния результата; параметр особых усло-

вий выпо лнения опера т ора; параметр расположения и с читыв а-

ния информации в ОЗУ (для запо минающих устройств).

Первые три признак а в зависимости от выбранного мет о да

организации вычислительного процесса могут отсутствовать.

Последние два могут содержать не с колько подпараметров,

обеспечив ающих ф ункциональную полно ту описываемог о опе-

рат ора. Конкретный набор и струк т ура параметров определяют-

ся об ластью применения МВС с ПА и техническими ограниче-

ниями на произво дство. При произвольном располо ж ении па-

раметров каждый из них до лжен иметь от личительный признак.

108

В качестве таких признак ов могут служить идентифик аторы.

Позиционное располо ж ение параметров несколько упрощает

структуру транслятора, однако существенно усложняет процесс

программирования, так как треб ует от программистов строг ог о

собл юдения порядка следов ания параметров, число ко торых мо-

жет быть бо лее десяти.

В связи с тем, что во многих макрооперациях длина векто-

ра вх одных данных не совпадает с длиной вект ора резуль та тов,

данный параметр должен иметь два подпараметра, позво ляю-

щих программистам осуществлять различного ро да сортиров-

ки, а также организ ов ать контроль правильности ф ункциониро-

вания устройств.

Операт оры различных устройств от личаются друг от друга

только набором и зна чением параметров, что обеспе чивает унифи-

кацию процесса трансляции в машинные форма ты. С целью об ес-

печения просто ты программирования и достиж ения высок ой эф -

фективности решения зада ч необхо димо использова ть бло чную

структур у формиров ания программ. Программный блок реализу-

ет полностью или частично операт оры одног о загрузо чного яру-

са . Вся программа состоит из последов а тельности б локов. Ис-

пользование блоков осуществляется в порядке написания или в

порядке , указанно м метками пере х о дов. Каждый из блоков мо жет

повт оряться необ х о димое для решения зада чи число раз. Если

неск о лько б локов ну жно объединить в нек о торую бо лее сложную

программную единицу, то так ая к онстр укция будет называ ться

составным блок о м. Последний также мо жет повторяться в про-

цессе решения зада чи необ х о димое число раз.

Стратегия реализации б лока для к онкретног о в арианта МВС

с ПА определяется зало женными при техническ ой реализации

принципами организации вычислительных процессов. Органи-

зацию эффективных вычислительных процессов в МВС с ПА

можно проводить с централизованным и децентрализов анным

управлением. Каждый из ук азанных способов управления ре-

ализуется с детер минированным и ассоциа тивным принципами

распределения операт оров по устройствам. Выбор того или ино-

го способа реализации процесса управления опре деляется при-

нятой конфигурацией, а также требов аниями к быстро действию

системы. Многопроцессорная вычислительная система с ПА с

109

централизованным управлением вычислительным процессом

должна со держать, кро ме основных устройств, специальную

память команд (ОЗУК), предназначенную для хранения команд

всех устройств, принимающих участие в выполнении преобра-

зования информации, и программы, определяющей строгую

последов ательность функциониров ания системы. Программа

состоит из от дельных б локов,. каждый из ко т орых содержит

набор ком анд обрабатыв ающих устройств и устройств памяти,

опера т оры выбора ком анд из ОЗ УК, операт оры рассылки их по

соответствующим устройствам, а также опера т оры пуск а и ос-

тановки МВС с ПА. При детерминиров анном принципе рассылки

команд все устройства с помощью пространственног о к оммута-

тора соединяются с центральным устройством управления по-

о чере дно в каждом программном б локе, ко т орый выбирает ко-

манду и отсылает ее в регистр ко манд устройства, соединенног о

в данный мо мент времени с ЦУУ пространственным коммута-

торо м. По ок ончании рассылки к о м анд всем устройств ам ЦУУ

выбирает к оманду для ко ммута т ора и устанавливает соедине-

ния между от дельными устройств ами, участв ующими в реали-

зации данного б лок а. Далее выбираются к оманды пуск а и завер-

шения работы б лок а , по которым запускаются необ хо димые ус-

тройства, и ЦУУ пере х одит в режим ожидания окончания рабо-

ты к аждог о запущенного устройств а.

Так ой алг оритм об еспечивает наг лядность описания ф унк-

ционирования системы и простот у его модификации. Основным

недостатком данного способа организации вычислительного

процесса является нек от орая громоздкость в описании и реализа-

ции рассылки операт оров по устройствам. Данную процедуру

можно упростить использованием ассоциа тивного принципа

рассылки операторов, в соответствии с которым каждый опера-

тор снабжается признако м принадлежности то му или иному ус-

тройств у. В этом случае при распределении операторов про-

граммног о блока между устройствами устанавливается о дновре-

менная связь между ЦУУ и всеми участвующими в реализации

данног о блок а устройствами. Каждый операт ор, считыв аемый

из ОЗУК, поступает сраз у на все устройства, а воспринимается

то лько тем устройство м, которо му он принадлежит. Это суще-

ственно сокращает об ъем программ и время их реализации.

110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Развитие ПВС на правлено на повышение их э ффективно-

сти и производительности [7, 8]. Наряду с совершенствов анием

электронной элементной базы и соответств ующег о программ-

ного обеспечения для достижения указанной цели перспек тив-

ным является ко мплексирование э лек тронных вычислительных

систем с оптическими.

Основным преимуществом цифровой оптическ ой обработ-

ки информ ации является высокая степень параллелизма, а так-

же отсутствие взаимо действия между пересекающимися опти-

ческими сигналами, что позволяет создавать вычислительные

устройства на основе интегральной оптики с топологией, кото-

рую нельзя реализов а ть на элек тронных ко мпонентах.

Комбинированные элек тронно-оптические вычислитель-

ные системы позволяют решить и такую принципиальную зада-

чу, являющуюся узким местом ЭВМ с классической фон-Ней-

мановской струк т урой, как устранение последов а тельног о ме-

ханизм а адресации и обмена данными, и в конечно м с чете со-

вместить вычисления с хранением данных [7]. Эта проб лем а

является базовой и при построении те хнических систем искус-

ственного интеллекта [9], которые представляю т собой яркий

пример ПВС.

Важной особенностью оптических вычислительных уст-

ройств является возможность использов ания вирт уальных вы-

числений. Так, при реализации оптического Фурье-процессора

никогда не определяются частичные произведения и су ммы,

содержащиеся в аналитической сути (записи) этого преобразо-

вания [8].

С уществ ую т определенные предпосылки создания кван-

товых к о мпью теров, в к о т орых вычислительные операции бу-

дут осуществляться путем манипуляций с фотонами (элек тро-

нами) с использованием, на пример, последних достижений в

об ласти квант овой э лектро динамики и сверхпров о димости. Од-

нако это доста точно далекая перспектива. Попытки создания

Ситкевич Т.А., Сюрин В.Н. Параллельные вычислительные среды

Подождите немного. Документ загружается.