Транспьютеры

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).