Спеціалізовані комп’ютерні системи цос

 

Матричні асинхронні комп’ютерні системи ЦОС. В основі структурної організації комп’ютерних систем ЦОС лежить матрична мережа, яка є двовимірною сукупністю процесорів, які апаратно-програмно відображають конкретизований потоковий граф алгоритму розв’язання задачі.

Асинхронні комп’ютерні системи ЦОС це системи, в яких обмін між процесорами здійснюється за готовністю проміжних результатів обчислень, відсутня глобальна синхронізація та результати обчислень отримуються асинхронно []. Особливістю більшості асинхронних комп’ютерних систем ЦОС є обчислення, що керуються потоком даних. Базова структура асинхронної алгоритмічної комп’ютерної системи ЦОС на основі масиву АП={АП₁,АП₂,...,АП_р} наведена на рис.14.2, де ПК – пристрій керування; БПП_Вх і БПП_Вих – вхідна і вихідна буферна паралельна пам’ять.

 

Рис.14.2 Базова структура асинхронної комп’ютерних систем ЦОС комп’ютерних систем ЦОС

 

Перед початком роботи такої комп’ютерної системи ЦОС здійснюється налаштування АП на виконання відповідних макрооперацій, виконується необхідна комутація між АП та проводиться програмування генераторів адрес вхідної і вихідної БПП на формування необхідної послідовності адреси.

Швидкодія асинхронної комп’ютерної системи ЦОС на базі АП визначається часом обчислення, який дорівнює

 

 

де N – розмір масиву даних; m- кількість трактів опрацювання; t_jk - час виконання функціональних макрооператорів Ф_jk, якi лежать на найдовшому шляху виконання алгоритму; n-кількість ярусів алгоритму; t_ЗпВх, t_ЧтВх – часи відповідно запису та читання вхідних даних, t_ЗпР –час запису результатів.

Особливістю асинхронної комп’ютерні системи ЦОС на базі масиву АП є обмежений клас задач. Така комп’ютерна система ЦОС є критичною до зміни або модифікації алгоритмів розв’язання задач, вона вимагає повного їх відпрацювання. Асинхронна комп’ютерна система ЦОС забезпечує опрацювання в реальному часі неперервного потоку даних, що надходять з інтенсивністю

 

Р_d=m/

 

Гнучкішою є асинхронна комп’ютерна система ЦОС, в якій замість масиву АП використовується масив ФОП, які з’єднані між собою у відповідності з графом алгоритмом розв’язання задачі. Для реалізації такої комп’ютерної системи ЦОС алгоритм представляється конкретизованим потоковим графом, функціональні оператори якого є складними макроопераціями, що орієнтовані на реалізацію ФОП. Перспективою є структура з множиною ФОП які з’єднані тільки з БПП_Вх і БПП_Вих. В такій комп’ютерній системі ЦОС за рахунок використання БПП можна програмувати зв’язки між процесорами відповідно з потоковим графом розв’язання конкретної задачі. Заміна алгоритму розв’язання задачі в комп’ютерній системі ЦОС на базі ФОП здійснюється шляхом перезапису пам’яті програм процесорів.

Паралельно-потокові комп’ютерні системи ЦОС. В паралельно-потокових комп’ютерних системах ЦОС опрацювання даних здійснюється за конвеєрним принципом. Конвеєризація комп’ютерних систем ЦОС передбачає розділення масиву процесорів на сходинки шляхом введення буферної паралельної пам’яті. При цьому кожна j-а сходинка конвеєра (СК_j) складається з двох компонент – процесорів і буферної паралельної пам’яті.

Структури паралельно-потокових комп’ютерних систем ЦОС з обміном через буферну паралельну пам’ять на базі алгоритмічних і функціонально орієнтованих процесорів наведені відповідно на рис.14.3 а і б, де БПП – буферна паралельна пам’ять; ПрК – процесор керування; АП – алгоритмічний процесор; ФОП – функціонально-орієнтований процесор; СПП – спеціалізована паралельна пам’ять.

 

Рис.14.3 Базові структури паралельно-потокових систем ЦОС з обміном через паралельну пам’ять: а) на базі алгоритмічних процесорів; б) на базі функціонально-орієнтованих процесорів

 

Особливістю паралельно-потокових систем ЦОС на базі АП є використання СПП, структура якої адаптована до структури даних і структури алгоритмів розв’язування. Така паралельно-потокова система ЦОС працює з макротактом, який рівний

 

 

де g – кількість трактів обробки; t_СПП – час звертання до СПП; t_АП – час виконання найскладнішої макрооперації. В паралельно-потокових системах можуть використовуватися АП як з синхронним, так і асинхронним режимами роботи. Такі системи забезпечують опрацювання потоків даних в реальному часі, що надходять з інтенсивністю Р_d=gT_кап, де T_кап – такт роботи конвеєра АП. Паралельно-потокові системи на базі АП доцільно реалізовувати при повному відпрацюванні алгоритмів розв’язування задач.

Гнучкішими є паралельно-потокові системи на базі ФОП, вони дозволяють оперативно здійснювати модифікацію алгоритмів та перехід на розв’язування нових задач. Перед початком роботи такої системи необхідно здійснити її налаштування на розв’язання заданого класу задач. Ця процедура виконується шляхом завантаження в пам’ять програм ФОП відповідних програм, які є складовими частинами загальної програми. Процес розв’язання задачі починається з завантаження першого масиву вхідних даних і інформації управління, що супроводжує цей масив, в перший БПП₁. В інформації управління вказується код задачі, яку необхідно виконати, розмірність і стан масиву. Інформація управління записується в визначенні адреси БПП₁. Ємність БПП_j сходинки конвеєра визначається розмірами масивів проміжних результатів і керуючої інформації, що їх супроводжує наступним чином:

 

Q_БПП = 2Nn+2Vn

 

де N – кількість проміжних результатів; n – розрядність слова; V – кількість слів управління, які супроводжують масив в процесі його опрацювання. Особливістю такої системи є можливість роботи в синхронному або асинхронному режимі. В синхронному режимі паралельно-потокова система синхронізується сигналами переривання, які надходять з ПрК. Період поступлення цих сигналів рівний макротакту роботи системи, який визначається так:

 

де t_maxMO – час виконання найскладнішого макрооператора.

В асинхронному режимі роботи відсутній спільний такт роботи системи. Перехід j-ої сходинки системи від опрацювання попереднього масиву на наступний здійснюється після завершення j-ою сходинкою опрацювання попереднього масиву і завантаження в БПП_j наступного масиву. Управління роботою паралельно–потокової системи в асинхронному режимі здійснюється шляхом аналізу інформації управління, яка супроводжує масив даних, що передаються між сусідніми сходинками системи.

Паралельно-потокова система забезпечує високу ефективність завантаження апаратних засобів і найбільше відповідає умовам роботи в реальному часі. Застосування паралельної пам’яті для взаємодії між процесорами та сходинками конвеєра зводить до мінімуму проблеми, що пов’язані з синхронізацією роботи процесорів та системи в цілому [].

Для підтримки високої пропускної здатності необхідно, щоб усі сходинки конвеєра мали приблизно одинакові часи обчислення функціональних операторів.

У випадку, коли пропускна здатність конвеєра системи Д_k = L/T_k є меншою чим інтенсивність поступлення даних P_d, = n/T_d, то для забезпечення обробки в реальному часі необхідно паралельне включення декількох таких конвеєрів, кількість яких визначається виразом:

 

S=ù P_d / Д_к é

 

де ù é - знак округлення до більшого цілого. Особливістю паралельно-потокової системи є інтерфейс, який в кожному такті роботи забезпечує одночасне введення N даних і виведення g результатів обробки. Реалізація СКС з таким інтерфейсом вимагає значної кількості виводів і великих розмірів кристала, що при реалізації системи у вигляді НВІС, що веде до збільшення її вартості