Архитектура ЭВМ

Вычислительные системы

Вычислительные системы делятся на:

1. Универсальные (реализуют широкий круг алгоритмического обеспечения);

2. Специализированные (реализуют узкие классы алгоритмов).

Системы (в узком смысле) – это системы команд различных процессоров. Системы команд тесно связаны с языком программирования низкого уровня – Ассемблером.Каждая команда при выполнении использует внешние регистры, различные виды адресации, общую шину данных, устройство повышения скорости обработки команд и данных, и т.д.

Эволюция процессоров: 4 бит -> 64 бит; наиболее востребованы 32 - и 64-битные.

Помимо известных процессоров Intel, существует ряд других процессоров, предназначенных для использования в определённых областях:

• Сигнальные процессоры (ЦСП – цифровые сигнальные процессоры – используются для обработки сигналов в цифровом виде)

Особенности:

2-3 внутренних ОЗУ на кристаллах со своим адресным пространством (нумерацией адресных ячеек). Каждое требует шины адреса и данных.

Главное отличие: гарвардская (не фон-Неймановская) вычислительная архитектура (RISC –архитектура, у Intel – CISC-архитектура) и принципиально другая система команд. Каждая команда выполняется за один такт.

• Транспьютеры и ТП-подобные ЦСП и МП (микропроцессоры) – предназначены для массово-параллельной обработки данных.

Основное отличие:

Наличие 2 или 4 последовательных внешних коммуникационных каналов (link’ов) связи.

• Нейропроцессоры (НП) содержат на кристалле несколько групп устройств, которые позволяют хранить данные (весовые коэффициенты).

Особенности:

Реализуют НЭ (нейроэлементы, нейроны). Могут использоваться для построения как универсальных, так и специальных систем.

• Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) содержат 5 групп различных устройств на кристалле, конфигурирующиеся между собой.

Особенности:

Внутренние группы создают цепочки различных устройств, которые позволяют вводить/выводить данные в цифровом и аналоговом виде, хранить/записывать данные во внутренней памяти, содержать в памяти информацию о внутренних конфигурациях устройств.

• Систолические процессоры используются для аппаратной реализации алгоритмов в систолических вычислительных архитектурах.

Систолические процессоры. Параллельная обработка данных.

В систолических процессорах вычисления разбиваются на последовательные временные интервалы, внешние по отношению к ПЭ (процессорным элементам) - фазы:

К(фаза коммуникации)

В (фаза вычислений)

В фазе коммуникации все ПЭ передают данные, в фазе вычислений – обрабатывают. Эти фазы соотносятся между собой по длине как К:В = 1:20

Максимальная производительность системы систолических процессоров: при условии, что:

1. Все ПЭ одинаковы

2. 

3. Все ПЭ имеют параллельный внешний интерфейс

Последовательная передача данных (байтовые протоколы):

[признак конца - 0][передаваемый байт (8 бит)][стартовая посылка(служебные разряды): 10]

Передаётся 11 бит, притом для каждой посылки должен прийти ответ о получении.

Параллельная передача данных (используется в систолических процессорах):

Разряды передаются по синхронному импульсу. Передаётся одно слово (16, 32 или 64 бит).

Параллельный байтовый интерфейс поддерживает передачу данных между памятью и процессором

Длина фазы коммуникации настраивается на максимальное время передачи данных. При этом общая длительность такта строго фиксирована. Поэтому необходимо как можно быстрее передавать данные, чтобы освободить время для вычислений.

Последовательный интерфейс работает медленнее параллельного, но передаёт сигналы на большее расстояние.

Систолические процессоры делятся на процессоры:

1. Без внутренней памяти – для вычислений используются только регистры

2. С внутренней памятью – имеют малый постоянный объём памяти, в который можно записать короткий программный цикл и ограниченный набор данных.

Этапы разработки систолических вычислителей:

b’

c’

b

c

а

1. Выбрать топологию ПЭ: квадрат, прямоугольник, треугольник, круг и т.д., чтобы реализовать принцип близкодействия на практике – расстояние между соседними ПЭ одинаково.

   

2. Задать потоки данных и их направления:

3. Определить процессорную функцию, которая связывает входы и выходы ПЭ. На каждом входе и выходе имеются регистры.

Пример – умножение матрицы на вектор с помощью умножения с накоплением:

4. Ввести ось времени, на которой отмечаются такты.