В чем выражается аналогия между матричными и ассоциативными ВС?

Рассмотрим каждую ВС в отдельности и выявим их сходства.

Матричные Вычислительные Системы (ВС)

Наиболее распространенными из систем, класса: один поток команд - множество - потоков данных (SIMD), являются матричные системы, которые лучше всего приспособлены для решения задач, характеризующихся параллелизмом независимых объектов или данных. Организация систем подобного типа на первый взгляд достаточно проста. Они имеют общее управляющее устройство, генерирующее поток команд и большое число процессорных элементов, работающих параллельно и обрабатывающих каждая свой поток данных. Таким образом, производительность системы оказывается равной сумме производительностей всех процессорных элементов. Однако на практике, чтобы обеспечить достаточную эффективность системы при решении широкого круга задач необходимо организовать связи между процессорными элементами с тем, чтобы наиболее полно загрузить их работой. Именно характер связей между процессорными элементами и определяет разные свойства системы.

Рассмотрим структуру матричной вычислительной системы.

Структура матричной вычислительной системы представлена на рис. 3.

Рис. 3. Обобщенная модель матричной SIMD-системы

Параллельная обработка множественных элементов данных осуществляется массивом процессоров (МПр). Единый поток команд, управляющий обработкой данных в массиве процессоров, генерируется контроллером массива процессоров (КМП). КМП выполняет последовательный программный код, реализует операции условного и безусловного переходов, транслирует в МПр команды, данные и сигналы управления. Команды обрабатываются процессорами в ре жиме жесткой синхронизации.

Сигналы управления используются для синхронизации команд и пересылок, а также для управления процессом вычислений (например - определяют, какие процессоры массива должны выполнять операцию, а какие – нет). Команды, данные и сигналы управления передаются из КМП в массив процессоров по шине широковещательной рассылки. Поскольку выполнение операций условного перехода зависит от результатов вычислений, результаты обработки данных в массиве процессоров транслируются в КМП, проходя по шине результата.

Для обеспечения пользователя удобным интерфейсом при создании и отладке программ в состав подобных ВС обычно включают интерфейсную ВМ (front-end computer). В роли такой ВМ выступает универсальная вычислительная машина, на которую дополнительно возлагается задача загрузки программ и данных в КМП. Кроме того, загрузка программ и данных в КМП может производиться и напрямую с устройств ввода-вывода (например, с магнитных дисков). После загрузки КМП приступает к выполнению программы, транслируя в МПр по широковещательной шине соответствующие SIMD-команды.

Для хранения множественных наборов данных в массиве процессоров должны присутствовать и модули памяти. Кроме того, в массиве должна быть реализована сеть взаимосвязей как между процессорами, так и между процессорами и модулями памяти. Таким образом массив процессоров – это блок, состоящий из процессоров, модулей памяти и сети соединений.

Дополнительную гибкость при работе с рассматриваемой системой обеспечивает механизм маскирования, позволяющий привлекать к участию в операциях лишь определенное подмножество из входящих в массив процессоров. Маскирование реализуется как на стадии компиляции, так и на этапе выполнения. При этом процессоры, исключенные путем установки в ноль соответствующих битов маски, во время выполнения команды простаивают.

Одним из первых матричных процессоров был SОLОМОN (60-е годы), представлена на рис. 4.

Рис 4. Структура матричной вычислительной системы "SOLOMON"

Система SОLOМОN содержит 1024 процессорных элемента, соединены в виде матрицы: 32х32. Каждый процессорный элемент матрицы включает в себя процессор, обеспечивающий выполнение последовательных поразрядных арифметических и логических операций, а также оперативное ЗУ, емкостью 16 Кбайт. Длина слова - переменная от 1 до 128 разрядов. Разрядность слов устанавливается программно. По каналам связи от устройства управления передаются команды и общие константы. В процессорном элементе используется, так называемая, многомодальная логика, которая позволяет каждому процессорному элементу выполнять или не выполнять общую операцию в зависимости от значений обрабатываемых данных. В каждый момент все активные процессорные элементы выполняют одну и ту же операцию над данными, хранящимися в собственной памяти и имеющими один и тот же адрес.

Идея многомодальности заключается в том, что в каждом процессорном элементе имеется специальный регистр на 4 состояния - регистр моды. Мода (модальность) заносится в этот регистр от устройства управления. При выполнении последовательности команд модальность передается в коде операции и сравнивается с содержимым регистра моды. Если есть совпадения, то операция выполняется. В других случаях процессорный элемент не выполняет операцию, но может, в зависимости от кода, пересылать свои операнды соседнему процессорному элементу. Такой механизм позволяет выделить строку или столбец процессорных элементов, что очень полезно при операциях над матрицами. Взаимодействуют процессорные элементы с периферийным оборудованием через внешний процессор.

Дальнейшим развитием матричных процессоров стала система ILLIАS-4, разработанная фирмой BARRОYS. Первоначально система должна была включать в себя 256 процессорных элементов, разбитых на группы, каждый из которых должен управляться специальным процессором. Однако по различным причинам была создана система, содержащая одну группу процессорных элементов и управляющий процессор. Если в начале предполагалось достичь быстродействия = 1 млрд. операций в секунду, то реальная система работала с быстродействием = 200 млн. операций в секунду. Эта система в течение ряда лет считалась одной из самых высокопроизводительных в мире.

В начале 80-х годов в СССР была создана система: ПС-2000, которая также является матричной. Основой этой системы является мультипроцессор - ПС-2000, состоящий из решающего поля и устройства управления мультипроцессором. Решающее поле строится из одного, двух, четырех или восьми устройств обработки, в каждом из которых - 8 процессорных элементов. Мультипроцессор из 64 процессорных элементов обеспечивает быстродействие = 200 млн. операций в секунду на коротких операциях.

Ассоциативные Вычислительные Системы (ВС)

Эти системы характеризуются большим количеством операционных устройств способных одновременно по командам управляющего устройства вести обработку нескольких потоков данных. Однако эти системы значительно различны от матричных способом формирования потоков данных. В ассоциативных системах информация на обработку поступает от ассоциативного запоминающих устройств (АЗУ), характеризующихся тем, что информация выбирается не по определённому адресу, а по содержанию.

Ассоциативный процессор (АП) – это ассоциативная память, допускающая параллельную запись во все ячейки, для которых было зафиксировано совпадение с ассоциативным признаком. Эта особенность АП, носящая название мультизаписи, является первым отличием ассоциативного процессора от традиционной ассоциативной памяти. Считывание и запись информации могут производиться по двум срезам запоминающего массива — либо это все разряды одного слова, либо один и тот же разряд всех слов. При необходимости выделения отдельных разрядов среза лишние позиции допустимо маскировать. Каждый разряд среза в АП снабжен собственным процессорным элементом, что позволяет между считыванием информации и ее записью производить необходимую обработку, то есть параллельно выполнять операции арифметического сложения, поиска, а также эмулировать многие черты матричных ВС.

Ассоциативные ВС – это ВС класса SIMD, в основе которой лежит ассоциативный процессор. Таким образом, ассоциативные ВС представляют собой n процессорных элементов ПЭ (вертикальный разрядный срез памяти), как правило, последовательной поразрядной обработки для каждой из ячеек памяти. Операция осуществляется одновременно всеми n ПЭ. Все или часть элементарных последовательных ПЭ могут синхронно выполнять операции над всеми ячейками или над выбранным множеством слов ассоциативной памяти.

Пример ассоциативной ВС – система STARAN, разработанная Goodyear Aerospace Corporation в 1972 году.

Аналогия между матричными и ассоциативными ВС заключается в их классе архитектуры ОКМД.

Архитектура ОКМД, или SIMD (от Single Instruction Multiply Data stream), — одиночный поток команд над множественным потоком данных. Бытовым аналогом работы таких систем является ситуация, в которой несколько человек одновременно, синхронно выполняют одну и ту же операцию, последовательность одинаковых операций над разными деталями. Примером также может служить ансамбль музыкальных инструментов, синхронно исполняющих мелодию под управлением дирижера.

В вычислительной системе с архитектурой ОКМД имеется единственное устройство управления, которое организует работу группы процессорных элементов. Это устройство управления создает только один поток команд, который может включать операции над векторными данными.

В связи с обсуждением этого класса параллельных систем, по-видимому, следует напомнить о включении основанных на подходе SIMD групп команд ММХ и SSE в систему команд процессоров Pentium и аналогичных групп в системы команд других процессоров.

Основной разновидностью систем класса ОКМД являются системы ОКМДС, в которых выполняется пословная обработка данных. В этот класс входят векторные и матричные вычислительные системы, которые находят применение при решении научно-технических задач, использующих векторные и матричные структуры данных.

Примеры параллельных систем с общим управлением.

- матричные с одноразрядными процессорными элементами (SOLOMON I, ICL DAP, Goodyear MPP, CLIP, Thinking Connechtion Machine) и с многоразрядными процессорными элементами (SOLOMON II, ILLAC IV, Bu rroughs BSP, ПС-2000);

- ассоциативные(Goodyear STARAN и ASPRO);