2014-02-09
1851
Рис. 2. К примеру 2. К зацеплению конвейеров.
Конвейер операций не следует путать с конвейером команд, в котором при исполнении одной команды готовится к исполнению несколько следующих команд. Так же, как в конвейере операций каждая часть конвейера команд называется ступенью конвейера команд, а общее число ступеней – длиной конвейера команд. Конвейеры команд широко используются в современных процессорах. Так процессор Intel 486 имеет 5-ти ступенчатый конвейер выполнения целочисленных команд, ступенями которого являются следующие операции:
· предвыборка (команда извлекается из КЭШ-памяти и размещается в одном из двух 16-байтовых буферах);
· декодирование;
· генерация адреса;
· исполнение в АЛУ;
· запись результата в КЭШ-память.
Процессор Pentium 2 (суперскалярная архитектура) имеет два 8-ми ступенчатых конвейера целочисленных команд.
Кроме конвейеров в векторно-конвейерных системах для ускорения работы используют различные механизмы адресации, операции с автоинкрементом (автодекрементом) адреса, механизмы ускоренной выборки и записи (многопортовая память, память с расслоением и т.д.), отдельное адресное обрабатывающее устройство, отдельное скалярное устройство для выполнения скалярных операций и пр..
|
|
|
Недостатком векторно-конвейерных систем является невысокая загрузка процессорных элементов. Высокая производительность достигается только на операциях с длинными векторами. На скалярных операциях и при обработке векторов и матриц невысокой размерности значительная часть устройств может простаивать. В целом, векторно-конвейерные системы характеризуются высокой производительностью при полной загрузке их вычислительных устройств, которая имеет место только при решении определенного, достаточно узкого, круга задач.
В качестве примера векторно-конвейерной системы приведем легендарную супер-ЭВМ CYBER-205 фирмы CDC. CYBER-205 имеет следующиеконвейерные функциональные устройства
:· одно конвейерное функциональное устройство «скалярных» операций с конвейерами
o сложения (5-ти ступенчатый);
o умножения (5-ти ступенчатый);
o логических операций сложения (3-х ступенчатый);
o цикла;
o извлечения корня;
o деления;
· 1, 2 или 4 конвейерных функциональных устройства «векторных» операций с конвейерами
o сложения;
o умножения;
o сдвига;
o логических операций;
o задержки.
В качестве примера современной супер-ЭВМ, использующей векторно-конвейерные процессоры, приведем японскую систему Fujitsu-VPP5000. На верхнем уровне Fujitsu-VPP5000 имеет MPP архитектуру. Производительность одного процессора системы составляет 9.6 Гфлопс, пиковая производительность системы может достигать 1249 Гфлопс, максимальная емкость памяти - 8 Тб. Система масштабируется до 512 узлов.
|
|
|
Как и векторно-конвейерные системы, векторно-параллельная вычислительная система обычно имеет иерархическую структуру. На нижнем уровне иерархии находятся векторно-параллельные процессоры, представляющие собой совокупность скалярных процессоров (процессорных элементов), которые объединены некоторой коммуникационной сетью и в каждом такте синхронно выполняют одну и ту же команду над разными данными. На верхнем уровне иерархии векторно-параллельные процессоры объединяются общей памятью или коммуникационной сетью, образуя NUMA-систему либо MPP систему.
Векторно-параллельные процессоры имеют в своих системах команд специальные векторные (матричные) операции, такие, как векторное и матричное сложение, умножение вектора на матрицу, умножение матрицы на константу, вычисление скалярного произведения, свертки и т.д. При выполнении векторных операций различные компоненты векторов и матриц обрабатываются параллельно на различных процессорных элементах.
Основными компонентами векторно-параллельного процессора являются
· совокупность скалярных процессоров (Р);
· совокупность модулей оперативной памяти (М);
· коммуникационная среда;
· устройство общего управления.
Выделим две группы векторно-параллельных процессоров: процессоры с одинаковым числом скалярных процессоров и модулей памяти; векторные процессоры с различным количеством скалярных процессоров и модулей памяти.
В векторно-параллельном процессоре с одинаковым числом скалярных процессоров и модулей памяти каждый скалярный процессор подключается к своему модулю памяти (см. рис. 3). Команда, выдаваемая устройством управления, содержит одинаковый адрес для всех скалярных процессоров. С помощью специального «флага» можно запретить выполнение команды на данном скалярном процессоре – «маскирование команды».
В векторно-параллельном процессоре с различным количество скалярных процессоров и модулей памяти (см. рис. 4) основной проблемой является проблема исключения конфликтов при обращении к памяти (поскольку к одному модулю памяти могут одновременно обращаться в переделе все скалярные процессоры). Для преодоления этой проблемы в системах этого класса используют изощренные схемы хранения массивов данных.
|
