М. М. Мусаев компьютер тизимлари ва тармоқлари

Матрицали ҳисоблаш тизимлари.
Матрицали ҳисоблаш тизимларининг вазифаси кўп жиҳатдан векторли ҳисоблаш тизимларига ўхшаб, катта маълумот массивларига ишлов беришдир. Матрицали тизимлар асосида процессор элементларининг (ПЭ) мунтазам массивидан ташкил топган матрицали процессор ётади. Бир қарашда бу турдаги тизимларни ташкил қилиш жуда соддадир. Буйруқлар оқимини ишлаб чиқарувчи умумий бошқариш қурилмасига ва параллел ишлаб, ҳар бири ўз маълумот оқимига ишлов берадиган кўп сонли ПЭ га эга. Аммо амалиётда, кенг доирадаги масалаларни ечишда тизимнинг етарли даражада самарадорлигини таъминлаш учун процессор элементлари орасидаги алоқани шундай ташкил қилиш керакки, процессорларни имкон қадар тўлиқ юклаш керак. Айнан ПЭлар орасидаги боғланишнинг характери тизимнинг ҳар хил хусусиятини аниқлайди.
Матрицали ва векторли тизимлар орасида жиддий фарқ бор. Матрицали процессор матрицага мантиқан бирлаштирилган ва SIMD-услубида ишлайдиган кўплаб ўхшаш бўлган функционал блокларни интеграллаштиради (бутунлаштиради). Бу блоклар мантиқан матрицага бирлаштирилган бўлиб, синхрон ишлайди, яъни ҳаммаси учун фақат битта буйруқлар оқими қатнашади. Векторли процессорда маълумотлар векторига ишлов берувчи буйруқлар киритилган, бу ўз ўрнида функционал блоклардан тузилган конвейерни самарали юклаш имконини беради. Ўз навбатида, векторли процессорлардан фойдаланиш осонроқ, чунки векторларга ишлов берувчи буйруқлар инсон учун SIMD қараганда дастурлашнинг қулай моделларидан биридир.
Матрицали ҳисоблаш тизимларининг архитектурасини 7.4-расмда кўрсатилганидек ифодалаш мумкин. Аслида кўплаб маълумотлар элементига параллел ишлов бериш процессор массиви томонидан амалга оширилади. Процессор массивидаги маълумотларга ишлов беришни бошқарувчи ягона буйруқлар оқими процессор массивининг контроллери томонидан ишлаб чиқаради. Контроллер кетма – кетликдаги дастур кодини бажаради, шартли ва шартсиз ўтиш амалларини амалга оширади, процессор массивига буйруқларни, маълумотларни ва бошқариш сигналларини узатади. Буйруқларга процессор томонидан қатъий синхронлаштириш режимида ишлов берилади. Бошқариш сигналлари буйруқларни синхронлаштириш ва қайта жўнатиш учун ишлатилади, ҳамда ҳисоблаш жараёнини бошқариш, хусусан процессор массивлари қандай амалларни бажариши керак, қандайларни бажариши керак эмаслигини аниқлайди. Контроллерлардан тарқатишнинг кенг эшиттиришли шинаси орқали буйруқлар, маълумотлар ва бошқариш сигналлари процессор массивига узатилади. Шартли ўтиш амалларининг бажарилиши ҳисоблашнинг натижасига боғлиқ бўлгани учун процессор массивидаги ишлов бериш натижалари контроллерларга натижалар шинасидан ўтаётганда узатилади.

Дастурни яратиш ва созлаш вақтида фойдаланувчини қулай интерфейс билан таъминлаш учун, одатда, бундай тизимлар таркибига интерфейсли машина (ИМ) киритилади. Бундай ИМ ролини контроллерга маълумотларни ва дастурларни юклаш вазифаси қўшимча қилиб юклатилган универсал ҳисоблаш машинаси бажаради. Бундан ташқари, контроллерга маълумотларни ва дастурларни юклаш тўғридан – тўғри киритиш/чиқариш қурилмасидан, масалан, магнит дискдан ҳам бажарилса бўлади. Юклашдан сўнг контроллер кенг эшиттиришли шина бўйлаб процессор массивига SIMD-буйруқларни узатиш билан бирга дастурни бажаришга киришади.

Процессорлар массивини кўриб чиқиш билан бирга, унда кўплаб процессорлардан ташқари, кўплаб маълумотлар тўпламини сақлаш учун кўплаб хотира модуллари бўлишини ҳисобга олиш керак. Бундан ташқари, массивда процессорлар орасида ҳам, процессорлар билан хотира модули орасида ҳам, ўзаро алоқали тармоқ амалга ошган бўлиши керак. Шундай қилиб, процессор массиви термини остида процессорлар, хотира модуллари ва уланиш тармоғидан ташкил топган блок тушунилади.
Процессор массивининг вазифалари.
Матрицали SIMD – тизимларда процессор элементлари массивларининг архитектурасини ташкил қилишнинг асосий иккита тури кенг тарқалган 7.5-расм).
«Процессор элементи-процессор элементи» (ПЭ-ПЭ) архитектураси кўринишида маълум бўлган биринчи вариантда N процессор элементлари ўзаро уланиш тармоқлари билан боғланган (7.5,а-расм). Бунда ҳар бир ПЭ локал хотирали процессордир. Процессор элементлари маълумотлар шинаси орқали контроллердан олинган буйруқларни бажаради ва локал хотираларида сақланган маълумотларга қандай ишлов берса, контроллердан келган маълумотларга ҳам шундай ишлов беради. Киритиш/чиқариш қурилмалари билан процессор элементлари орасида киритиш/чиқариш шинаси ахборот алмашинувига хизмат кўрсатган вақтда, процессор элементлари орасида маълумот алмашинуви уланиш тармоғи орқали амалга оширалади. Алоҳида ПЭ лардан процессор массиви контроллерига натижани трансляция қилиш учун натижалар шинаси хизмат қилади. Локал хотирадан фойдаланилганлик туфайли кўриб чиқилаётган тизимнинг аппарат воситалари ўта самарали қурилиши мумкин. Ахборотни жўнатиш бўйича ҳаракатларнинг жуда кўп алгоритмлари локалдир, яъни энг яқин қўшнилар орасида содир бўлади. Шу сабабли ҳар бир ПЭ фақат қўшни ПЭ билан боғланган архитектура билан машҳурдир. Бундай архитектурали ҳисоблаш тизимларига мисол қилиб, MP-1, Connection Machine CM-2, GF11, DAP, МРР, STARAN, PEPE, ILLIAC IV келтириш мумкин.
Архитектуранинг иккинчи тури — «процессор-хотира» 7.5,б-расмда берилган. Бундай конфигурацияда икки томонга йўналтирилган уланиш тармоғи N процессорларни M хотира модули билан боғлайди. Процессорлар маълумотлар шинаси орқали контроллерлар томонидан бошқарилади. Процессорлар орасидаги маълумотлар алмашинуви тармоқ орқали ҳам, хотира модули орқали ҳам амалга оширилади. Хотира модуллари ва киритиш/чиқариш қурилмалари орасида маълумотларни юбориш киритиш/чиқариш шиналари орқали таъминланади. Аниқ хотира модулидан контроллерга маълумотни узатиш учун натижалар шинаси хизмат қилади. Бундай архитектурали ҳисоблаш тизимларига мисол қилиб, Burroughs Scientific Processor (BSP), Texas Reconfigurable Array Computer (TRAC) келтириш мумкин.

Кўпчилик матрицали SIMD-тизимларда процессор элементлари сифатида чегараланган ҳажмдаги локал хотирали оддий RISC-процессорлар ишлатилади. ПЭ кўпинча сўзнинг нисбатан унча катта бўлмаган разрядлар сонига ва килобит локал хотирага эга. ПЭ массивнинг соддалиги туфайли битта катта интег­рал микросхема кўринишида амалга оширилиши мумкин, бу микросхемалар орасидаги алоқалар сонини ва тизимнинг бундан келиб чиқадики, тизимнинг габаритини қисқартиради.

Кўпчилик ҳисоблаш тизимларида ПЭ нинг ажратиб бўлмайдиган компонентларига қуйидагилар киради:
- арифметик-мантиқий қурилма (АМҚ);
- маълумотлар регистри;
- маълумотларни жўнатиш буфер регистрли тармоқ интерфейси;
- процессорнинг мажбурий тартиб номери;
- маскирлашга рухсат берувчи байроқ регистри;
- локал хотира.
Маълумотлар шинаси орқали контроллердан кирувчи буйруқлар билан бошқариладиган процессор элементлари ўзининг регистри ва локал хотирасидан маълумотларни танлаши, АМҚ да уларга ишлов бериб, натижани регистрда ва локал хотирада сақлаши мумкин. ПЭ ҳам худди шундай маълумотлар шинасидан келадиган маълумотларга ишлов бериши мумкин. Бундан ташқари, ҳар бир процессор элементи тармоқ интерфейси таркибига кирувчи ўзининг маълумотларни жўнатиш тармоқ интерфейсидан фойдаланиб, уланиш тармоғи орқали бошқа ПЭ лардан маълумотларни олишга ва бошқа ПЭ ларга жўнатишга ҳаққи бор. ПЭ ва киритиш/чиқариш қурилмалари орасидаги маълумотларни жўнатиш тизимнинг киритиш/чиқариш шинаси орқали амалга оширилади. Массив процессоридаги ҳар бир ПЭ Nга ПЭ манзили деб номланадиган 0 дан N–1гача бўлган бутун сондан ташкил топган ноёб номер берилади. Мазкур ПЭ умумий амалда қатнашиши кераклигини кўрсатиш учун унинг таркибида рухсат бериш байроқ регистри бўлади. Бу регистрнинг ҳолатини контроллернинг бошқариш сигналлари, ёки ПЭнинг ўзидаги амалнинг натижаси ёки униси ҳам буниси ҳам биргаликда аниқлайди.
Матрицали тизимнинг яна бир жиддий хусусиятларидан бири ПЭ нинг ишини синхронлаштириш усулидир. Ҳамма ПЭ бир вақтнинг ўзида буйруқларни ҳам олгани, ҳам бажаргани учун, уларнинг ишлари қатъий синхронлаштирилади. Бу ПЭ лар орасида ахборотни жўнатиш амалларида жуда муҳимдир. Тўртта қўшни ПЭ лар орасида алмашув амалга оширилган тизимларда ахборотни узатиш «регистр-регистр» режимида амалга оширилади.
Процессор элементларининг ўзаро боғланган тармоқларнинг самарадорлиги кўпинча матрицали тизимнинг мумкин бўлган унумдорлигини аниқлайди. Тармоқларнинг ҳар хил топологиялари қўлланади. Модомики матрицали тизимнинг процессор элементлари синхрон ишлар экан, ахборотни ҳам келишилган схемада алмашиб, бир неча ПЭ – манбадан битта ПЭ – қабул қилувчига синхрон узатиш имкониятини таъминлаш керак. Ахборотни узатиш учун тармоқ интерфейсида фақат битта маълумотларни узатиш регистри иштирок этса, бу маълумотларни йўқотишга олиб келади, шунинг учун бир қатор тизимларда бундай вазиятларни бартараф этиш учун махсус механизмлар кўзда тутилган. Маълумотларни тармоқ бўйлаб узатиш фақат актив ПЭ ларга хос бўлса, пассив процессор элементлари ҳам бу амалларга ўз ҳиссаларини қўшадилар. Агар, актив ПЭ бошқа ПЭ дан ўқишни талаб қилса, бу амал ахборотни ўқилаётган ПЭ нинг мавқеидан қатъий назар бажарилади. Матрицали тизимларда энг кенг тарқалган топологиялардан панжарасимон ва гиперкубдир. Шунингдек, ILLIAC IV, МРР да ҳар бир ПЭ тўртта МР-1 ва МР-2 машиналарда эса саккизта қўшни ПЭ билан боғланган.