Язык потоков данных

Прежде чем изучать архитектурные особенно­сти машин потоков данных, рассмотрим более подробно сам принцип обслуживания этими машинами потоков данных на уровне языка программирования. С этой целью оз­накомимся со специальным языком, предложенным Деннисом' и его коллегами из Массачусетского технологического институ­та [4—6], где проводятся наиболее серьезные исследования в области машин потоков данных.

Хотя язык Денниса является языком двумерного графичес­кого описания объектов программирования, существуют и дру­гие предложения по построению подобных языков [7—11], предполагающие представление программ потоков данных в бо­лее привычном виде—в форме последовательности операторов, подчиняющихся определенному синтаксису такого языка.

Как упоминалось выше, в языке потоков данных не исполь­зуются понятия «переменная» и «передача управления». Прог­рамма записывается в виде набора операторов, активируемых данными и соединенных однонаправленными линиями передачи. В основу языка Денниса положены следующие три основных понятия: исполнительный элемент, информация и линия связи.

Исполнительный элемент символизирует операцию, готовую к выполнению при поступлении информации на входные линии этого элемента и при отсутствии информации на его выходных линиях. Существуют два типа исполнительных элементов — бло­ки (actor) и размножители (link). Блок—это исполнительный элемент с одной выходной линией и одной или несколькими входными, размножитель—с одной входной линией и несколь­кими выходными.

Информация в языке Денниса представляется в виде токенов, которые передаются по линиям связи, обрабатываются it выдаются исполнительными элементами.

Различают два основных вида информации: значения данных (например, числовые величины) и значения управляющих сиг­налов (логические величины TRUE — ИСТИННО или FALSE — ЛОЖНО). В описываемом языке отсутствуют средства для распознавания типов значений данных (целые, с фиксирован­ной точкой, с плавающей точкой, комплексные и т. д.). Некото­рые расширения языка, связанные с обработкой структур дан­ных, рассматриваются в одном из следующих разделов.

Рис. 22.4. Исполнительные элементы графического языка.

Используемое в языке Денниса понятие линия связи (arc) символизирует однонаправленный тракт, по которому информа­ция передается от одного исполнительного элемента к друго­му. Сигналы на линии связи могут отсутствовать либо на ней может находиться только 1 токен информации. Следовательно, линию связи можно рассматривать как определенный эквива­лент традиционных понятий «переменная» и «область памяти». В соответствии с классификацией информации на значения .данных и значения управляющих сигналов линии также разде­ляются на линии данных (обозначены на рисунках сплошными стрелками) и управляющие линии (обозначены штриховыми стрелками). На рис. 22.4 изображены исполнительные элементы языка: сплошные стрелки показывают места подсоединения линий данных, штриховые—управляющих линий. Операция размножения готова к выполнению при появлении токена на единст­венной входной линии размножителя и при условии, что все его выходные линии пусты. Размножитель распределяет полу­ченный токен по выходным линиям. Блок выполнения операции обычно имеет одну или две входные линии. Блок готов к рабо­те при наличии токенов данных на всех его входных линиях и при условии, что выходная линия пуста. Он принимает вход­ные токены, выполняет некоторые преобразования над получен­ными величинами и помещает результирующий токен данных на свою выходную линию. Типичными операциями таких бло­ков являются сложение, вычитание, умножение, инвертирова-1ие, извлечение квадратного корня и т. д.

Блок принятия решения функционирует аналогичным образом, однако результатом его работы является управляющий сиг­ал (логическая величина). В этом блоке вычисляется отношение, составленное из выходных данных, и формируется результат в виде логической величины TRUE (ИСТИННО) или FALSE (ЛОЖНО). Типичными операциями отношения являются операции сравнения двух величин по одному из критериев типа «равны», «не равны», «первая величина больше второй» т. д.

Остальные три блока имеют на входе и данные, и управляющие сигналы. Блок типа вентиль Т (Т—от английского слова TRUE) готов к работе при наличии на его входах как токена данных, так и токена управляющей информации (при )м, как обычно, выходная линия должна быть пуста). Как и все остальные исполнительные элементы, этот блок «поглощает» входную информацию во время выполнения. Если значение являющего сигнала TRUE, то имеющийся на входе блока токен данных передается на выходную линию. Если значение управляющего сигнала FALSE, то сигнал на выходе блока не формируется. Таким образом, вентиль Т либо пропускает вход-данные на свой выход, либо просто «поглощает» их. Блок типа вентиль F (F—от английского слова FALSE) работает аналогичным образом, только для передачи токена данных на выходную линию требуется управляющий сигнал, имеющий значение FALSE.

Среди различных блоков рассматриваемого языка потоков данных блок типа «смеситель» является исключением: выполнение предписываемых им действий не вызывает уничтожения токенов на входных линиях, и для перехода его в состояние готовности к работе не требуется наличия всех входных токенов. Этот блок готов к работе при соблюдении одного из следующих условий: 1) одновременное присутствие управляющего токена TRUE и токена данных на линии с меткой Т; 2) одновременное присутствие управляющего токена FALSE и токена данных на линии с меткой F. В обоих случаях выходная линия должна быть пуста. Если присутствует управляющий токен TRUE, токен данных с входной линии Т пересылается на выходную линию. В результате эти два токена на входных линиях уничтожаются, но при наличии токена данных на линии F он сохраняется. Если присутствует управляющий токен FALSE, то токен данных на входной линии F пересылается на выходную линию. В результате этого два токена на входных линиях уничтожаются, но токен данных на линии Т, если он присутствовал, сохраняется.

Свойства рассматриваемого языка нагляднее всего можно продемонстрировать на примере выполнения программы. Простая программа, выбранная для изучения, сначала записывается на языке типа ПЛ/1:

Z: PROCEDURE (X,Y);

DO I=1 TO X;

IF Y>1 THEN Y=Y*Y;

ELSE Y=Y+Y+2;

END;

END;

Представление этой программы на языке потоков данных показано на рис. 22.5. Такая форма представления выглядит более громоздко, чем приведенная выше процедурная запись Однако следует иметь в виду, что язык потоков данных еще не сформулирован окончательно и вполне возможно, что со временем будет разработан синтаксис этого языка, более тради­ционный по форме.

Рис.22.5. Графическое представление программы потоков данных.

Сопоставляя рис. 22.5 с программой на языке, подобном языку ПЛ/1, можно установить их взаимное соответствие. Ле­вая часть рис. 22.5 представляет собой в основном тело цик­ла DO; правая часть отображает выполнение оператора DO. Отметим, что некоторые блоки имеют на входных линиях кон­станты. Смысл этого заключается в том, что как только блок выполняет предписанную ему работу, константа вновь автома­тически воспроизводится на линии.

Рис.22.6. Начальное состояние программы.

Рассмотрим выполнение программы на языке потоков дан­ных при значениях входных переменных Х и У, равных 2 и 0 соответственно. Прежде всего программа должна быть приве­дена в некоторое начальное состояние путем задания на графе определенных управляющих токенов. На рис. 22.6 показано та­кое начальное состояние программы. Управляющие токены на управляющих входных линиях трех смесителей в верхней части схемы имеют начальные значения. Управляющие токены и то­кены данных обозначаются на рисунках явным указанием их значений.

Рис.22.7. Состояние программы в момент А.

В соответствии с начальным состоянием программы, отобра­женным на рис. 22.6, три блока готовы к работе. Смеситель, расположенный вверху слева, готов к выполнению своих функ­ций, поскольку к нему приложен управляющий токен FALSE, а на его входной линии F имеется токен данных. Два других смесителя находятся в состоянии готовности по тем же причинам. Таким образом, при наличии соответствующих аппаратных; средств, реализующих архитектуру машины потока данных, эти три смесителя могут функционировать параллельно. Для обсуждения здесь хода выполнения программы следует рассматривать работу каждого блока шаг за шагом, принимая во внимание, что, во-первых, в каждый момент времени несколько блоков могут быть одновременно готовы к работе, т. е. обеспечена возможность их параллельной работы, и, во-вторых, ход выполнения программы не зависит от того, в каком порядке функционируют готовые к работе блоки (если вообще существует какой-либо определенный порядок их функционирования).

Далее следует пропустить эти значения входных величин через программу, пока не будет получено значение результата н, выходной линии. Поскольку пошаговый анализ этой процедур1 займет много времени и весьма утомителен, ограничимся рас смотрением нескольких «мгновенных снимков» состояния программы в процессе выполнения указанных действий.

Результатом работы смесителя, находящегося вверху слева является передача величины 0 через размножитель на шест] входных линий других блоков. В результате работы смесителя расположенного справа, величина 2 через размножитель поступает обратно на вход Т того же смесителя и, кроме того, на блок принятия решения. Работа среднего смесителя завершает­ся подачей величины 1 на исполнительный блок и блок приня­тия решения.

Полученное в результате описанных действий состояние про­граммы—первый «мгновенный снимок»—показано на рис. 22.7. Теперь пять блоков готовы к работе и могут функционировать параллельно. Блок принятия решения по критерию «первый операнд отношения больше второго» формирует управляющий токен FALSE, который посылается в три блока: вентили Т и F и нижний смеситель. В результате срабатывания блока приня­тия решения по критерию «первый операнд отношения меньше или равен второму» формируется управляющий токен TRUE, направляемый четырем адресатам. Блок операции сложения, расположенный в середине схемы, также готов к работе, он по­шлет величину 2 обратно на вход среднего смесителя. Эта опе­рация сложения эквивалентна сложению внутри цикла DO в программе на языке, подобном языку ПЛ/1.

Рис.22.8. Состояние программы в момент Б.

Рис.22.9. Состояние программы в момент В.

На рис. 22.8 приведен второй «мгновенный снимок», отобра­жающий следующее состояние программы. В этот момент гото­вы к работе три вентиля. Поскольку вентиль F, являющийся источником данных для выходной линии программы, имеет уп­равляющий токен TRUE, величина 0 будет просто «поглощена» этим вентилем, и таким образом будет предотвращен вывод из программы ошибочного результата. То же самое произойдет и в вентиле Т, но второй вентиль F формирует величину 2, кото­рая переведет в состояние готовности расположенный под этим вентилем смеситель. Указанный смеситель в свою очередь пере­шлет величину 2 на смеситель, находящийся вверху слева. Об­ратите внимание на то, как работает «арифметический раздел» программы. Отказавшись от описания программы как совокуп­ности процедур и изобразив ее графически, мы сумели отобра­зить тот факт, что оба арифметических выражения, определен­ных в операторе IF, могут вычисляться параллельно с вычисле­нием значения отношения оператора IF (Y>1). Описываемые действия завершаются работой вентилей Т и F, осуществляю­щих выбор нужного вычисленного выражения с целью его пере­дачи в качестве исходной величины для нового шага итерации.

Рис. 22.9 показывает состояние программы в один из после дующих моментов (третий «мгновенный снимок»). Величина 2 будет возвращена в результате нового повторения циклического процесса в левой части графа. Таким образом, действие программы будет аналогично предыдущему, только изменятся значения токенов данных. Во время этого выполнения упомянутой циклического процесса на выходную линию программы никакие данные помещены не будут. Однако при этом блок принятия решения по критерию «первый операнд отношения больше второго» формирует на выходе значение TRUE, что дает возможность входным данным вентиля Т пройти на его выход и далее, в верхнюю часть графа.

Рис. 22.10 иллюстрирует более позднее состояние программы (четвертый «мгновенный снимок»). В этот момент на выходе блока принятия решения по критерию «первый операнд отношения меньше или равен второму» формируется управляющий токен FALSE, рассылаемый четырем адресатам (точкам) программы. На рис. 22.11 показано соответствующее состояние программы в этот момент времени: на входах вентиля F, рас­положенного в середине графа, сейчас имеются соответственно управляющий токен FALSE и токен данных, значение которого равно 4; в результате на выходной линии программы появится величина 4. Немаловажно также проследить продвижение пото­ка остальных токенов по графу программы, поскольку програм­мы потоков данных имеют одно

Рис.22.10. Состояние программы в момент Г.

Рис.22.11. Состояние программы в момент Д.

любопытное свойство: их бло­ки могут все еще пребывать в состоянии готовности к выполнению нению соответствующих функций даже после того, как програм­ма сформировала требуемый результат. Вентиль F, расположенный в левой нижней части, уничтожит оба своих входных сигнала, вентиль Т пропустит величину 16, которая пройдет через смеситель в верхнюю часть графа, где дальней­шее продвижение этой величины будет заблокировано, посколь­ку на вход соответствующего смесителя подается управляющий токен ЛОЖНО. Таким же образом окажутся заблокированны­ми величины 2 и 4, поступающие соответственно на правый и средний смесители.

Следовательно, вскоре после формирования на выходе ре­зультата программа прекращает функционирование, хотя и не произошло ее восстановление в нужное начальное состояние, показанное на рис. 22.6. (Граф содержит лишние токены дан­ных, которых не было вначале.) Это является недостатком про­граммы, поскольку упомянутые «застрявшие» токены будут препятствовать последующим попыткам выполнения этой прог­раммы. Можно было бы сделать так, чтобы программа сама уничтожала такие токены, но для упрощения проводимых рас­суждений эти вопросы здесь не рассматриваются.

Подведем итог тому, что дает такое представление програм­мы. Оно позволяет достичь высокой степени параллелизма вы­полнения операций, хотя с точки зрения программиста это не является основной целью программирования. Даже в такой весьма примитивной программе в каждый момент времени находилось несколько блоков, одновременно готовых к работе. Если предположить реализуемость подобного параллелизма в архитектуре вычислительной машины, то можно утверждать, что достижима высокая степень распараллеливания вычислений да же в небольших программах. Основа такой архитектуры рассматривается в следующем разделе.

11