Обробка інформації векторним процесором

У засобах векторної обробки під вектором розуміють одновимірний масив однотипних даних (зазвичай у формі з плаваючою комою), впорядкованих і певним чином розміщених в пам’яті КС. Якщо обробці піддаються багатовимірні масиви, їх також розглядають як вектори, адже при розміщенні матриці в пам’яті всі її елементи заносяться в комірки з послідовними адресами, причому дані можуть бути записані рядок за рядком або стовбець за стовбцем (рис.13.10)

Векторний процесор - це процесор, в якому операндами деяких команд можуть виступати впорядковані масиви даних - вектори.

Векторні комп’ютери маніпулюють масивами схожих даних подібно до того, 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 у декілька разів швидшими чим при роботі в скалярному режимі.

 

Рисунок 13.10 – Обробка векторним процесором багатовимірного масиву

 

Розглянемо можливі підходи до архітектури засобів векторної обробки. Найбільш поширені з них зводяться до трьох груп:

- процесор з конвеєрним арифметико-логічним пристроєм;

- процесор з масивом паралельних арифметико-логічних пристроїв;

- масив паралельних процесорів.

Останній варіант є багатопроцесорною системою, відомою як матрична КС. Поняття векторного процесора має відношення до двох перших груп. 

 

Структура векторного процесора

Узагальнена структура векторного процесора приведена на рис.13.11. На схемі показані основні вузли процесора, без деталізації деяких зв’язків між ними.

Особливості векторного процесора:

- обробка всіх n компонентів векторів-операндів задається однією векторною командою;

- елементи векторів представляються числами у формі з плаваючою комою;

- арифметико-логічний пристрій векторного процесора може бути реалізовано у вигляді:

- єдиного конвеєрного пристрою, здатного виконувати всі предбачені операції над числами з плаваючою комою;

- арифметико-логічний пристрій складається з окремих блоків складання і множення, а іноді і блоку для обчислення зворотної величини, коли операція ділення x/y реалізується у вигляді x(1/y). Кожний з таких блоків також конвеєризований.

 

Рисунок 13.11 – Узагальнена структура векторного процесора

 

Склад векторної системи:

- скалярний процесор, що дозволяє паралельно виконувати векторні і скалярні команди;

- векторні регістри для зберігання векторів-операндів, які є сукупністю скалярних регістрів, об’єднаних в чергу типу FIFO, здатну зберігати 50-100 чисел з плаваючою комою.

Набір векторних регістрів (Va, Vb, Vc...) є в будь-якому векторному процесорі. Система команд векторного процесора підтримує роботу з векторними регістрами і обов’язково включає команди:

- завантаження векторного регістра вмістом послідовних елементів пам’яті, вказаних адресою першої комірки цієї послідовності;

- виконання операцій над всіма елементами векторів, що знаходяться у векторних регістрах;

- збереження вмісту векторного регістра в послідовності комірок пам’яті, вказаних адресою першої комірки цієї послідовності;

- регістр довжини вектора. Цей регістр визначає, скільки елементів фактично містить оброблюваний в даний момент вектор, тобто скільки індивідуальних операцій з елементами потрібно зробити;

- регістр максимальної довжини вектора, що визначає максимальне число елементів вектора, яке може бути одночасно оброблене апаратурою процесора. Цей регістр використовується при розділенні дуже довгих векторів на сегменти, довжина яких відповідає максимальному числу елементів, що обробляються апаратурою за один прийом;

- регістр маски вектора служить для виконання таких операцій, в яких повинні брати участь не всі елементи векторів. У цьому регістрі кожному елементу вектора відповідає один біт. Установка біта в одиницю дозволяє запис відповідного елемента вектора результату у вихідний векторний регістр, а скидання в нуль - забороняє.

- регістр вектора індексів по структурі аналогічний регістру маски. Служить для виконання операцій упакування/розпаковування для отримання вектора, що містить ненульові елементи і для зворотної операції відповідно. У векторі індексів кожному елементу початкового вектора відповідає один біт. Нульове значення біта свідчить, що відповідний елемент вихідного вектора рівний нулю.

Переваги векторного процесора:

- замість багаторазового вибору одних і тих же команд досить здійснити вибір тільки однієї векторної команди, що дозволяє скоротити витрати за рахунок пристрою управління і зменшити вимоги до пропускної здатності пам’яті;

- векторна команда забезпечує процесор упорядкованими даними. Коли ініціюється векторна команда, КС знає, що їй потрібно вибрати n пар операндів, розташованих в пам’яті впорядкованим чином. Так, процесор може вказати пам’яті на необхідність почати вибір таких пар. Якщо використовується пам’ять з чергуванням адрес, ці пари можуть бути отримані із швидкістю однієї пари за цикл процесора і направлені для обробки в конвеєризованний функціональний блок. За відсутності чергування адрес або інших засобів вибору операндів з високою швидкістю переваги обробки векторів істотно знижуються.

 

Асоціативні КС

В основі асоціативних КС лежить асоціативний процесор. Асоціативні КС мають n процесорних елементів (ПЕ), як правило, послідовної порозрядної обробки для кожного з елементів пам’яті. Операції здійснюються одночасно всіма n ПЕ. Всі або частина елементарних послідовних ПЕ можуть синхронно виконувати операції над всіма комірками або над вибраною множиною слів асоціативної пам’яті. Приклад асоціативної КС - система STARAN, розроблена Goodyear Aerospace Corporation в 1972 році.

Асоціативний процесор (АП) - це асоціативна пам’ять, що допускає паралельний запис у всі комірки, для яких було зафіксовано збіг з асоціативною ознакою. Ця особливість АП, що носить назву мультизапису, є першою відмінністю асоціативного процесора від традиційної асоціативної пам’яті. Прочитування і запис інформації можуть проводитися по двох зрізах масиву, що запам’ятовує, - або це все розряди одного слова, або один і той же розряд всіх слів. При необхідності виділення окремих розрядів зрізу зайві позиції можна маскувати. Кожен розряд зрізу в АП забезпечений власним процесорним елементом, що дозволяє між прочитуванням інформації і її записом проводити необхідну обробку, тобто паралельно виконувати операції арифметичного складання, пошуку, а також емулювати багато рис матричних КС.

 

Контрольні запитання

 

1 Які є типи архітектурної організації масиву процесорних елементів у матричних SIMD-системах?

2 Яка різниця між матричними і векторними комп’ютерними системами?

3 З яких компонентів складається матрична комп’ютерна система?

4 Які функції контролера масиву процесорів?

5 Коли була розроблена комп’ютерна система ILLIAC IV?

 

Лекція №14