Траспьютеры
Приднестровский государственный
университет им. Т.Г. Шевченко
Инженерно-технический институт
Инженерно-технический факультет
Кафедра информационных технологий и
автоматизированного
управления производственными
процессами
ДОКЛАД
по дисциплине "Архитектура
ЭВМ"
тема: "ТРАНСПЬЮТЕРЫ"
Работу выполнил
студент группы ИТ10ДР62ИВ2
Сонсядык Иван Иванович
Проверила, доцент Кирсанова А.В.
Тирасполь, 2014
Содержание
1. Введение в транспьютеры
2. Общие сведения об архитектуре транспьютера
2.1 Транспьютеры IMS Т414 и IMS Т800
2.2 Адресация транспьютеров IMS Т414 и IMS Т800
3. Особенности интерфейсов транспьютеров
4. Применение транспьютеров
Литература
1. Введение в транспьютеры
Для практической реализации многопроцессорных систем
необходимо иметь:
- элементы, с помощью которых можно строить
эффективные и компактные системы подобного типа;
- параллельные алгоритмы решения типовых
задач;
- соответствующие программные средства.
При построении многопроцессорных систем необходим компромисс
между числом используемых процессоров и их физическими размерами. Физические
размеры при заданном уровне технологии в значительной мере будут определять
функциональные возможности каждого процессора.
В связи с этим вводят понятие степени дисперсности
многопроцессорной архитектуры. Низко - или крупнодисперсные системы (coarse
grained) содержат небольшое число достаточно мощных одинаковых универсальных
процессоров. Высоко - или мелкодисперсные (fine grained) системы состоят из
возможно большего числа простых, как правило, специализированных процессорных
элементов. Естественно, высокодисперсные системы могут обеспечить более высокую
степень параллелизма, но в сочетании с более слабыми характеристиками отдельных
процессоров.
При существующих возможностях полупроводниковой технологии
низкодисперсные системы могут включать от нескольких единиц до нескольких
тысяч, а высокодисперсные - от десятков тысяч до миллионов процессорных
элементов на систему. По мере развития технологии и роста степени
миниатюризации граница между указанными классами систем будет сдвигаться в
сторону большего числа элементов.
Отмечались разработки и начало массового производства мощных
микропроцессоров. Среди них разработанные в США 32-разрядные микропроцессоры -
Intel 80386 фирмы Intel и Motorola 68020 фирмы Motorola.
Однако, чтобы с помощью этих стандартных микропроцессоров
построить ПЭ для параллельных компьютерных архитектур, необходимо кроме
микропроцессора использовать еще достаточное число вспомогательных интегральных
микросхем. В результате один такой ПЭ занимает целую плату с несколькими
корпусами больших интегральных схем. Габаритные размеры системы даже для
небольшого числа ПЭ (один-два десятка) получаются значительными, при этом
возрастают потери в быстродействии за счет значительного обмена данными между
интегральными схемами, растет стоимость и энергопотребление, снижается
надежность.
Таким образом, использование даже самой современной
стандартной микропроцессорной элементной базы не решало многих вопросов
реализации новых принципов построения параллельных систем.
Решение проблемы стало возможным с появлением нового
микроэлектронного прибора, получившего название транспьютер. Прибор был создан
специалистами до этого малоизвестной английской фирмы Inmos из г. Бристоль.
На одном полупроводниковом кристалле кремния разработчики
фирмы разместили универсальный компьютер, включающий мощный микропроцессор,
быструю локальную память, каналы ввода-вывода, реализующие взаимодействие по
принципу "рандеву", интерфейс с внешней полупроводниковой памятью и
встроенный планировщик внутренних процессов.
Транспьютер спроектирован так, чтобы максимально облегчить
построение параллельных архитектур из идентичных элементов с минимальным
привлечением дополнительных интегральных микросхем. Само название нового
элемента, полученное от сочетания двух слов "транзистор" и
"компьютер", должно указывать на то, что транспьютер, по мнению
разработчиков, является таким же исходным элементом для нового поколения
компьютеров, как транзистор для первых полупроводниковых машин.
Первая публикация по транспьютерам появилась в журнале
"Электроника" в ноябре 1983 г. Однако только осенью 1985 г. фирма
Inmos с опозданием на год по сравнению с первоначальными планами объявила о
промышленной реализации нового элемента.
В создании транспьютера участвовала группа талантливых
английских ученых, объединяющая специалистов в области современной
микроэлектронной технологии, архитектуры больших интегральных схем и
программного обеспечения параллельных процессов. В транспьютере нашли отражение
самые последние достижения в указанных областях. Исследовательская группа
вначале насчитывала 15-20 человек, но потом выросла до 50-60 человек. В общей
сложности на разработку первого транспьютера фирмой было затрачено около 100
человеко-лет. При создании элемента широко применялись современные средства
автоматизированного проектирования.
В апреле 1986 г. первые 32-разрядные транспьютеры T414 по
начальной цене в 350 англ. фунтов (525 дол.) начали поступать в адрес 1000
пользователей.
Представляет интерес сравнить характеристики этого
транспьютера с известным 32-разрядным микропроцессором Intel 80386 американской
фирмы Intel. Начало массового производства Intel 80386 также относится к 1986
г.
По площади используемого полупроводникового кристалла
(8,7x8,9мм) Т414 несколько меньше, чем Intel 80386. Он содержит 200000
транзисторов, а американский микропроцессор 270000. Однако на кристале Т414
кроме мощного 32-разрядного микропроцессора разработчики смогли поместить еще 2
Кбайт оперативной памяти и четыре канала ввода-вывода (линка) для связи с
другими транспьютерами.
Фирма Intel в своем микропроцессоре применила более
традиционное решение, поместив на кристалл вместо оперативной памяти только
устройство управления памятью и адресную кеш-память. Вместо четырех линков (со
скоростью передачи 10 Мбит/с) и магистрали прямого доступа к памяти (со
скоростью 25 Мбайт/с) в Intel 80386 использована одна магистраль для обмена с
памятью и другими внешними элементами, работающая со скоростью 32 Мбайт/с.
Таким образом, для взаимного соединения нескольких процессоров Intel 80386 в
сеть, как уже отмечалось, нужны дополнительные коммуникационные элементы,
которые, естественно, усложняют и удорожают конструкцию.
Важным решением разработчиков транспьютера было снижение
энергопотребления интегральной схемы. Если максимальное потребление Т414
составляет 500 МВт, то у Intel 80386 оно в 4 раза больше (2 Вт). Это открывает
широкие возможности для создания компактных конструкций с большим числом
параллельно работающих элементов.
Микропроцессор Intel 80386 был разработан как стандарт для
нового поколения персональных компьютеров. При разработке этого
микропроцессора, по мнению разработчиков, существенным было сохранить
совместимость с прежними микропроцессорами (8086, 80286), которые
использовались в широко распространенных персональных компьютерах фирмы IBM и
других совместных с ними моделях. Поэтому разработчики Intel пошли по пути
эволюционного развития архитектуры, оставив принципы и архитектуру, заложенные
в середине 70-х годов, в то время как фирма Inmos пошла на революционные
изменения в архитектуре транспьютера.
В частности, фирма Intel согласилась на значительное
сохранение в 80386 системы команд прежних популярных процессоров той же фирмы.
В результате этот микропроцессор имеет 129 команд, только 17 из них могут быть
выполнены за 2 такта, другие требуют на реализацию больше времени, некоторые -
до 40 тактов. Поэтому при длительности одного такта в 62,5 не (на частоте 16
Мгц) и 5% -ном превышении, связанном с запаздыванием в выполнении команды
выборки (fetching), микропроцессор Intel 80386 обеспечивает пиковое
быстродействие от 3 до 4 млн. операций над целыми 32 - разрядными числами в
секунду (обозначается как Мипс), при этом на команду приходится в среднем от
3,8 до 5,1 такта. В транспьютере Т414 на выполнение каждой команды в среднем
тратится только 2 такта, что обеспечивает быстродействие в 10 Мипс, хотя
тактовая частота у него лишь на 25% выше, чем у 80386 (20 Мгц против 16 Мгц).
Преимуществом подхода Intel является то, что все или почти
все ранее созданное прикладное или системное программное обеспечение работает с
новым микропроцессором, а для транспьютера необходимо было создавать новые
программные продукты, что представляло собой очень сложную задачу.
Наиболее близким по идеологии элементом к транспьютеру был
процессорный элемент, созданный в том же 1986 г. американской фирмой NCube для
использования в своих микропроцессорных супер-ЭВМ. На несколько большем по
площади кристалле (10*10мм2) разработчики поместили, кроме 32-разрядного
процессора, также каналы прямого доступа к памяти, управляемые процессором.
Если у транспьютера таких двунаправленных каналов (линков) - четыре, в элементе
фирмы NCube их 11, два из которых используются в системе ввода-вывода. Это
позволяло без значительных аппаратных сложностей строить различные
многопроцессорные архитектуры, например архитектуры 10-мерного гиперкуба.
Однако по своим характеристикам этот элемент значительно уступает транспьютеру,
так как имеет меньшее число транзисторов на кристалле (110 000), обеспечивает в
5 раз меньшее быстродействие (2 Мипс) и имеет в 5 раз большее энергопотребление
(2,5 Вт).
С момента объявления первого транспьютера в 1983 г. фирма
Inmos выпустила три поколения транспьютеров. Вслед за Т414 был выпущен
16-разрядный транспьютер Т212 (IMST212) и связанный с ним графический
контроллер и контроллер внешней памяти на жестких и гибких магнитных дисках.
Наконец, осенью 1986 г. был объявлен, а с апреля 1987 г. начал поставляться
новый транспьютер Т800 (IMS Т800).
По сравнению с Т414 транспьютер Т800 имеет на 20% большую
площадь кристалла, что позволило расположить на нем дополнительно
арифметический сопроцессор для операций над 64-разрядными числами с плавающей
точкой и увеличить объем оперативной памяти на кристалле до 4 Кбайт.
Проектирование и изготовление кристалла осуществлено с использованием
1,5-микронной технологии, схема содержит около 300 тыс. транзисторов.
Модель Т800-20, работающая на тактовой частоте 20 Мгц,
обеспечивает быстродействие в 1,5 млн. операций с плавающей точкой в секунду (обозначается
как Мфлопс).
В конце 1989 г. фирма Inmos объявила о подготовке к выпуску
новой версии 32-разрядного транспьютера - Т425. За счет отказа от операций с
плавающей точкой, снижения числа линков до двух и объема оперативной памяти на
кристалле с 4К до 2 Кбайт фирме удалось добиться средней цены 20 дол. за один
элемент, что существенно меньше, чем цена Т414 или Т800. Новый элемент, работая
на тактовой частоте 20 Мгц, обеспечивает быстродействие в 10 Мипс.
Одновременно фирма Inmos объявила о разработке нового
поколения транспьютеров серии H1 с быстродействием 150 Мипс и 20 Мфлопс.
Интересной особенностью новых приборов будло введение в их состав
"виртуальных линков", т.е. встроенных мультиплексоров, позволяющих
расширять число линков до необходимого количества, требуемого согласно
используемой архитектуры сети. Скорость обмена по линку была доведена до 100
Мбит/с в дуплексном режиме.
транспьютер интерфейс интегральная микросхема
2. Общие сведения об архитектуре транспьютера
Транспьютер можно определить как интегральную микросхему
сверхбольшой степени интеграции (СБИС), содержащую на одном кристалле
процессор, память и аппаратно реализованные средства обмена данными (так
называемые линки), обеспечивающие непосредственную связь транспьютеров друг с
другом. Транспьютер разработан в качестве основного модуля для построения
параллельных вычислительных систем.
Транспьютеры модели Т212 могут использоваться как
универсальные периферийные контроллеры и содержат на одном кристалле
16-разрядный процессор, память и связные линки. Транспьютеры IMS Т800
аналогичны Т414, но снабжены дополнительным процессором для операций с
плавающей точкой.
2.1
Транспьютеры IMS Т414 и IMS Т800
Данные транспьютеры имеют четыре высокоскоростных
последовательных линка, поддерживаемых внутренними каналами прямого доступа к
памяти (Рисунок 2.1), два таймера и внутреннюю оперативную статическую память.
Емкость памяти Т414 равна 2 Кбайт, а Т800 - 4 Кбайт.
Рисунок 2.1 - Структура транспьютеров IMS T414 и IMS T800
Процессор Т414 обеспечивает высокую скорость операций с
целыми числами, модель Т414-20, работающая на частоте 20 Мгц, демонстрирует
быстродействие в 10 Мипс. Процессор Т800-30, работающий на частоте 30 Мгц,
имеет быстродействие в 15 Мипс, а для операций с 64-разрядными числами с
плавающей точкой - 2,25 Мфлопс.
Емкость непосредственно адресуемой памяти для Т414 и Т800
составляет 4 Гбайт. Интерфейс доступа к внешней памяти обеспечивает для Т414-20
передачу четырех байтов в 150 нс (26,6 Мбайт/с), а для Т800-30 четырех байт в
100 нс (40 Мбайт/с). Линки транспьютеров позволяют реализовать скорость
передачи данных в 5, 10 и 20 Мбит/с. Из-за мультиплексирования магистралей
адресов и данных удалось уместить и ту и другую СБИС в корпус с 84 выводами.
Размер корпуса 27x27 мм.
Транспьютер относят к процессорам с так называемой
РИСК-архитектурой (процессор с уменьшенным числом команд). В отличие от
большинства рисковых процессоров в транспьютере используется микрокод и
присутствуют команды, исполняемые за несколько циклов процессора. Отличительной
особенностью транспьютера является также то, что он снабжен встроенным
планировщиком (диспетчером) процессов, позволяющим обеспечить многозадачный
режим работы без дополнительного программного обеспечения.
Система команд транспьютера была разработана с целью
обеспечения простоты и эффективности трансляции с языка высокого уровня Оккам.
Все команды имеют одинаковый формат, выбранный из соображений компактного
представления наиболее часто встречающихся в программах операций. Команды не
зависят от длины слова процессора, которое может содержать любое количество
байт (одна и та же система команд может использоваться на 16-, 24 - и 32 -
разрядных процессорах).
Можно считать, что каждый транспьютер выполняет некий
предписанный ему оккамовский процесс. Данный процесс может сам состоять из
некоторого числа конкурентных или последовательных подпроцессов. Параллельная
обработка в транспьютере реализована с помощью распределения процессорного
времени между конкурентными процессами.
Естественно, процессор выполняет все процессы по очереди.
Процесс, выполняемый в данный момент, называется текущим процессом, а набор
процессов, готовых к выполнению, называется активным набором.
Процессор может выполнять любой процесс на одном из двух уровней
приоритета: уровень 0 - для срочных процессов, уровень 1 - для других
процессов. Если имеются одновременно два активных процесса разных уровней, то
процессор будет выполнять процесс уровня 0, а процесс уровня 1 будет отлажен.
Если при выполнении процесса уровня 1 возникает процесс уровня 0, то первый
процесс прерывается до окончания всех процессов уровня 0.
Текущий процесс выполняется до тех пор, пока нет никаких
обстоятельств, препятствующих его выполнению, как, то: ожидание ввода или
вывода, ожидание некоторого наперед заданного отрезка времени или прерывание
для выполнения срочного процесса. Кроме того, процессы первого уровня
квантуются по времени, т.е. выполнение процесса первого уровня будет
приостановлено после окончания текущего периода квантования, если в очереди
имеются процессы того же приоритета. Когда текущий процесс не может продолжать
работу, из активного набора выбирается следующий текущий процесс. Выполнение
прерванного процесса продолжится после того, как все процессы высшего приоритета
окажутся не в состоянии продолжать свое выполнение.
Связь между процессами осуществляется с помощью каналов.
Каналы для связи процессов, выполняющихся на одном и том же транспьютере,
представляют собой специально организованные системой доступа ячейки памяти, а
каналы для связи процессов, выполняющихся на разных транспьютерах, реализуются
с помощью линков. Каждый линк используется исключительно для связи между двумя
транспьютерами и обеспечивает в каждом направлении один оккамовский канал.
Как и в оккамовской модели, связь осуществляется только,
когда оба процесса - вводящий и выводящий - готовы. Следовательно, процесс,
первым пришедший в состояние готовности, должен ждать, пока не будет готов
второй процесс. Первый из этих процессов изымается из активного набора, и его
идентификатор записывается в канал. Процессор начинает выполнять следующий
процесс из активного набора. Когда второй из двух процессов придет в состояние
готовности, произойдет передача сообщения, и ждущий процесс будет возвращен в
активный набор.
Как уже отмечалось, система команд транспьютера не зависит от
длины слова процессора. Программы, манипулирующие байтами, словами и
логическими значениями, могут быть оттранслированы в последовательность команд,
выполняющихся практически одинаково на процессорах с различной длиной слова.
Это обеспечивается форматом команд адресации памяти, использованием
однобайтовых инструкций и представлением длинных операндов в виде
последовательности префиксных инструкций. Различия в выполнении обусловливаются
различной длиной слова, используемого при арифметических вычислениях, что
проявляется в различной реакции на переполнение, а также байтовой адресацией
массивов слов.
Перенос программы с одного транспьютера на другой будет
значительно облегчен, если в ней не указывать в явном виде длину слова,
количество байт в слове и т.д. В принципе, возможно написать программу, которая
будет работать на любом транспьютере, в сети, состоящей из различных
транспьютеров, не зная заранее длин слов этих транспьютеров.
Значения, соответствующие наибольшим (по модулю)
отрицательным значениям, никогда не применяются в качестве указателей, так как
они зарезервированы на микропрограммном уровне для обеспечения механизма работы
планировщика.
Для представления этих и некоторых других значений служат
следующие символические имена:
MostNeg - наибольшее отрицательное значение (старший бит
равен единице, остальные - нули);
MostPos - наибольшее положительное значение (старший бит
равен нулю, остальные - единицы);
NotProcess. p ( - MostNeg) - зарезервированы для
механизма работы планировщика.
Кроме того, при работе планировщика процессов, а также при
работе с таймером используются другие отрицательные значения, производные от MostNeg.
Формат команды транспьютера показан на рисунке 2.2 Длина каждой команды равна
одному байту; байт делится на две части: четыре старших бита представляют собой
код функции, четыре младших бита - значение данных. Такой формат позволяет
представить 16 функций с диапазоном данных от 0 до 15 для каждой из них; 13
функций выделены для кодирования наиболее важных операций, включая переходы,
вызовы и команды, используемые для доступа к переменным.
Рисунок 2.2 - Формат команды транспьютера
Для увеличения длины операнда любой команды вводятся две
функции:
- pfix - префикс;
- nfix - отрицательный префикс.
Для выполнения всех команд четыре бита данных (младшие биты)
загружаются в четыре младших бита регистра операндов, значение которого затем
используется в качестве операнда команды. Все команды, кроме префиксных,
закончив свое выполнение, очищают регистр операндов, подготавливая его для
следующей команды.
Команда с префиксом pfix загружает четыре бита данных
в регистр операндов, а затем сдвигает его на четыре разряда влево. Команда с nfix
действует таким же образом, как и с pfix, за исключением того, что она
дополняет регистр перед сдвигом. Следовательно, для расширения операнда перед
ним может быть помещена последовательность из одной или более префиксных
команд. Операнды в диапазоне от - 256 до 255 могут быть представлены с помощью
одной префиксной команды.
Префиксные команды имеют важные свойства:
) облегчают написание трансляторов, обеспечивая всем командам
один и тот же метод доступа к операндам любой длины вплоть до длины слова
процессора;
) позволяют представлять операнды в форме, независимой от
длины слова процессора.
Косвенная функция opr интерпретирует свой
операнд как некоторую операцию над значениями, хранящимися в регистрах. Это
позволяет закодировать в виде однобайтной команды до 16 операций. Как и в любой
другой команде, в функции орr можно использовать префиксные команды для
увеличения длины операнда. Для обеспечения наиболее компактного представления
программ операции кодируются таким образом, что наиболее часто применяемые
команды представляются без префиксов.
Для простоты в дальнейшем префиксные последовательности, а
также функция орr использоваться не будут. Каждая команда представлена
мнемоническим обозначением; а для непосредственных функций добавляется элемент
данных, который заменяет соответствующую префиксную последовательность и код
функции.
3.
Особенности интерфейсов транспьютеров
Наиболее просто осуществляется соединение транспьютеров друг
с другом. Для этого линк одного из транспьютеров подсоединяется к линку
другого. К одному линку одновременно можно подсоединить только один
транспьютер. Таким образом, к транспьютерам Т212, Т414 или Т800,
имеющим по четыре линка, можно подключить до четырех транспьютеров. Каждый линк
включает два канала, физически два провода: один канал - в одну сторону, другой
- в другую (рисунок 3.1, а). Один линк может одновременно обслужить до двух пар
оккамовских процессов (рисунок 3.1, б). При соединении линков происходит
соединение линкового интерфейса одного транспьютера с линковым интерфейсом
другого. При обмене сообщениями каналы работают в режиме прямого доступа в
память каждого из соединенных транспьютеров, а процессоры транспьютеров в это
время имеют возможность параллельно выполнять другие операции.
Рисунок 3.1 - Взаимодействие линков
Линки обеспечивают физическое прямое соединение на расстояние
до 300 мм, т.е. в пределах одной или двух печатных плат, соединенных с помощью
разъемов задней панели.
Линки соединяются двумя витыми парами проводов (в каждой паре
один провод - сигнальный, другой - земля, рисунок 3.2, а). Для уменьшения
уровня шума целесообразно экранировать каждую из пар. Если требуется обмен на
большее расстояние, то используется кабельная линия с волновым сопротивлением
100 Ом и с подключением согласующегося сопротивления (рисунок 3.2, б). При больших
расстояниях должны применяться буферные устройства (рисунок 3.2, в).
Рисунок 3.2 - Соединение линков
В качестве линии связи на расстояния более 100 м используется
волоконно-оптический кабель. Соответствующие преобразователи разработаны и
предлагаются рядом зарубежных фирм.
Передача данных по каналу линка осуществляется
последовательно. Протокол передачи выбран такой, что после передачи каждого
байта производится подтверждение. В невозбужденном состоянии на входе канала
имеется сигнал низкого уровня. Передача каждого байта данных начинается с
передачи стартового бита и бита флага высокого уровня, а затем следует восемь
бит данных и стоп-бит низкого уровня для индикации конца байта данных (рисунок
3.3). Наиболее значимый бит данных передается первым.
Рисунок 3.3 - Передача байтов по каналу линка
После передачи байта данных процесс, посылающий данные, ждет
подтверждения, которое состоит из стартового бита высокого уровня и бита
низкого уровня (рисунок 3.3). Подтверждение означает, что процесс-получатель
принял подтверждаемый байт данных и принимающий канал может принять следующий
байт. Посылающий канал прекращает передачу только после того, как получено
подтверждение последнего байта из сообщения, которое нужно было передать.
Сообщение по линку не зависит от фазы сигнала таймера,
передача сообщения может быть организовано между транспьютером и с
независимыми, но аналогичными по параметрам таймерами. Как уже отмечалось,
транспьютеры Т800 и Т414 обеспечивают скорость передачи данных по
линку 10 Мбит/с, дополнительно можно использовать скорость 5 Мбит/с или 20
Мбит/с. При обмене данными на большие расстояния с использованием
волоконно-оптического кабеля скорость обмена падает до 5 Мбит/с.
Для подключения транспьютера через линки к другим устройствам
с параллельным обменом данными фирма Inmos выпустила два специальных адаптера.
Адаптер IMS С012 позволяет подключить линк
транспьютера к системной магистрали микропроцессора через 8-разрядный
двунаправленный интерфейс. Имеется возможность также использовать две линии
прерывания (рисунок 3.4, б).
Рисунок 3.4 - Адаптеры
Другой адаптер IMS C011 может работать в двух режимах.
В режиме 1 он обеспечивает преобразование последовательных сигналов одного
транспьютерного линка в два независимых байтовых сигнала, входной и выходной, с
обменом в режиме квитирования (рисунок 3.4, а). Подобный преобразователь может
быть использован для связи с интерфейсом типа Centronics или в качестве
порта пользователя. В режиме 2 он выполняет функции адаптера IMS C012.
IMS C011 выпускается в пластмассовом или керамическом
корпусе размером 37x14 мм с 28 штырьковыми выводами, IMS С012 - в
пластмассовом корпусе размером 31x6,5 мм с 24 выводами.
Интерфейс внешней памяти транспьютера (EMI) используется для
подключения элементов внешней оперативной памяти (для 32-разрядных
транспьютеров Т414 и Т800 емкостью до 4 Гбайт), а также
периферийных устройств. В последнем случае имеется возможность обеспечить
прерывание транспьютера, если какое - то из подсоединенных периферийных
устройств потребует обслуживания.
Кроме рассмотренных выше способов организации интерфейса,
фирма Inmos предлагает осуществить прямое подсоединение к
транспьютерному элементу внешних устройств с помощью специальных схем,
встроенных в транспьютерный кристалл. Примером подобного подхода может служить
периферийный 16-разрядный процессор IMS М212, где в рамках одного
транспьютерного кристалла вместе с процессором, внутренней памятью (ПЗУ
емкостью 4 Кбайт и ОЗУ емкостью 2 Кбайт) и двумя линками реализован специальный
дисковый контроллер с двумя 8-разрядными портами для управления стандартным
винчестерским накопителем на жестком диске или накопителями на гибких магнитных
дисках.
Для управления накопителями могут использоваться как
постоянные программы, записанные в ПЗУ, так и программы пользователя,
загружаемые в ОЗУ.
4. Применение
транспьютеров
Производство транспьютеров в 1987 г. составило несколько
десятков тысяч штук в год. В 1988 г. оно поднялось до 100 тыс. штук и
продолжало увеличиваться. По данным фирмы Inmos в 1989 г. выпускалось
около 250 видов систем и изделий, использующих транспьютеры, дополнительно в
разных странах велись исследования по более чем 1200 техническим проектам,
относящимся к разным сферам применения транспьютерных элементов.
Прежде всего транспьютер может быть использован как
достаточно мощный центральный микропроцессор. Оценка быстродействия процессора
или компьютера - достаточно сложная проблема, быстродействие зависит от того
класса задач, которые решаются на данном компьютере. Для сравнения по
быстродействию часто используются наборы типовых задач, которые получили
название "бенчмарки". Одним из примеров широко распространенных
бенчмарок является оценка Whetstone. Эта оценка была предложена
сотрудниками английской национальной физической лаборатории в начале 60-х
годов. Для оценки использовался набор коротких программ, первоначально
написанных на языке Алгол 60 и связанных с типовыми научными расчетами. Идея
состояла в том, чтобы ученый для сравнения быстродействия компьютеров имел
индикатор, который показал бы, как успешно компьютеры справляются с достаточно
широким спектром интересующих его задач. Среди этих программ имеется ряд
программ с операциями над числами с плавающей точкой, векторами и
тригонометрическими выражениями. При вычислении оценки определяется время
выполнения на данном компьютере каждой из программ набора, и итоговая оценка
представляет собой взвешенную сумму этих времен.
Одновременно фирма Inmos на базе IMS В004
начала поставлять специальную инструментальную систему TDS
(транспьютерную систему разработки), которая позволяла разрабатывать и
отлаживать транспьютерные программы, используя при этом доступ к программным и
аппаратным ресурсам персонального компьютера. В систему входили: компилятор
языка Оккам, компоновщик программ, отладчик, редактор, библиотека подпрограмм
для работы с плавающей арифметикой и т.д.
Были также разработаны и начали поставляться компиляторы с
языков программирования Си, Паскаль и Фортран, работающие с транспьютерной
платой.
Основное преимущество транспьютерных элементов однако состоит
не в индивидуальном их применении в качестве отдельных процессоров, а в
построении на их основе многопроцессорных сетевых архитектур. Имея несколько
транспьютеров, можно соединять их в транспьютерные сети различной архитектуры
(рисунок 4.1).
Рисунок 4.1 - Транспьютерные сети
Учитывая это обстоятельство, фирма Inmos начала
выпускать двойные европлаты с несколькими транспьютерами. Наибольшее
распространение получила плата IMS В003 с четырьмя транспьютерами Т414
или Т800 и 256 Кбайт локальной оперативной памяти на каждый транспьютер.
Эта плата позволяла иметь уже небольшую транспьютерную сеть. Использование
нескольких таких плат давало возможность расширять сеть. Для этих целей фирма
выпустила конструктив с блоком питания и охлаждением, вмещающий 10 плат, т.е.40
транспьютеров. Получение различных структур сетей осуществлялось вручную с
помощью специальных кабельных перемычек, соединяющих платы. Можно было
увеличить размеры сети, подключая дополнительные конструктивы с транспьютерными
платами, В системе ITEM 400 используется 40 транспьютеров T414-20,
обеспечивающих общее быстродействие до 400 Мипс, а в системе ITEM 4000 -
сорок транспьютеров Т800-20 с общим быстродействием 60 Мфлопс. В
качестве системы разработки и терминала для ITEM используется
персональный компьютер фирмы IBM с платой В004. Отладка и
компиляция программы на языке Оккам производится на этом компьютере, а затем
откомпилированная программа по кабелю со скоростью 10 Мбит/с загружается в
систему ITEM и там обрабатывается в параллельном режиме на сети
транспьютеров. Результаты расчетов перекачиваются в персональный компьютер для
представления пользователю.
Эти разработки фирмы Inmos не могли остаться
незамеченными другими фирмами. Так как транспьютеры стали доступными на рынке,
ряд фирм начали на их основе выпускать однотранспьютерные и многотранспьютерные
платы.
Среди этих фирм большого успеха добилась американская фирма Mikroway
Inc., которая в 1987 г. выпустила сначала плату для PC AT (XT) с
одним транспьютером и 2 Мбайтами оперативной памяти (Monoputer -
Монопьютер), а затем с четырьмя транспьютерами и 1 или 2 Мбайтами оперативной
памяти на транспьютер (Quadputer - Квадпьютер).
Выше отмечалась необходимость в ряде задач изменять структуру
многопроцессорной сети. Для автоматической реализации такого требования фирма Inmos
разработала специальный координатный коммутатор С004 с 32 входами и 32
выходами, позволяющий с помощью программного управления переключать в любом
порядке 32 своих входа и выхода, обеспечивая скорость передачи данных 20
Мбит/с. Коммутатор реализован в виде интегральной схемы в керамическом корпусе
размером 27х27мм с 84 выводами. Одна схема позволяет производить изменение
структуры сети, содержащей до 8 транспьютеров. Для сетей с большим числом
процессорных элементов на основе С004 строятся специальные каскадные
схемы коммутаторов.
С целью получения конструктивной гибкости транспьютерных
систем фирма Inmos предложила модульную систему TRAMS (TRAnsputer
Modules - транспьютерные модули). Система состоит из базовых плат со
стандартными разъемами на плате и набора транспьютерных модулей, размещаемых на
этих платах. На базовой плате В008 для персонального компьютера PC XT
или AT имеется коммутатор С004, управляемый транспьютером Т212,
а также десять свободных мест для размещения транспьютерных модулей.
Транспьютерные модули содержат по одному транспьютеру (Т414
или Т800) и отличаются друг от друга емкостью оперативной памяти (от 320 Кбайт
до 8 Мбайт на модуль). В зависимости от емкости памяти модуль может занимать от
одного до восьми посадочных мест на базовой плате.
Таким образом, в зависимости от требований, предъявляемых
решаемой задачей, пользователь имеет возможность с помощью различных модулей
выбрать необходимые аппаратные средства (число транспьютеров и емкость
локальной оперативной памяти на каждый транспьютер), а с помощью коммутаторов
С004 и необходимую архитектуру сети транспьютерных элементов.
Специальные транспьютерные платы применяются в системах
автоматизированного проектирования для обеспечения графических дисплеев
повышенного разрешения и для быстрого выполнения некоторых трудоемких
вычислительных алгоритмов.
Несколько американских и японских фирм использовали
транспьютер в новом контроллере для лазерного принтера, что позволило увеличить
скорость печати в 2-4 раза. Проводятся многочисленные исследования по
применению транспьютерных элементов и сетей в системах управления двигательными
установками, в быстродействующих роботах-манипуляторах, в системах цифровой
коммутации и связи. На рисунке 4.2 показана схема системы обработки
изображений, предложенная западногерманской фирмой Parsytec. В качестве
основной магистрали используется известная шина VME, а центрального
процессора - микропроцессор MG 68020 фирмы Motorola. Под
управлением MC 68020 видеоинформация через интерфейсный контроллер со скоростью
20 Мбит/с подается на сеть транспьютерных элементов, где происходит ее
параллельная обработка. По окончании обработки вырабатывается управляющий
сигнал, который через специальный интерфейсный контроллер поступает на
промышленную магистраль (например, SMP фирмы Simens). К этой
магистрали могут подключаться различные прикладные системы, в частности
промышленные роботы.
Рисунок 4.2 - Схема системы обработки изображений
Создание ускорителей для персональных компьютеров и микроЭВМ
на базе транспьютерных элементов не могло не привести к появлению
транспьютерных персональных компьютеров или рабочих станций.
Общая структура подобного компьютера показана на рисунке 4.3
В качестве центрального и графического процессоров, а также контроллера
дисковой памяти используются транспьютеры, работающие параллельно. При
необходимости для увеличения мощности отдельных процессоров вместо одного
транспьютера можно применить сеть из нескольких транспьютеров.
Рисунок 4.3 - Общая структура транспьютерного компьютера
В 1987 г. известный изготовитель персональных компьютеров
американская фирма ATARI объявила о начале поставок нового персонального
компьютера ABAQ, где в качестве центрального процессора используется
транспьютер Т800 с 4 Мбайт оперативной памяти и 1 Мбайт специальной
видеопамяти. В корпусе машины имеются разъемы для размещения дополнительных
четырех плат с 16 транспьютерами Т800.
К сожалению, новая машина не смогла пробиться на рынок
персональных компьютеров. За последующие два года было продано лишь около 200
этих машин. Фирма ATARI полицензионным соображениям была вынуждена также
заменить название ABAQ на другое - "Транспьютерная рабочая станция
Атари" (ATARI Transputer Workstation - ATW).
Несмотря на указанные неудачи, фирма ATARI продолжала рекламировать и
совершенствовать эту машину.
Летом 1988 г. на ежегодной выставке персональных компьютеров
в Лондоне фирма Microway представила свой вариант персонального
компьютера на транспьютерах, получивший название "Мультипьютер" (Multiputer).
Компьютер использует системную магистраль PC AT, к которой
подключаются 14 плат. Три платы заняты 32-разрядным процессором Intel
80386 с оперативной памятью, контроллером накопителя на жестких дисках фирмы Western
Digital и графическим контроллером EGA. Остальные 11 плат
выбираются пользователем из перечня транспьютерных плат, предлагаемых фирмой Microway.
Haпример, подобный набор может состоять из платы монохромной графики высокого
разрешения на 1280х1024 точек со специальным транспьютерным графическим
контроллером - видеопьютером, четырех плат с 9 транспьютерами Т800 на плате,
пяти плат с 6 транспьютерами на плате и одной однотранспьютерной платы - монопьютера.
В целом указанный вариант машины содержит 67 транспьютеров. Как и в ПК ATW,
в "Мультипыотере" используется ОС Helios.
Кроме применения в персональных компьютерах, транспьютеры
начали использоваться как основные строительные блоки в суперЭВМ. На Ганноверской
ярмарке (ФРГ) в марте 1988 г. фирма Parsytec представила две модели
супер-ЭВМ, получивших название Megaframe SuperCluster. Одна из
этих машин - "Модель 64" содержит 64 процессора типа Т800 (или Т414)
и 256 Мбайт оперативной памяти, другая - "Модель 256" включает 256
транспьютеров типа Т800 и оперативную память емкостью 1 Гбайт. Пооценкам
представителей фирмы Parsytec, "Модель 256" обеспечивает
быстродействие в 2560 Мипс для целочисленных скалярных операций и 384 Мфлопс
для операций с плавающей точкой.
Следует отметить, что одна из самых современных супер-ЭВМ Cray
XMP американской фирмы Cray Research Inc. имеет
пиковую производительность в 256 Мфлопс, т.е. меньше чем "Модель
256". К этому следует добавить, что стоимость машины "Модель
256" на порядок меньше стоимости машины Cray ХМР.
Литература
1. "Все
о компьютерных играх и сети интернет" [Электронный ресурс]. - 2011. -
Режим доступа: http://fullnokia.ru/
2. "ВикипедиЯ
- свободная энциклопедия" [Электронный ресурс]. - 2014. - Режим доступа:
http://wikipedia.org/
. "Банк
рефератов" [Электронный ресурс]. - 2013. - Режим доступа:
http://www.akt-zakon.ru/