4.1 Системы с конвейерной обработкой информации

При обсуждении способов параллельной обработки информации было отмечено, что одним из способов как раз и является способ конвейерной обработки. Различают два вида конвейера: конвейер команд и конвейер данных. Первым появился и сразу нашел широкое применение конвейер команд. Практически все современные ЭВМ используют этот принцип обработки. Наряду с этим во многих вычислительных системах используют и конвейер данных. Сочетание этих двух конвейеров позволяет достигнуть очень высокой производительности, особенно если используется несколько процессоров, способных работать одновременно и независимо друг от друга. Именно этот подход и используется при построении современных самых высокопроизводительных систем.

История развития вычислительной техники России может быть представлена одним из наиболее удачных образцов ЭВМ БЭСМ-6, имеющей конвейер команд. Машина была разработана под руководством академика С.А. Лебедева в 1966 г. и достаточно долго была одной из самых быстродействующих и востребованных в стране, благодаря целому ряду удачных решений, в том числе и конвейеру команд. Работа конвейера обеспечивалась многомодульной памятью (восемь независимых модулей), работающей по принципу чередования адресов, и большого числа быстрых регистров процессора, предназначенных для буферизации команд и данных. Производительность в 1 млн. операций для своего времени была вполне приемлемой. Это позволило более 30 лет эксплуатировать ее для выполнения ответственейших и сложных расчетов, обеспечивая общий высокий уровень отечественных разработок в различных областях деятельности.

Нельзя обойти вниманием и зарубежные вычислительные системы этого класса, такие, например, как IBM 360/370. Оперативное запоминающее устройство - ОЗУ, процессор команд, операционные устройства – процессоры для выполнения операций с плавающей запятой, с фиксированной запятой и десятичной арифметики работают одновременно и независимо друг от друга. Как и у БЭСМ-6, ОЗУ названной системы построено по модульному

принципу и обеспечивает 8- или 16-кратное чередование адресов, которое обеспечивается устройством управления памятью, работающим также по принципу конвейера. В системах IBM 360/370 кроме конвейеров команд используется также и конвейерная обработка данных. Конвейеры в каждом цикле производят выборку до 8 команд, расшифровку 16 команд, до 3 операций над адресами, до 3 процессорных операций. Всего в системе одновременно обрабатывается до 50 команд. Еще один пример конвейерных систем – система STAR-100, разработанная фирмой CDC в 1973 г. Система имеет оба типа конвейера, содержит три процессора: ППЗ – процессор сложения и умножения данных в форме с плавающей запятой; ППФЗ – процессор, содержащий конвейерное устройство сложения с плавающей запятой, конвейерное многоцелевое устройство умножения и деления с фиксированной запятой и извлечение квадратного корня; СП – специальный конвейерный 16-разрядный процессор, выполняющий операции с фиксированной точкой и логические операции.

Оперативное запоминающее устройство построено по модульному принципу и работает с чередованием адресов под управлением устройства управления памятью – УУП. Время обращения к одному модулю памяти (цикл памяти) составляет 40 нс. и каждый сегмент конвейерных процессоров через каждые 40 нс. выдает результаты в следующий сегмент, а в конечном итоге в блок управления потоками данных.

Процессоры оперируют с 32- или 64-разрядными словами или числами. Обобщенная структура системы представлена на рисунке 4.1.

.

К онвейерные процессоры не всегда настраивают на одну определенную операцию. Чаще всего их делают многоцелевыми,

вводя количество сегментов, реализующих полный набор операций, а в зависимости от выполняемых операций весь тракт конвейера настраивается соответствующим образом.

Из общего числа конвейерных систем нельзя обойти вниманием систему CRAY, появившуюся в середине 70-х годов прошлого века. Через некоторое время система стала известна, как один из самых высокопроизводительных суперкомпьютеров мира. В нем в максимальной степени используются оба вида конвейера: конвейер команд и конвейер арифметических и логических операций.

Схематически архитектура CRAY представлена на рисунке 4.2. Здесь применена совмещенная обработка информации несколькими устройствами. Что и позволило достичь очень высокой производительности системы – до 250 млн. операций в секунду при решении научно-технических задач.

Оригинально выполнена конструкция машины – в виде разворачивающейся книги. «Страницами книги» являются панели, на которых смонтирована вся электроника компьютера. Функционально вся система CRAY разделена на четыре части – секции: управления программой, функциональных устройств, регистров, памяти и ввода-вывода. Секция функциональных устройств состоит из 12 процессоров, работающих в режиме конвейера, разбитых на четыре группы: адресную, скалярную, операций с плавающей запятой и векторную. Конвейеры процессоров состоят из различного числа, от 1 до 14, сегментов (указано в круглых скобках) в зависимости от сложности выполняемых операций. Каждый сегмент выполняет свою операцию за 12,5 нс (частота процессора порядка 80 Мгц), это означает, что через 12,5 нс любой процессор выдает результат.

Память организована в виде 16 блоков с независимым управлением, 16-кратным чередованием адресов, общей емкостью 4 млн. 64-разрядных слов (порядка 32 Мбайт). Оригинальным является строение блока. Блок включает в себя 72 модуля, каждый из которых содержит один разряд всех 64 кслов (всего 1152 модуля). Таким образом, одна строка блока памяти содержит 72-разрядное слово, в котором, 64 разряда являются информационными, а 8 разрядов используются для обнаружения одиночных и двойных ошибок. Цикл обращения к памяти составляет 50 нс.

Высокое быстродействие системы достигается за счет большого количества регистров различного назначения. Три группы регистров имеют свои названия: адресные – А-регистры, скалярные –S-регистры и векторные – V-регистры. Можно одновременно формировать и хранить в адресных регистрах восемь адресов, длиной 24 разряда каждый. Скалярная группа имеет так же восемь, но уже 64-разрядных регистров. Векторных регистров тоже 8, из ко-

торых каждый может содержать значения 64 векторов, причем вектор состоит из 64 элементов (вспомните вектор представления числа в двоичном виде). Время обращения к отдельному регистру достаточно мало и составляет всего 6 нс. Из рисунка видно, что между ОЗУ , А-, S- и V-регистрами в системе имеется еще две дополнительные группы: 24-разрядные В-регистры и 64-разрядные Т-регистры. Такое количество регистров позволяет конвейерным процессорам работать с максимально возможной для них скоростью, практически без обращения к ОЗУ. Операнды берутся из регистров, а результаты операций отправляются в регистры. В системе имеется еще одно новшество – благодаря регистрам, конвейеры процессоров могут связываться в цепочки, и тогда результат, полученный одним процессором, является входной величиной конвейера другого процессора.

Состав операций системы является универсальным, только вместо деления выполняется операция вычисления обратной величины. Число операций – 128. Команды могут быть двух форматов – 16 и 32-разрядные.

Ввод-вывод информации осуществляется через 24 канала, разбитых на четыре группы, из которых часть работает только на вывод, а другая часть только на ввод. Входная и выходная информация представляется двухбайтными последовательностями.

Операционная система обеспечивает мультипрограммную обработку 63 задач, имеет оптимизирующий компилятор с фортрана, распознающий циклы, макроассемблер, библиотеку стандартных программ, загрузчик и другие средства.

Все перечисленное обеспечивает системе CRAY высокую производительность