Контрольні запитання
1 Які є типи архітектурної організації масиву процесорних елементів у матричних SIMD-системах?
2 Яка різниця між матричними і векторними комп’ютерними системами?
3 З яких компонентів складається матрична комп’ютерна система?
4 Які функції контролера масиву процесорів?
5 Які компоненти процесорного елемента?
Лекція № 5 Комп’ютерні системи класу simd
Комп’ютерні системи класу SIMD (Single Instruction stream / Multiple Data stream) характеризуються одиничним потоком команд і множинним потоком даних. Дані системи виконують одну арифметичну операцію відразу над багатьма даними – елементами вектора (рис.5.1).
Рисунок 5.1 – Структура обчислювальних систем класу SIMD
Безперечними представниками класу SIMD вважаються матриці процесорів: ILLIAC IV, ICL DAP, Goodyear Aerospace MPP, Connection Machine 1 і т.п. У таких системах єдиний керуючий пристрій контролює безліч процесорних елементів. Кожен процесорний елемент одержує від пристрою керування в кожен фіксований момент часу однакову команду і виконує її над своїми локальними даними.
Іншим підкласом SIMD-систем є векторні комп'ютери. Векторні комп'ютери маніпулюють масивами схожих даних подібно тому, як скалярні машини обробляють окремі елементи таких масивів. Це робиться за рахунок використання спеціально сконструйованих векторних центральних процесорів. При роботі у векторному режимі векторні процесори обробляють дані практично паралельно, що робить їх в кілька разів швидшими, ніж при роботі в скалярному режимі. Прикладом таких систем є Hitachi S2600.
Матрична система ILLIAC IV (ILLInois Automated Computer) створена університетом Ілінойса і корпорацією Берроуз (Burroughs Corporation). Вона розроблялася з 1966 і в 1972 система експлуатувалася в Науково-дослідному центрі НАСА (NASA - National Aeronautics and Space Administration - Національне управління аеронавтики і космосу):
- кількість процесорів в системі - 64;
- швидкодія - 2*108 опер./с;
- місткість оперативної пам'яті - 1 Мбайт;
- корисний час складає 80-85% загального часу роботи ILLIAC IV;
- вартість 40 000 000 дол.;
- вага 75 т;
- займана площа 930 м2.
Система ILLIAC IV була включена в обчислювальну мережу ARPA (Advanced Research Projects Agency - Управління перспективних досліджень і розробок Міністерства оборони США) і успішно експлуатувалося до 1981 р (рис.5.2).
Рисунок 5.2 – Функціональна структура системи ILLIAC IV
Матрична обчислювальна система ILLIAC IV повинна була складатися з 4 квадрантів (К1-К4), підсистеми введення-виведення інформації, керуючої КС B 6700 (або B 6500), дискової пам'яті (ДП) і архівної пам'яті (АП). Планувалося, що КС забезпечить швидкодію 109 опер./с. У реалізованому варіанті ILLIAC IV містився тільки один квадрант, що забезпечив швидкодію 2*108 опер./с. При цьому ILLIAC IV залишалася самою швидкодіючою обчислювальною системою аж до 80-х років 20 сторіччя.
Квадрант - матричний процесор, що включав пристрій управління і 64 елементарних процесора. Пристрій управління був спеціалізованою ЕОМ, яка використовувалася для виконання операцій над скалярами і формувала потік команд на матрицю ПЕ. Елементарні процесори матриці були пов'язані один з одним. Структура квадранта системи ILLIAC IV представлялася двовимірними гратами, в яких граничні ПЕ були зв'язані по канонічній схемі (циркулянтним графом), що можна зобразити у вигляді плоских грат, де вузли в кожному стовпці замкнуті в кільце, а вузли в послідовних рядах сполучені в замкнуту спіраль. Другий варіант уявлення - хордальне кільце з кроком хорди рівному 4 (рис.5.3).
Кожен ПЕ мав:
- накопичуючий суматор (64 розряди);
- регістр другого операнда (64 розряди);
- регістр передаваної інформації з даного ПЕ в сусідній ПЕ (64 розряди);
- регістр, що використався як тимчасова пам'ять (64 розряди);
- регістр модифікації адресного поля команди (16 розрядів);
- регістр стану даного ПЕ (8 розрядів).
Рисунок 5.3 – Структура міжпроцесорних зв'язків в ILLIAC IV
ПЕ міг знаходитися в одному з двох станів - активному або пасивному. У першому стані йому дозволялося, а в другому заборонялося виконувати команди, що поступали з пристрою управління. Стан ПЕ задавався за допомогою спеціальних команд. Накопичуючий суматор і всі регістри ПЕ були програмно адресуємі.
Пам'ять кожного ПЕ - 16 Кб. До кожної пам'яті безпосередній доступ мав власний ПЕ. Обмін інформацією між пам’яттями різних ПЕ здійснювався по мережі зв'язку за допомогою спеціальних команд пересилок.
Підсистема введення/виведення складалася з пристрою управління, буферного пристрою, що запам'ятовує, і комутатора. Комплекс цих пристроїв забезпечував обмін інформацією між квадрантами ILLIAC IV і засобами введення/виведення: ЕОМ В 6700, дисковою і архівною пам'яттю, периферійними пристроями, мережею ARPA.
Керуюча КС В 6700 - це мультипроцесорна система корпорації Burroughs, яка могла мати в своєму складі від 1 до 3 центральних процесорів і від 1 до 3 процесорів введення/виведення інформації і володіла швидкодією 1-3 млн. операцій в секунду. Вона використовувалася для реалізації функцій операційної системи (включаючи уведення-виведення інформації, операції по компіляції і компоновці програм, розподіл апаратних ресурсів, виконання службових програм і т.п.).
Дискова пам'ять (ДП) складалася з двох дисків і обрамляючих електронних схем.
Ця пам'ять мала місткість близько 109 біт і була забезпечена двома каналами, по кожному з яких можна було паралельно передавати і приймати інформацію із швидкістю 0,5*109 біт/с. Середній час звернення до диска 20 мс.
Архівна пам'ять (АП) - постійна лазерна пам'ять з одноразовим записом, розроблена фірмою Precision Instrument Company.
У системі ILLIAC IV налічувалося більше 6*106 електронних компонентів. Відмови компонентів або з'єднань могли відбуватися через декілька годин. З цієї причини в систему була включена обширна бібліотека контрольних і діагностичних тестів.
Засоби програмування ILLIAC IV включали мову асемблер (Assembler Language) і три мови високого рівня: Tranquil, Glynpir, FORTRAN. Мови високого рівня через архітектурні особливості ILLIAC IV відрізнялися від відповідних мов ЕОМ в частині розподілу двовимірної пам'яті, операцій над векторами і пересилок даних.