25. Обобщенная архитектура параллельных вычислительных систем. Системы с программируемой структурой.

Обобщенная структура:

ПЭ – процессорный элемент

П - память

ЭМ – элементарная машина

Типовая структура параллельной системы включает в себя множество элементарных машин, содержащая 1 или несколько процессоров с кэш-памятью, модулями памяти, устройствами ввода-вывода, коммутатором, контроллером-коммутатором. Многообразие программируемых моделей параллельных систем организуется с помощью конкретных схем коммутатора и его устройства управления. В случае общей памяти обмен осуществляется в системе памяти, в случае распределенной памяти – на системном уровне.

Системы с программируемой структурой.

Такие системы строятся на основе ПЛИС, они содержат 1 или несколько матриц логики, позволяющих программе скомпоновать в одном корпусе схему, эквивалентную десяткам и даже тысячам стандартных вентилей.

Система строится из набора плат, подключенных к управляющему компьютеру, каждая плата содержит модули памяти, ПЛИС, возможно процессор. ПЛИС имеют бо̀льшую площадь в пересчете на используемые вентили.

В начале 60-ых гг отечественный математик Ефримов предложил обнародовать вычислительную систему, в основе которой лежат 3 принципа:

-параллельность выполнения операций

-переменность логической структуры

-конструкционная обновляемость элементов и связей между ними

Всякая сложная задача может быть представлена в виде простых и реализована параллельными вычислениями. У них должна быть одинаковая сложность, они могут решаться однотипными вычислителями.

Каждый вычислитель может реализовывать набор логических функций. Пример – белорусская система МиниМаКС – минимашинная коммутируемая система. Её функциональная структура представляет собой композиции элементарных машин и программно-настраиваемой сетью связи между ними. Существовало 2 типа связи: управляющие и информационные. В качестве вычислительных машин использовались серийно выпускаемые мини-ЭВМ. Дальнейшим развитием однородных систем является вычислительные среды, которые представляют собой n-мерную решётчатую структуру.

26. Векторные и конвейерные вычислительные системы

Основные особенности конвейерной системы: основу конвейерной обработки составляет выполнение операций в несколько этапов. Производительность возрастает, благодаря тому, что на разных этапах конвейера выполняется несколько операций. Конвейеризация эффективна только при полной (или близкой к полной) загрузке конвейера, а темп подачи операндов соответствует скорости работы конвейера.

Векторные операции соответствуют полной загрузке вычислительного конвейера. При выполнении векторной команды 1 и та же операция применяется ко всем элементам вектора. Основной принцип вычисления в векторной системе заключается в выполнении элементарной операции над небольшим блоком данных. Таким операциям соответствуют небольшие циклы.

Причина возникновения: необходимость вычисления одной и той же функции для набора данных, который расположен в ячейках памяти с упорядоченными адресами. Эти наборы и есть векторы. В векторной системе есть 2 типа команд: скалярные (обрабатывают единичный операнд) и векторные (выполняют оперцию над всеми элементами вектора параллельно). Наличие векторных команд повышает быстродействие процессора за счет уменьшения потерь на организацию вычислительного цикла. Каждая команда имеет свою особенность.

… их передает тип команды и конфигурирует конвейер. Еще он определяет адрес вектора. Количество элементов, где разместить результат и тип элементов вектора. Статистика по выполнению программ на языке высокого уровня говорит о том, что цикл занимает около 4%, а по времени – более половины.

В последовательных системах с одиночным потоком данных такой цикл представляет собой N команд условного перехода, N сложений и N декрементов счетчика. В векторной системе сложение всех элементов происходит параллельно. При этом ускорение получаем засчет2х свойств:

1. сокращается выполнение большинства команд, выполняемых процессором

2. операции выполняются параллельно.

Чтобы как можно эффективнее использовать систему, вектора должны быть как можно длиннее. Векторная команда берет на себя управление содержательной частью и управление векторным циклом.

1974 г – первая система, выпускаемая серийно: CRAY-1. (см. рис.)

ОП (от 1 до 4 мегаслов), большой набор процессорных регистров, состоящих из группы векторных регистров по 64 элемента, блок скалярных регистров, блок адресных регистров. Каждая группа регистров связана со своим конвейерным процессором.

Данная система могла выполнять скалярные операции над векторными данными, над адресами, числами с плавающей запятой (порядок — 15, мантисса — 49). Быстродействие 180 млн операций в секунду с плавающей запятой. В данной ВС используются команды длиной 16 или 32 разряда. В коротких командах 7 разрядов выделяется под код операции, 3 адресных поля по 3 разряда, определяли номер регистра для хранения операндов. В длинных — 22 разряда для того, чтобы можно было найти операнд в общем поле ОП. Один из регистров определяет длину вектора, второй — регистр маски.