Исследование архитектуры современных микропроцессоров и вычислительных систем (стр. 6 из 14)
- реализация параллелизма - аппаратная;
- связь процессоров - двумерная топология с сильной связностью;
- способ управления - dataflow.
Архитектура типа dataflow:
- гранулярность - на уровне команд;
- реализация параллелизма - комбинированная;
- связь процессоров - простая топология с сильной либо средней связностью и использованием принципа dataflow;
- способ управления - асинхронно-dataflow.
Несмотря на то, что классификация Е. Кришнамарфи построена лишь на четырех признаках, она позволяет выделить и описать такие "нетрадиционные" параллельные системы, как систолические массивы, машины типа dataflow и wavefront. Однако эта же простота является и основной причиной ее недостатков: некоторые архитектуры нельзя однозначно отнести к тому или иному классу, например, компьютеры с архитектурой гиперкуба и ассоциативные процессоры. Для более точного описания таких машин потребуется ввести еще целый ряд характеристик, таких, как размещение задач по процессорам, способ маршрутизации сообщений, возможность реконфигурации, аппаратная поддержка языков программирования и другие. Вместе с тем ясно, что эти признаки формализовать гораздо труднее, поэтому есть опасность вместо ясности внести в описание лишь дополнительные трудности.
1.11 Классификация Скилликорна
В 1989 году была сделана очередная попытка расширить классификацию Флинна и, тем самым, преодолеть ее недостатки. Д.Скилликорн разработал подход, пригодный для описания свойств многопроцессорных систем и некоторых нетрадиционных архитектур, в частности dataflow и reduction machine.
Предлагается рассматривать архитектуру любого компьютера, как абстрактную структуру, состоящую из четырех компонент:
- процессор команд (IP - Instruction Processor) - функциональное устройство, работающее, как интерпретатор команд; в системе, вообще говоря, может отсутствовать;
- процессор данных (DP - Data Processor) - функциональное устройство, работающее как преобразователь данных, в соответствии с арифметическими операциями;
- иерархия памяти (IM - Instruction Memory, DM - Data Memory) - запоминающее устройство, в котором хранятся данные и команды, пересылаемые между процессорами;
- переключатель - абстрактное устройство, обеспечивающее связь между процессорами и памятью.
Функции процессора команд во многом схожи с функциями устройств управления последовательных машин и, согласно Д.Скилликорну, сводятся к следующим:
- на основе своего состояния и полученной от DP информации IP определяет адрес команды, которая будет выполняться следующей;
- осуществляет доступ к IM для выборки команды;
- получает и декодирует выбранную команду;
- сообщает DP команду, которую надо выполнить;
- определяет адреса операндов и посылает их в DP;
- получает от DP информацию о результате выполнения команды.
Функции процессора данных делают его , во многом, похожим на арифметическое устройство традиционных процессоров:
- DP получает от IP команду, которую надо выполнить;
- получает от IP адреса операндов;
- выбирает операнды из DM;
- выполняет команду;
- запоминает результат в DM;
- возвращает в IP информацию о состоянии после выполнения команды.
В терминах таким образом определенных основных частей компьютера структуру традиционной фон-неймановской архитектуры можно представить в следующем виде:
Рисунок 1.15 – Структура фон-неймановской архитектуры
Это один из самых простых видов архитектуры, не содержащих переключателей. Для описания параллельных вычислительных систем автор зафиксировал четыре типа переключателей, без какой-либо явной связи с типом устройств, которые они соединяют:
- 1-1 - переключатель такого типа связывает пару функциональных устройств;
- n-n - переключатель связывает i-е устройство из одного множества устройств с i-м устройством из другого множества, т.е. фиксирует попарную связь;
- 1-n - переключатель соединяет одно выделенное устройство со всеми функциональными устройствами из некоторого набора;
- nxn - каждое функциональное устройство одного множества может быть связано с любым устройством другого множества, и наоборот.
Примеров подобных переключателей можно привести очень много. Так, все матричные процессоры имеют переключатель типа 1-n для связи единственного процессора команд со всеми процессорами данных. В компьютерах семейства Connection Machine каждый процессор данных имеет свою локальную память, следовательно, связь будет описываться как n-n. В тоже время, каждый процессор команд может связаться с любым другим процессором, поэтому данная связь будет описана как nxn.
Классификация Д.Скилликорна состоит из двух уровней. На первом уровне она проводится на основе восьми характеристик:
- количество процессоров команд (IP);
- число запоминающих устройств (модулей памяти) команд (IM);
- тип переключателя между IP и IM;
- количество процессоров данных (DP);
- число запоминающих устройств (модулей памяти) данных (DM);
- тип переключателя между DP и DM;
- тип переключателя между IP и DP;
- тип переключателя между DP и DP.
Рассмотрим упомянутый выше компьютер Connection Machine 2. В терминах данных характеристик его можно описать: (1, 1, 1-1, n, n, n-n, 1-n, nxn),
Для сильно связанных мультипроцессоров (BBN Butterfly, C.mmp) ситуация иная. Такие системы состоят из множества процессоров, соединенных с модулями памяти с помощью динамического переключателя. Задержка при доступе любого процессора к любому модулю памяти примерно одинакова. Связь и синхронизация между процессорами осуществляется через общие (разделяемые) переменные. Описание таких машин в рамках данной классификации выглядит так: (n, n, n-n, n, n, nxn, n-n, нет),
Используя введенные характеристики и предполагая, что рассмотрение количественных характеристик можно ограничить только тремя возможными вариантами значений: 0, 1 и n (т.е. больше одного), можно получить 28 классов архитектур.
В классах 1-5 находятся компьютеры типа dataflow и reduction, не имеющие процессоров команд в обычном понимании этого слова. Класс 6 это классическая фон-неймановская последовательная машина. Все разновидности матричных процессоров содержатся в классах 7-10. Классы 11 и 12 отвечают компьютерам типа MISD классификации Флинна и на настоящий момент, по мнению автора, пусты. Классы с 13-го по 28-й занимают всесозможные варианты мультипроцессоров, причем в 13-20 классах находятся машины с достаточно привычной архитектурой, в то время, как архитектура классов 21-28 пока выглядит экзотично.
На втором уровне классификации Д.Скилликорн просто уточняет описание, сделанное на первом уровне, добавляя возможность конвейерной обработки в процессорах команд и данных.
В конце данного описания имеет смысл привести сформулированные автором три цели, которым должна служить хорошо построенная классификация:
- облегчать понимание того, что достигнуто на сегодняшний день в области архитектур вычислительных систем, и какие архитектуры имеют лучшие перспективы в будущем;
- подсказывать новые пути организации архитектур - речь идет о тех классах, которые в настоящее время по разным причинам пусты;
- показывать, за счет каких структурных особенностей достигается увеличение производительности различных вычислительных систем; с этой точки зрения, классификация может служить моделью для анализа производительности.
1.12 Классификация Дазгупты
Одним из последних исследований по классификации архитектур, по-видимому, является работа С. Дазгупты, вышедшая в 1990 году. Автор использовал позитивные идеи работы Скилликорна, которая была рассмотрена ранее в данном обзоре. Пытаясь расширить описательные возможности классификации, он разработал иерархическую систему для классификации архитектур. Изложим ее основные идеи.
Предлагаемая система построена на основе семи элементарных понятий - базовых элементов архитектуры.
Базовые элементы архитектуры:
- iM - память с расслоением - память, из которой можно выбрать несколько единиц информации за один цикл памяти;
- sM - простая память - память, из которой можно выбрать единицу информации за цикл памяти;
- C - программируемая или непрограммируемая кэш-память. Буферные регистры, подобные регистрам CRAY-1, также описываются, как кэш-память;
- sI - простой (неконвейерный) процессор для подготовки команды к исполнению;
- pI - конвейерный процессор для подготовки команды к исполнению;
- sX - простой процессор для исполнения команды;
- pX - конвейерный процессор для исполнения команды.
Заметим, что функции процессора для подготовки команды к исполнению (I) эквивалентны тем, которые выполняет процессор команд (IP) по классификации Скилликорна, с дополнительной возможностью обращения к кэш-памяти. Аналогично, функции процессора для исполнения команд (X) совпадают с функциями процессора данных (DP) у Скилликорна, включая дополнительно работу с кэш-памятью.
Если архитектура содержит N элементов типа A, которые могут работать в системе параллельно и независимо (обозначим эту возможность AN), то AN будем называть сложным элементом типа A. Считается, что составляющие сложного элемента не имеют между собой физической связи. Например:
sM3 - три блока простой памяти, к которым можно обращаться параллельно и независимо;
sI4 - четыре неконвейерных процессора, которые могут параллельно и независимо подготовить к исполнению команды из четырех потоков команд.
Назовем кэш-процессором CP объединение C-элемента с I, X или другими CP.
Например, C.sI, C.(C2.pI)2
Обозначение Ä1.A2" подразумевает последовательное соединение элемента A1 с элементом A2.
Например, процессор команд с кэш-памятью: C.sI C - sI
Назовем кэш-процессором с памятью MCP объединение M-элемента с I, X, CP или другими MCP.
Например, iM.(C.sI2)k, sM.iM.C.pIn
Процессором для подготовки команд I" назовем MCP, который представляет собой законченную подсистему подготовки команды к исполнению.