Пример 2

Положим, что в некоторой прикладной программе, исполняемой на векторно-конвейерной системе, необходимо вычислить

(1)

 

где - -векторы вещественных чисел, под произведением и делением векторов понимается их покомпонентное умножение и деление, соответственно. Иными словами, операции, указанные в выражении (1), понимаются в смысле

(2)

 

Положим также, что конвейерное функциональное устройство данной векторно-конвейерной системы имеет следующие конвейеры операций:

· конвейер сложения вещественных чисел;

· конвейер умножения вещественных чисел;

· конвейер деления вещественных чисел

Тогда для повышения скорости вычисления компонент вектора E целесообразно использовать зацепление указанных конвейеров (см. рис. 2). В результате, можно сказать, получается новый конвейер, который выполняет сложную операцию (2)

Рис. 2. К примеру 2. К зацеплению конвейеров.

Конвейер операций не следует путать с конвейером команд, в котором при исполнении одной команды готовится к исполнению несколько следующих команд. Так же, как в конвейере операций каждая часть конвейера команд называется ступенью конвейера команд, а общее число ступеней – длиной конвейера команд. Конвейеры команд широко используются в современных процессорах. Так процессор Intel 486 имеет 5-ти ступенчатый конвейер выполнения целочисленных команд, ступенями которого являются следующие операции:

· предвыборка (команда извлекается из КЭШ-памяти и размещается в одном из двух 16-байтовых буферах);

· декодирование;

· генерация адреса;

· исполнение в АЛУ;

· запись результата в КЭШ-память.

Процессор Pentium 2 (суперскалярная архитектура) имеет два 8-ми ступенчатых конвейера целочисленных команд.

Кроме конвейеров в векторно-конвейерных системах для ускорения работы используют различные механизмы адресации, операции с автоинкрементом (автодекрементом) адреса, механизмы ускоренной выборки и записи (многопортовая память, память с расслоением и т.д.), отдельное адресное обрабатывающее устройство, отдельное скалярное устройство для выполнения скалярных операций и пр..

Недостатком векторно-конвейерных систем является невысокая загрузка процессорных элементов. Высокая производительность достигается только на операциях с длинными векторами. На скалярных операциях и при обработке векторов и матриц невысокой размерности значительная часть устройств может простаивать. В целом, векторно-конвейерные системы характеризуются высокой производительностью при полной загрузке их вычислительных устройств, которая имеет место только при решении определенного, достаточно узкого, круга задач.

В качестве примера векторно-конвейерной системы приведем легендарную супер-ЭВМ CYBER-205 фирмы CDC. CYBER-205 имеет следующие конвейерные функциональные устройства:

· одно конвейерное функциональное устройство «скалярных» операций с конвейерами

o сложения (5-ти ступенчатый);

o умножения (5-ти ступенчатый);

o логических операций сложения (3-х ступенчатый);

o цикла;

o извлечения корня;

o деления;

· 1, 2 или 4 конвейерных функциональных устройства «векторных» операций с конвейерами

o сложения;

o умножения;

o сдвига;

o логических операций;

o задержки.

В качестве примера современной супер-ЭВМ, использующей векторно-конвейерные процессоры, приведем японскую систему Fujitsu-VPP5000. На верхнем уровне Fujitsu-VPP5000 имеет MPP архитектуру. Производительность одного процессора системы составляет 9.6 Гфлопс, пиковая производительность системы может достигать 1249 Гфлопс, максимальная емкость памяти - 8 Тб. Система масштабируется до 512 узлов.