Багатопроцесорна обчислювальна система

Багатопроцесорна обчислювальна система, що містить обчислювальні блоки, модулі спільної пам'яті, керуючий процесор, головний комутатор, комутатор коротких повідомлень, причому перша група входів-виходів кожного з обчислювальних блоків з'єднана відповідно з групою входів-виходів головного комутатора та комутатора коротких по 3 17725 4 вальні блоків, модулі спільної пам'яті, керуючий що містить обчислювальні блоки, модулі спільної процесор, головний комутатор, комутатор коротких пам'яті, керуючий процесор, головний комутатор, повідомлень, причому група входів-виходів кожнокомутатор коротких повідомлень, причому перша го з обчислювальних блоків з'єднана відповідно з група входів-виходів кожного з обчислювальних групою входів-виходів головного комутатора, перблоків з'єднана відповідно з групою входів-виходів ші групи входів-виходів кожного з обчислювальних головного комутатора та комутатора коротких поблоків з'єднані відповідно з групою входів-виходів відомлень, друга група входів-виходів кожного з керуючого процесора, другі групи входів-виходів обчислювальних блоків з'єднана відповідно з перкожного з обчислювальних блоків з'єднані відповішою групою входів-виходів керуючого процесора, дно з другими групами входів-виходів кожного з третя група входів-виходів кожного з обчислювамодулів спільної пам'яті, перші групи входівльних блоків з'єднана відповідно з групою входіввиходів кожного з модулів спільної пам'яті з'єднані виходів кожного з модулів спільної пам'яті, група відповідно з першими групами входів-виходів говходів-виходів кожного з модулів спільної пам'яті ловного комутатора, група входів-виходів кожного з'єднана відповідно з групами входів-виходів голоз обчислювальних блоків з'єднана відповідно з вного комутатора, кожна з відповідних груп керуюгрупою входів-виходів комутатора коротких повічих виходів комутатора коротких повідомлень домлень, кожна з груп керуючих виходів комутатоз'єднана відповідно з групою керуючих входів кожра коротких повідомлень з'єднана відповідно з ного з обчислювальних блоків, вхід-вихід керуючогрупою керуючих входів кожного з обчислювальго процесора з входом-виходом обчислювальної них блоків, інформаційний вхід-вихід керуючого системи, блоки обробки, причому кожний блок процесора утворює інформаційний вхід-вихід обобробки з'єднаний відповідно групою входівчислювальної системи. виходів з групою входів-виходів керуючого процеЗагальними признаками прототипу з систесора. мою, що пропонується, є обчислювальні блоки, Відмітними признаками системи, що пропонумодулі спільної пам'яті, керуючий процесор, голоється є блоки обробки, причому кожний блок обвний комутатор, комутатор коротких повідомлень, робки з'єднаний відповідно групою входів-виходів причому перша група входів-виходів кожного з з групою входів-виходів керуючого процесора. обчислювальних блоків з'єднана відповідно з груВведення в систему цих признаків дозволяє пою входів-виходів головного комутатора та комупідвищить ефективну продуктивність обчислювататора коротких повідомлень, друга група входівльної системи при рішенні широкого класу задач, виходів кожного з обчислювальних блоків з'єднана яка досягається шляхом спільного паралельного відповідно з першою групою входів-виходів керуюфункціонування обчислювальних блоків, керуючочого процесора, третя група входів-виходів кожного процесора, блоків обробки та виконання параго з обчислювальних блоків з'єднана відповідно з лельних операцій над складними структурами дагрупою входів-виходів кожного з модулів спільної них в них за рахунок великого числа паралельно пам'яті, група входів-виходів кожного з модулів функціонуючих процесорних елементів з локальспільної пам'яті з'єднана відповідно з групами вхоною пам'яттю під керуванням керуючого процесодів-виходів головного комутатора, кожна з відповіра, за рахунок підключення блоків обробки при дних груп керуючих виходів комутатора коротких діалоговій взаємодії користувача з системою в повідомлень з'єднана відповідно з групою керуюреальному часі природними мовами. чих входів кожного з обчислювальних блоків, вхідРозширення функціональних можливостей обвихід керуючого процесора утворює вхід-вихід числювальної системи досягається шляхом підкобчислювальної системи. лючення до спільної роботи з основними обчисПричиною, що заважає досягненню очікуванолювальними блоками блоків обробки, які го ефекту є те, що в прототипі відсутня можливість функціонують паралельно, що дозволяє виробляефективної оперативної обробки зображень і інти схемну паралельну обробку складних структур ших складних структур даних, зв'язаних з рішенданих типу масивів пікселів зображень, списки і ням задач штучного інтелекту і одночасного ріграфи, а також, проводить лексико-синтаксичний шення задач загальнообчислювального характеру, аналіз потоку лексем при діалоговій взаємодії в що використовують дані великої розрядності для реальному часі користувача з системою і з Базою отримання результатів високої точності. Знань природною мовою під управлінням керуючоТехнічна задача, на вирішення якої направлего процесора. на корисна модель, полягає в введенні додаткових На Фіг. представлена функціональна схема можливостей ефективної обробки, зображень, запропонованої багатопроцесорної обчислювальграфів і інших складних структур даних шляхом ної системи. введення в склад системи асинхронно функціонуБагатопроцесорна обчислювальна система ючих блоків обробки, які виконують операції над (Фіг.) містить обчислювальні блоки 1.1-1.М, модулі складними структурами даних за допомогою велизагальної пам'яті 2.1-2.М, керуючий процесор 3, кого числа зв'язуваних, одночасно оброблюючих головний комутатор 4, комутатор коротких повідоелементів і їх управління керуючим процесором, млень 5, блоки обробки 7.1-7.К. Групи входівщо призводить до підвищення продуктивності при виходів обчислювальних блоків 1.1-1.М з'єднані вирішенні задач обробки складних структур даних відповідно з групами входів-виходів головного ков реальному часі та розширенні функціональних мутатора 4 і комутатора коротких повідомлень 5. можливостей обчислювальної системи. Перша група входів-виходів обчислювальних блоРішення поставленої задачі досягається тим, ків 1.1-1.М з'єднані відповідно з першою групою що в багатопроцесорну обчислювальну систему, входів-виходів керуючого процесора 3. Друга група 5 17725 6 входів-виходів обчислювальних блоків 1.1-1.М ному регістру зв'язку. Як правило, в буферному з'єднані відповідно з другими групами входіврегістрі міститься команда міжсегментного перевиходів модулів загальної пам'яті (МЗП) 2.1-2.М. ходу (типу JMP для МП систем INTEL), але може Групи входів-виходів блоків обробки 7.1-7.К. з'єдбути розміщена будь-яка команда цілком або часнані відповідно з групою входів-виходів керуючого тинами. Після виконання підпрограми (або після процесора 3. Перша група входів-виходів МЗП 2.1команди) ставиться команда зупинки (типу HLT 2.М з'єднані відповідно з першими групами входівдля МП систем INTEL). Під час зупинки МП не вивиходів головного комутатора 4. Група керуючих дає жодних керуючих сигналів. Вихід з стану ЗУвиходів комутатора коротких повідомлень 5 з'єдПИНКА можливий за сигналами запитів шини МП, нані відповідно з групою керуючих входів кожного з після чого має бути перехід в стан ЗАХОПЛЕННЯ, обчислювальних блоків 1.1-1.М. Інформаційний а після цього повернення в стан ЗУПИНКА. Інший вхід-вихід керуючого процесора 3 утворює вхідможливий шлях виходу з стану ЗУПИНКА - по сигвихід 6 обчислювальної системи. налу початкової установки по входу МП RESET, Блок обробки 7.1 (Фіг.) може бути виконаний, або по сигналу запиту переривання по входу INT. наприклад, як система с масивом процесорних Можлива синхронізація взаємодії керуючого проелементів [див. Патент USA 4891787, G06F9/00], цесора 3 і мікропроцесорного модуля (типу INTEL) де функції центрального пристрою і пристрою на програмному рівні за допомогою команди WAIT. управління виконує керуючий процесор 3. При значенні сигналу TEST=1 мікропроцесорний Керуючий процесор 3 (Фіг.) [див. Патент RU модуль очікує (виконуючи холості такти) сигналу 2042193 РФ, G06F15/16] здійснює вибір обчислюнизького рівня - TEST=0 (тривалістю не менше 5 вальних блоків 1.1-1.М [див. Патент UA №56139 тактів СІ МП), який встановлюється по команді України, МКІ 7 G06F15/16] і блоків обробки 7.1-7.К SETM, яка виконується керуючим процесором 3. через свій регістр зв'язку по одній з шин першої При такій взаємодії не порушується вміст загальгрупи входів-виходів і виконує передачу даних і них регістрів МП, завдяки чому створюються умокеруючої інформації в форматі і в режимі, що виви для підвищення продуктивності. Зі своєї сторозначаються типом блоку, що вибирається. Режим ни любий обчислювальний блок 1.1...1.М може передачі і тип інформації, що передається для виставити сигнал переривання через свій контрообчислювальних блоків 1.1-1.М і блоків обробки лер шини (наприклад, з набору Intel 855GM/PM) 7.1-7.К відрізняється набором керуючих сигналів і для керуючого процесора 3 по одній з шин першої типами даних, що визначаються керуючим полем групи входів-виходів, або для МП в іншому обчисмікрокоманди керуючого процесора 3. Так, для лювальному блоці через комутатор коротких повіобчислювальних блоків 1.1-1.М обмін інформації домлень 5. Керуючий процесор 3 управляє робоіде по виділеній шині введення-виведення. Для тою обчислювальних блоків 1.1-1.М в режимі блоків обробки 7.1-7.К використовується режим ОКМД (Одна Команда Множина Даних), або в реобміну даними по системній шині введенняжимі МКМД (Множина Команд Множина Даних), виведення, що поділяється в часі, для чого резерабо в змішаному режимі. В режимі ОКМД всі МП вуються підшина адрес/дані, підшина тега і підшивиконують однакову послідовність команд. В рена управління з лініями пріоритету, зайнятості, жимі МКМД кожний МП може виконувати іншу посзапиту і синхронізації для виконання арбітражу лідовність команд. Команди і/або дані для МП мошини. Вигляд даних, що передаються по шині вижуть передаватися також з зовнішніх носіїв, значається лініями тега. Транзакція передачі ковключаючи жорсткий диск, гнучкий диск або флешманд і даних шиною може займати один або більш пам'ять, підключених через контролер введенняциклів передачі. В останньому випадку, за час виведення до загальної шини у вибраному обчиспершого циклу тразакції запису або читання прилювальному блоці 1.1-1.М. Для ініціалізації пристроїв, вони реагують на свою адресу, яка перестроїв блоку обробки 7.1 керуючий процесор 3 дана по шині адрес/дані, видачею сигналу BUSY передає сигнал RESET по лінії підшини управління (зайнято) по керуючій підшині, що тримається до на всіх пристроях цього блоку, встановлюючи їх у повного завершення транзакції. Сигнал BUSY пепочатковий для роботи стан. Після цього керуючий решкоджає проведення арбітражу на шині і захоппроцесор 3 активізує роботу всіх або вибраних за лення шини іншими пристроями. Якщо тразакція адресою ПЕ-в шляхом передачі в їхню локальну займає один цикл, сигнал BUSY не встановлюєтьпам'ять даних або набору команд. Команди і/або ся. дані для ПЕ-в можуть передаватися також з зовДля ініціалізації мікропроцесорів (МП) обчиснішніх носіїв, включаючи жорсткий диск, гнучкий лювальних блоків 1.1-1.М на вхід RESET МП подиск або флеш-пам'ять, які підключені до системдається сигнал одиничного рівня, якій має бути ної шини блоку обробки 7.1, шляхом подачі сигнавитриманий не менше чотирьох тактів СІ (наприлу запиту на обслуговування REQUEST. клад, для МП Р-ІІІ Хеоn серії INTEL). По цьому Керуючий процесор 3 управляє роботою масигналу МП припиняє виконання внутрішніх опесиву ПЕ-в, які входять в блок обробки 7.1, в режирацій і переключає в неактивний стан шинні вихомі ОКМД (Одна Команда Множина Даних), або в ди адреси даних і управління. Після переходу сигрежимі МКМД (Множина Команд Множина Даних) налу на вході RESET МП в нульовий стан шляхом активізації сигналу MIMD-ACTIVE на підвиконується початкова установка регістрів МП, для шині управління. чого вимагається до восьмих тактів СІ. По заверДані і команди для обробки пересилаються в шенню початкового запуску, МП переходить до адресовану локальну пам'ять і в адресовані ПЕ-ти. виконання програми (команди), розташованної за В режимі ОКМД всі ПЕ-ти виконують однакову поадресою FFFF0H, що присвоєна кожному буферслідовність команд. В режимі МКМД кожний ПЕ 7 17725 8 може виконувати іншу послідовність команд. Заграми, що виконується. вдяки локальним зв'язкам між ПЕ-ми результати Ініційовані для роботи блоки обробки і процеобробки одних ПЕ-в можуть передаватися іншим сорні елементи (ПЕ) в них починають вибирати з ПЕ-м, дозволяючи завдяки цьому реалізовувать своєї пам'яті і виконувати попередньо завантажені ефективну обробку складних структур даних, в команди-оператори, паралельно і незалежно один тому числі пікселів зображень Результати виковід одного при установленому режимі МКМД, або нання операції і її статус можуть бути записані на паралельно і спільно - в режимі ОКМД. У режимі зовнішній носій, виданий на термінал або печать, МКМД ПЕ-и працюють аж до того моменту, поки в або переданий в керуючий процесор 3. Для цього програмній гілці не зустрінуться оператори синхкожний з ПЕ встановлює свій сигнал запиту на ронізації і оператори, які вимагають даних з іншої обслуговування REQUEST, що збираються схегілки програм. Якщо ці дані розміщені в пам'яті в мою АБО і реалізуються на пріоритетній основі по межах блоку обробки, то вони будуть викликані системній шині, описаним вище засобом. ПЕ-ми незалежно один від одного через локальні Обчислювальна система працює слідуючим шини з других ПЕ-в або з жорсткого диску. Після чином. В керуючому процесорі 3 і в усіх обчислюзавершення виконання своєї програмної гілки кожвальних блоків 1.1-1.М ініціюєтся робота заздалений ПЕ незалежно і асинхронно виставляє коди гідь загружених інтерпретаторів мови паралельноумов на свої буферні регістри і сигнал повідомго програмування (наприклад, мови С+Граф) з лення-переривання REQUEST керуючому проценеобхідними драйверами пристроїв і драйверами сору 3. Керуючий процесор 3, послідовно прогляінтерфейсу шин зв'язку з обчислювальними блодаючи коди умов завершення по кожному ками 1.1-1.М і блоками обробки 7.1-7.К. Ці дії, а перериванню з ПЕ-в блоку обробки, приймає відтакож діагностика всієї системи, можуть бути виповідні рішення про подальші дії згідно основного конані через консоль системного оператора, підкалгоритму програми, що виконуються. У режимі люченого до керуючого процесора через вхід ОКМД ПЕ-и працюють паралельно до завершення вихід 6. Керуючий процесор 3, вибираючи з своєї завантаженої послідовності команд і припиняютьпам'яті команди-оператори, викликає роботу мікся, виставивши коди умов на свої буферні регістри ропідпрограм, окремі мікрокоди яких у вигляді кеі сигнал REQUEST в вигляді переривання на обруючих директив передаються через шини на вхослуговування керуючому процесору 3. Керуючий ди вибраних обчислювальних блоків або блоків процесор 3. послідовно проглядаючи коди умов обробки. завершення по кожному перериванню з ПЕ-в блоІніційовані для роботи мікропроцесорні модулі ку обробки, приймає відповідні рішення про пода(МПМ) в обчислювальних блоках починають вибильші дії згідно основного алгоритму програми, що рати з своєї пам'яті і виконувати ті командивиконується. оператори, які попередньо завантажені, паралеКористувачі вводять свої задачі через термільно і незалежно один від одного аж до того монали і контролери введення-виведення, що розміменту, поки в програмній гілці не зустрінуться опещені в обчислювальних блоках і блоках обробки, в ратори синхронізації і оператори, які вимагають буфери введення-виведення, де вони утворюють даних з іншої гілки програми. Якщо ці дані розмічергу вхідних задач. Далі заявки з вихідної черги щені в пам'яті в межах обчислювального блоку, то задач вимагають свій перший ресурс - компілятор вони будуть викликані через загальну шину цього або інтерпретатор, що надається їм розподіленою блоку або з жорсткого диску. Якщо ж дані розмібагозадачною операційною системою. Компілятор щені в пам'яті іншого обчислювального блоку, то по кожній задачі складає супровід-команди управМПМ виставляє команду або код переривання на ління потоком даних і ресурси, які разом з іншими свій буферний регістр комутатора коротких повікомандами-операторами, отриманими в результаті домлень 5 з вказівкою адреси МПМ. Якщо шлях трансляції пропозицій мови високого рівня (напривільний, переривання передається в відповідний клад, мови С+Граф), складають для виконання МПМ, який опрацьовуючи команду, виконує дії зі програми внутрішньою мовою. Далі, паралельні збереженням результату в пам'яті. Після цього термінальні блоки програм містяться в паралельМПМ виставляє повідомлення-переривання через них МПМ обчислювальних блоках і блоках обробкомутатор коротких повідомлень 5 про готовність ки, а ведучі блоки програм - в керуючому процесоданих і їхнє місцезнаходження. МПМ, який запрорі 3, де вони утворять чергу готових до виконання сив дані, звертається за ним через головний комупрограм. Операційна система керуючого процесотатор каналів 4, прочитує їх з магістральною швира 3 планує виконання програм, розміщених в чердкістю. Так може працювати будь-який з задіяних зі готовності, підключає ресурси в вигляді обчисМПМ. Закінчивши виконувати свої програмні гілки, лювальних блоків або блоків обробки для МПМ повідомляє про це керуючому процесору 3, виконання термінальних блоків програм. повертаючи через магістраль зв'язку результати В залежності від обсягу необхідних ресурсів, умов завершення виконання своїх програм, і роззадачі поділяються на великі і малі. Малі задачі міщує коди умов на буферні регістри зв'язку. Після звичайно вимагають ресурсів одного процесора і цього ті МПМ, які закінчили роботу, переходять в частини локальної пам'яті, а великі - більше одностан „Очікування”, очікуючи наступних керуючих го МПМ або ПЕ, або потужності всієї системи. В вказівок з боку будь-якого з МПМ або керуючого останньому випадку для підвищення ефективності процесора 3. Керуючий процесор 3, послідовно роботи всієї системи використовується комутатор проглядаючи коди умов завершення по кожному коротких повідомлень для взаємної передачі пеперериванню з МПМ, приймає відповідні рішення реривань між МПМ в обчислювальних блоках і про подальші дії згідно основного алгоритму прообробка цих переривань в мультипотоковому ре 9 17725 10 жимі, що підтримується на апаратному рівні, або підвищити продуктивність різнорідних багатопроапаратну автоматичну передачу повідомлень між цесорних систем. ПЕ-и в блоках обробки. Це дозволяє виконувати Проведене імітаційне моделювання спільної переключення потоків (процесів) в швидкому темроботи всіх компонентів обчислювальної системи пі, зберігаючи поточний стан процесу в невеликопідтвердили підвищення продуктивності при ріму об'ємі даних, таких, як: шенні одночасно задач обчислювального характе- сегмент стану потоку; ру і задач обробки графів. - дескриптор сегменту стану потоку; Компоненти обчислювальної системи - обчис- дескриптор запуску потоку. лювальні блоки 1.1-1.М - можуть бути збудовані на З зазначеними структурами процесор (у тому стандартних мікросхемах - мікропроцесорах і чіпчислі керуючий) може в межах однієї задачі перексетах, а блоки обробки 7.1-7.К і керуючий процелючати виконання з одного потоку на другий, але сор 3 - на стандартних програмованих логічних зберігає при цьому контекст первинного потоку і матрицях (наприклад, на програмованих матрицях дозволяє поновлення нового. фірми XILINX). Завдяки цим особливостям запроВикористання цих можливостей запропоновапонована багатопроцесорна обчислювальна сисними у даній корисній моделі засобами дозволяє тема може бути легко впроваджена в промислопоширити коло ефективно вирішуваних задач і вість. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601