Горнец Н.Н., Рощин А.Г. Организация ЭВМ и систем (2006) (1186251), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Кэш-память содержит служебную информацию о состоянии информационного блока, взятого из обшей памяти. Контроллеры каждой кэш-памяти «наблюдают» за шиной с помощью специального блока слежения, определяя запросы, способные изменить состояние когерентности совместно используемых блоков данных. Если в кэш-памяти какого-либо процессора находится модифицируемый другим процессором блок, то его контроллер аннулирует или обновляет его. Существует несколько различающихся протоколов: сквозной, обратной, однократной записей, а также ряд протоколов, полУ- чивших названия от систем, в которых они были реализованы.
232 Простейший протокол сквозной записи предполагает, что запись в локальную память какого-либо процессора сопровождается анисью в глобальную память, а все остальные процессоры объявляют свои копии недействительными. Недостаток — большой трафик общей шины.
Протокол с обратной записью несколько изменяет процедуру записи в глобальную память. Запись в нее модифицированного блока производится в случае соблюдения одного из условий: при удалении модифицированного блока из локальной памяти и обращении другого процессора к своей копии этого блока. Этот протокол далек от идеального, так как процессоры не узнают об изменении блока до его записи в глобальную память. Избежать этого недостатка можно, если процессор, модифицирующий блок, получает исключительные права на него. Протокол с однократной записью использует запись с аннулированием. Первая запись в любую кэш-память происходит по схеме сквозной записи, а все другие процессоры объявляют свои копии этого блока недействительными. Недостаток этого протокола — необходимость первоначальной записи в глобальную память, даже если этот блок не используется другими процессорами.
Объявление блоков недействительными производится сообщениями, содержащими отмеченные выше теги. Все остальные протоколы представляют собой модификации этих трех и разработаны для различных мультипроцессорных систем. Протоколы на основе справочника предназначены для сложных ВС с глобальной памятью и развитой сетью соединений между процессорами. В таких системах применение протоколов наблюдения неэффективно. Для реализации протокола на основе справочника необходимо собрать воедино всю информацию о содержимом локальной кэш-памяти в одном месте, называемом справочником, например в глобальной памяти. При обращении какого- либо процессора к глобальной памяти ее центральный контроллер, выполняющий функции контроллера справочника, обнаруживает этот запрос. Обращение к справочнику происходит каждый раз, когда любой процессор изменяет свою копию совместно используемых данных. В этом случае информация справочника служит для аннулирования или обновления копий этих данных во всех остальных видах кэш-памяти.
Зто протокол полного справочника. Поскольку вся информация о состоятельности кэш-памяти сосредоточена в одном месте, то протокол полного справочника довольно прост. Однако недостатком такого справочника служит его размер, который пропорционален общему объему памяти. Для больших систем, состоящих из тысяч процессоров, накладные Расходы на организацию справочника становятся слишком большими.
233 Уменьшить объем справочника можно, если организовать про токол ограниченного справочника или сцепленных справочнико~ В первом случае ограничивается число кэш-памяти, где могут на ходиться копии строки глобальной памяти. Во втором случа~ строится простейшая база данных, позволяющая вставлять указа тели или удалять их. Протоколы на основе справочника вызывают задержки из-за заторов в централизованном справочнике и задержек в коммуни кационных сетях при обращении процессоров к глобальной памя ти.
Тем не менее они находят применение в сложных мультипро цессорных системах. Подсистемы коммутации. Наличие нескольких процессоров в мультипроцессорной ВС еще не решает проблем повышения производительности и надежности. Необходимо все процессоры объединить некоторой коммуникационной сетью, служащей для обмена данными между ними. Такая коммуникационная сеть реализует физическое соединение отдельных узлов ВС, позволяя передавать данные между узлами, т.е. образуя единую вычислительную систему.
В качестве узлов сети могут выступать процессоры, модули памяти, кластерные элементы и т.п. Различные узлы связываются между собой каналами передачи данных. Требования к пропускной способности коммуникационной сети очень высоки, так как в значительной мере именно она определяет максимальную производительность системы в целом.
Кроме того, сеть должна обеспечивать наращиваемость ВС. При этом нельзя забывать об экономических и технологических ограничениях. Общая разделяемая шина представляет собой первый крайний случай коммуникационной сети; обмен данными между всеми процессорными элементами (ПЭ), включающими в себя ЦП, ОП и контроллеры К, и К„происходит с использованием этой шины (рис. 9.1, а). Однако, поскольку результаты в ПЭ формируются одновременно, а интенсивность обменов между отдельными ПЭ Рис. 9.1. Коммуникационная сеть: а — обшая разделяемая шина; б — лолносвязанная коммуникационная сеть; К..б — цроцессорные элементы 234 во многих случаях очень высока, применение разделяемой шины может вызывать значительные потери производительности. Вто- ой крайний случай — синхронная полносвязанная коммуникационная сеть; она связывает любой ПЭ с каждым из всех остальных отдельными каналами связи.
Такая сеть, объединяющая п модулей, требует п(п — 1) каналов связи. На рис. 9.1, б такая сеть приведена для шести ПЭ. При большом числе процессорных элементов такая сеть становится нереализуемой. Между этими сетями, представляющими два крайних случая, находится множество различных коммуникационных сред. 9.3. Конвейерные системы При выполнении любой операции можно выделить ряд этапов: выборку и декодирование команды, подготовку параметров, выявление и разрешение конфликтных ситуаций, реализацию операции, запись результатов. Реализация операции может состоять из нескольких этапов, например при выполнении операции сложения с ПТ можно выделить этапы сравнения порядков, сдвига (выравнивания) порядков, сложения, округления и нормализации. Если схему, реализующую данную операцию, разбить на несколько фаз, то на каждой фазе будет выполняться определенный этап этой операции.
При обработке векторов А, В этапы многократно повторяются (действительно, если вектор содержит п составляющих, то одна и та Векторные регистры же фаза повторится п раз). Построим операционный конвейер, состоящий из нескольких Рга, Ь; последовательных схем ОУ, каждая из которых реализует один определенный этап операции.
Оуй) Между операционными схемами разместим регистры Рг для сохранения промежуточных ре- Рг зультатов (рис. 9.2). Между загрузками очередных векторов для обработки в опе- оу р Рационный конвейер проходит Интервал времени, называемый иакгпом. Величина такта опреде- оу О) ляется скоростью действий на каждой фазе конвейера, сложностью этих действий, наличи- Рис. 9.2. Операционный конвейер 235 ем регистров между отдельными фазами и т.д.
Обычно величин~ такта составляет '/,...'/8 длительности машинного цикла, поэто му, если на выполнение какой-либо операции требуется четыр~ машинных цикла, то при наличии операционного конвейера про изводительность обработки повышается в 4... 32 раза. Загрузка операндов в операционный конвейер и запоминание результатов обычно производится в векторных регистрах или специально организованной локальной памяти.
Векторный ре гистр — это совокупность обычных регистров, длина которых соответствует формату обрабатываемых данных, а их число — длине вектора. Выбор длины векторных регистров вызывает определенные трудности: если длина регистра меньше длины вектора, то это приводит к потере производительности, а если больше — к неэффективному использованию оборудования и снижению скорости работы конвейера.
Максимальное быстродействие ВС при выполнении векторных операций в конвейерном режиме Р = а(Т„ где а — число конвейеров; Т, — длительность такта. Дальнейшее повышение скорости обработки за счет увеличения числа ступеней, т.е. длины конвейера, не представляется возможным. Организация конвейера требует дополнительных схем, но и приводит к значительному повышению быстродействия. Конвейер не требует большого числа соединительных выводов, что важно при создании БИС.
Кроме того, при работе конвейера производится не более трех обращений к локальной памяти на каждом такте. Все это привело к тому, что операционный конвейер стал неотьемлемой частью современных процессоров. Для эффективной обработки векторов различной длины можно организовать сцепление и распределение данных.
Так, если две векторные операции следуют одна за другой, то результаты выполнения первой могут подаваться на вход второго конвейера без предварительного вычисления всех элементов вектора (рис. 9.3, а). Сцепление данных осуществляется при выполнении двух векторных операций: С=А "В; Х = С +!Э. Распределение данных по нескольким операционным конвейерам (рис.
9.3, б) выполняется в случаях, когда векторные операции перемежаются со скалярными. Однако эффективная производительность конвейерной системы ограничивается рядом факторов. Максимальная производительность конвейерной системы достигается только при непрерывной загрузке конвейерного обра- 236 Рнс. 9.3. Конвейерная обработка: а — сцепление векторов; б — распределение батывающего устройства, т.е. при бесконечной длине векторов, когда их элементы подаются на обработку непрерывно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
