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

Подождите немного. Документ загружается.

Мода (или мо дальность) заносится в этот регистр от УУ.

При выполнении последова тельности ко м анд модальность пе-

редается в коде операции и сравнивается с содержимым регист-

ра моды. Если есть совпадение, то операция выполняется. В дру-

гих случаях ПЭ не выполняет операцию, но мож ет в зависимос-

ти от кода пересылать св ои операнды соседнему ПЭ. Такой ме-

ханиз м позв о ляет, в частности, выделить строку или столбец ПЭ,

что мо ж ет быть по лезным при операциях над матрицами. Взаи-

мо действ уют ПЭ с периферийным обор удованием через внешние

ПЭ.

Система SOLOMON ок азалась нежизнеспособной всле д -

ствие гро моздкости, недоста точной гибкости и эффек тивности.

Однако идеи, залож енные в ней, получили развитие в системе

ILLIAC-IV [1, 5], разрабо танной Иллинойским университето м

и изг от овленной фирмой «Барроуз». В каждом квадранте 64 ПЭ

образу ют матрицу размеро м 8Х8. Сх ем а связей между ПЭ похо-

жа на сх ему системы SOLOMON, но связь с внешней средой

имеют все ПЭ без исклю чения. Реально действующая система

ILLIAC-IV состоит, таким образом , из двух частей: централь-

ной с устройством управления и 64 ПЭ, а также подсистемы

вво да-вывода, включающей в себя универсальную ЭВМ В-6700,

файловые диски и лазерную архивную память большой емкос-

ти. Каждый ПЭ состоит из собственно процессора и ОЗУ. Про-

цессор оперирует с 64-разрядными числами и выполняет уни-

версальный набор операций. Быстродействие процессора дос-

таточно высокое: операция слож ения 64-разрядных чисел вы-

полняется за 240 нс, а умно жения - за 400 нс. Таким образом,

процессор выполняет в среднем 3 млн. операций в секунду, а,

следовательно, производительность системы равна 200 млн.

операций в сек унду.

Емкость ОЗУ каждого ПЭ составляет 2048 64-разрядных

слов, длительность цикла обращения к памяти 350 нс. Память

выполнена на интегральных схемах. Каждый процессор имеет

с четчик адресов и индексный регистр, так что к онечный адрес в

каждом процессоре мо ж ет формиров а ться как сумма трех со-

ставляющих. Это с ущественно повышает гибкость системы по

сравнению с системой SOLOMON, где все ПЭ выбирают ин-

форм ацию по о дно му адресу. Каждый процессор кро ме индек с-

ного регистра имеет в своем составе пять программно-адресуе-

мых регистров: нак апливающийся сумматор, регистр для опе-

рандов, регистр пересылок, испо льз уемый при пере дачах от од-

ного ПЭ к другому, б у ферный регистр на одно слово и регистр

управления состоянием ПЭ (аналогичный регистру моды в сис-

теме SOLOMON). Регистр управления имеет 8 разрядов. В за-

висимости от со держимог о этог о регистра ПЭ становится ак-

тивным или пассивным, а также выполняет ряд пересыло чных

операций. Если вычисления не требу ют по лной разрядности, то

процессор мо жет быть разбит на два 32-разрядных по дпроцес-

сора или даже восемь 8-раэрядных. Это позволяет в случае не-

об х одимости обраба тыв ат ь вект орные операнды из 64, 2Х64=128

и 8Х64=512 элементов. Система ILLIAC была вклю чена в со-

став вычислительной сети АКРА. В рез уль тате усовершенство-

вания программног о обеспе чения произво дительность системы

выросла до 300 млн. операций в секунду.

Основным типо м систем ОКМДР являются асс оциативные

систе мы. Характерной особенностью таких систем является то,

что их процессорные модули (или память со встроенной логи-

ческой обработкой) реализ уют адресацию на основе свойств

содержимог о данных. Ассоциа тивные системы по драз деляются

на системы с ассоциа тивной памятью и системы с ассоциа тив-

ными процессорами (ассоциативные матричные системы). Си-

стемы с ассоциа тивной памятью оперируют с данными при до-

ступе к ним при помощи тэгов или выборки по со держимо му

ячеек памяти в большей степени, чем при по мощи адресов. Си-

стемы с ассоциативными процессорами обычно опериру ют со

срезами разрядов данных (срез разряда данных - это совокуп-

ность разрядов одной и той же фиксированной позиции в мно-

жестве слов данных).

А ссоциа тивное ЗУ (рис.3.3.) вклю чает в себя: устройство

управления (УУ), запо минающий массив, регистр ассоциатив-

ных признак ов (Рг АП), регистр маски (Рг М), регистр индика-

торов адреса со сх ем ами сравнения на вхо де. В АЗУ могут быть

и другие элементы. Выборка информации из АЗУ происх о дит

следующим образо м: в регистр ассоциативных признаков из УУ

передается код признак а иско мой информации. Код мо жет иметь

произвольное число разрядов, от о дног о до m (m-мак симальное

число разрядов). Если код признак а использ уется полностью, то

он без из менения поступает на с х ему сравнения. Если же необ-

х одимо использов а ть только часть кода, то ненужные разряды

маскир уются с по мощью регистра маски.

Перед на чало м поиска информации в АЗУ все разряды ре-

гистра индикат оров адреса устанавлив аются в единичное состо-

яние. После эт ог о произво дится опрос перв ого разряда всех ячеек

запо минающег о массива, и содержимое сравнивается со зна че-

нием 1-го разряда регистра ассоциативных признаков. Если со-

держимое разряда запоминающего массива не совпадает с со-

держимым разряда регистра ассоциа тивных признаков, то в со-

ответств ующую ячейку регистра индика т ора адреса заносится

“0”, в противно м случае состо яние не меняется (остается “1”).

Затем эта операция пов торяется со в торым, третьим разрядо м и

так до последнег о. После поразрядног о опроса и сравнения в

единичном состо янии останутся те разряды регистра индик а т о-

ров адреса, к о торые соответствую т ячейкам, со держащим ин-

формацию, совпадающую с записанной в регистр ассоциатив-

ных признаков. Эта информация за тем с читыв ается в последо-

ва тельности, определенной в УУ.

Рис.3.3. Структура ассоциативного запоминающего устройства

Устройство

управления

Запоминаю

щий массив

Ячейка 0

Ячейка 1

Ячейка n-1

Схема

сравнения

Т0

Т1

РгАП

Регистр

индикаторов

адреса

Очевидно, что время поиска информации в запоминающем

массиве по ассоциативно му признаку зависит только от числа

разрядов признак а и от скорости опроса разрядов, но совершен-

но не зависит от числа ячеек запо минающег о массив а, поск о ль-

ку при опросе анализируются все ячейки. Этим и опре деляется

главное преимущество ассоциативных ЗУ. В адресных ЗУ при

операции поиска необ ходим перебор всех ячеек запо минающе-

го м ассив а. За пись новой инфор мации в за по минающий массив

произво дится без указания номера ячейки. Обычно один из раз-

рядов в к аждой ячейке использ у ется для ук азания ее занятости,

то есть если ячейка свобо дна для записи, то в этом разряде запи-

сан “0”. В этом случае при записи в АЗУ новой информации

устанавливается признак “0” в соответств ующем разряде регис-

тра ассоциативных признаков и определяю тся все ячейки запо-

минающег о массива, кот орые свобо дны для записи информа-

ции. В одну из этих ячеек УУ и записывает информацию. Не-

редк о АЗУ строится таким образом, что, кро ме ассоциативной,

допускается и прямая адресация данных, что представляет оп-

ределенные удобства при рабо те с периферийными устройства-

ми. Запоминающие элементы АЗУ в отличие от элемент ов ад-

ресных ЗУ должны не только хранить информацию, но и вы-

полнять определенные логические функции, ко торые позволя-

ют осуществлять поиск не тольк о по равенств у содержимого

ячейки заданно му признак у, но и по др угим условиям, а именно:

со держимое ячейки больше признака, меньше или равно. Опе-

ративные АЗУ способны фор мирова ть неско лько по токов иден-

тичной информации, которая обрабатыв ается большим числом

операционных устройств. На основе ассоциативной памяти легко

реализу ется изменение места порядка расположения информа-

ции. Благодаря этому АЗУ является эффек тивным средство м

формирования набора данных в высокопроизводительных сис-

темах. Использование таких систем на практик е показало, что

они эффективны при решении задач обработки радио лок ацион-

ной инфор мации, распознавания образов, обработки различных

снимк ов и других.

Итак, высокая степень параллельности обрабо тки мо ж ет

быть достигнута тог да, когда о дноименные операции выполня-

ются о дновременно над всем множ ество м содержащих ся в вы-

деленно м поле ассоциативной памяти слов. Для этог о в состав

ассоциа тивной вычислительной системы вво дятся обрабатыв а-

ющие э лементы, реализ ующие арифметическую и логическую

обработк у информации. Достиж ение наивысшей степени парал-

лельности обработки возможно, когда число обрабатыв ающих

элементов соответств у ет числу обраба тываемых слов. При этом,

если слова обрабатыв аются последова тельно поразрядно, то в

текущий момент времени обраба тывающие элементы обраба-

тывают разрядный срез всех слов данных.

К параллельным системам типа МКОД с пословной обра-

боткой данных относятся магистральные (конвейерные) систе-

мы - такие системы, в которых осуществляется одновременное

выполнение неск о льких команд при помощи последова тельно-

го прохождения слов потока данных через магистраль (конвей-

ер) неск о льких специализированных блоков обрабо тки. При этом

обработк а разбивается на соо тв етствующее число по дзадач (эта-

пов), к аждая из к о т орых выполняется на одно м из ук азанных

специализированных блоков.

Принцип магистральной (конвейерной) обработки осно-

ван на разделении вычислительного процесса на неско лько по д -

процессов, каждый из к о т орых выполняется на отдельно м ус-

тройстве. При этом последовательные процессы могут выпол-

няться одновременно на своих устройствах подобно то му, как

это имеет место в про мышленных технологических процес-

сах. Принцип конвейерной обработки может применяться на

различных уровнях иерархии вычислительног о процесса, на-

чиная с уровня построения логических схем устройств. В за-

висимости от уровня применения принципа конвейерной об-

работки можно выделить, рассма тривая уровни снизу вверх,

арифметико-магистральные, ком андно-магистральные и мак-

ромагистральные системы; а в зависимости от типа применяе-

мых ком анд обработки среди магистральных систем можно

выделить системы с обычными и системы с векторными ко-

мандами. Для эффективной реа лизации конвейера должны

выполняться следующие условия:

система выполняет пов торяющуюся операцию;

эта операция мож ет быть разделена на независимые час-

ти, степень перекрытия ко торых невелика;

тр уд ое м кость операций примерно о динакова.

Количество подопераций называют г лубиной конвейера.

Важным условие нор мальной работы конвейера является отсут-

ствие конфлик т ов , т.е. данные, по даваемые в конвейер, должны

быть независимыми. В том случае, когда очередной операнд за-

висит от результата предыдущей операции, возникают такие

периоды работы конвейера, когда он пуст, чт о вызыв ает сниже-

ние эффективности ег о испо льзования. Увеличение быстро дей-

ствия, к от орое мо жно по лучить при по мощи конвейера, описы-

вается формулой:

n * d / (n + d),

где n - количество операндов, d - глу бина конвейера.

К числу ЭВМ, в которых широкое применение нашел кон-

вейер команд, о тносится о дна из лучших о течественных машин

БЭСМ-6 [4]. Эта ЭВМ, разработанная по д руково дство м акаде-

мика С.А.Лебедева в 1966 г., была в течение многих лет самой

быстродейств ующей в стране б лаг одаря целому ряду интерес-

ных решений, в том числе и конвейеру ко манд. Последний обес-

печивался использованием восьми независимых мо дулей ОЗУ,

работающих в системе чередов ания адресов, и большог о числа

быстрых регистров, предназначенных также и для б у феризации

ко мандной информации. Это позволило получить на БЭСМ-6

произво дительность 1 млн операций в секунду.

В структ урной схеме (рис.3.4) к онв ейерной вычислитель-

ной системы STAR-100 [5] испо льз уются оба типа конвейера (и

ко манд, и данных).

Система содержит 3 конвейерных процессора:

- ППЗ – процессор, содержащий конвейерное устройство,

выполняющее сло жение и умно жение с плавающей запятой.

- ППФЗ – процессор, со держащий конвейерное устройство

слож ения с плавающей запятой и умно ж ения с фиксиров анной

запятой, деления и извле чения корня.

- СП – специализированный конвейерный 16-ти разрядный

процессор, выполняющий операции с фиксиров анной запятой

и ряд логических операций.

Рис. 3.4.Структурная схема конвейерной вычислительной системы

К онв ейерные процессоры в системе SТАR-100 оперируют

64-х разрядными или 32-х разрядными числами и к аждые 40 на-

носекунд выдают рез у льта ты в блок управления поток ами дан-

ных и б уферами. Опера тивное ЗУ построено по мо дульному прин-

ципу и со держит 32 мо дуля памяти. Оно рабо тает с чере дованием

адресов под управлением устройства управления памяти.

Конвейерный сумматор с плавающей запят ой состоит из 4

сегментов или специализированных операционных устройств.

Про до лжительность числа каждог о сегмента состав ляет 40 на-

носекунд. Т аким образом, время выполнения операции сло же-

ния с плавающей запят ой - 160 наносекунд. К онвейерный умно-

житель включает в себя 8 сегмент ов (8 операций), поэтому вре-

мя выполнения операции умно жения составляет 320 наносекунд.

При загр узк е конвейера длинной последовательностью операн-

дов, по д кот орыми производится о дна и та же операция, рез уль-

тат выдается каждые 40 наносекунд. Учитывая, что каждый из

дв ух основных процессоров мож ет выдавать по 2 32-х разряд-

ных р езул ьтата, то система SТАR-100 мо жет достига ть быстро-

действия до 100 млн. операций в секунду.

Одной из наибо лее высокопроизво дительных вычислитель-

ных систем считается СRАY. В этой системе конвейерный прин-

цип обработки использ уется в максим альной степени. Имеется

и к онвейер команд, и к онв ейер арифметических и логических

УПП

Блок

управления

потоками

данных и

буферами

ППЗ

ППФЗ

СП

МП1

МП32

каналы

вода-вывода

операций. В системе широк о применяется совмещенная обра-

ботк а информации неск о лькими устройств ами. Все это позво-

лило при решении научных задач достигнуть произв одительно-

сти в 250 млн. операций в секунду.

В качестве систем МКОД с поразрядной обработк ой дан-

ных можно рассма трива ть системы с к онвейеро м одноразряд-

ных процессоров.

Системой типа МКМД называется нек о торая параллельная

вычислительная система с несколькими модулями управления

работой неск ольких процессорных модулей, причем эти мо ду ли

выполняют неско лько потоков команд. Число процессоров со-

ставляет обычно величину в пределах от 2 до 10, но мо жет дости-

гать и неск ольких десятк ов, особенно в микропроцессорных сис-

темах. Основные типы систем МКМД с пословной обработкой –

это мног опроцессорные и много машинные системы.

Многопроцесс орной системой называется такая параллель-

ная система, которая со держит два или бо лее сильно св язанных

центральных процессора, общую для них оперативную память

и, целиком или частично, общие периферийные устройства,

включая периферийные процес-соры и к ана лы ввода-выво да,

управление ко торыми как единым комплек со м осуществляет

единственная операционная систем а. В многопроцессорной ВС

могут быть неск о лько копий о дной операционной системы. Та-

ким образом, мног опроцессорная ВС со держит два или бо лее

процессорных мо дулей, ф ункционирующих по д единых управ-

лением, и осуществляет о дновременную обрабо тку неск о льких

ко манд и данных при общей иерархической памяти.

Более подробно характерные черты многопроцессорных

систем мо жно пре дставить сле дующим образом. Многопроцес-

сорная система включает дв а или бо лее центральных устройств

обработки информации - центральных процессорных мо дулей.

Эти устройства могут иметь как о динаковые, так и различные

харак теристики. Основная память (оперативная память) долж-

на нах одиться в общем пользовании и до лжна быть доступной

для всех процессоров системы. Процессоры могут иметь неко-

торую собственную память. В системе должен быть общий дос-

туп ко всем устройств ам ввод а-выво да, включая каналы, устрой-

ства управ ления и периферийное обор удов ание. В системе дол-

жна быть единая интегрированная операционная система, осу-

ществ ляющая общее управление аппара тными и программны-

ми средствами. При этом должна быть предусмо трена возмож-

ность тесного взаимо действия аппара тных сре дств и программ-

ного обеспечения:

на уровне системного программного обеспечения при

выполнении системных задач;

на программном уровне при выполнении частей о дной и

той же программы неско лькими процессорами или при выпол-

нении неско льких независимых программ (му ль типрограммный

режим параллельной обработки) - на уровне обмена данными;

на уровне аппаратных прерываний.

Следу ет отметить, что взаимодействие аппаратных и про-

граммных сре дств зависит не только от организации взаимных

св язей, но и от системног о программног о обеспечения и проце-

дур обрабо тки данных. Баз ов ая струк т урная схема мног опроцес-

сорной системы изображена на рис.3.5, где тонкими линиями

показаны связи для сигналов управления, а жирными линиями

– связи для данных и команд.

Рис. 3.5. Базовая структурная схема многопроцессорной системы

Многомашинной систе мой назыв ается такая параллельная

система, к о торая содержит обычно две или более однопроцес-

сорных или многопроцессорных слабо связанных между собой

ВС с общей внешней памятью и/или со связями через к аналы

вво да/выв ода, работающих сов местно по д управлением своих

Центральный

процессор

Центральный

процессор

Центральный

процессор

Общая память

Общее управление вводом-выводом

операционных систем. В системе возможны непосредственные

связи между процессорами в целях управ ления. В ее состав мо-

гут входить однопроцессорные и многопроцессорные системы

о дног о и того же или различных типов, а такж е магистральные,

ма тричные, ассоциативные и другие системы.

В качестве систем МКМД с поразрядной обработкой мо ж-

но рассматрива ть системы связанных между собой о дноразряд-

ных процессоров.

Системами с к омбинированной стр укт урой называю тся та-

кие ПВС, структуры к о торых характериз уются комбинацией при-

знаков существенно от личающих ся друг от друга классов. Одним

из наиболее известных типов систем с комбинированной струк-

турой являю тся ор тогональные систе мы. Они пре дставляют со-

бой такие ПВС, к от орые ведут обработк у дв у мя процессорами -

обычным процессором типа ОКОДС и ассоциативным процес-

сором типа ОКМДР - и использ уют общую для них опера тивную

память в режиме разделения оборудования, всле дствие чег о явля-

ются системами с высок ой степенью связанности.

Системами с перестраивае мой структурой б удем назы-

вать такие ПВС, к о т орые обладаю т возмо жностью в процессе

работы из менять тип структуры и, в предельно м случае, осуще-

ствлять «переходы» от о дного класса к другим существенно от-

личным классам. Такие системы в последнее время получили

быстрое развитие в связи с разработкой и созданием распреде-

ленных ВС на базе микропроцессоров.

Вычислительные системы с иерархическ ой структ урой мо-

гут иметь и более дв ух уровней иерархии. ЭВМ, выполняющие

предварительную обработку информации, часто называют ма-

шинами-сате ллитами.

По типу структ у ры ВС разделяются с посто янной и пе-

ременной струк т урами. По д струк т у рой ВС понимают состав

системы и сх емы ф ункциональных и управ ляющих связей между

ее элементами. В системах с постоянной структурой в процессе

ее функционирования не изменяется состав ф ункциональных и

управляющих связей между ее элементами. Переменную струк-

туру имеют адаптивные систе мы, т. е. такие, у к от орых структ ура

изменяется на основе анализа текущей информации. По добные