Новосибирский государственный университетФакультет информационных технологий |
Классификация Шора: шесть «типичных архитектур» вычислительных систем.
Классификация Дж.Шора, появившаяся в начале 70-х годов, интересна тем, что представляет собой попытку выделения типичных способов компоновки ВС на основе фиксированного числа базисных блоков: устройства управления (УУ), арифметико-логического устройства (АЛУ), памяти команд и памяти данных. Дополнительно предполагается, что выборка из памяти данных может осуществляться словами, то есть выбираются все разряды одного слова, и/или битовым слоем - по одному разряду из одной и той же позиции каждого слова (иногда эти два способа называют горизонтальной и вертикальной выборками соответственно). Конечно же, при анализе данной классификации надо делать скидку на время ее появления, так как предусмотреть невероятное разнообразие параллельных систем настоящего времени было в принципе невозможно. Итак, согласно классификации Шора все компьютеры разбиваются на шесть классов (см. дополнительно файл .pdf), которые он так и называет: машина типа I, II и т.д.
Машина I - это ВС, которая содержит УУ, АЛУ, память команд и память данных с пословной выборкой. Считывание данных осуществляется выборкой всех разрядов некоторого слова для их параллельной обработки в АЛУ. Состав АЛУ специально не оговаривается, что допускает наличие нескольких функциональных устройств, быть может конвейерного типа. По этим соображениям в данный класс попадают как классические последовательные машины (IBM 701, PDP-11, VAX 11/780), так и конвейерные скалярные (CDC 7600) и векторно-конвейерные (CRAY-1).
Если в машине I осуществлять выборку не по словам, а выборкой содержимого одного разряда из всех слов, то получается машина II. Слова в памяти данных по прежнему располагаются горизонтально, но доступ к ним осуществляется иначе. Если в машине I происходит последовательная обработка слов при параллельной обработке разрядов, то в машине II - последовательная обработка битовых слоев при параллельной обработке множества слов.
Структура машины II лежит в основе ассоциативных компьютеров (например, центральный процессор машины STARAN), причем фактически такие компьютеры имеют не одно АЛУ, а множество сравнительно простых устройств поразрядной обработки. Другим примером служит матричная система ICL DAP, которая может одновременно обрабатывать по одному разряду из 4096 слов.
Если объединить принципы построения машин I и II, то получается машина III. Эта машина имеет два АЛУ - горизонтальное и вертикальное, и модифицированную память данных, которая обеспечивает доступ как к словам, так и к битовым слоям. Впервые идею построения таких систем в 1960 году выдвинул У.Шуман, называвший их ортогональными (если память представлять как матрицу слов, то доступ к данным осуществляется в направлении, «ортогональном» традиционному - не по словам (строкам), а по битовым слоям (столбцам)). В принципе, как машину STARAN, так и ICL DAP можно запрограммировать на выполнение функций машины III, но поскольку они не имеют отдельных АЛУ для обработки слов и битовых слоев, отнести их к данному классу нельзя. Полноправными представителями машин класса III являются ВС семейства OMEN-60 фирмы Sanders Associates, построенные в прямом соответствии с концепцией ортогональной машины.
Если в машине I увеличить число пар АЛУ - память данных (иногда эту пару называют процессорным элементом (ПЭ)) то получается машина IV. Единственное УУ выдает команду за командой сразу всем ПЭ. С одной стороны, отсутствие соединений между ПЭ делает дальнейшее наращивание их числа относительно простым, но с другой, сильно ограничивает применимость машин этого класса. Такую структуру имеет ВС PEPE, объединяющая 288 процессорных элементов.
Если ввести непосредственные линейные связи между соседними ПЭ машины IV, например в виде матричной конфигурации, то получается схема машины V. Любой ПЭ теперь может обращаться к данным как в своей памяти, так и в памяти непосредственных соседей. Подобная структура характерна, например, для классического матричного компьютера ILLIAC IV.
Все машины с I-ой по V-ю придерживаются концепции разделения памяти данных и арифметико-логических устройств, предполагая наличие шины данных или какого-либо коммутирующего элемента между ними. Машина VI, названная матрицей с функциональной памятью (или памятью с встроенной логикой), представляет собой другой подход, предусматривающий распределение логики процессора по всему запоминающему устройству. Примерами могут служить как простые ассоциативные запоминающие устройства, так и сложные ассоциативные процессоры.
Дополнительная:
Ключевые термины: архитектура вычислительной машины; процессор; уровни параллелизма;
Федотова Ольга |
НГУ ФИТ НГУ ИВТ СО РАН |