Архитектура электронно-вычислительных машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

Белорусский Государственный Университет Информатики и радиоэлектроники

филиал Минский Радиотехнический колледж

Контрольная работа

Архитектура электронно-вычислительных машин

Познюр Денис Павлович

Группа 24411

Шифр VI-П-188

2016

1. Матричные процессоры

Матричные процессоры наилучшим образом ориентированы на реализацию алгоритмов обработки упорядоченных (имеющих регулярную структуру) массивов входных данных. Они появились в середине 70-ых годов в виде устройств с фиксированной программой, которые могли быть подключены к универсальным ЭВМ; но к настоящему времени в их программировании достигнута высокая степень гибкости. Зачастую матричные процессоры используются в качестве вспомогательных процессоров, подключаемых к главной универсальной ЭВМ. В большинстве матричных процессоров осуществляется обработка 32 разрядных циклов с плавающей запятой со скоростью от 5000000 до 50000000 флопс. Как правило, они снабжены быстродействующими портами данных, что дает возможность для непосредственного ввода данных без вмешательства главного процессора. Диапазон вариантов построения матричных процессоров лежит от одноплатных блоков, которые вставляются в существующие ЭВМ до устройств, конструктивно оформленных в виде нескольких стоек, которые по существу представляют собой конвейерные суперЭВМ.

Типичными видами применения матричных процессоров является обработка сейсмической и акустической информации, распознавание речи; для этих видов обработки характерны такие операции, как быстрое преобразование Фурье, цифровая фильтрация и действия над матрицами. Для построения относительно небольших более экономичных в работе матричных процессоров используются разрядно-модульные секции АПУ в сочетании с векторным процессором, реализованным на основе биполярного СБИС-процессора с плавающей запятой.

Вероятно, в будущем матричные процессоры будут представлять собой матрицы процессоров, служащие для увеличения производительности процессоров сверх пределов, установленных шинной архитектурой.

Главным архитектурным различием между традиционными ЭВМ, предназначенными для обработки научной и коммерческой информации, является то, что последние (мини-, супермини -, универсальные и мега универсальные ЭВМ) имеют главным образом скалярную архитектуру, а машины для научных расчетов (супер-, мини супер-ЭВМ и матричные процессоры) - векторную. Скалярная ЭВМ имеет традиционную фон-неймановскую, то есть SISD-организацию, для которой характерно наличие одной шины данных и последовательное выполнение обработки одиночных элементов данных. Векторная машина имеет в своем составе раздельные векторные процессоры или конвейеры, и одна команда выполняется в ней над несколькими элементами данных (векторами)

Векторные архитектуры - это в основном архитектуры типа SISD, но некоторые из них могут относиться к классу MIMD. Векторная обработка увеличивает производительность процессорных элементов, но не требует наличия полного параллелизма в ходе обработки задачи.

Для реализации обработки сигналов матрицы МЛМД могут быть реализованы в виде систолических или волновых матриц.

Систолическая матрица состоит из отдельных процессорных узлов, каждый из которых соединен с соседним посредством упорядоченной решетки. Большая часть процессорных элементов располагает одинаковыми наборами базовых операций, и задача обработки сигнала распределяется в матричном процессоре по конвейерному принципу. Процессоры работают синхронно, используя общий задающий генератор тактовых сигналов, поступающий на все элементы.

В волновой матрице происходит распределение функций между процессорными элементами, как в систолической матрице, но в данном случае не имеет места общая синхронизация от задающего генератора. Управление каждым процессором организуется локально в соответствии с поступлением необходимых входных данных от соответствующих соседних процессоров. Результирующая обрабатывающая волна распространяется по матрице по мере того, как обрабатываются входные данные, и затем результаты этой обработки передаются другим процессорам в матрице.

МКМД (множественный поток команд, множественный поток данных.) Множественный поток команд предполагает наличие нескольких процессорных узлов и, следовательно, нескольких потоков данных. Примерами такой архитектуры являются мультипроцессорные матрицы.

Транспьютер Inmos Т414 предназначен для построения МКМД структур; для обмена информацией с соседними процессорами в нем предусмотрены четыре быстродействующие последовательных канала связи. Имеется встроенная память большой емкости, которая может быть подключена к интерфейсу шины памяти. Разрядность местной памяти каждого транспьютера наращивает разрядность памяти системы; таким образом, полная разрядность памяти пропорциональна количеству транспьютеров в системе. Суммарная производительность также возрастает прямо пропорционально числу входящих в систему транспьютеров.

В дополнение к параллельной обработке, реализуемой транспьютерами, предусмотрены специальные команды для разделения процессорного времени между одновременными процессорами и обмена информацией между процессорами. Хотя программирование транспьютеров может выполняться на обычных языках высокого уровня, для повышения эффективности параллельной обработки был разработан специальный язык Okkam.

Транзисторные матрицы (ТМ) являются одной из популярных структур для проектирования топологии макроэлементов заказных цифровых СБИС, выполняемых по КМОП - технологии, ТМ имеют регулярную матричную топологию, получение которой может быть автоматизировано, что привлекает к ним разработчиков кремниевых компиляторов. Известные методы проектирования ТМ ориентированы на минимизацию площади кристалла, занимаемую информационными транзисторами, и оставляет в стороне вопрос о минимизации площади, требуемой для разводки шин «земли» (Gnd) и «питания» (Vdd). В данной статье предлагается метод минимизации числа шин Gnd и Vdd в ТМ, после того, как ее площадь была минимизирована с помощью методов.

Структура ТМ.

В лэйауте (англ. layout - детальное геометрическое описание всех слоев кристалла) транзисторных матриц все p-транзисторы располагаются в верхней половине матрицы, а все n-транзисторы - в нижней. Транзисторные матрицы имеют регулярную структуру, которую составляют взаимопересекающиеся столбцы и строки. В столбцах матрицы равномерно расположены полосы поликремния, образующие взаимосвязанные затворы транзисторов. По другим полюсам транзисторы соединяются друг с другом сегментами металлических линий, которые размещаются в строках матрицы. Иногда, для того чтобы соединить сток и исток транзисторов, находящихся в различных строках, вводят короткие вертикальные диффузионные связи. В дальнейшем ТМ будет представляться абстрактным лэйаутом.

Абстрактный лэйаут - схематический рисунок будущего кристалла, где прямоугольники обозначают транзисторы, вертикальные линии - поликремневые столбцы, горизонтальные - линии металла, штриховые - диффузионные связи, точки - места контактов, стрелки - места подключения транзисторов к линиям Gnd и Vdd. При переходе к послойной топологии стрелки должны быть заменены полосками в диффузионном слое, по которому осуществляются соединения между строками ТМ. Очевидно, что подведению вертикальных связей к линиям Gnd, Vdd могут препятствовать транзисторы, расположенные в других строках транзисторной матрицы, либо расположенные в тех же столбцах диффузионные связи между строками (горизонтальные линии металла не являются препятствием). Вследствие этого приходится размещать несколько линий Gnd в n-части ТМ и несколько линий Vdd в p-части ТМ. Возникает задача минимизации числа этих линий. Будем рассматривать ее только для n-части ТМ, задача минимизации числа линий Vdd для p-части ТМ решается аналогичным образом.

Пример абстрактного лэйаута для КМОП-схемы рис. 1.а показан на рис. 1.б.

Рис 1.

Пусть транзисторная матрица размером n на m задана абстрактным лэйаутом. Представим последний троичной матрицей S размером n на 2m, поставим ее строки в соответствие строкам ТМ, а пары соседних столбцов - столбцам ТМ. Таким образом, каждый элемент матрицы S представляет некоторую позицию лэйаута и получает значение 1, если там стоит стрелка, значение 0 - если там не показан ни транзистор, ни диффузионная связь, и значение * - в остальных случаях. Легко видеть, что значение * свидетельствует о невозможности проведения через данную точку диффузионной связи от стока некоторого транзистора к линии Gnd.

Например, для абстрактного лэйаута ТМ (рис. 1.б.) матрица S имеет вид:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

S1 * 1 0 0 * * * * 0 0 0 0 * *

S2 1 * 1 * * * 0 0 1 * 0 0 0 *

S = S3 1 * * 1 0 0 0 0 0 0 0 0 * 1

S4 0 0 0 0 1 * 0 0 0 0 0 0 * *

S5 1 * * * 0 0 * 1 0 0 0 0 0 *

2. Коммуникационные среды

В самом общем смысле архитектуру компьютера можно определить как способ соединения компьютеров между собой, с памятью и с внешними устройствами. Реализация этого соединения может идти различными путями. Конкретная реализация такого рода соединений называется коммуникационной средой компьютера. Одна из самых простых реализаций - это использование общей шины, к которой подключаются как процессоры, так и память. Сама шина состоит из определенного числа линий связи, необходимых для передачи адресов, данных и управляющих сигналов между процессором и памятью. Этот способ реализован в SMP-системах. Основным недостатком таких систем, как было указано выше, является плохая масштабируемость. Увеличение, даже незначительное, числа устройств на шине вызывает заметные задержки при обмене с памятью и катастрофическое падение производительности системы в целом. Необходимы другие подходы для построения коммуникационной среды, и одним из них является разделение памяти на независимые модули и обеспечение возможности доступа разных процессоров к различным модулям одновременно посредством использования различного рода коммутаторов. процессор лэйаут матричный

При этом возможны различные конфигурации получающихся систем связи. Так, в компьютерах семейства Cray T3D/T3E все процессоры были объединены специальными высокоскоростными каналами в трехмерный тор, в котором каждый вычислительный узел имел непосредственные связи с шестью соседями. В компьютерах IBM SP/2 взаимодействие процессоров происходит через иерархическую систему коммутаторов, также обеспечивающую возможность соединения каждого процессора с любым другим. Эти оригинальные уникальные решения значительно увеличивают цену компьютеров.

Гораздо более простым и дешевым оказалось использование связей на базе сетей Ethernet - методика, разработанная компанией Xerox. Первоначально использовалась обычная 10-мегабитная сеть, затем стали применять Fast Ethernet, а в последнее время иногда и GigabitEthernet. Но для Fast Ethernet характерна большая латентность (задержка в передаче данных), оцениваемая в 160-180 микросекунд, а GigabitEthernet отличается высокой стоимостью. Кроме того, он эффективен только при соединении точка-точка, при соединении нескольких узлов его эффективность резко падает, а при соединении более 5-6 узлов она не превосходит по производительности даже Fast Ethernet. Поэтому при создании многопроцессорных вычислительных систем часто предпочтение отдается технологиям SCI, Myrinet или Raceway.

Примеры построения коммуникационных сред на основе масштабируемого когерентного интерфейса SCI

SCI (Scalable Coherent Interface) принят как стандарт в 1992 г. (ANSI/IEEE Std 1596-1992). Он предназначен для достижения высоких скоростей передачи с малым временем задержки и при этом обеспечивает масштабируемую архитектуру, позволяющую строить системы, состоящие из множества блоков. SCI представляет собой комбинацию шины и локальной сети, обеспечивает реализацию когерентности кэш-памяти, размещаемой в узле SCI, посредством механизма распределенных директорий, который улучшает производительность, скрываязатраты на доступ к удаленным данным в модели с распределенной разделяемой памятью. Производительность передачи данных обычно находится в пределах от 200 Мбайт/с до 1000 Мбайт/с на расстояниях десятков метров с использованием электрических кабелей и километров - с использованием оптоволокна. SCI уменьшает время межузловых коммуникаций по сравнению с традиционными схемами передачи данных в сетях путем устранения обращений к программным уровням - операционной системе и библиотекам времени выполнения; коммуникации представляются как часть простой операции загрузки данных процессором (командами load или store). Обычно обращение к данным, физически расположенным в памяти другого вычислительного узла и не находящимся в кэше, приводит к формированию запроса к удаленному узлу для получения необходимых данных, которые в течение нескольких микросекунд доставляются влокальный кэш, и выполнение программы продолжается. Прежний подход требовал формирования пакетов на программном уровне с последующей передачей их аппаратному обеспечению. Точно так же происходил и прием, в результате чего задержки были в сотни раз больше, чем у SCI. Однако для совместимости SCI имеет возможность переносить пакеты других протоколов.

Еще одно преимущество SCI - использование простых протоколов типа RISC, которые обеспечивают большую пропускную способность. Узлы с адаптерами SCI могут использовать для соединения коммутаторы или же соединяться в кольцо. Обычно каждый узел оказывается включенным в два кольца (рис. 2).

Рис. 2. Матрица узлов кластера на основе сети SCI

В отличие от HIPPI, данная технология оптимизирована для работы с динамическим трафиком, однако может быть менее эффективна при работе с большими блоками данных. Протокол передачи данных обеспечивает гарантированную доставку и отсутствие дедлоков. ПротоколSCI достаточно сложен, он предусматривает широкие возможности управления трафиком, но использование этих возможностей предполагает наличие развитого программного обеспечения. На коммуникационной технологии SCI основана система связи гиперузлов CTI(Convex Torroidal Interconnect) в системах HP/Convex Exemplar X-class, кроме того, на ней построены кластерные системы SCALI Computer, системы семейства hpcLine компании Siemens, а также cc-NUMA сервера Data General и Sequent.

Традиционная область применения SCI - это коммуникационные среды многопроцессорных систем. На основе этой технологии построены, в частности, компьютеры серии hpcLine от Siemens или модульные серверы NUMA-Q от IBM, ранее известные как Sequent.

Модульные SCI-коммутаторы Dolphin позволяют потребителям строить масштабируемые кластерные решения класса предприятия на платформах Windows NT/2000/XP, Linux, Solaris, VxWorks, LynuxWorks и NetWare с использованием стандартизированного оборудования и программного обеспечения.

Таблица 1. Технология SCI

Коммуникационная среда MYRINET

Сетевую технологию Myrinet представляет компания Myricom, которая впервые предложила свою коммуникационную технологию в 1994 году, а на сегодня имеет уже более 1000 инсталляций по всему миру. Технология Myrinet основана на использовании многопортовых коммутаторов при ограниченных несколькими метрами длинах связей узлов с портами коммутатора. Узлы в Myrinet соединяются друг с другом через коммутатор (до 128 портов). Максимальная длина линий связи варьируется в зависимости от конкретной реализации.

Как коммутируемая сеть, аналогичная по структуре сегментам Ethernet, соединенным с помощью коммутаторов, Myrinet может одновременно передавать несколько пакетов, каждый из которых идет со скоростью, близкой к 2 Гбит/с. В отличие от некоммутированных Ethernet и FDDIсетей, которые разделяют общую среду передачи, совокупная пропускная способность сети Myrinet возрастает с увеличением количества машин. На сегодня Myrinet чаще всего используют как локальную сеть (LAN) сравнительно небольшого размера, связывая вместе компьютеры внутри комнаты или здания. Из-за своей высокой скорости, малого времени задержки, прямой коммутации и умеренной стоимости Myrinet часто используется для объединения компьютеров в кластеры. Myrinet также используется как системная сеть (System Area Network, SAN), которая может объединять компьютеры в кластер внутри стойки с той же производительностью, но с более низкой стоимостью, чем MyrinetLAN. Пакеты Myrinet могут иметь любую длину. Таким образом, они могут включать в себя другие типы пакетов, в том числе IP-пакеты.Объединение вычислительных узлов с адаптерами Myrinet в сеть происходит с помощью коммутаторов, которые имеют сейчас 4, 8, 12 или 16 портов. В коммутаторах используется передача пакетов путем установления соединения на время передачи, для маршрутизации сообщений применяется алгоритм прокладки пути (wormhole, "червоточина"). Коммутаторы, как и сетевые адаптеры, построены на специализированных микропроцессорах LANai компании Myricom.

На физическом уровне линки Myrinet состоят из 9 проводников: 8 битов предназначены для передачи информации, интерпретируемой в зависимости от состояния девятого бита как байт данных или управляющий символ; при этом на каждом линке обеспечивается управление потоком и контроль ошибок. Среда Myrinet выгодно отличается от многих других сред передачи, в частности, SCI, простотой концепции и аппаратной реализации протоколов. Она содержит ограниченный набор средств управления трафиком, использующих приливно-отливныйбуфер, управляющие символы и таймерные интервалы. Myrinet является открытым стандартом, компания Myricom предлагает широкий выбор сетевого оборудования по сравнительно невысоким ценам. Технология Myrinet предоставляет широкие возможности масштабирования сети и часто используется при построении высокопроизводительных вычислительных кластеров.

Существующие в настоящее время алгоритмы прикладных задач, системное программное обеспечение и аппаратные средства преимущественно ориентированы на традиционную адресную обработку данных. Данные должны быть представлены в виде ограниченного количества форматов (например, массивы, списки, записи), должна быть явно создана структура связей между элементами данных посредством указателей на адреса элементов памяти, при обработке этих данных должна быть выполнена совокупность операций, обеспечивающих доступ к данным по указателям. Такой подход обуславливает громоздкость операционных систем и систем программирования, а также служит препятствием к созданию вычислительных средств с архитектурой, ориентированной на более эффективное использование параллелизма обработки данных.

Таблица 2. Технология Myrinet

Список использованной литературы

1. Фонарев А.А. (''Автоматизированное проектирование СБИС на базовых матричных кристаллах'' Масква 1995 г.)

2. Интернет (Статьи фирмы `Altera', Министерство науки, промышленности и технологий РФ)

3. Ершова Н.Ю., Иващенков О.Н., Курсков С.Ю. (''Микропроцессоры'') Санкт Петербург 2002 г

4. http://www.reffine.com/referatshow-224-18.html

5. http://www.intuit.ru/studies/courses/45/45/lecture/1344

Размещено на Allbest.ru