Матричные, ассоциативные и подобные им системы

Матричные и ассоциативные системы и системы с ансамблем процессоров являются типичными представителями систем класса ОКМД - с одиночным потоком команд и множественным потоком данных. Эти системы имеют одно устройство управления, которое интерпретирует команды и управляет синхронным выполнением этих команд параллельно работающими обрабатывающими устройствами. Таким образом, каждое устройство оперирует со своими данными, а система в целом - с большими массивами упорядоченных данных. Для матричных систем эти массивы представляют собой матрицы слов, для систем с ансамблем процессоров, фактически, вектора слов, а для ассоциативных систем, обычно -наборы двоичных разрядов. Отклонения от синхронного выполнения, как правило, небольшие. Так, например, в матричных системах применяется маскирование, позволяющее учитывать конкретные размеры конкретных массивов данных.

Обработка упорядоченных массивов данных присуща не только системам класса ОКМД, но и магистральным системам векторной обработки. Разница состоит в том, что в первом случае элементы вектора подаются на обработку как бы параллельно друг другу, а во втором случае - один за другим с перекрытием в магистрали. В наиболее высокопроизводительных из существующих систем - STAR 100, ASC, CRAY1 (магистральных), PEPE (с ансамблем процессоров), ELLIACIV (матричный) - использован принцип векторной обработки. В последнее время введено понятие поколений векторных систем, при этом STAR100, ASC, PEPE и ПХ1АСIV обычно относят к первому поколению, а CRAY1 — ко второму поколению векторных систем.

6.1. Матричные системы.

Наиболее распространенными из систем класса ОКМД являются матричные системы, которые лучше всего приспособлены для решения задач, характеризующихся параллелизмом независимых объектов или параллелизмом данных. Организация систем этого типа на первый взгляд достаточно проста: общее управляющее устройство, генерирующее поток команд, и большое число устройств работающих параллельно обрабатывающих каждый свой поток данных. Таким образом, производительность системы оказывается равной сумме производительностей всех обрабатывающих устройств. Однако на практике, чтобы обеспечить достаточную эффективность системы при решении широкого круга задач, необходимо организовать связи между обрабатывающими устройствами (процессорными элементами). Характер связей может быть различным, также как и характер взаимодействия процессорных элементов. Все это и определяет различные свойства систем.

В матричных вычислительных системах используется один или несколько матричных процессоров. Матричный процессор представляет собой композицию устройства управления и матрицы связанных элементарных процессоров. Устройство управления предназначается для формирования единого потока команд на все процессоры матрицы. Элементарные процессоры идентичны, каждый из них включает в себя арифметико-логическое устройство и память. Сеть межпроцессорных связей регулярная и формируется таким образом, чтобы каждый процессорный элемент имел непосредственную связь не менее чем с четырьмя другими процессорными элементами. Такая связь позволяет осуществить обмен информацией между памятями различных процессорных элементов. Состояние каждого процессорного элемента и обмен информацией между любыми другими процессорными элементами программируются при помощи специальных команд.

В матричных системах по сравнению с конвейерными ВС полнее воплощены принципы модели коллектива вычислителей. Матричный процессор лишен главного недостатка конвейера ~ принципиального ограничения в наращивании эффективности. В матричных системах число параллельно выполняемых операций, определяемое числом процессорных элементов, составляет 10... 10⁶.

Принцип программируемое™ структуры ВС проявляется в возможности программной адаптации структуры матрицы элементарных процессоров к структуре решаемой задачи, это достигается настройкой канала связи между произвольными процессорными элементами и заданием состояний любым процессорным элементам.

Однородность матричных ВС видна из идентичности процессорных элементов и регулярности связей между ними.

Существенным недостатком матричных систем является то, что единственное устройство управления в матричном процессоре резко ухудшает надежность и живучесть, а также ограничивает сферу применения ВС, не позволяет организовать эффективную мультипрограммную работу системы.