 |
Классификация высокопроизводительных цифровых вычислителей
|
|
|
|
Цифровые устройства обработки информации невысокой производительности имеют традиционную архитектуру, ориентированную на последовательные вычисления, т.е. одним потоком команд они обрабатывают один поток данных. Такая организация вычислений была предложена фон Нейманом и названа его именем. Усложнение решаемых задач и вычислительных алгоритмов обработки информации привело к внедрению в эту область более высокопроизводительных вычислителей, организация вычислений в которых основана на множественности потоков команд, обрабатывающих множество потоков данных. Архитектура этих устройств называется параллельной нефоннеймановской. По множественности-одиночности потоков команд и данных цифровые вычислители можно разделить на четыре класса, но на практике используются устройства трех классов [1, 2]. На рисунке показаны упрощенные структурные схемы трех классов вычислителей, включающие в себя следующие блоки: оперативное запоминающее устройство команд (ОЗУк), ОЗУ данных (ОЗУд), устройство управления (УУ), центральный процессор (ЦП), а также потоки команд (К) и потоки данных (Д).
Вычислители класса ОКОД - это традиционные фоннеймановские машины с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных. При использовании в таких вычислителях отдельных блоков ОЗУ и отдельных шин команд и данных их архитектуру называют гарвардской. На основе такой архитектуры построено большинство современных специализированных микропроцессоров цифровой обработки сигналов.
ОКМД вычислители - это параллельные цифровые устройства с одиночным потоком команд и множественными потоками данных. МКМД-вычислители - это многопроцессорные системы с множественными потоками команд и множественными потоками данных.
|
|
|
На рис. 2.1 показаны также соответствующие трем классам вычислителей алгоритмы организации вычислений. Стрелками в них обозначены потоки команд и данных, кружками - выполняемые операторы.
Для устройства обработки класса ОКОД используется обычный последовательный алгоритм вычислений. Для организации вычислений в цифровых устройствах класса ОКМД используется последовательно-групповой алгоритм. В этом случае группе выполняемых операторов соответствуют операции над векторными и матричными данными. ОКМД-вычислители реализуются в виде векторных и матричных. Существуют универсальные компьютеры, построенные по такой архитектуре; они называются векторными, либо матричными суперкомпьютерами. Следует отметить, что конвейерная архитектура векторных вычислителей реализуется как в специализированных устройствах обработки, так и в ряде современных высокопроизводительных универсальных микропроцессоров.
Вычислители класса МКМД называют высокопараллельными многопроцессорными системами. Поскольку эти устройства реализуют алгоритм вычислений со слабосвязанными множественными потоками команд и данных общего вида, они являются универсальными и обеспечивают выигрыш в производительности по сравнению со скалярными устройствами класса ОКОД на большинстве задач обработки информации. Универсальные компьютеры этого класса имеют множество процессоров, причем каждый из процессоров обрабатывает данные под управлением своего потока команд. Наиболее сложной проблемой для таких суперкомпьютеров является синхронизация обмена данными между задачами, запущенными на нескольких процессорах, и синхронизация ожидания одних запущенных задач (процессов) другими. Реализуются такие архитектуры в специализированных цифровых устройствах в качестве систем распределенной обработки информации на основе нескольких взаимосвязанных микропроцессоров. К МКМД вычислителям относятся также машины, управляемые потоками данных (МПД - компьютеры).
|
|
|
 |
Рис. 2.1. Архитектуры классов ОКОД, ОКМД, МКМД
В таких устройствах также имеется множество интеллектуальных узлов обработки данных, но обработка в них информации происходит не под управлением потоков команд, а под управлением потоков данных. Реализованы такие МПД - вычислители в виде специализированных БИС обработки сигналов, а также в виде цифровых устройств на основе ПЛИС.
Универсальные компьютеры этого класса имеют множество процессоров, причем каждый из процессоров обрабатывает данные под управлением своего потока команд. Наиболее сложной проблемой для таких суперкомпьютеров является синхронизация обмена данными между задачами, запущенными на нескольких процессорах, и синхронизация ожидания одних запущенных задач (процессов) другими. Реализуются такие архитектуры в специализированных цифровых устройствах в качестве систем распределенной обработки информации на основе нескольких взаимосвязанных микропроцессоров. К МКМД вычислителям относятся также машины, управляемые потоками данных (МПД - компьютеры). В таких устройствах также имеется множество интеллектуальных узлов обработки данных, но обработка в них информации происходит не под управлением потоков команд, а под управлением потоков данных. Реализованы такие МПД - вычислители в виде специализированных БИС обработки сигналов, а также в виде цифровых устройств на основе ПЛИС.
|
|
|
