Архитектура вычислительных систем. 2
Контрольная работа
Архитектура вычислительных систем
Выполнил:
Проверил:
Дата ____________
Задание к контрольной работе:
Номер варианта задания равен двум последним цифрам номера зачетной книжки студента.
Вариант 11
Транспьютеры. Связной список процессов.
1. Предлагается детально
изложить наиболее важные
2. Составление модели вычислительной системы заданной структуры.
Оглавление :
1. Введение.
2. Понятие транспьютера и канала связи.
3. Объединение транспьютеров в группы.
4. Архитектура транспьютера.
5. Вычислительные системы с массовой параллельной обработкой.
6. Связной список процессов.
7. Заключение
8. Список используемых источников.
9. Приложение 1 модель
вычислительной системы на
1. Введение.
Массово-параллельные системы на базе больших интегральных схем. Именно с подобными системами связывается в настоящее время перспектива дальнейшего наращивания производительности. Исторически первой промышленной разработкой, ориентированной на массово-параллельные системы стали транспьютеры.
Транспьютер – это микрокомпьютер с собственной внутренней памятью и линками (каналами) для соединения с другими транспьютерами.
Главной особенностью транспьютера, разработанного английской компанией Inmos, является наличие четырех физических каналов для связи с другими транспьютерами, которые называются линками. Линки без использования дополнительных средств позволяют создавать многотранспьютерные системы произвольного размера и характера связей.
В транспьютерах и параллельных системах, построенных на их основе отражена идея ЭВМ с индивидуальной памятью.
Некоторые специалисты понимают термин «транспьютер» как название конкретного продукта фирмы INMOS (ныне STMicroelectronics), другие трактуют его как обобщенное наименование микропроцессоров со встроенными межпроцессорными интерфейсами. Используется также термин «транспьютероподобный микропроцессор», чтобы, с одной стороны, подчеркнуть, что речь идет не о продукте фирмы INMOS, а, с другой стороны, указать, что микропроцессор имеет встроенные линки для образования параллельных систем. Вполне возможно, что стремительное развитие микроэлектроники не позволит термину «транспьютер» устояться, и он будет поглощен более общим – микропроцессор, так как отличительный признак транспьютера – встроенные межпроцессорные интерфейсы – появятся в том или ином виде у всех микропроцессоров.
Транспьютеры относятся к классу RISC-процессоров. Система команд транспьютеров ориентирована на поддержку языка высокого уровня ОККАМ (OCCAM). Это язык параллельного программирования, позволяющий задавать параллельные вычисления в соответствии с моделью взаимодействующих последовательных процессов. Программа на языке ОККАМ представляет собой совокупность асинхронных совместно протекающих взаимодействующих процессов, выполняющихся асинхронно и параллельно. Под процессом понимается ход исполнения программного кода некоторой программы или фрагмента программы. Взаимодействие между процессами реализуется путем обмена данными по принципу «рандеву». В транспьютере данная модель параллельных вычислений поддерживается благодаря наличию аппаратно-реализованного диспетчера, обеспечивающего выполнение параллельных процессов в режиме квантования времени. Причем количество одновременно выполняемых процессов не ограничено.
Мультипроцессорная система на базе транспьютеров представляет собой совокупность транспьютеров, соединенных по линиям связи (непосредственно или через коммутатор).
Существенно упростить программирование мультипроцессорных вычислительных систем на базе транспьютеров позволяет тот факт, что одинаковая модель параллельных вычислений поддерживается как внутри отдельного транспьютера, так и в рамках мультитранспьютерной сети в целом. Благодаря этому программа, разрабатываемая для мультипроцессорной системы, может быть создана и отлажена на одном единственном процессоре, а затем перенесена на сеть транспьютеров без существенных преобразований. Исключение составляет ограничение числа каналов связи процесса с процессами, протекающими на другом транспьютере, хотя это ограничение уже устранено в новых видах транспьютеров, таких как, например, Т-9000.
Высокая степень «функциональной самостоятельности» транспьютера, простота интеграции и наличие периферийных устройств позволяют в короткие сроки создавать системы на их основе. Коммуникационные каналы транспьютера могут осуществлять обмен данными одновременно с вычислениями, практически не снижая производительности процессора. Благодаря этому качеству транспьютеров системы на их основе обладают хорошей масштабируемостью и высоким значением показателя эффективности – производительность/стоимость.
2. Понятие транспьютера и канала связи.
Появление транспьютеров связано с идеей создания различных по производительности ВС посредством прямого соединения однотипных процессорных чипов.
Транспьютер это элемент построения многопроцессорных систем, выполненный на одном кристалле большой интегральной схемы, продукт английской компании INMOS Ltd. (ныне — подразделение STMicroelectronics).
Первый транспьютер - Т414 - был представлен фирмой Inmos, Inc. (Бристоль, Великобритания) в 1983 г.
Широкую доступность и известность транспьютеры получили с 1985 г. Были выпущены модификации с большим объемом памяти (4 Кбайт) и более высокой тактовой частотой - семейство Т-4: Т424, Т425 - 20, 25 и 30 МГц, 16-разрядные модификации - семейство Т-2: Т212, Т222, транспьютеры со встроенным устройством выполнения операций с плавающей точкой - семейство Т-8: Т800, Т801, Т805. Производительность этих микропроцессоров достигает 30 MIPS и 4,3 MFLOPS. Выпускается ряд периферийных устройств транспьютерных семейств, к числу которых относятся микросхемы: М212 - контроллер НЖМД стандарта ST506, G412 - графический RGB-контроллер, С004 - программируемые 32-канальные коммутаторы и др.
Термин транспьютер происходит от слов Transistor и Computer. – «транзистор» и «компьютер». Такой генезис должен, по мнению разработчиков, подчёркивать возможность построения сложных вычислительных комплексов на базе транспьютеров, где их роль уподоблялась бы роли транзисторов, выступающих основным элементом при проектировании электронных схем.
Это сверхбольшая интегральная микросхема (СБИС), заключающая в себе центральный процессор, блок операций с плавающей запятой (кроме транспьютеров первого поколения Т212 и Т414), статическое оперативное запоминающее устройство, интерфейс с внешней памятью и несколько каналов связи.
Канал связи состоит из двух последовательных линий для двустороннего обмена. Он позволяет объединить транспьютеры между собой и обеспечить взаимные коммуникации. Данные могут пересылаться поэлементно или как вектор. Одна из последовательных линий используется для пересылки пакета данных, а вторая – для возврата пакета подтверждения, который формируется, как только пакет данных достигнет пункта назначения.
3. Архитектура транспьютера.
Обобщенная структура
1. центральный процессор;
2. АЛУ для операций с плавающей запятой;
3. каналы связи;
4. внутреннюю память (ОЗУ);
5. интерфейс для подключения внешней памяти;
6. интерфейс событий (систему прерываний);
7. логику системного сервиса (систему обслуживания);
8. таймеры.
Центральный процессор содержит 6 регистров, которые используются при выполнении последовательного процесса. Этими регистрами являются:
- указатель на рабочее поле, который указывает на область памяти, где хранятся локальные переменные;
- счетчик команд
регистр операнда, который используется для формирования операндов инструкций
Регистры транспьютера
Регистры А, В, и С формируют вычислительный стек и являются источником и приемником для большинства арифметических и логических операций.
Для вычисления выражений используется вычислительный стек. При этом инструкции обращаются к этому стеку неявным образом. Например, инструкция add складывает два верхних элемента стека и помещает результат в верхушку стека.
При проектировании было учтено, что транспьютер будет программироваться на языке высокого уровня. Поэтому набор инструкций подобран для простой и эффективной компиляции. Инструкции одинакового формата, наиболее часто встречающиеся в программах. Набор инструкций не зависит от разрядности процессора, что позволяет один и тот же микрокод использовать для транспьютеров различной разрядности.
Каждая инструкция занимает 1 байт, разделенный на 2 четырехбитных поля.
Имеется 16 функций, у которых значение операнда находится в пределах 0 – 15. 13 из них используются для представления наиболее важных функций, выполняемых любым компьютером. Сюда входят:
load constant |
add constant |
load local point |
load local |
store local |
|
load non-local |
store non-local |
call |
jump |
conditional jump |
С помощью компактных последовательностей из таких инструкций можно осуществить эффективный доступ к структурам данных и реализовать статические связи, которые используются при реализации языков программирования сложной структуры, таких как Оккам.
Для увеличения длины операндов инструкций используются еще два кода функций. Это prefix и negative prefix.
При выполнении всех инструкций четыре бита данных записываются в 4 младших разряда регистра операнда, который затем используется как операнд инструкции.
После завершения всех инструкций, кроме префиксных, регистр операнда обнуляется. При выполнении инструкции prefix четыре бита – данные загружаются в регистр операнда, который затем сдвигается влево на 4 позиции. При инструкции negative prefix происходит то же самое, только до сдвига содержимое регистра операнда переводится в дополнительный код. При использовании префиксных инструкций операнды могут быть расширены до любой длины, вплоть до разрядности регистра операнда. Другими словами, имеется возможность формировать операнды методом, не зависящим от разрядности процессора.
Кодирование косвенных функций выполнено таким образом, что наиболее часто встречающиеся операции выполняются без использования инструкции prefix.
Сюда входят арифметические,
логические операции и
add
esclusive or
greater than
Операции, встречающиеся реже, выполняются с использованием одной префиксной операции.
Кроме того, в ряде случаев используются инструкции для работы с цветной графикой, распознаванием образов и использования кодов, корректирующих ошибки.
Эффективность кодирования
Кодирование инструкций позволяет представлять программы, написанные на языке высокого уровня в компактном виде, по сравнению с традиционным набором. Так как программа занимает меньше места в памяти, меньше времени требуется на выборку инструкций. Так как при чтении из памяти извлекается одно слово, процессор при каждом чтении извлекает несколько инструкций.
Первый транспьютер Т212 содержал 16-разрядный арифметический процессор. Последующие транспьютеры были оснащены 32-разрядным целочисленным процессором (Т414) и процессором с плавающей запятой (Т800, Т9000), дающим существенное повышение скорости вычислений (до 100 MIPS). Версии, поддерживающие процессор с плавающей запятой, организованы так, что этот процессор и целочисленный процессор могут работать одновременно. В транспьютер Т9000 добавлена внутренняя кэш-память и процессор виртуального канала. Процессор транспьютера построен по архитектуре RISC, имеет микропрограммное УУ, а команды в нем выполняются за минимальное число циклов процессора. Простые операции, такие как сложение и вычитание, занимают один цикл, в то время как более сложные операции требуют нескольких циклов. Команды состоят из одного или нескольких байтов. Большинство версий транспьютеров имеют по 4 последовательных канала связи со скоростью передачи по каналу порядка 10 Мбит/с. По мере развития транспьютеров повысилась скорость передачи по каналам связи. Емкость внутренней памяти (вначале 2 Кбайт) также возросла. Появилась возможность подключения внешней памяти через интерфейс памяти. Схема этого интерфейса программируется и способна формировать различные сигналы для удовлетворения требованиям самых разнообразных микросхем внешней памяти.
Передача информации производится синхронно под воздействием либо общего генератора тактовых импульсов (ГТИ), либо локальных ГТИ с одинаковой частотой следования импульсов. Информация передается в виде пакетов. Каждый раз, когда пересылается пакет данных, приемник отвечает пакетом подтверждения
Пакет данных состоит из двух битов-единиц, за которыми следуют 8-битовые данные и ноль (всего 11 бит). Пакет подтверждения – это простая комбинация 10 (всего два бита); она может быть передана, как только пакет данных будет идентифицирован интерфейсом входного канала. Каналы обеспечивают аппаратную поддержку операторов ввода и вывода языка Occam и функционируют подобно каналам прямого доступа к памяти (ПДП), т.е. пакеты могут пересылаться один за другим как векторы. Для коммуникаций между процессами внутри транспьютера вместо внешних каналов операторы ввода/вывода используют внутренние каналы транспьютера.
Интерфейс событий дает возможность внешнему устройству привлечь внимание и получить подтверждение. Этот интерфейс функционирует как входной канал и аналогично программируется.
4. Объединение транспьютеров в группы.
Для образования транспьютерных
систем требуемого размера каналы различных
транспьютеров могут соединятьс
иерархической или смешанной.
На базе транспьютеров можно легко построить различные виды вычислительных систем (ВС). Четыре канала связи обеспечивают построение двумерного массива, где каждый транспьютер связан с четырьмя ближайшими соседями. Возможно объединение транспьютеров в группы с последующим соединением групп между собой. Если группа состоит из двух транспьютеров, то для подключения ее к другим группам остаются свободными 6 каналов связи (рис. 13.1, а). Комплекс из трех транспьютеров также оставляет свободными 6 каналов (рис. 13.1, б), а для связи с «квартетом» транспьютеров остаются еще 4 канала связи (рис. 13.1, в).
Особенности транспьютеров потребовали разработки для них специального языка программирования Occam. Название языка связано с именем философа-схоласта XIV века Оккама – автора концепции «бритвы Оккама»: «entia praeter necessitatem non sunt multiplicanda» – «понятия не должны умножаться без необходимости». Язык обеспечивает описание простых операций пересылки данных между двумя точками, а также позволяет явно указать на параллелизм при выполнении программы несколькими транспьютерами. Основным понятием программы на языке Occam является процесс, состоящий из одного или более операторов программы, которые могут быть выполнены последовательно или
параллельно. Процессы могут быть распределены по транспьютерам вычислительной системы, при этом оборудование транспьютера поддерживает совместное использование транспьютера несколькими процессами.
Первое поколение транспьютеров (Т212, Т414 и Т805) разрабатывалось для систем реального времени и цифровой обработки сигналов. Для подобных задач нужны сравнительно небольшие ВС со скоростными каналами связи между соседними процессорами и быстрым переключением контекста. Под контекстом понимается содержимое регистров, которое при переходе к новой задаче в ходе многозадачной обработки может быть изменено и поэтому должно быть сохранено, а при возврате к старой задаче – восстановлено.
В транспьютерах второго
5. Вычислительные системы с массовой параллельной обработкой.
Основным признаком, по которому ВС
относят к архитектуре с
Главные особенности, по которым ВС причисляют к классу MPP, следующие:
1. стандартные микропроцессоры;
2. физически распределенная память;
3. сеть соединений с высокой пропускной способностью и малыми задерж-ками;
4. хорошая масштабируемость (до тысяч процессоров);
5. асинхронная MIMD-система с пересылкой сообщений;
6. программа представляет собой множество процессов, имеющих отдельные адресные пространства.
В RM1000 используются микропроцессоры типа MIPS. Каждый узел со-держит процессор R4400, сетевую карту Ethernet и два канала ввода/вывода типа SCSI. Реализованный вариант включает в себя 192 узла, но сеть соединений предусматривает масштабирование до 4096 узлов. Каждый узел имеет коммуни-кационный компонент для подключения к соединяющей сети, организованной по топологии двумерной решетки. Связь с решеткой поддерживается схемами маршрутизации с четырьмя двунаправленными линиями для связи с соседними узлами и одной линией для подключения к данному процессорному узлу. Ско-рость передачи информации в каждом направлении – 50 Мбит/с.
Каждый узел работает под управлением своей копии операционной сис-темы, управляет «своими» периферийными устройствами и обменивается с дру-гими узлами путем пересылки сообщений по сети соединений. Операционная система содержит средства для повышения надежности и коэффициента го-товности.
При создании MPP-систем разные фирмы отдают предпочтение различным микропроцессорам и топологиям сетей соединений
6. Связной список процессов
Транспьютер может одновременно обрабатывать любое число параллельных процессов. Он
имеет микропрограммный планировщик, который производит распределение времени между ними. В любой момент времени параллельные процессы делятся на два класса: активные процессы (выполняются или готовы к выполнению) и неактивные процессы (ожидают ввода-вывода или определенного времени). Активные процессы, ожидающие выполнения, помещаются
в планировочный список. Планировочный список является связным списком рабочих областей этих активных процессов в памяти и задается значениями двух регистров, один из которых
указывает на первый процесс в списке, а другой − на последний.
Состояние процесса, готового к выполнению, сохраняется в его рабочей области. Состояние определяется двумя словами − текущим значением указателя инструкций и указателем на рабочую область следующего процесса в планировочном списке. Команда транспьютера start process создает новый активный процесс, добавляя его в конец планировочного списка. Перед выполнением этой команды в A-регистр вычислительного стека должен быть загружен указатель инструкций этого про-
цесса, а в B-регистр − указатель его рабочей области. Команда start process позволяет новому параллельному процессу выполняться вместе с другими процессами, которые транспьютер об-
рабатывает в данное время. Команда end process завершает текущий процесс, убирая его из планировочного списка. В Оккаме конструкция PAR может закончиться только тогда, когда завершатся все ее компоненты параллельного процесса. Каждая команда start process
увеличивает их число, а end process уменьшает. В транспьютере предусмотрен специальный механизм учета числа незавершившихся компонент данной параллельной конструкции
(необходимо учитывать как активные, так и неактивные процессы). При обработке параллельных процессов на самом деле присутствует не один, а два планировочных списка − список высокого приоритета и список низкого приоритета. Процессы с низким приоритетом могут выполняться только тогда, когда список высокого приоритета пуст, что должно быть его нормальным состоянием.
Коммутации между параллельными процессами осуществляются через каналы. Для организации этого обмена используются команды транспьютера input message и output message. Эти команды используют адрес канала, чтобы установить, является он внутренним (в том же транспьютере) или
внешним. Внутренний канал реализуется одним словом памяти, а обмен осуществляется путем пересылок между рабочими областями этих процессов в памяти транспьютера. Несмотря на принципиальные различия в реализации внутренних и внешних каналов команды обмена одинаковы и различаются только адресами. Это позволяет осуществить компиляцию процедур безотносительно к способу реализации каналов, а следовательно, и к конфигурации системы. Рассмотрим пересылку данных по внешнему каналу. Команда пересылки направляет автономному канальному интерфейсу задание на передачу данных и приостанавливает выполнение процесса. После окончания передачи данных канальный интерфейс помещает этот процесс в планировочный список. Во время обмена по внешнему каналу оба обменивающихся процесса становятся неактивными. Это позволяет транспьютеру продолжать обработку других процессов во время пересылки через более медленные внешние каналы. Каждый канальный интерфейс использует три своих регистра, в которые загружаются указатель на рабочую область процесса, адрес пересылаемых данных и количество пересылаемых байтов. Для пересылки данных используется простой протокол, не зависящий от разрядности транспьютера, что позволяет соединять транспьютеры разных типов. Сообщения передаются в виде отдельных пакетов, каждый из которых содержит один байт данных, поэтому наличие буфера в один байт в принимающем транспьютере является достаточным для исключения потерь при пересылках. После отправления пакета данных транспьютер ожидает получения пакета подтверждения от принимающего транспьютера. Пакет подтверждения показывает, что процесс-получатель готов принять этот байт и что канал принимающего транспьютера может начать прием следующего байта. Протокол передачи пакета данных позволяет отсылать пакет подтверждения, как только транспьютер идентифицировал начало пакета данных. Подтверждение может быть получено
передающим транспьютером еще до завершения передачи всего пакета данных, и поэтому пересылка данных может быть непрерывной, то есть без пауз между пакетами.
В транспьютере второго поколения Т-9000 главной особенностью является аппаратная реализация механизма виртуальных линков, который позволяет вести по одному физическому линку
обмен между произвольным числом пар процессоров. Физически линк, соединяющий два транспьютера Т-9000, состоит из двух проводников, предназначенных для передачи в одном направлении, и двух проводников для передачи в противоположном направлении. В каждом направлении по одному информационному проводнику передаются данные, а по второму − синхросигнал, стробирующий эти данные. При передаче очередного бита данных, если его значение изменяется по сравнению с предыдущим битом данных, значение сигнала в линии стробирования не изменяется, и наоборот, если значения передаваемого и предыдущего битов одинаковы, то меняется значение в линии стробирования.
7. Заключение
В настоящее время тенденция в развитии микропроцессоров и систем, построенных на их основе, направлена на все большее повышение их производительности. Вычислительные возможности любой системы достигают своей наивысшей производительности благодаря двум факторам: использованию высокоскоростных элементов и параллельному выполнению большого числа операций.
С помощью транспьютеров были реализованы
идеи построения параллельных систем,
которые функционируют и
Транспьютеры успешно
В настоящее время транспьютеры не производятся, будучи вытесненными похожими разработками конкурентов, особенно Texas Instrument (TMS320) и Intel (80860). Принято считать, что концепция транспьютеров оказала заметное влияние на развитие микропроцессорной техники 80/90-х годов. Так, термин линк (link) - физический канал связи между параллельно работающими процессорами - пришёл из транспьютеров, а протокол транспьютерного линка стал стандартом IEEE.
8. Список используемых источников.
1. Корнеев В.В. Вычислительные системы. М. Гелиос АРВ, 2004.
2. Шнитман В.З., Кузнецов С.Д. Аппаратно-программные платформы корпоративных информационных систем. http://www.citforum.ru..
3. Ясинский Ф.Н., Чернышева Л.П. Многопроцессорные вычислительные системы. Архитектура. Математическое моделирование. Учебное пособие. Иваново, ИГЭУ, 1998 г. – 108 с.
4. Эндрюс Г.Р. Основы многопоточного, параллельного и распределенного программирования. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 512 с.
Приложение 1
модель вычислительной системы на базе транспьютеров Т-800
Архитектура семейств Т-2, Т-4, Т-8
Транспьютеры относятся к
Мультипроцессорная система на базе транспьютеров представляет собой совокупность транспьютеров, соединенных линиями связи (непосредственно или через коммутатор).
Существенно упростить программирование мультипроцессорных ВС на базе транспьютеров позволяет тот факт, что одинаковая модель параллельных вычислений поддерживается как внутри отдельного транспьютера, так и в рамках мультитранспьютерной системы в целом. Благодаря этому программа, разрабатываемая для мультипроцессорной системы, может быть создана и отлажена на одном единственном процессоре, а затем перенесена на сеть транспьютеров без существенных преобразований. Исключение составляет ограничение числа каналов связи процесса с процессами, протекающими на другом транспьютере. Это ограничение преодолено в транспьютере Т-9000.
Обобщенная структура
В зависимости от модели, транспьютер состоит из 32- или 16-разрядного центрального процессора, интерфейса внешней памяти, 2 или 4 двунаправленных каналов - линков, программируемого блока событий (Event), таймера, внутреннего ОЗУ емкостью 2 или 4 Кбайт, блока режимов работы линков, блока системных функций. Некоторые модели могут содержать 64-разрядное устройство операций с плавающей точкой и (или) интерфейсные схемы внешних устройств, такие как НЖМД, ЭЛТ, сетевой адаптер. (Контроллеры внешних устройств обычно выполняются на кристалле вместо двух линков).
- Архитектура города Бендеры
- Архитектура древнего Египта
- Архитектура древнего Египта
- Архитектура Древнего Египта
- Архитектура Древнего Египта
- Архитектура Древнего Египта
- Архитектура Древнего Египта
- Архитектура Византии
- Архитектура Владимиро-Суздальского княжества
- Архитектура Владимиро-Суздальского княжества
- Архитектура времен архаики. Появление древнегреческого ордера
- Архитектура вычислительной сети. Виды и топологии локальных вычислительных сетей
- Архитектура вычислительных сетей
- Архитектура вычислительных систем
