27. Матричные вычислительные системы.

Особенность: множественная синхронная обработка данных. Матрица состоит из большого количества идентичных процессорных элементов. ПЭ управляются единым УУ. Основные причины возникновения: синхронная организация позволяет наилучшим образом использовать пропускную способность коммутатора + проще и дешевле.

Основные компоненты:

-процессорные элементы (ПЭ)

-модули памяти (МП)

-коммутирующая сеть

-локальное УУ

-общее УУ

Наиболее простой пример (см. рис.): она включает в себя набор ПЭ, каждый из которых связан со своим МП, в этом случае коммутирующая сеть распределена между каждым ПЭ.

Более распространенная система (см. рис.): ПЭ может быть связан с любым МП.

Особенности УУ:

-высокое быстродействие

-наличие многомодульной оперативной памяти большого объема

Первое связано с необходимостью обработать много команд, второе – с тем, что в операционной памяти хранятся программы + большие объемы данных.

УУ выбирает из операционной памяти очередную команду, декодирует, и вычислительные команды поочередно отправляются на выполнение к ПЭ. Команды переходов выполняются самим УУ с учетом результатов предыдущей операции. ПЭ однородны, представляют собой АЛУ+УУ. УУ непосредственно декодирует команду, формирует признаки результатов выполнения. Операция выполняется над данными, находящимися в регистровой памяти. Асинхронных действий здесь не может быть: ПЭ может не выполнить текущую операцию. Но не может не выполнить операцию, отличную от той, что выполняют все ПЭ матрицы.

Неоднократно возникала необходимость иметь независимое ветвление для каждого процессорного элемента. В простейшем случае предлагается маскировать работу 1го или нескольких ПЭ, т.е. в структуру команды добавляется флаг, показывающий необходимость выполнения команд. Т.е. здесь все синхронно.

Альтернативы по управлению:

-полная процессорная независимость – форма глобального управления, которая инициализирует, останавливает и синхронизирует ПЭ. При этом каждый ПЭ имеет свой блок команд, независимо декодирует и выполняет команды. Недостаток: сложно все синхронизировать

-система с микропрограммами – первый уровень управления – общий – декодирование команд и транслирование в матрицу. Здесь же происходит синхронизация матрицы. На более низком уровне процессор интерпретирует команду, организует ветвление и т.д.

. Организация памяти в матричной системе:

А41 42	А42 43	А43 44	А44 41
А31 33	А32 34	А33 31	А34 32
А21 24	А22 21	А23 22	А24 23
А11	А12	А13	А14

В этом примере мы говорим об обработке матрицы 4*4, она распределена на 4 банка, в каждом банке – столбец, такой способ адресации позволяет без конфликтов обращаться к строкам, но не к столбцам. Решение: применение ассиметричных схем хранения данных (вторые цифры). Эта схема позволяет бесконфликтно обращаться к строкам и столбцам, но не диагоналям. Существует множество разных вариантов ассиметричных схем хранения. В частности такая – количество банков было простым числом (например, 5)

А44	X	A14	A24	A34
A33	A43	X	A13	A23
A12	A32	A42	X	A12
A11	A12	A13	A14	X

По вертикали – адрес ячейки, по горизонтали – модуль памяти.

Сети коммутации:

-без межпроцессорного коммутатора

-с коммутатором

Пример (см рис) ПЭ размещены в узлах квадратной решетки, каждый элемент связан с 4мя другими. Возможны другие варианты схемы. Рассчитана на 256 ПЭ, разбитых на 4 матрицы 8*8. Известно, что матрицы в 600-800 элементов она обращает за 1 секунду. Систему предполагалось разделить на 4 квадранта: 64 МП и 64 ПЭ. Они объединены сетью типа гиперкуб. 1 квадрант должен был выполнять 1 векторную операцию. В дальнейшем предполагалось сделать на 256 (не сделали).

Матричная система ориентирована на узкий круг пользователей. Несмотря на неоднозначную оценку эффективности данной системы, она применялась на практике решения сложных аэродинамических задач. Создана большая техническая база по коммутации сложных опреций для вычислений.