2.3. Организация параллельных вычислительных процессов в мвс с программируемой архитектурой

Для организации параллельных вычислительных процессов разработан алгоритмический язык «Ритм», позволяющий проводить формальные преобразования алгоритмов. Отличительной особенностью данного языка является возможность описания обобщенных процессов функционирования МВС с ПА, для чего введены такие понятия, как выбор реализуемого в данный момент подмножества из общего множества операторов (обозначается символом ), рассылка операторов и информации по устройствам (символ), организация каналов одновременного обмена информацией между различными процессорами и устройствами (символ ), исполнение выбранного подмножества операторов (символом -О), а также передача управления (символ Е).

Основной единицей функционирования системы выбран блок, в соответствии с которым осуществляется исполнение выбранного подмножества операторов. Вычислительный процесс описывается суперпозицией простых и составных блоков. Структурность процесса описания функционирования системы обеспечивает простоту и наглядность выполняемых преобразований.

При описании алгоритмов каждый блок начинается идентификатором блока и завершается оператором исполнения данного блока

где  – идентификатор блока;  – идентификатор оператора или группы операторов, написанных перед последним оператором;  – условие, определяющее продолжительность реализации алгоритмического блока.

Если исполнение блока должно быть задержано до исполнения некоторого условия, то в конце блока ставится оператор ожидания wait, а оператор исполнения данного блока размещается в необходимом месте алгоритма

В приведенном алгоритме блоки, помеченные метками 1 и 2, исполняются на разных комплектах устройств одновременно.

Для описания обобщенных алгоритмов функционирования МВС с ПА используются алгоритмические операторы, описывающие действия. Алгоритмический оператор содержит указатель действия и два операнда. В качестве последних могут использоваться списки указателей.

Ниже приведены основные операторы описания алгоритма функционирования МВС с ПА. Оператор сортировки имеет вид FOq, где F –множество операторов или элементов, из которых производится выбор; q –подмножество выбранных элементов. Следующим оператором является оператор рассылки по устройствам q p, где q – подмножество рассылаемых элементов; р – подмножество устройств, воспринимающих рассылаемые элементы. Для описания процесса настройки каналов связи используется оператор Y X, где Y – множество выходов устройств; X – множество входов устройств, воспринимающих информацию. В случае необходимости директивного или условного изменения порядка исполнения блоков алгоритма или программы используется оператор передачи управления ЕМ, где  – список операторов, после которых осуществляется переход; М – множество меток точек перехода.

С помощью приведенных операторов достаточно наглядно описываются параллельные процессы функционирования МВС с ПА.

Организацию эффективных вычислительных процессов в МВС с ПА можно проводить с централизованным и децентрализованным управлением. Каждый из указанных способов управления реализуется с детерминированным и ассоциативным принципами распределения операторов по устройствам. Выбор того или иного способа реализации процесса управления определяется принятой конфигурацией, а также требованиями к быстродействию системы.

Многопроцессорная вычислительная система с ПА с централизованным управлением вычислительным процессом должна содержать, кроме основных устройств, специальную память команд (ОЗУК), предназначенную для хранения команд всех устройств, принимающих участие в выполнении преобразования информации, и программы, определяющей строгую последовательность функционирования системы. Программа состоит из отдельных блоков, каждый из которых содержит набор команд обрабатывающих устройств и устройств памяти, операторы выбора команд из ОЗУК, операторы рассылки их по соответствующим устройствам, а также операторы пуска и останова МВС с ПА.

При детерминированном принципе рассылки команд все устройства с помощью пространственного коммутатора соединяются с центральным устройством управления в каждом программном блоке поочередно, который выбирает команду и отсылает в регистр команд устройства, соединенного в данный момент времени с ЦУУ пространственным коммутатором. По окончании рассылки команд всем устройствам ЦУУ выбирает команду для коммутатора и устанавливает соединения между отдельными устройствами, участвующими в реализации данного блока. Далее выбираются команды пуска и завершения работы блока, по которым запускаются необходимые устройства, и ЦУУ переходит в режим ожидания окончания работы каждого запущенного устройства.

Формальная запись алгоритма функционирования МВС с ПА в этом случае выглядит следующим образом:

где G1 – начальный символ алгоритма; метки блоков;Q – множество операторов функционирования системы; Р_ – идентификатор устройства.

В соответствии с данным алгоритмом из множества операторов Q выбирается пара операторов q _j,v и q _j+1,_v первый из которых определяет адрес передачи второго оператора и устанавливает в пространственном коммутаторе связь между выходом ЦУУ Y1 и входом одного из устройств ХР_. Второй оператор q_j+1,v передается в регистр команд устройства Р_. Далее указанная процедура повторяется до выполнения условия j = n_v. После этого из множества операторов Q выбирается оператор q_n+1,_v, который регламентирует связь между входами и выходами устройств, участвующих в реализации программного блока _v. По окончании установления связей между устройствами система запускается на реализацию операторов обработки информации и осуществляет их исполнение до удовлетворения условия B2_v. Описанный процесс повторяется до удовлетворения условия v = .

Рассмотренный алгоритм обеспечивает наглядность описания функционирования системы и простоту его модификации. Основным недостатком данного способа организации вычислительного процесса является некоторая громоздкость в описании и реализации рассылки операторов по устройствам. Данную процедуру можно упростить, используя ассоциативный принцип рассылки операторов, в соответствии с которым каждый оператор снабжается признаком принадлежности тому или иному устройству. В этом случае при распределении операторов программного блока между устройствами устанавливается одновременная связь между ЦУУ и всеми участвующими в реализации данного блока устройствами. Каждый оператор, считываемый из ОЗУК, поступает сразу на все устройства, а воспринимается только тем устройством, которому он принадлежит. Это существенно сокращает объем программ и время их реализации.

Алгоритм функционирования МВС с ПА с централизованным управлением и ассоциативным принципом рассылки операторов по устройствам записывается следующим образом:

.

С целью дальнейшего сокращения затрат времени на подготовку отдельных устройств к выполнению операторов обработки информации целесообразно проводить предварительную рассылку их по устройствам. Для этого каждое устройство системы снабжается запоминающим устройством для хранения команд. Все устройства в очередном программном блоке сами выбирают для себя команду из собственного запоминающего устройства команд. В запоминающем устройстве ЦУУ в этом случае хранятся только операторы пуска и завершения каждого программного блока. Указанный способ управления вычислительным процессом МВС с ПА будем называть децентрализованным.

Как и в предыдущем случае, рассылка команд по ОЗУК всех устройств может осуществляться по детерминированному или ассоциативному принципу. Ниже представлен алгоритм функционирования МВС с ПА с децентрализованным управлением и детерминированным принципом рассылки команд:

где N – число устройств в МВС с ПА; Т – число блоков в программе.

При данном способе управления необходимо проводить предварительную сортировку операторов по признаку принадлежности к тому или иному устройству. Это, в свою очередь, требует специальных устройств подготовки загрузочных модулей или соответствующих программ в устройствах подготовки. В качестве таких устройств могут выступать универсальные мини-ЭВМ, скомплексированные с МВС ПА, или реализованные на отдельных мини-ЭВМ кросс-системы подготовки загрузочных модулей.

Избежать указанного недостатка можно при использовании ассоциативного принципа рассылки команд по устройствам в соответствии со следующим алгоритмом:

Описанные алгоритмы организации вычислительных процессов в МВС с ПА обеспечивают достижение максимальной производительности в условиях конкретных ограничений.

Дальнейшее совершенствование алгоритма реализации вычислительных процессов основывается на выборе конкретных способов реализации отдельных этапов. Общая классификация методов реализации вычислительных процессов в МВС с ПА приведена на рис. 2.4.

Рис. 2.4 Классификация методов реализации вычислительных процессов

Исходя из общей концепции построения МВС ПА и организации математического обеспечения в них, будем рассматривать при использовании методики проектирования и создания ПОВС интегрирующего типа в начале, а потом ПОВС потокового типа.

Для построения структурно-логической схемы проектирования (анализа и синтеза) модульных интегрирующих вычислительных систем (ИВС) приведём методику перехода от исходных систем уравнений к порождающей системе уравнений Шеннона, которую мы рассматривали в учебном пособии по подготовке бакалавров в восьмом семестре, и примеры решения ряда задач по этой методике.