Підходи до організації обчислювального процесу та потокові машини

На сучасному етапі можна виділити наступні три підходи до організації обчислювального процесу:

1. Процедурне програмування

Даний підхід реалізовується майже в усіх машинах Фон-Неймановського типу. Дані машини повинні містити пристрій управління в процесорі, що містить вказівник на поточну команду, яка виконується, щоб команди послідовно зчитувалися і виконувалися на операційному пристрої, а результат записувався в запам’ятовуючий пристрій. Особливості принципів роботи машини даного типу наступні:

- Послідовне виконання команд

- Обробка даних з перезаписом в пам’яті та регістрі

При послідовній обробці швидкість визначається швидкодією елементів, що обмежує продуктивність ЕОМ. Ці обмеження обумовлені елементною базою кожного компонента.

2. Функціональне програмування

Обчислювальна модель, в якій програма розглядається як множина визначених функцій, називається функціональною моделлю. Для опису функціональних моделей використовують два типи мов програмування:

- Використання аплікативних мов

- Використання мов з однократним присвоєнням

Відмінною рисою цих моделей є те, що в їх основу покладена чітка і зрозуміла математична модель λ-перетворень.

3. Потокове програмування

Основна ідея потокового програмування або моделі обчислювального процесу по потоку даних заснована на операції обробки даних, яка активується цими даними. В даній моделі кожна операція виконується лише тоді, коли дані цієї операції готові для використання.

Реальне виконання деякої операції можливе тільки тоді, коли дані для цієї операції будуть готові дані, що передаються від однієї операції до іншої активізуючи дану операцію. В цьому принцип керування потоком даних наступний: всі операції виконуються тільки при наявності всіх операндів для її виконання.

Програма для машин даного типу задається у вигляді графа в якому вершини – це суть операції, а дуги – це напрямок передачі даних між операціями. Наприклад, y = (a+b)*c-(d+f)

z = c*b+y

граф обчислювального процесу:

a b c d f c b

0

+ + +

1

*

2

+

3

+

4

З показаного графа дуже чітко видно залежність даних один від одного, операції, що розміщені на одному рівні виконуються одночасно.

Основні відмінності від машин Фон-Неймановського типу наступні:

- Операції з готовими операндами можна виконувати одночасно

- Обмін даними між операціями чітко визначений, тому відношення залежності між операціями легко виявити

- Оскільки управління операціями виконується шляхом передачі даних між ними, то немає необхідності в управлінні ходом виконання операцій, а отже, немає необхідності в централізованому управлінні даних.

Реалізація такої ідеї приводить до появи поняття командної комірки, яка повинна зберігати код операції, безпосередньо операнди операції та їх біти готовності та адресні поля, в яких вказуються поля операндів других командних комірок, в які відправляються результати даних операцій.

Схематично командну комірку можна зобразити наступним чином (рис. 19):

Рис. 19. Схематична командна комірка

В загальному вигляді машина потоків даних повинна містити пам’ять командних комірок, де зберігаються всі комірки з готовностями, арбітражну мережу, яка вибирає на виконання готові операції. Готові операції передаються в пул процесорних елементів, що одночасно виконують деякі прості операції. Результат операцій – розділена мережа записує в відповідні командні комірки та виставляє відповідні біти готовності даних. Операція вважається готовою для використання, якщо біти готовності для ор1 та ор2 одночасно рівні 1 (рис. 20).

Рис. 20. Структура машини потоків даних

Переваги даної архітектури є значно більша продуктивність чим в машинах Фон – Неймоновського типу та значно менша вартість виготовлення. Але основний недолік – це абсолютна абсолютна непридатність класичних програм для роботи на даній архітектурі.

Нестандартні архітектури пам’яті.