45 АРХІТЕКТУРА ПОТОКОВИХ ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ

Існують труднощі, пов'язані з розв'язанням проблем автоматизації паралельного програмування, необхідного для забезпечення ефективного використання для широкого кола задач матричних (паралельних) ОС, тобто систем типу SIMD (ОКМД).

Конвеєрні і конвеєрно-векторні ОС найбільший ефект дають під час реалізації спеціалізованих систем з фіксованими алгоритмами, за яких досягається оптимальна структура для задачі, яка розв'язується. В ОС універсального призначення склад позицій конвеєра є далеко не оптимальним для кожної даної задачі, до того ж виникають витрати часу на комутацію позицій конвеєра під поточну команду.

В таких умовах актуальними є дослідження нових шляхів побудови високопродуктивних ОС, одними з яких є ОС з управлінням потоком даних (операндів), або, іншими словами, потокові ОС.

У системах з управлінням потоками даних передбачається наявність великої кількості спеціалізованих операційних блоків для певних видів операцій (додавання, множення тощо, окремих для різних типів даних). Дані наділяються покажчиками типу даних (тегами), на основі яких, у міру готовності даних (операндів), до обробки (а не в порядку послідовності команд у програмі) вони завантажуються у відповідні вільні операційні блоки. У разі достатньої кількості операційних блоків може бути досягнутий високий рівень розподілення обчислювального процесу (близький до «потенційного паралелізму» програми). До того ж у самих операційних блоках може бути використана конвеєрна обробка. Таким чином, утворюються умови для реалізації високої продуктивності системи.

В усіх раніше розглянутих ЕОМ і обчислювальних системах порядок виконання операцій над даними у ході розв'язання задачі суворо детермінований, він однозначно визначається послідовністю команд програми.

Принципова відмінність потокових машин полягає в тому, що команди виконуються не за порядком чергування команд у тексті програми, а в міру готовності їх операндів. Як тільки будуть вирахувані операнди команди, вона може захоплювати вільний операційний простір і виконувати задану їй операцію. В цьому випадку послідовність, в якій виконуються команди, вже не є детермінованою.

Розглянемо як приклад обчислення на потоковій ОС коренів квадратного рівняння:

ax2 – bx + c = 0;

Будемо вважати, що на вхід системи надходить група даних ai , bi , ci  і за ними обчислюються корені рівняння. Розв'язання може бути отримане за допомогою операційних пристроїв, які виконують операції додавання, віднімання, множення, піднесення до степеня, ділення і вирахування квадратного кореня.

Процес розв'язання можна подати у такій послідовності:

У потокових обчислювальних моделях для описання обчислень використовують орієнтований граф, у якому вершини відображають операції, а дуги показують потоки даних між вершинами графа, які вони з'єднують.

На рис. 45.1 показаний граф потоку даних, які управляють розв'язанням задачі, що розглядається. Великими кружками показані операційні пристрої, а маленькими – мітки готовності даних. У початковому стані процесу готові всі вхідні дані.

Вершина графа активізується в довільному порядку у разі готовності їх операндів. Можна вважати, що активізація вершини супроводжується поглинанням міток готовності на їх входах. По закінченні операції міткою готовності позначається вихідна дуга вершини. Переміщення міток за графом потоку даних відображає проходження обчислювального процесу.

Рисунок 45.1 – Граф потоків операндів

Виникає запитання, як дані і відповідні команди знаходять один одного? Для відповіді на нього звернемося до рис. 45.2, який пояснює ідею процесора, що управляє потоком даних.

Рисунок  45.2 – Спрощена структура процесора з управлінням потоком даних: а –  структура команди;  б – ОП – операційний пристрій

«Потокова програма» розташовується в масиві комірок команд. Команда, наряду з кодом операції, містить поля, куди заносяться готові операнди, і поле, яке містить адреси команд, в які повинен бути направлений як операнд результат операції. Крім того, кожній команді поставлений у відповідність дворозрядний тег (що розташований в управляючому пристрої), розряди якого встановлюються в 1 при занесенні в тіло команди відповідних операндів.

У стані тегу 11 (обидва операнди готові) ініціюється запит до операційного комутатора на передачу готової команди у відповідний коду операції (і тегу операнда, який визначає тип даних) операційний пристрій.

Результат виконання команди над її безпосередньо адресованими операндами направляється через командний комутатор згідно з вказаними в команді адресами в комірки команд і розташовується в їх поля операндів. Далі вказана процедура циклічно повторюється, до того ж управління цим процесом повністю децентралізоване.