Некоторые основные соотношения между структурами вычислительных систем

Примем в качестве Машины 1 обычную ЭВМ последовательной обработки информации, изображенную на рис. 14. Машина этого типа содержит устройство управления (УУ), процессорный модуль (ПрМ), память программ (ПмП) и память данных,(ПмД) (разделение памяти для программ и данных - функциональное). Считывание данных из единственной памяти данных осуществляется путем выборки всех разрядов некоторого слова для их параллельной обработки в процессорном модуле.

Повернем условно на 90° память данных и процессорный модуль, причем структуру самих данных оставим в прежнем положении. Получим машину, изображенную на рис. 15. назовем ее Машиной П. Каждое слово данных все еще располагается горизонтально, поэтому их считывание из памяти данных теперь осуществляется путем выборки содержимого одного разряда всех слов (разрядного среза) вместо всех разрядов одного слова. Обычно в памяти Машины П размещаются разрядные срезы длиной, как правило, 128- 256 разрядов.

Можно говорить, что в Машине 1 осуществляется последовательная обработка слов при параллельной обработке разрядов слова в горизонтальном процессорном модуле (горизонтальная обработка), а в Машине П - последовательная обработка рядных срезов при параллельной обработке входящего в содержимого множества слов в вертикальном процессорном модуле (вертикальная обработка). При этом адресация данных в Машине 1 осуществляется по отношению к словам, а в Машине П - к разрядным срезам.

Структура Машины П лежит в основе структуры систем с ассоциативными процессорами, осуществляющих последовательную поразрядную обработку множества слов. Фактически имеет место не один процессорный модуль, а множество сравнительно простых устройств поразрядной обработки. Высокая скорость обработки информации такими системами обеспечивается за счет сравнительно большой длины разрядных срезов и достигается преимущественно при выполнении логических операций. Для выполнения арифметических операций, в большей степени свойственных Машине 1, процессорный модуль Машины И должен быть модифицирован так, чтобы получать необходимые результаты по завершении последовательной обработки всех разрядов каждого данного слова из памяти данных. Поэтому скорость выполнения арифметических операций Машиной П оказывается в этом случае сравнительно низкой. Соотношение скоростей выполнения операций Машиной 1 и Машиной П, при прочих сопоставимых условиях, определяется длиной слова и длиной разрядного среза.

Сравнивая Машины 1 и П, заметим, что в первом случае операции выполняются обычно над словами, причем внутри слова разряды связаны между собой смысловой зависимостью и обычно не имеют самостоятельного значения, тогда как во втором случае операции выполняются над соответствующими разрядами внутри каждого слова из множества слов, участвующих в обработке.

Структура Машины П характерна для структуры системы STARAN (за исключением ввода-вывода).

В целях объединения достоинств Машины 1 и Машины П в одной вычислительной системе можно построить комбинацию этих двух машин, в результате чего получим Машину Ш (рис. 16). Эта Машина имеет два процессорных модуля - горизонтальный и вертикальный и модифицированную память данных, которая обеспечивает доступ как к словам, так и к разрядным срезам. Системы с такой структурой получили название ортогональных

Рассмотрим скорости работы Машин 1, II и 111. Пусть процессорные модули Машин 1 и II построены так, что в первом приближении Машина 1 обрабатывает слово примерно за то. же время, в течение которого Машина П обрабатывает разрядный срез. Тогда, если память данных имеет структуру квадрата (п слов по п разрядов в каждом), обе Машины выполняют обработку всего содержимого памяти за одно и то же время, при этом каждая команда обеспечивает обработку очередного слова или очередного разрядного среза из памяти данных соответственно. Всякий раз, как некоторая команда Машины 1 при сохранении скорости поступления команд обеспечивает обработку сразу нескольких слов, скорость обработки информации Машиной 1 оказывается выше по сравнению с Машиной П.

Полагая структуру памяти данных в виде квадрата, мы не учитывали важную особенность Машины II, состоящую в том, что длина разрядного среза данных Машины П обычно намного больше длины слова данных Машины 1. Поэтому, как правило, Машина П обрабатывает одно и то же множество слов быстрее Машины 1

Пусть теперь увеличивается вертикальный размер памяти данных и сохраняется прежним горизонтальный размер, т. е. наращивается память путем увеличения числа ее слов при сохранении их длины. При этом соответственно наращивается процессорный модуль Машины П, и сохраняется неизменным процессорный модуль Машины 1. Тогда, с увеличением вертикального размера.памяти данных, время обработки всех данных памяти Машиной 1 будет увеличиваться, а для Машины П это время сохранится неизменным. При этом сначала, когда количество слов меньше числа разрядов в них, время работы Машины 1 будет меньше времени работы Машины П, а в дальнейшем, когда число слов станет больше числа разрядов в них время работы Машины 1 станет больше времени работы Машины П. Если ввести понятие относительной скорости обработки, всех данных в зависимости от объема памяти данных для фиксированной длины слов, то рассмотренные выше качественные, соотношения можно изобразить в виде графиков (рис. 17). Линия для Машины П параллельна оси абсцисс, а линия для Машины 1, с учетом дополнительных факторов обработки большого числа слов, монотонно снижается.

На этом же рисунке показана относительная скорость обработки информации Машиной Ш. Для нее, подобно Машине 1, относительная скорость обработки монотонно уменьшается с увыличением объема памяти для фиксированной длины слов. Однако, если относительная скорость для Машины 1 асимптотически стремится к нулю, то для Машины П эта скорость асимптотически стремится к некоторой фиксированной величине, равной относительной скорости обработки Машиной При этом во всех случаях относительная скорость обработки Машиной Ш выше по сравнению с Машинами 1 и П.

Машина Ш сочетает в себе достоинства Машин 1 и П. Горизонтальный процессорный модуль обеспечивает эффективное выполнение команд над словами памяти данных, в то время как вертикальный процессорный модуль обеспечивает эффективное выполнение команд над разрядными срезами памяти данных.

Структура Машины III характерна для вычислительных систем OMEN 60.

Если «размножить» процессорные модули и память данных Машины 1, то получим Машину IV, структура которой изображена рис. 18. Единственное устройство подает команду за командой всем процессорным модулям. Такую структуру, получившую название ансамбля процессоров, имеет вычислительная система PEPE (процессорный модуль PEPE состоит из двух отдельных основных частей г из устройства корреляционной обработки и арифметического устройства). Емкость модулей данных обычно фиксирована, и наращивание системы можно осуществлять путем добавления новых модулей памяти данных и соответствующих процессорных модулей. Поэтому относительная скорость обработки информации Машиной IV, подобно Машине П, является постоянной. Ее фактическое значение определяется выбранным объемом памяти данных и сложностью построения процессорных модулей.

Отличие концепций построения Машины П и Машины IV состоит в том, что если данное устройство обработки Машины П имеет дело, например, с форматом расположенных в линию 256 разрядов данных, то устройство обработки Машины IV имеет дело, соответственно, с форматом данных 16 X 16 разрядов. При этом в первом случае осуществляется последовательная поразрядная обработка, в то время как во втором случае разряды каждый раз обрабатываются параллельно.

Если ввести непосредственные линейные связи между соседними процессорными модулями Машины IV, расположенными, например, в виде матричной конфигурации, то получим машину с более универсальными возможностями обработки информации (рис. 19). Назовем ее Машиной V. Такая структура характерна для квадранта системы ILLIAC IV.

Относительная скорость обработки информации Машиной V, подобно Машинам Пи IV вляется постоянной. Вследствие имеющихся связей между процессорными модулями Машина V представляется, отчасти, более сложной по сравнению с Машиной ГУ.

При другом подходе к построению структуры вычислительной системы, когда хранение и обработка данных совмещаются одном устройстве, получаем Машину VI (рис .20). Она характеризуется наличием устройств памяти данных матричной конфигурации с встроенной логической обработкой. Подобно Машинам II, IV и V, Машина IV имеет постоянную относительную скорость обработки. Концепция Машины VI эквивалентна концепции Машины IV с модулями памяти данных только для одного слова в каждом из модулей.

Таким образом, можно отметить следующие основные соотношения между структурами рассмотренных вычислительных систем:

• Машина 1 есть обычная ЭВМ с последовательной обработкой слов и параллельной обработкой разрядов;

• Машина П есть система с параллельной обработкой слов и последовательной обработкой разрядов (системы с ассоциативными процессорами)

• Машина Ш получается в результате комбинации Машин I и П (ортогональные системы);

• Машина IV получается в результате «размножения» процессорного модуля и памяти данных Машины 1 и имеет память программ, единственное устройство управления и множество процессорных модулей с индивидуальными модулями памяти данных (ансамбли процессоров);

• Машина V получается путем введения непосредственных линейных связей между соседними процессорными модулями Машины IV (матричные системы);

• Машина VI получается путем объединения логики обработки с элементами памяти данных Машины 1 и имеет память программ, устройство управления и набор совмещенных ассоциативных запоминающих устройств и процессоров, использующих матрицы памяти с встроенной логикой.