может быть организована связь посредством общей межпроцессорной шины через матричные коммутаторы КМ. Такая связь обеспечивает взаимные пре- рывания, синхронизацию процессов, а также некоторые другие функции (на- пример, остановка или запуск любой ЭВМ). Схема рис. 28 значительно при- ближает вычислительную систему к многопроцессорным структурам, сохра- няя при этом и ее многомашинную сущность.
Однородные системы и среды
Это еще один из интереснейших видов структурной организации вы- числительных систем.
В начале 50-х годов годов XX века наши ученые Евреинов Э.В. и Коса- рев Ю.Г. предложили новый подход к построению высокопроизводительных вычислительных систем, в основу которого заложены три принципа:
1.Параллельность операций.
2.Переменность логической структуры.
3.Конструктивная однородность элементов и связей между ними. Первый принцип базируется на аксиоме параллельности задач и алго-
ритмов, а именно: всякая сложная задача может быть представлена в виде
связанных между собой более простых задач и для любой сложной задачи может быть предложен параллельный алгоритм, допускающий ее эффектив- ное решение. Аксиома параллельности, таким образом, обеспечивает дости-
жение высокой производительности за счет параллельной работы большого числа процессорных элементов.
Второй принцип базируется на аксиоме переменности логической структуры, а именно: процесс решения сложной задачи может быть пред- ставлен некоторой структурной моделью, включающей в себя более простые задачи и связи между ними. Это значит, что для каждой сложной задачи можно предложить соответствующую структуру процессорных элементов, связанных между собой определенным образом.
Третий принцип базируется на конструктивной однородности элемен- тов и связей. Это означает, что система для решения сложной задачи может быть построена из одинаковых процессорных элементов, связанных между собой одинаковым образом.
При соблюдении указанных трех принципов вычислительная система может быть представлена как совокупность неограниченного числа одинако- вых процессорных элементов однотипно связанных между собой. Эта сово- купность перед решением задачи настраивается, например, с помощью про- граммы соответствующим образом.
Указанный подход к построению вычислительных устройств был вы- двинут очень давно, но достаточно активная его реализация началась во всей совокупности сравнительно недавно, т.к. создание однородных систем вовсе не простая задача. Она требует и соответствующей элементной базы, и соот- ветствующих технологий, позволяющих все вышеуказанное реализовать в твердом теле. Правда в отдельных вычислительных системах были уже в 70- х годах в той или иной степени использованы указанные три принципа, а их
39
принципиальное использование началось еще в вычислительных машинах непрерывного действия. Все это говорит о том, что Евреинов Э.В. и Косарев Ю.Г. предложили достаточно эффективный и перспективный подход к про- ектированию вычислительных систем.
Примеры реализации рассмотренных методов создания вычислительных систем
В этом разделе будут рассмотрены вычислительные системы СССР и США, созданные или разрабатываемые для нужд этих стран.
Вычислительные системы с конвейерной обработкой информации
К числу вычислительных систем, в которых широкое применение по- лучила реализация конвейера команд, можно отнести одну из лучших отече- ственных систем БЭСМ-6. Эта система дала путевку в жизнь нашему ракето- строению, созданию космических систем и ряду других систем гражданского и военного строительства. Она была разработана в 1966 году под руково- дством академика Лебедева С.А. и была самой быстродействующей в стране в течение ряда лет.
Ее конвейер команд обеспечивался использованием восьми независи- мых модулей ОЗУ, работающих в системе чередования адресов, и большого числа быстрых регистров, предназначенных также и для буферизации ко- мандной информации. Это позволило реализовать производительность в один миллион операций в секунду, что для шестидесятых годов было поис- тине революционным достижением, позволившим выполнить те задачи, ко- торые были поставлены перед промышленностью правительством СССР.
Определенный интерес представляют построение американских вы- числительных систем IBM360/91 и IBM360/195. Пять основных устройств этих систем: система ОЗУ, система управления памятью, процессор команд, устройства для выполнения операций с фиксированной запятой, с плавающей
запятой и десятичной арифметики работают параллельно и независимо друг от друга.
Оперативное ЗУ построено по многомодульному принципу и содержит до 32 модулей.
Устройство управления памятью работает по принципу конвейера и обеспечивает восьми- или шестнадцатикратное чередование адресов при об- ращении процессора и каналов ввода-вывода к ОЗУ. В устройстве для вы- полнения операций используется конвейерная обработка данных. Не худши-
ми характеристиками обладали и отечественные вычислительные системы «Ряд». И те, и другие системы на определенных классах задач позволяли по- лучить производительность, превышающую 10 миллионов операций в секун- ду.
Конвейеры арифметических операций и команд были реализованы также в американской системе STAR-100, разработанной в 1953 году (рис. 29).
40
Рис. 29
МП – модуль памяти УУП – устройство управления потоками данных и буферами
ППЗ – процессор, содержащий конвейерные устройства сложения и
умножения с плавающей запятой ППФЗ – процессор, содержащий конвейерное устройство сложения с
плавающей запятой, конвейерное многоцелевое устройство, выполняющее умножение с фиксированной запятой, деление и извлечение квадратного корня.
СП – специальный конвейерный 16-разрядный процессор, выполняю- щий операции с фиксированной запятой и ряд логических операций.
Конвейерные процессоры оперируют с 64- или 32-разрядными числами и каждые 40 нсек выдают результаты в БУПДиБ. Оперативное ОЗУ работает с чередованием адресов под управлением УПП. В результате вычислительная система STAR-100 могла в пределе выполнять до 100 миллионов операций в секунду.
Одной из наиболее высокопроизводительных вычислительных систем в мире являлась американская система GRAY, созданная в 1976 году (250 миллионов операций в секунду). В ней использовались и конвейер команд, и конвейеры арифметических и логических операций. Кроме того, в системе применена совмещенная обработка информации несколькими устройствами. Но самым замечательным в ней является то, что в достижении высокой про- изводительности впервые участвовали еще и следующие факторы:
1.Компактная конструкция. Благодаря ей время передачи сигналов между устройствами не превышает 12,5 нсек. Это время выбрано в качестве такта системы.
2.Гибкая система адресации, благодаря которой выборка из массивов может осуществляться по строкам, столбцам и диагоналям с произвольным постоянным шагом.
41
3.Подсистема дисковой памяти из четырех контроллеров, каждый из которых управляет четырьмя накопителями, общей емкостью около 78 мил- лиардов бит.
4.Специальная операционная система, рассчитанная на пакетную мультипрограммную обработку 63 задач.
Матричные вычислительные системы
Они являются наиболее яркими представителями однородных систем класса ОКМД, приспособленных для решения задач, характеризующихся па- раллелизмом объектов или данных. С другой стороны эти системы в той или иной мере используют предложения Евреинов Э.В. и Косарев Ю.Г., направ-
ленные на существенное повышение производительности вычислительных систем. Первой матричной системой следует считать разработку системы SOLOMON, упрощенная структура вычислителя которой приведена на рис. 30.
Рис. 30
ОУУ – общее устройство управления ПЭ – процессорный элемент
Эта система должна была содержать 1024 процессорных элемента, со- единенных в виде матрицы 32х32. ОУУ выдает команды и общие константы. В ПЭ используется многомодальная логика (от слова «мода»), которая орга- низует в каждом ПЭ выполнение или не выполнение общей операции в зави- симости от значений обрабатываемых данных. Идея многомодальности за- ключается в том, что в каждый ПЭ помещается специальный регистр на че- тыре состояния, который называется регистром моды. Код моды записывает- ся в этот регистр из ОУУ перед решением задачи, а затем при выполнении последовательности команд (программы) мода дополнительно передается в коде операции и сравнивается с содержимым регистра моды всех ПЭ, а где отрицательный – не выполняется. Таким образом, матрица ПЭ перед реше- нием задачи каждый раз настраивается именно под нее, причем не операто-
42