М. М. Мусаев компьютер тизимлари ва тармоқлари

7.2. SIMD синфидаги ҳисоблаш тизимлари

SIMD - тизимлар процессор сони кўп бўлган ва унумдорликнинг GFLOPS тартибига эришган биринчи ҳисоблаш тизимларидандир. Флинн классификациясига асосан SIMD синфига кўпгина маълумотлар элементларига параллел ишлов берилади, бироқ бир турдаги ишлов берадиган ҳисоблаш тизимлари киради. SIMD – тизимлари кўп жиҳатдан классик компьютерларга ўхшайди: уларда дастур буйруқларини кетма – кет бажарилишини таъминлайдиган худди шундай битта бошқариш қурилмаси бор. Бунда фақат буйруқни бажариш вақтидаги фарқ, яъни умумий буйруқ ҳар бири ўзининг маълумотига ишлов берувчи кўпгина процессорга узатилади.

SIMD синфини векторли (вектор-конвей­ерли), матрицали, ассоциатив, систологик ва VLIW – ҳисоблаш тизимлари ташкил қилади. Айнан шу тизимлар кейинги бўлимда кўриб чиқилади.
Вектор-конвейерли ҳисоблаш тизимлари.
Илмий фан ривожлангани сари ҳисоблаш унумдорлигини ошириш масаласи кўтариляпти, чунки кўп масалалар катта ҳисоблаш қувватини талаб қиляпти. Бундай масалаларга сурилувчи вергулли формадаги соннинг катта мунтазам массивларига ишлов беришга хос ҳақиқий объектларни ва жараёнларни моделлаштириш масалалари киради. Бундай массивлар матрица ва вектор кўринишида бўлади, уларга ишлов бериш алгоритмлари эса матрицали амаллар терминида таърифланади. Маълумки, асосий матрицали амаллар бошланғич матрицанинг жуфт элементлари устидаги параллел бажариш мумкин бўлган бир турдаги амалларга келтирилади. Скаляр амалларга мосланган универсал компьютерларда матрицаларга ишлов бериш кетма – кет бажарилади. Катта ўлчамдаги массивларда матрица элементларига кетма – кет ишлов бериш жуда кўп вақтни талаб қилади ва шу боисдан кўрилаётган масалалар синфи учун универсал машиналар самарасиз ҳисобланади. Массивларга ишлов бериш учун ягона буйруқ билан массивнинг ҳамма элементлари устида бирданига амалларни бажариш имконини берувчи ҳисоблаш воситалари – векторли ишлов берувчи воситалар керак бўлади.
Векторли ишлов беришни қўллашга тасвирларга ва сигналларга рақамли ишлов беришни мисол қилиб келтириш мумкин.
Векторли ишлов бериш воситаларида вектор деб, мунтазам равишда хотирада жойлаштирилган бир турдаги маълумотларнинг бир ўлчовли массиви (одатда сурилувчи вергулли шаклда) тушунилади. Агар, кўп ўлчовли массивларга ишлов берилса, уларга ҳам вектор сифатида қаралади. Агар кўп ўлчовли массивларни машина хотирасида қандай сақланишини ҳисобга олсак, бундай ёндашувга йўл қўйиш мумкин.
4x5 ўлчамдаги тўғрибурчакли матрицадан ташкил топган А маълумотлар массиви бўлсин (7.1,а-расм). Матрицани хотирага жойлаштиришда, унинг ҳамма элементлари ячейкага кетма – кет манзиллар билан киритилади, бунда маълумотлар қатор кетидан қатор ёки устун кетидан устун бўлиб ёзилиши мумкин (7.1,б-расм). Кўп ўлчовли массивларнинг хотирада бундай жойлашишини ҳисобга олинса, уларни вектор сифатида кўриш ва бир ўлчовли маълумотлар массивига (векторга) ишлов беришга мосланган ҳисоблаш воситаларига ориентир олиш мумкин.
Кўп ўлчовли массивлар устидаги амаллар ўз хусусиятига эга. Масалан, икки ўлчовли массивда қатор бўйича ҳам, устун бўйича ҳам ишлов бериш мумкин. Бу хотирадан танланган элементнинг манзили қандай қадам билан ўзгаришида ифодаланади. Агар мисолда кўрилган матрица хотирада қатор бўйлаб жойлашган бўлса, қаторнинг кетма – кет жойлашган элементлари манзили бирга фарқ қилади, устун элементлари учун қадам бешга тенг. Матрица устун бўйлаб жойлашганда, устун бўйлаб қадам бирга тенг, қатор бўйлаб эса тўртга тенг бўлади. Векторли концепцияда вектор элементларини хотирадан олиш қадамини белгилаш учун индекс бўйича қадам термини ишлатилади. Векторнинг яна бир тавсифи бўлиб, унинг элементларини ташкил этувчи сонлар – вектор узунлигидир.
Векторли процессор — бу айрим буйруқларнинг операндлари сифатида тартибга келтирилган маълумотлар массиви — векторлар бўлиши мумкин бўлган процессор. Векторли процессор икки хил вариантда бўлиши мумкин. Биринчисида универсал компьютерга қўшимча блок, иккинчи вариантда эса мустақил ҳисоблаш тизимининг асоси бўлиши мумкин.
Векторли процессорларнинг энг кенг тарқалган архитектурасини учта гуруҳда келтириш мумкин:
- конвейерли АМҚ (арифметик – мантиқий қурилма);
- АМҚ массив;
- процессор элементларининг массиви (матрицали ҳисоблаш тизими).
Векторли процессор тушунчаси биринчи иккита гуруҳга тегишли. Бу иккита категория 7.2- расмда кўрсатилган.

Конвейерли АМҚ вариантида (7.2,а-расм), вектор элементларига ишлов бериш сурилувчи вергулли (СВ) сонлар учун конвейерли АМҚ да амалга оширилади.

Вектор элементлари устида бирданига бажариладиган амалларни параллел равишда ишлатиладиган, ҳар бири бир жуфт элементга жавоб берадиган, бир нечта АМҚ ёрдамида амалга ошириш мумкин (7.2,б-расм).
СВ кўринишидаги сонлар устидаги амалларни мураккаб бўлишига қарамасдан, алоҳида қадамларга бўлиш мумкин. Шунда иккита сонни қўшиш тўртта босқичда бажарилиши мумкин: тартибларни қиёслаш, сонларнинг кичигидан мантисса бўйича сурилиш, мантиссани қўшиш ва натижани нормаллаштириш (7.3,а-расм). Ҳар бир босқич конвейерли АМҚ нинг алоҳида поғонаси ёрдамида амалга оширилиши мумкин (7.3,б-расм). Векторнинг навбатдаги элементи АМҚ нинг поғонаси бўшаши билан конвейернинг киришига берилади (7.3,в-расм). Бундай вариантнинг векторларга ишлов бериш учун яроқли эканлиги аниқдир.
Агар параллел ишлатиладиган АМҚ лар ҳам конвейерли бўлса, у ҳолда конвейерлаштиришнинг яна бир поғонаси мавжуд. Бу ғоя амалга оширилган ҳисоблаш тизимларини вектор – конвейерли тизим дейилади. Универсалликни таъминлаш мақсадида таркибига скаляр процессор қўшилган вектор–конвейерли тизимлар супер–компьютер номи билан таниқли.