27. Векторно-конвейерные вычислительные системы. Память с расслоением. Особенности структуры системыCray-1

В целях повышения производительности вычислительной системы в состав ее процессора включают средства векторной обработки данных или в состав системы вводят специализированный векторный сопроцессор. Как правило, в системе, поддерживающей векторные команды, выполняются также и скалярные команды, т. е. команды над одиночными данными. Повышение быстродействия векторной системы происходит за счет уменьшения потерь времени на организацию вычислительного цикла. Обычно в целях достижения повышенного быстродействия выполнение самих векторных операций конвейеризируется, причем может быть несколько арифметических конвейеров, а отдельные устройства конвейерных линий могут, в свою очередь, содержать конвейеры для выполнения возложенных на них подфункций.

Основной потенциал по распараллеливанию задач на векторно-конвейерной системе заключается в распараллеливании вычислительных циклов.

Важно отметить одну особенность векторной обработки, связанную с количеством элементарных операций цикла: чем больше параллельных операций входит в векторизуемый цикл, тем ощутимее выигрыш в скорости выполнения вычислений, так как сокращается доля непроизводительных временных затрат на выборку, дешифрацию и запуск на выполнение векторной команды.

Характерная особенность векторной архитектуры заключается в том, что одна и та же операция одновременно формирует множество результатов.

Еще одной весомой особенностью векторно-конвейерной архитектуры является то, что конвейер операций имеет всего один вход, по которому поступают операнды, и один выход результата, тогда как в матричных системах существует множество входов по данным в процессорные элементы и множество выходов из них.

Быстродействие обработки данных в векторно-конвейерных вычислительных системах обычно выше быстродействия оперативной памяти, поэтому для обеспечения непрерывности конвейерной обработки оперативная память строится по многомодульному принципу с расслоением обращений. При модульном построении памяти операции чтения/записи выполняются независимо в каждом из модулей, что позволяет совместить их работу во времени. Расслоение обращений к памяти обеспечивает непрерывность совмещения операций чтения/записи в модулях и заключается в закреплении соседних адресов ячеек в модулях с соседними номерами, в результате чего реализуется совмещенная работа модулей памяти и увеличивается число обслуживаемых памятью обращений в единицу времени.

Схема памяти с расслоением обращений:

Упрощенная структура конвейерно-векторной системы СRAY-1:

Поскольку реальные программы, как правило, требуют выполнения как векторных, так и скалярных операций, система CRAY-1 имеет командные и аппаратные средства для реализации операций обоих типов. В системе реализованы конвейер команд и многочисленные конвейеры для различных арифметических и логических операций, используемых при скалярной и векторной обработках 64-разрядных слов с плавающей точкой. Числа с плавающей точкой имеют 15-разрядный порядок и 49-разрядную мантиссу. Числа с фиксированной точкой могут быть как 64-, так и 24-разрядными. Формат представления адресов — 22 разряда.

Операции выполняются двенадцатью конвейеризированными операционными устройствами, которые могут работать параллельно во времени. При этом возможно образование последовательных соединений конвейеров, в том числе так называемое зацепление векторных операций. Конвейеры имеют относительно малое число ступеней (на рисунке указано в скобках) с тем, чтобы уменьшить потери производительности, связанные со временем разогрева конвейера.

Для поддержки конвейерно-векторной обработки требуется быстрая регистровая память, освобождающая от необходимости обращения к памяти при выполнении векторных операций и обеспечивающая высокие темпы загрузки конвейеров. Система CRAY-1 содержит:

∙ восемь векторных V-регистров, каждый из которых может хранить шестьдесят четыре 64-разрядных слова;

∙ восемь 24-разрядных адресных регистров;

∙ восемь скалярных 64-разрядных S-регистров.

Управляющее устройство, помимо традиционных блоков, содержит четыре буфера команд (на 64 командных слова каждый) и специальные регистры: регистр длины вектора и регистр векторной маски.

Формат команды — 16 или 32 разряда.

В целом следует выделить три основные причины существенного преимущества системы CRAY-1 перед аналогами:

1) высокая скорость выполнения скалярных операций;

2) использование принципа .регистр-регистр. при выполнении любых операций;

3) использование специализированного компилятора, векторизирующего программы, написанные на последовательных языках программирования.

В CRAY-1 впервые при выполнении всех операций был использован принцип «регистр-регистр». Все операции обработки данных, которые выполняет центральный процессор этой машины, выбирают операнды и записывают результаты вычислений, используя не оперативную память, а специально предназначенные для этой цели программно-адресуемые регистры.