Исследование архитектуры современных микропроцессоров и вычислительных систем (стр. 7 из 14)

Процессором для исполнения команд X" назовем MCP, который представляет собой законченную подсистему для выполнения команды.

Процессоры, как и базовые элементы, могут быть сложными элементами архитектуры в смысле определения данного выше.

Полным описанием архитектуры может служить одиночная или повторяющаяся последовательность, составленная из I" и X" процессоров.

Символьную строку, описывающую некоторый базовый элемент, сложный элемент, процессор или всю архитектуру, будем называть формулой архитектуры.

Каждая формула служит описанием некоторой структуры. Введем два оператора, устанавливающих соответствие между формулой и структурой:

1) Пусть R - формула. Тогда оператор Rep(R) описывает следующую структуру:

Другими словами, если R = AN, то структура описывается оператором Rep(R);

2) Пусть R = R1.R2. ... .Rn - формула, где Ri может быть базовым или сложным элементом, простым или сложным процессором. Обозначим head(R) = R1 - самую левую составляющую в формуле; tail(R) = Rn - самую правую составляющую в формуле.

Введем второй оператор Link. Пусть R1 и R2 - формулы. Тогда Link(R1, R2):

а) если tail(R1) и head(R2) - простые составляющие, то

б) если tail(R1) простая, а head(R2) - сложная составляющая вида Z_n, то

в) если tail(R1) - сложная составляющая вида W_n, а head(R2) - простая, то

г) если tail(R1) - сложная составляющая вида W_n, а head(R2) - сложная составляющая вида Z_m, то

Легко понять, что оператор Link явно описывает связи между элементами архитектуры. В классификации Скилликорна этим целям служили переключатели четырех типов (см. классификацию Д.Скилликорна ).

Используя систему понятий и обозначений, введенных выше, автор строит следующую систему классификации.

Назовем классом классификационной схемы именованную группу объектов, которые по некоторым специально выделенным свойствам отличаются от объектов других классов. Множество классов образует категорию.

Множество свойств, которые являются определяющими при отнесении объекта к какому-либо классу, назовем классификационными характеристиками (TC - taxonomic characters). В нашем случае введенные выше базовые элементы архитектуры определяют эти классификационные характеристики.

В сложных системах классификации может быть несколько категорий, образующих иерархию. Каждый объект может появляться только в одном классе в некоторой категории.

С. Дазгупта предлагает для систематизации архитектур классификацию с тремя уровнями (категориями) иерархии. Он считает, что иерархические системы обладают рядом привлекательных свойств. В частности, подобные системы позволяют не только легче сравнивать объекты, но также дают возможность определять, по каким параметрам и в какой степени объекты одного уровня иерархии сходны или различны.

Иерархия категорий строится таким образом, что объекты более низкого уровня обладают всеми свойствами объектов выше расположенного уровня и некоторыми дополнительными свойствами. Таким образом, степень детализации описания архитектуры будет уменьшаться при переходе к категориям более высокого уровня иерархии.

Итак, автор предлагает следующую иерархию категорий:

1) Самый низкий уровень - категория КЭШ-процессора с памятью MCP (memory-cache processor).

Классами этой категории являются всевозможные различные архитектуры. Соответствующую архитектуре формулу можно рассматривать как имя класса.

2) Более высокий уровень - категория КЭШ-процессора (СP). Множество классов этой категории получается путем удаления из классов категории CP составляющих, описывающих память.

3) Самый высокий уровень - категория процессора (P). Классы получают удалением кэш-составляющих из классов категории CP.

На каждом уровне описание архитектуры задается формулой, отображающей те свойства архитектуры, которые являются существенными для данной категории.

Наиболее низкий уровень иерархии содержит в виде формулы самое подробное описание архитектуры в терминах различных типов памяти и процессоров, с возможностью количественного отображения различных элементов архитектуры и указания природы связей между ними.

Две архитектуры принадлежат к одному классу в CP категории, если совпадают их описания процессоров и кэш-памяти. Если две архитектуры сходны только по описанию процессоров команд, то они попадают в один класс процессорной категории.

В заключении отметим, что те уровни иерархии, которые выделены Дазгуптой, не являются единственно возможными. Могут появиться другие варианты в зависимости от целей систематизации архитектур ( например, не всегда нас интересует конкретное число процессоров в системе или тип используемой памяти).

1.13 Классификация Дункана

В работе Р.Дункан излагает свой взгляд на проблему классификации архитектур параллельных вычислительных систем, причем сразу определяет тот набор требований, на который, с его точки зрения, может опираться искомая классификация:

1) Из класса параллельных машин должны быть исключены те, в которых параллелизм заложен лишь на самом низком уровне, включая:

- конвейеризацию на этапе подготовки и выполнения команды (instruction pipelining), т.е. частичное перекрытие таких этапов, как дешифрация команды, вычисление адресов операндов, выборка операндов, выполнение команды и сохранение результата;

- наличие в архитектуре нескольких функциональных устройств, работающих независимо, в частности, возможность параллельного выполнения логических и арифметических операций;

- наличие отдельных процессоров ввода/вывода, работающих независимо и параллельно с основными процессорами.

Причины исключения перечисленных выше особенностей автор объясняет следующим образом. Если рассматривать компьютеры, использующие только параллелизм низкого уровня, наравне со всеми остальными, то, во-первых, практически все существующие системы будут классифицированны как "параллельные" (что заведомо не будет позитивным фактором для классификации), и, во-вторых, такие машины будут плохо вписываться в любую модель или концепцию, отражающую параллелизм высокого уровня.

2) Классификация должна быть согласованной с классификацией Флинна, показавшей правильность выбора идеи потоков команд и данных.

3) Классификация должна описывать архитектуры, которые однозначно не укладываются в систематику Флинна, но, тем не менее, относятся к параллельным архитектурам (например, векторно-конвейерные).

Учитывая вышеизложенные требования, Дункан дает неформальное определение параллельной архитектуры, причем именно неформальность дала ему возможность включить в данный класс компьютеры, которые ранее не вписывались в систематику Флинна. Итак, параллельная архитектура - это такой способ организации вычислительной системы, при котором допускается, чтобы множество процессоров (простых или сложных) могло бы работать одновременно, взаимодействуя по мере надобности друг с другом. Следуя этому определению, все разнообразие параллельных архитектур Дункан систематизирует так, как показано на рис. 1.16:

Риснунок 1.16 – Классификация параллельных архитектур по Дункану

По существу систематика очень простая: процессоры системы работают либо синхронно, либо независимо друг от друга, либо в архитектуру системы заложена та или иная модификация идеи MIMD. На следующем уровне происходит детализация в рамках каждого из этих трех классов. Дадим небольшое пояснение лишь к тем из них, которые на сегодняшний день не столь широко известны.

Систолические архитектуры (их чаще называют систолическими массивами) представляют собой множество процессоров, объединенных регулярным образом (например, система WARP). Обращение к памяти может осуществляться только через определенные процессоры на границе массива. Выборка операндов из памяти и передача данных по массиву осуществляется в одном и том же темпе. Направление передачи данных между процессорами фиксировано. Каждый процессор за интервал времени выполняет небольшую инвариантную последовательность действий.

Гибридные MIMD/SIMD архитектуры, dataflow, reduction и wavefront вычислительные системы осуществляют параллельную обработку информации на основе асинхронного управления, как и MIMD системы. Но они выделены в отдельную группу, поскольку все имеют ряд специфических особенностей, которыми не обладают системы, традиционно относящиеся к MIMD.

MIMD/SIMD - типично гибридная архитектура. Она предполагает, что в MIMD системе можно выделить группу процессоров, представляющую собой подсистему, работающую в режиме SIMD (PASM, Non-Von). Такие системы отличаются относительной гибкостью, поскольку допускают реконфигурацию в соответствии с особенностями решаемой прикладной задачи.

Остальные три вида архитектур используют нетрадиционные модели вычислений. Dataflow используют модель, в которой команда может выполнятся сразу же, как только вычислены необходимые операнды. Таким образом, последовательность выполнения команд определяется зависимостью по данным, которая может быть выражена, например, в форме графа.

Модель вычислений, применяемая в reduction машинах иная и состоит в следующем: команда становится доступной для выполнения тогда и только тогда, когда результат ее работы требуется другой, доступной для выполнения, команде в качестве операнда.

Wavefront array архитектура объединяет в себе идею систолической обработки данных и модель вычислений, используемой в dataflow. В данной архитектуре процессоры объединяются в модули и фиксируются связи, по которым процессоры могут взаимодействовать друг с другом. Однако, в противоположность ритмичной работе систолических массивов, данная архитектура использует асинхронный механизм связи с подтверждением (handshaking), из-за чего "фронт волны" вычислений может менять свою форму по мере прохождения по всему множеству процессоров.