Некоторые основные соотношения между структурами вычислительных систем

В качестве некоторой машины I будем представлять обычную ЭВМ последовательной обработки, которая изображена на рисунке.

Машина I (горизонтальная обработка)

 

Машина этого типа содержит (перечисленные пункты на рисунке выше). Считывание данных из единственной памяти осуществляется путем выборки всех разрядов некоторого слова для их параллельной обработки в процессорном модуле.

 

Машина II (вертикальная обработка)

 

Каждое слово данных все еще располагается горизонтально, поэтому их считывание из памяти данных теперь осуществляется путем выборки содержимого одного разряда всех слов вместо всех разрядов одного слова. Один разряд всех слов называется разрядным срезом. Обычно в памяти машины два размещаются разрядные срезы длинной 128-256 разрядов. Таким образом можно говорить что в машине один осуществляется последовательная обработка слов, при параллельной обработке разрядов слова, а у машины два, последовательная обработка разрядных срезов при параллельной обработке множества слов. При этом адресация данных в машине один, осуществляется по отношению к словам, а в машине два по отношению к разрядному срезу. Структура машины два лежит в основе структуры систем с ассоциативными процессорами. Данные структуры осуществляют последовательную поразрядную обработку множества слов. Фактически имеет место не один процессорный модуль, а множество сравнительно простых устройств поразрядной обработки. Высокая скорость обработки информации такими системами обеспечивается за счет сравнительно большой длины разрядных срезов и достигается преимущественно при выполнении логических операций. Для выполнения арифметических операций процессорный модуль машины два должен быть модифицирован, таким образом чтобы получать необходимые результаты, по завершении последовательной обработки всех разрядов каждого данного слова из памяти данных, поэтому скорость выполнения операций машиной два оказывается сравнительно низкой. Сравнивая машины один и два заметим что в первом случае операция выполняется обычно над словами, тогда как во втором случае операция выполняется над соответствующими разрядами внутри каждого слова из множества слов участвующих в обработке. В целях объединения машин один и два в одной вычислительной системе, можно построить комбинацию этих двух машин, в результате получим машину класса три.

 

Машина III

 

Данного типа машина имеет два процессорных модуля, горизонтальный и вертикальный, и модифицированную память данных которая обеспечивает доступ как к словам так и к разрядным срезам. Системы с такой структурой получили название ортогональных. Рассмотрим теперь сравнение скоростей работы машин один, два и три. Пусть процессорные модули машин один и два построены так что в первом приближении машина один обрабатывает слово примерно за тоже время в течении которого машина два обрабатывает разрядный срез. Тогда если память данных имеет структуру квадрата, то обе машины выполняют обработку всего содержимого памяти за одно и то же время. Однако полагая структуру памяти данных в виде квадрата мы не учитывали важную особенность машины два, состоящую в том, что длина разрядного среза данных машины два обычно намного больше длины слова машины один, поэтому как правило машина два обрабатывает одно и тоже множество слов быстрее машины один. Пусть теперь увеличивается вертикальный размер памяти и сохраняется прежний горизонтальный размер, то есть наращивается память путем увеличения числа ее слов при сохранении их длины. При этом соответственно наращивается процессорный модуль машины два и сохраняется неизменным процессорный модуль машины один. Тогда с увеличением вертикального размера, время обработки всех данных машиной один будет увеличиваться, а для машины два это время сохраняется неизменным. Если ввести понятие относительной скорости обработки всех данных, в зависимости от объема памяти данных для фиксированной длины слов. То можно нарисовать следующие зависимости.

 

 

Однако если относительная скорость для машины один асимптотически стремится к нулю, то для машины три эта скорость асимптотически стремится к некоторой фиксированной величине равной относительной скорости обработки машиной два. Таким образом машина три сочетает в себе достоинства машин один и два. Горизонтальный модуль обеспечивает эффективное выполнение команд над словами памяти данных, в то время как вертикальный процессорный модуль обеспечивает эффективное выполнение команд над разрядными срезами. Машина три характерна для вычислительных систем которые были разработаны и имеют название OMEN60. Если размножить процессорные модули и память данных машины один, то получим машину четыре.

 

Машина IV

 

Единственное устройство управления подает поток команд всем процессорным модулям. Такая структура получила название ансамбля процессоров. Емкость модулей обычно фиксирована и наращивание систем можно осуществлять путем добавления новых модулей памяти и соответствующих процессорных модулей, поэтому относительная скорость обработки машины четыре подобно машины два и является постоянной. Отличие концепции построения машины два и машины четыре состоит в том что устройство обработки машины два имеет дело с форматом расположенных в линию разрядов данных. Устройство обработки машины четыре имеет дело с форматом данных m на n. При этом в первом случае осуществляется последовательная поразрядная обработка. А во втором случае разряды каждый раз обрабатываются параллельно. Машина класса пять получается из машины класса четыре, если между процессорами вести непосредственные линейные связи. Данная машина – машина пять.

 

Машина V, VI

 

Относительная скорость обработки информации машиной пять подобна машинам два и четыре.

(рисунок выше /\)

Отметим что вычислительные системы в которых хранение данных и их обработка совмещаются в одном устройстве, называется машиной класса шесть. То есть она характеризуется наличием устройств памяти данных матричной конфигурации и встроенной логической обработкой. Подобно машинам два, четыре, пять – машина шесть имеет постоянную относительную скорость обработки.

Отметим следующие основные соотношения между структурами рассмотренных вычислительных систем, во-первых машина один – обычная ЭВМ с последовательной обработкой слов и параллельной обработкой разрядов. Машина два, есть система с параллельной обработкой слов и последовательной обработкой разрядов. Машина три получается в результате комбинации машины один и два(ортогональные системы). Машина четыре получается в результате размножения процессорного модуля и модуля памяти данных машины один и имеет единственное устройство управления и множество процессорных модулей с индивидуальными модулями памяти данных. Машина пять получается в введением непосредственных линейных связей между соседними процессорными модулями машины четыре (матричные системы). Машина шесть получается путем объединения логики обработки с элементами памяти данных машины один и имеет память программ, устройство управления и набор совмещенных ассоциативных запоминающих устройств и процессоров использующих матрицы памяти с настроенной логикой.

 

Структура связей в ПВС