Матричні та векторні процесори. Паралельна та RISC-архітектура
Архітектура комп’ютера – це сукупність його властивостей та характеристик, які розглядаються з точки зору користувача і висвітлюють систему команд, типи даних, способи керування пам’яттю, організацію введення, виведення. Отже, архітектура комп’ютера- це програмне та апартне забезпечення.
Організація паралельної роботи вузлів комп’ютера розвивається в двох напрямках:
– вдосконалення комп’ютерної структури за рахунок усунення дизбалансу між швидкістю роботи центрального процесора та швидкістю доступу до оперативної пам’яті;
– повторення однотипних пристроїв об’єднаних певним чином за певною технологією.
Застосування ідеї паралелізму проводилось на декілької ієрархічних рівнях:
1. рівень завдань – між завданнями та виконанням роботи на комп’ютері або між фазами завдань;
2. програмний рівень – між частинами програми;
3. командний рівень – між фазами виконання команди або інструкціями процесора;
4. арифметичний і розрядний рівні – між елементами векторних операцій або в середині логічних схем арифметичного пристрою.
Таким чином, принципові способи введення паралелізму в архітектуру комп’ютера можна розділити на такі групи:
1. функціональна обробка – надання декільком пристроям можливостей виконання різноманітних функції.
2. конвеєрна обробка
3. матрична обробка – використовується матриця однакових процесорних елементів із загальною системою керування, де всі елементи виконують одну і ту ж операцію, але з різними даними, які зберігаються в їх власній пам’яті. ПЕ – процесорний елемент.
Розрізняють такі види процесорів:
1. Матрична процесорна система
Складається з 4-х компонентів: провідний комп’ютер, масив процесорних елементів, система інтерфейсу, мережа обміну.
Провідний комп’ютер – забезепечує керування даними та керування системою інтерфейсу та мережею обміну. Матриця процесорних елементів містить певну кількість процесорних елементів, що виконують порозрядні чи багаторозрядні операції. Система інтерфейсу виконує функції завантаження та відкачування даних. Мережа обміну забезпечує множину з’єднань між процесорами або між процесорами та пам’яттю.
2. Систолічний процесор
Систолічна система – це мережа процесорів, які виконують ритмічні обчислення та передачу даних по системі. Кожний процесор регулярно перекачує дані, виконуючи короткі обчислення так, що в мережі регулярно приймається потік даних. Систолічний процесор відноситься до спеціалізованих машин, тобто орієнтований тільки на один клас задач. Переваги: велика продуктивність, економічність, простота виготовлення. Недоліки: переміщення даних по системі відбувається під керуванням глобальної синхронізації, що вводить додаткову затримку, а витрати на синхронізацію повної обчислювальної мережі надзвичайно великі для масивів з надвисоким рівнем інтеграції.
3. Хвильові процесори
Вирішують проблему систолічних процесорів із синхронізацією. В основі лежить принцип керування потоком даних, тому команди виконуються по мірі доступності операндів. При такому підході надходження даних сусідніх процесорів інтерпретується як зміна стану і буде ініціювати певну дію. Хвильові процесори нагадують своєю роботою процес поширення хвилі і вони є розподіленою, глобальною матричною системою обчислень.
4. RISK-архітектури.
ЦЕ комп’ютери із скороченим набором команд. Їх основні властивості:
– використання команди фіксованої довжини і ширини;
– регулярність, простота системи команд дозволяє використовувати одні і ті ж апаратні пристрої для виконання команд;
– більшість команд виконується за один машинний такт;
– архітектура орієнтована на регістри.
Переваги: простота апаратної реалізації, швидке дешифрування команд, мала тривалість такту, швидке виконання команд, можливість ефективного створення конвеєра команд.
Недоліки: низька швидкодія обміну з пам’яттю, додаткові вимоги до програмного забезпечення.