Вычислительные модели (системы) с управлением потоком данных (потоковые машины) и редукционные машины

Х. Классификация вычислительных моделей и механизмов обработки

Особенности RISС-архитектуры.

Развитие архитектур с полным набором команд (CISС-архитектур) столкнулось с рядом проблем.

Реализация большого количества сложных команд привела к необходимости использовать примерно 50% ресурсов кристалла для устройства управления.

Устройство управления реализуется на основе микропрограммного принципа, в основе которого – использование ПЗУ и сложных с логической точки зрения обрамляющих ПЗУ устройств.

В связи с отмеченным выше, оказываются длинными цепи прохождения сигнала в пределах такта. Это приводит к ограничению рабочей частоты, и сдерживает ее повышение даже при переходе к более высокочастотной базе.

В связи с этим, получили развитие RISС-архитектуры, т.е. архитектуры с ограниченным набором команд.

Их особенность: используются простейшие, но часто используемые команды (инструкции). Как правило, одна инструкция выполняется за такт. Сложные операции собираются из этих простейших команд с использованием подпрограмм. Ограничено количество способов адресации. Существует небольшое число форматов команд, преобладают фиксированные размеры и функциональное назначение команды. Широко используется жесткая логика (не используются принципы микропрограммного управления). Появляется возможность существенного сокращения ресурсов кристалла за счет уменьшения устройства управления. Обычно увеличивается количество регистров общего назначения.

Широко используются конвейерные принципы, как при выполнении команд, так и операций.

Главный недостаток такой архитектуры: возможно формирование программного кода существенно большей длины, т.е. увеличение количества инструкций.

С целью совершенствования архитектур в современных микропроцессорах используются комбинации CISС и RISС архитектур.

Примеры систем с RISС-архитектурой: TMS320C80 и другие сигнальные процессоры; рабочие станции SUN, DEC; процессоры компании Motorola, PowerPC, Hewlett Packard, Shpark фирмы SUN; Alpha фирмы DEC.

Выделяют 4 типа моделей:

- императивная;

- функциональная;

- объектно-ориентированная;

- логическая.

Для каждой модели существует соответствующий метод управления (оценки организации вычислений, получения конечного результата):

1. Метод с потоком управления. Существует для вычислительного механизма неймановской машины. Механизм управления определяет, каким образом каждое вычисление запускает выполнение другого вычисления. Механизм данных определяет, как используются данные в различных вычислениях. Поток управления – это поток команд.

2. Метод с потоком данных. Применяется в потоковых машинах, ЭВМ.

3. Редукционные машины. Редукционная машина – это вычислительная машина, которая вычисляет арифметические выражения путем последовательного сокращения всех составляющих их подвыражений, пока не останутся просто значения данных.

Механизм управления определяет, каким образом каждое вычисление запускает выполнение другого вычисления.

Механизм данных определяет, как используются данные в различных вычислениях.

Императивная вычислительная модель соответствует неймановской архитектуре. Ей характерна последовательность команд, побочный эффект.

Описывают эту модель императивные языки – Паскаль, Фортран и т.д., т.е. процедурные языки.

Побочный эффект отображается в операторах присваивания.

Функциональная вычислительная модель – вычислительная модель, в которой программа рассматривается как множество определений функций. Описание представляет множество функций и описаний ввода-вывода данных. Отсутствует оператор присваивания и соответственно побочный эффект; сущность - последовательность решения математических выражений и их сворачивание. Пример описывающего языка – LISP. Метод оценки редукционный.

Объектно-ориентированная вычислительная модель. В ней вычисления моделируются с помощью множества объектов, передающих друг другу запросы. Языки объектно-ориентированного направления описывают объектно-ориентированные модели.

Параллельные процессы представляются при параллельном описании и указании параллельного выполнения объектов.

Логическая вычислительная модель – это модель, в которой вычисления представляются с помощью логики предикатов. Язык программирования для описания вычислений – это логический язык (например, ПРОЛОГ). Распараллеливание процессов осуществляется на уровне И/ИЛИ.

Особенностью потоковых машин является то, что последовательность вычислений задается не последовательностью команд, что характерно для неймановской архитектуры, а по мере готовности данных для выполнения команд. Данные загружаются в операционное устройство, если оно свободно, и для определенной команды имеются все необходимые данные.

Принципиальным отличием от неймановских машин является то, что команды выполняются не в порядке их следования, а по готовности операндов. Как только на входе операционного блока появляются данные, соответствующая команда блока захватывает эти данные и выполняется соответствующая операция. Машины, основанные на модели с потоком данных, называются потоковыми:

- отсутствие побочного эффекта;

- эффективная реализация параллельных вычислений.

Пример. a = (b+c)*(b-c). Для отображения хода процесса используются специальные «фишки». Потоковые принципы описываются с помощью графов и сетей Петри.

Такой подход используется в параллельных системах: однородных вычислительных средах (однотипные архитектуры процессоров (процессорных элементов ПЭ), настаиваемых на выполнение определенных программ; передача данных с использованием средств коммутации.

Рис.

Принцип управления вычислительным процессом на основе потока данных используется в современных микропроцессорах, в частности, в суперскалярных архитектурах (Рис.). Сущность этих процессов состоит в следующем. Команда имеет код операции, может содержать два операнда, а также имеет два разряда (теги) для идентификации наличия (готовности) операндов к вычислениям. Команды хранятся в ячейках команд. Устройство управления при обнаружении двух единиц (двух готовых операндов) в одной из команд анализирует наличие среди операционных устройств (ОУ) свободное, которое по функциональным возможностям может реализовать операцию данной команды. При наличии такого устройства код операции и коды операндов передаются через операционный компилятор в соответствующее выбранное операционное устройство. Полученный результат записывается в память по адресу, указанному в команде.

Механизм редукционных машин основа н на принципе редукции, т.е. сокращения посредством перезаписи строк символов (формул) в программе или сокращения в графах.

Запуск вычислений осуществляется при необходимости получения данных.

Пример. Исходные данные: граф программы, находящийся в памяти. a = (b+c)*(b-c).

В памяти:

а)

b)

c) d)

Нет побочного эффекта. Реализуется последовательность решения математических выражений. Это направление удобно для параллельной реализации.

Дата добавления: 2015-04-24