Комп ’ ютерні системи класу SIMD:

МАТРИЧНІ, ВЕКТОРНІ, АСОЦІАТИВНІ

 

Комп’ютерні системи класу SIMD (Single Instruction stream / Multiple Data stream) характеризуються одиничним потоком команд і множинним потоком даних. Дані системи виконують одну арифметичну операцію відразу над багатьма даними – елементами вектора (рис.13.1).

 

Рисунок 13.1 – Структура обчислювальних систем класу SIMD

 

Безперечними представниками класу SIMD вважаються матриці процесорів: ILLIAC IV, ICL DAP, Goodyear Aerospace MPP, Connection Machine 1 і т.п. У таких системах єдиний керуючий пристрій контролює безліч процесорних елементів. Кожен процесорний елемент одержує від пристрою керування в кожен фіксований момент часу однакову команду і виконує її над своїми локальними даними.

Іншим підкласом SIMD-систем є векторні комп’ютери. Векторні комп’ютери маніпулюють масивами схожих даних подібно тому, як скалярні машини обробляють окремі елементи таких масивів. Це робиться за рахунок використання спеціально сконструйованих векторних центральних процесорів. При роботі у векторному режимі векторні процесори обробляють дані практично паралельно, що робить їх в кілька разів швидшими, ніж при роботі в скалярному режимі. Прикладом таких систем є Hitachi S2600.

13.1 Матричний процесор

Призначення матричних обчислювальних систем багато в чому схоже з призначенням векторних КС - обробка великих масивів даних. Воснові матричних систем лежить матричний процесор (array processor), що складається з регулярного масиву процесорних елементів (ПЕ). Системи подібного типу мають загальний пристрій, що управляє та генерує потік команд, і велике число ПЕ, що працюють паралельно і обробляють кожен свій потік даних. З метою забезпечення достатньої ефективності системи при рішенні широкого кола завдань необхідно організувати зв’язки між процесорними елементами так, щоб якнайповніше завантажити процесори роботою. Саме характер зв’язків між ПЕ і визначає різні властивості системи.

Між матричними і векторними системами є істотна різниця: матричний процесор інтегрує безліч ідентичних функціональних блоків (ФБ), що логічно об’єднані в матрицю і працюють в SIMD-стилі. Не так істотно, як конструктивно реалізована матриця процесорних елементів - на єдиному кристалі або на декількох. Важливий сам принцип - ФБ логічно зкомпоновані в матрицю і працюють синхронно, тобто присутній тільки один потік команд для всіх. Векторний процесор має вбудовані команди для обробки векторів даних, що дозволяє ефективно завантажити конвеєр з функціональних блоків. У свою чергу, векторні процесори простіше використовувати, тому що команди для обробки векторів - це більш зручніша для людини модель програмування, чим SIMD.

Паралельна обробка множинних елементів даних здійснюється масивом процесорів (Мпр). Єдиний потік команд, керуючий обробкою даних в масиві процесорів, генерується контролером масиву процесорів (КМП). КМП виконує послідовний програмний код, реалізує операції умовного і безумовного переходів, транслює в Мпр команди, дані і сигнали управління (рис.13.2).

 

Рисунок 13.2 – Матричний процесор