Архитектура вычислительных систем

 

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 вопросы  (архитектура, основные компоненты, функционирование) конкретной системы.

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 базе  транспьютеров Т-800

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 транспьютера включает в себя:

 

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 операции  сравнения, такие как:

 

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.