Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Разработка и развитие проблемы повышения эффективности вычислительных средств включает, в частности, разработку, исследование и внедрение новых архитектурных и структурних принципов повышения реальной производительности вычислительных систем, основанных на параллельной организации вычислительных процессов. Важное место в этом направлении занимает разработка и внедрение в народное хозяйство мультипроцессорных вычислительных систем (МВС). Потребность в соэхании таких систем и их значение определяются тем, что они могут обеспечить принципиально более высокие, рекордные показатели производительности, живучести и готовности по сравнение с однопроцессорными ЭВМ за счет непосредственного воплощения параллелизма в архитектуре, структуре и программном обеспечении.
Одним из важных и перспективных направлений развития вычислительной техники на современном этапе является создание муяьтимикропроцессорных систем (ММС). Появление дешевых и надежных микропроцессоров повысило возможности построения мультипроцессорных систем с одной стороны, а с другой - обострило старые и породило новые проблемы синтеза многопроцессорных вычислительных структур.
Практическая разработка и создание высокопроизводительных МВС на базе микропроцессоров требует критического анализа известных архитектурных и структурных решений и их эффективности, что приводит к новым постановкам задач проектирования и/или модификации известных решений. Экспериментальное макетирование столь сложных систем, как ИМС со многими потоками команд и данных, с громадным разнообразием допустимых вариантов организации структур и процессов, находящихся в поле зрения разработчиков, представляется невозможным. Поэтому главным направлением иссле-юваний при практической разработке ШС является математическое моделирование и теоретическое обоснование принимаемых решений.
Анализ перспективных направлений развития ІШС показал необ-кодхмость теоретического исследования таких вопросов, как влияние неполносвяэного интерфейса на эффективность системы, совмещение работы процессора в памяти и эффект введення в процессоры внутренней памяти, доступной другим процессорам. Одной из нзнбо-tee важных проблем при организации взаимодействия процессоров с іамятьо является рациональное сочетание конвейерной обработки ш іроцессорах с их параллельной работой в системе. Резанаее значене для повызения" производительности МВС имеет развитие нетрадиционных принципов организации внутрисистемного интерфейса, осио-іакгшх на использовании распределенной буферной памяти.
Целью диссертационной работы является разработка и теоретическое исследование комплекса новых структурных и, частично, архитектурных принципов, методов и средств организации центральной части (вычислительного ядра) МВС со многими потоками команд и данных, ориентированных на использование современной микропроцес сорной технологии и направленных на повышение реальной производительности таких систем с позиций концепции совместного использования общих ресурсов параллельными процессами и с совмещением использования нескольких ресурсов одним процессом, учитывающих стохастический характер функционирования и прогрессивные формы организации и описания последовательно-параллельных процессов.
Основные задачи диссертационной работы, определяемые поставленной целью, и новые теоретические и практические результаты, которые выносятся на защиту, состоят в разработке и исследовании принципов организации основных взаимосвязанных компонентов вычислительного ядра МВС рассматриваемого класса - совокупности параллельных вычислительных ресурсов системы (процессоров), модулей параллельной общей памяти и объединяющих их систем коммутаций. При этом, в отличие от решенных ранее задач, в работе решается задача комплексного подхода к аналитическому исследованию трех взаимосвязанных подсистем (процессоры-система ком-мутации-память) в сочетании с более детальным уровнем рассмотрения и описания функционирования каждой подсистемы.
Это предполагает теоретическое обобщение и дальнейшее развитие методов математического моделирования вычислительных систем.'Достижение указанной цели дает разработчику вычислительных средств аппарат и методы, с помощью которых он может быстро и достаточно корректно оценивать различные варианты архитектурно-структурных решений и выбирать лучшие из них. Это позволяет сформулировать задачу корректного выбора архитектуры ВС для конкретной области применения как математическую задачу, решаемую в диссертации.
В частности, в работе на аналитических моделях проводится исследование мультипроцессорной системы с модулями индивидуальной памяти, непосредственно доступными своим процессорам, а по общей магистрали - другим процессорам, и с модулями общей памяти, доступными со стороны процессоров как по полносвязному, так :і по неполносвязному интерфейсу, и с совмещением работы процессора и памяти с реализацией конвейерного принципа взаимодействия процессора с памятью.
В развитие принципа распределенной буферной памяти в диссертации предлагаются различные структурные варианты буферизации запросов от процессоров к модулям общей памяти и получень аналитические зависимости, позволившие провести комплексное
- 5 -исследование влияния буферизации на время простоя процессоров из-за конфликтов в модулях общеіі памяти.
Научная новизна и оригинальность работы состоит в разработке, обосновании и аналитическом исследовании комплекса новых структурных и алгоритмических принципов, методов и средств повышения производительности МВС с совместным использованием общих ресурсов несколькими параллельными процессорами и с совмещением использования нескольких ресурсов одним процессом, с учетом стохастического характера функционирования МВС и их подсистем и в ориентации на практическое проектирование структур и алгоритмов функционирования вычислительного ядра МВС со многими потоками команд и данных на базе микропроцессоров. Дальнейшее развитие получило математическое исследование структурной организации буферизованного доступа работающих по конвейерному принципу процессоров к параллельной общей памяти.
Практическая ценность работы. Разработанные в диссертации методы доведены до инженерных методик расчета производительности основных архитектурных и структурных компонент мультипроцессорных систем. Это позволяет научно обосновано решать такие важные а практике разработки и создания МВС задачи, как разработка и анализ структуры системы коммутации (внутрисистемного интерфейса) между процессорами и модулями общей памяти, выбор рациональной структуры и конфигурации МВС по заданной производительности с учетом количества и особенностей потоков обращений к различным модулям памяти; разработка и анализ новых структурных средств и режимов взаимодействия конвейерных процессоров с параллельной общей памятью; сопоставительный анализ по пропускной шособности с традиционными структурами интерфейсов.
Достоверность научных положений, выводов и практических ре-:омендаций подтверждена корректным обоснованием и анализом мате-іатических моделей рассматриваемых структур и процессов. В тео-іетических исследованиях существенно используются методы струк-урно-логического проектирования вычислительных систем, методы еории вероятностей и массового обслуживания. Основные положения ;иссертации обоснованы путем строгой формализации, экспериме:.— ального моделирования и сопровождаются наглядным представлением езультатов. Обоснованность предлагаемых аналитических методов асчета эффективности мультипроцессорных систем подтверждена ре-ультатами статистического моделирования.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических исследований использованы при проектировании высокопроизводитель-ых микро-ЭВМ в рамках НИР и ОКР по темам "Электроника НЦ-05", Развитие 1", "Электроника 8501", "Салют 21","Са'лот 22" и "Салют 4". Результаты исследований позволили всесторонне оценить раз-
яичные варианты построения ШС с целью выбора оптимальных вариантов и реализовать ряд рекомендаций, направленных на повышение производительности и возможности построения многопроцессорных систем с эффективным использованием процессоров. В частности:
-
Анализ различных вариантов микропрограммной реализации системы команд и оценха пропускной способности микро-ЭВМ "Электроника НЦ-05* и систем на ее основе позволили выявить эффективные алгоритмы микропрограмм и определить состав операций комплекта БИС серии 1802, хорошо согласующегося с архитектурными особенностями и микропрограммным управлением микро-ЭВМ. В результате, только за счет эффективно составленных микропрограмм и незначительного объема дополнительной аппаратуры пропускная способность микро-ЭВМ и систем увеличилась не менее чем на четверть.
-
Исследования проектируемой мультипроцессорной вычислительной системы на базе микро-ЭВМ 'Электроника НЦ-05" показали необходимость введения блохов внутренней памяти в процессоры, что позволило увеличить число процессоров на общей магистрали до четырех. Для построения мультипроцессорных систем большой производительности рекомендуется построение многомагистральных систем с использованием двухвходовых модулей памяти.
-
Практические рекомендации работы позволили повысить производительность проектируемых систем на десятки процентов.
Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими документами по внедрению, авторскими свидетельствами на изобретения, а также отражено в научно-технических отчетах НИР и ОКР по указанным темам.
Аппробация работы. Основные результаты работы были доложены на IV и VI Республиканских конференциях молодых ученых и специалистов "Вопросы микроэлектроники" (Тбилиси, 1980, 1987), Всесоюзном совещании "Применение микропроцессоров в системах управления (Москва, 1982), Всесоюзной научно-технической конференции "Современное состояние и тенденции развития отечественных МСВТ" (Москва, 1990), Международной конференции "Высокопроизводительные системы, в управлении и научных исследованиях" (Алма-Ата, 1991), а также на ряде отраслевых конференций.
Публикации. В изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования научных результатов докторской диссертаций*, непосредственно но теме диссертации опубликовано 30 печатных работ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 159 работ отечественных и зарубежных авторов, и приложений.
Обьем диссертации: 276 стр. текста, 40 стр. рисунков и таблиц, список литературы на 11 стр.. приложения, включающие материалы по внедрению результатов диссертации, на 28 стр.