Лекція №4 Матричні комп’ютерні системи

4.1 Матричний процесор

Призначення матричних обчислювальних систем багато в чому схоже з призначенням векторних КС - обробка великих масивів даних. В основі матричних систем лежить матричний процесор (array processor), що складається з регулярного масиву процесорних елементів (ПЕ). Системи подібного типу мають загальний пристрій, що управляє та генерує потік команд, і велике число ПЕ, що працюють паралельно і обробляють кожен свій потік даних. З метою забезпечення достатньої ефективності системи при рішенні широкого кола завдань необхідно організувати зв'язки між процесорними елементами так, щоб якнайповніше завантажити процесори роботою. Саме характер зв'язків між ПЕ і визначає різні властивості системи.

Між матричними і векторними системами є істотна різниця: матричний процесор інтегрує безліч ідентичних функціональних блоків (ФБ), що логічно об'єднані в матрицю і працюють в SIMD-стилі. Не так істотно, як конструктивно реалізована матриця процесорних елементів - на єдиному кристалі або на декількох. Важливий сам принцип - ФБ логічно зкомпоновані в матрицю і працюють синхронно, тобто присутній тільки один потік команд для всіх. Векторний процесор має вбудовані команди для обробки векторів даних, що дозволяє ефективно завантажити конвеєр з функціональних блоків. У свою чергу, векторні процесори простіше використовувати, тому що команди для обробки векторів - це більш зручніша для людини модель програмування, чим SIMD.

Паралельна обробка множинних елементів даних здійснюється масивом процесорів (Мпр). Єдиний потік команд, керуючий обробкою даних в масиві процесорів, генерується контролером масиву процесорів (КМП). КМП виконує послідовний програмний код, реалізує операції умовного і безумовного переходів, транслює в Мпр команди, дані і сигнали управління (рис.4.1).

Рисунок 4.1 – Матричний процесор

4.2 Матрична комп’ютерна система

Узагальнена модель матричної КС зображена на рис.4.2.

Рисунок 4.2 – Узагальнена модель матричної КС

Компоненти матричної КС:

- масив процесорів (Мпр) здійснює паралельну обробку множинних елементів даних;

- контроллер масиву процесорів (КМП) генерує єдиний потік команд, керує обробкою даних в масиві процесорів, виконує послідовний програмний код, реалізує операції умовного і безумовного переходів, транслює в Мпр команди, дані і сигнали управління. Команди обробляються процесорами в режимі жорсткої синхронізації;

- сигнали управління використовуються для синхронізації команд і пересилок, а також для управління процесом обчислень, зокрема визначають, які процесори масиву повинні виконувати операцію, а які - ні;

- шина широкомовної розсилки служить для передачі команд, даних і сигналів управління з КМП в масив процесорів;

- шина результату служить для трансляції результатів обчислень з Мпр в КМП (це потрібно, оскільки виконання операцій умовного переходу залежить від результатів обчислень);

- інтерфейсна ОМ (front-end computer) служить для забезпечення користувача зручним інтерфейсом при створенні і відладці програм. В ролі такої ОМ виступає універсальна обчислювальна машина, на яку додатково покладається завдання завантаження програм і даних в КМП. Крім того, завантаження програм і даних в КМП може проводитися і безпосередньо з пристроїв введення/виведення, наприклад з магнітних дисків. Після завантаження КМП приступає до виконання програми, транслюючи в Мпр по широкомовній шині відповідні SIMD-команди.

Розглядаючи масив процесорів, слід враховувати, що для зберігання множинних наборів даних в ніьому, крім безлічі процесорів, повинно бути присутнім і безліч модулів пам'яті. Крім того, в масиві повинна бути реалізована мережа взаємозв'язків, як між процесорами, так і між процесорами і модулями пам'яті.

Таким чином, під терміном масив процесорів розуміють блок, що складається з процесорів, модулів пам'яті і мережі з'єднань. Додаткову гнучкість при роботі з даною системою забезпечує механізм маскування, що дозволяє залучати до участі в операціях лише певну підмножину з наявних в масиві процесорів. Маскування реалізується як на стадії компіляції, так і на етапі виконання, при цьому процесори, виключені шляхом установки в нуль відповідних бітів маски, під час виконання команди простоюють.

Інтерфейсна ОМ (ІОМ) сполучає матричну SIMD-систему із зовнішнім світом, використовуючи для цього який-небудь з мережевих інтерфейсів, наприклад Ethernet, як це має місце в системі MasPar MP-1. Інтерфейсна ОМ працює під управлінням операційної системи, найчастіше ОС UNIX. На ІОМ користувачі готують, компілюють і відладжують свої програми. Спочатку програми завантажуються з інтерфейсної ОМ в контроллер управління масивом процесорів. Потім КМП в процесі виконання програми розподіляє команди і дані по процесорних елементах масиву. У деяких КС, наприклад в Massively Parallel Computer MPP, при створенні, компіляції і відладці програм КМП і інтерфейсна ОМ використовуються спільно.

На роль ІОМ підходять різні обчислювальні машини. Так, в системі СМ-2 в цій якості виступає робоча станція SUN-4, в системі MasPar - DECstation 3000, а в системі МРР - DEC VAX-11/78.

Функції контролера масиву процесорів:

- виконує послідовний програмний код;

- реалізує команди розгалуження програми;

- транслює команди і сигнали управління в процесорні елементи.

Рис.4.3. ілюструє одну з можливих реалізацій КМП, зокрема прийняту в пристрої управління системи PASM (Partitioned SIMD/MIMD computer).

Рисунок 4.3 – Контролер масиву процесорів

При завантаженні з ІОМ програма через інтерфейс введення/виведення вводиться в оперативний запам’ятовуючий пристрій КМП (ОЗП КМП). Команди для процесорних елементів і глобальна маска, що формується на етапі компіляції, також через інтерфейс введення/виведення завантажуються в ОЗП команд і глобальної маски (ОЗП КГМ). Потім КМП починає виконувати програму, витягуючи або одну скалярну команду з ОЗП КМП, або множинні команди з ОЗП КГМ. Скалярні команди - команди, що здійснюють операції над скалярними даними, що зберігаються в КМП та виконуються центральним процесором (ЦП) контролера масиву процесорів. У свою чергу, команди, що оперують паралельними змінними, що зберігаються в кожному ПЕ, перетворюються в блоці вибірки команд в простіші одиниці виконання - нанокоманди. Нанокоманди спільно з маскою пересилаються через шину команд для ПЕ на виконання в масив процесорів. Наприклад, команда складання 32-розрядних слів в КМП системи МРР перетвориться в 32 нанокоманди однорозрядного складання, які кожним ПЕ обробляються послідовно. У більшості алгоритмів подальший порядок обчислень залежить від результатів і/або прапорів умов попередніх операцій. Для забезпечення такого режиму в матричних системах статусна інформація, що зберігається в процесорних елементах, повинна бути зібрана в єдине слово і передана в КМП для вироблення рішення про розгалуження програми. Наприклад, в пропозиції