Микропроцессорные системы и способы распараллеливания

Мультимикропроцессорные вычислительные системы

В настоящее время выбор сделан в пользу многопроцессорных симметричных ВС типа MIMD, обеспечивающих виртуализацию вычислительных ресурсов. Основу такой ВС составляет суперскалер, сосредоточивший в себе все способы достижения максимального быстродействия при выполнении одиночной программы. Векторные и векторно-конвейерные процессоры и системы получили своё место. Их эффективность как самостоятельных установок могла быть достаточно высокой только при решении специальных задач и тестов. Поэтому достаточно быстро выяснилось, что эти установки могут выполнять функции интеллектуальных терминалов при решении основной задачи на другом универсальном вычислительном средстве и выполнять лишь отдельные его заявки. Сегодня стало окончательно ясно, что первые эффективны лишь в роли специализированных вычислительных устройств для решения специальных задач. Вторые твердо заняли место в составе многофункциональных арифметическо-логических устройств (АЛУ) суперскалеров, ибо без конвейеров мы не мыслим себе выполнение всех операций ВС.

Складывается и структура памяти ВС, которая может совмещать в одной установке все способы доступа: от разделяемой (общей) до распределенной оперативной памяти. Однако ограниченные возможности эффективной работы с общей памятью часто диктуют иерархическую структуру ВС, где уровни иерархии (кластеры) отличаются или способом доступа к оперативной памяти, или тем, что каждый кластер имеет свою собственную физическую память в общем адресном пространстве. При этом принцип буферизации, основанный на многоуровневой по быстродействию (и, конечно, — различной по технологии) памяти, на активном использовании Кэш-памяти, продолжает развиваться. Кэш-память, как память самого высокого уровня, претерпевает функциональное разбиение в зависимости от типа данных, для хранения которых она предназначена, либо, в зависимости от вида обработки, — программ или данных.

Все сказанное выше подтверждает перспективность структурных решений при проектировании многопроцессорного комплекса "Эльбрус-3" и его микропроцессорного развития "Эльбрус-3М", "Эльбрус-2К". Таким образом, структура "длинного командного слова" (архитектура VLIW, лежащая в основе EPIC ) попадает в разряд классических.

Сейчас микропроцессор, сконцентрировавший все достижения микроэлектроники, является основной составляющей элементно-конструкторской базы ВС. Поэтому понятие "мультимикропроцессорные ВС" пришло на смену понятию "микропроцессорные ВС".

Анализ современных мультимикропроцессорных ВС позволяет выделить те развиваемые характерные решения, которые в условиях микроминиатюризации и снижения энергоемкости, "экономного" логического развития обеспечивают необходимые свойства универсального применения.

Такими решениями являются следующие.

1. Многопроцессорные кристаллы. Воспроизведение многопроцессорной ВС на одном кристалле в значительной степени характерно для сигнальных вычислительных средств, специализирующихся на обработке двух- и трехмерных изображений, которые применяются в цифровом телевидении и радиовещании, при передаче изображений по каналам связи и др. Такие средства эффективно используются в качестве нейрокомпьютеров.

   Например, на одном кристалле MVP (Multimedia Video Processor) семейства TMS 320 C80 (фирма Texas Instrument ) расположены 4 32 -разрядных цифровых сигнальных процессора ( DSP — Digital Signal Processor) с фиксированной запятой ( ADSP-0 — ADSP-3 ). Их особенность — высокая степень конвейеризации и до 64 бит длина командного слова для параллельного выполнения нескольких операций. Система команд содержит команды над битовыми полями и структурами данных, несущими графическую информацию. Такая специализация обусловила понятие — DSP-архитектура.

   Процессоры работают независимо. Т.е. ВС — типа MIMD — (Multiple-Instruction, Multiple-Data). Программируются отдельно на ассемблере или ЯВУ. Данными обмениваются через общую внутрикристальную память.

   Каждый из ADSP содержит КЭШ-память команд ( 2 Кбайта), и через матричный коммутатор Crossbar получает доступ к 32 из имеющихся 50 Кбайт быстродействующей статической внутренней памяти. Память расслоенная — поделена на сегменты. Если два и более процессора в одном цикле попытаются обратиться к одному сегменту, аппаратная система управления доступом с циклическим изменением приоритета ( round robin prioritization ) позволит сделать это только одному процессору.

   32 -разрядное АЛУ ADSP может работать как два 16 - или четыре 8 -разрядных АЛУ. Этого достаточно для обработки видеоизображений. Специальные блоки ускоряют обработку графики. Блоки генерации адресов формируют кольцевые (бесконечные) буферы. Аппаратно поддержаны три вложенных цикла.

   RISC -процессор управляет четырьмя ADSP с помощью диспетчера. Диспетчер и планировщик заданий тесно взаимодействуют с контроллером пересылок. Кроме того, управляющий процессор самостоятельно выполняет вычисления и обеспечивает обмен с внешними устройствами. Содержит встроенный блок плавающей арифметики и набор векторных операций с плавающей запятой, оптимизированных для обработки изображений, звука и трехмерной графики.

2. Транспьютерная технология. Представленная выше архитектура обладает такой конструктивной законченностью, которая позволяет как встраивать ее в некоторую систему, так и организовать взаимодействие нескольких кристаллов. Это обеспечивается развитыми средствами связи и обмена данными.

   Возможность комплексирования привлекла внимание еще на раннем этапе развития микропроцессоров (в середине 1980-х годов) и привела к построению транспьютеров — микропроцессоров, снабженных развитыми средствами комплексирования. Таким образом, создавались "кирпичики", на основе которых можно было создавать сложные структуры. Эта тенденция не только сохранилась, но является необходимым средством построения мультимикропроцессорных ВС.

   Преследуя многофункциональность средств обмена, не обязательно требовать их размещения на одном кристалле с центральным процессором. Так, фирма Analog Devices предлагает микропроцессоры ADSP-21060/62 SHARC ("АКУЛА") для цифровой обработки сигналов, специально предназначенные для комплексирования.

   Средства комплексирования "АКУЛЫ":

   • магистраль для подключения 6 "АКУЛ" и одного ХОСТ-процессора (управляющего, с привилегированным доступом к магистрали, а также к памяти каждого процессора — через специальный порт);
   • сигнальные регистры в составе каждого процессора, непосредственно связанные (одной ножкой) с каждым из других процессоров — для контроля их состояния;
   • ЛИНКи — каждый процессор имеет 6 выходов (ЛИНКов) для непосредственной связи "процессор - процессор".

3. Общее адресное пространство комплексируемых микропроцессоров "АКУЛА" обеспечивает псевдообщую память и исключает необходимость программной организации обмена данными. Если адрес физически принадлежит ОП другого процессора, то обмен организуется автоматически, без вмешательства пользователя (т.е. программно не предусматривается).

4. Межпроцессорный (магистральный) обмен инициируется в том случае, если адрес считывания или записи принадлежит адресному пространству другого процессора (единичный обмен). Аналогично возникают групповые пересылки данных с использованием "чужого" адресного пространства.

Пользователь не составляет программу обмена, даже для контроллера обмена данных. Достаточно указать "чужие" адреса.

Процессоры обмениваются сигналами состояния. Поэтому каждый процессор знает, кто является "хозяином" магистрали, т.е. ведет обмен, и свой приоритет в очереди к магистрали. По завершении каждого обмена производится циклическая смена приоритетов процессоров, которым нужна магистраль. Процессор с максимальным приоритетом становится "хозяином".Обмен может прерываться только ХОСТ-процессором.

Микропроцессор утверждается в роли основы элементно-конструкторской базы ВС, и это поняли ведущие разработчики.

В этом смысле привлекает внимание трансформация интересов "отца суперкомпьютеров" С.Крея, который признал определяющую роль принципа MIMD при построении ВС Cray Superserver 6400 System ( CS640 ), выпускаемой корпорацией Cray Research в сотрудничестве с компанией SUN Microsystems (сотрудничество с фирмой SUN ныне характерно и для ведущих российских разработчиков).

Система предполагает наращиваемую конфигурацию от 4 до 64 процессоров SuperSPARC. Принято компромиссное решение на основе классической схемы разделения (общей) ОП при многопроцессорной обработке и распределенной памяти при параллельной обработке массивов. Чтобы работать с частично распределенной памятью в ОЗУ, ВС имеет в любой конфигурации 4 шины. Шина использует сетевую технологию "коммутации пакетов". Это позволяет находить путь обмена единицами информации в соответствии с занятостью или освобождением шин.

В целом, архитектуру следует считать шинной, хотя наличие нескольких шин делает ее промежуточной между шинной и использующей матричный коммутатор.