Современная электроника №4/2019

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 13 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2019 Рис. 1. Общая схема антимашины Рис. 2. Структура матричной системы зисторы дороги. Новая истина: до- рога ′ энергия, транзисторы не сто ′ ят ничего. 2. Стена памяти. Старая истина: память работает быстро, а операции с пла- вающей запятой медленны. Новая истина: системную производитель- ность сдерживает память, операции выполняются быстро. 3. Стена параллелизма на уровне ко- манд. Старая истина: производи- тельность можно повысить за счёт улучшения качества компиляторов и таких архитектурных усовершен- ствований, как конвейеры, внеоче- редное выполнение команд, сверх- длинное командное слово, явный па- раллелизм команд и др. Новая исти- на: естественный параллелизм; ко- манды и длинные, и короткие, но выполняются они параллельно на разных ядрах. Одноядерные процессоры беспер- спективны, но и многоядерные про- цессоры, если всё сводится к разме- щению большего числа классических простых ядер на одной подложке, не решают всех проблем, т.к. их сложно программировать. Существуют различные схемы построения вычислительных систем. Гарвардская схема основывается на том, что процессом вычислений управ- ляют входные потоки данных, которые на входе системы попадают в подготов- ленную вычислительную инфраструк- туру, обладающую естественным парал- лелизмом. Схема фон Неймана предпо- лагает, что вычислительным процессом управляет поток команд, а данные, в основном статичные, выбираются из каких-то систем хранения или из памяти. Современные процессорные и вычислительные системы в основ- ном используют принцип управления вычислениями фон Неймана. Схема с архитектурой «антимашина» от машины фон Неймана отличается наличием одного или нескольких счёт- чиков, управляющих потоками данных. Она программируется с использова- нием потокового обеспечения, а роль центрального процессора в ней играют один или несколько процессоров дан- ных. Центральной частью антимаши- ны может стать память с автоматиче- ской последовательностью. Антисимметрия между машиной фон Неймана и антимашиной наблюдает- ся во всём, за исключением того, что антимашина допускает параллелизм внутренних циклов (см. табл.), а это значит, что в ней решается проблема параллельной обработки данных. Общая схема антимашины приведе- на на рисунке 1. В антимашине доступ к памяти обеспечивается не по адресу коман- ды или фрагмента данных, записан- ному в соответствующий регистр, а посредством универсального гене- ратора адресов. Его преимущество в том, что он позволяет передавать блоки и потоки данных. В то же вре- мя компиляция, посредством кото- рой создаётся специализированная под определённую задачу система, заключается в объединении нужно- го количества настроенных процес- соров данных в общий массив для выполнения определённых алго- ритмов, как в реконфигурируемых матричных процессорах. Матричные вычислительные систе- мы (см. рис. 2) обладают более широ- кими архитектурными возможностями, чем конвейерные фон-неймановские системы, их каноническая архитектура относится к классу SIMD – одиночный Сравнение машины фон Неймана с антимашиной Машина фон Неймана Антимашина Языки потока команд Языки потока данных Базисные последовательные элементы Следующая команда Следующий элемент данных Безусловный переход (goto) по адресу команды Безусловный переход (goto) по адресу данных Переход на произвольный шаг (jump) по адресу команды Переход на произвольный шаг (jump) по адресу данных Цикл команды Цикл данных Переход в исходное состояние (escape) Переход в исходное состояние (escape) Команды условных переходов Команды условных переходов Параллелизм внутренних циклов невозможен Параллелизм внутренних циклов возможен ASM ASM ASM ASM ASM ASM ASM ASM ASM ASM ASM ASM GAG RAM Счётчик данных Скомпилированная сеть процессоров данных ... ... Устройство управления ЭП 11 ЭП 21 ЭП n 1 ЭП n 2 ЭП 22 ЭП 12 ЭП nn ЭП 2 n ЭП 1 n ... ... ... ... ... Коммутатор Память АЛУ