39. Принципы векторизации последовательных программ. Критерии оценки векторной архитектуры.

Программа пишется на обычном языке (Fortran 77), поэтому программа последовательная. В связи с этим для реализации векторной обработки в любой векторно-конвейерной системе имеется специальный векторизирующий компилятор, который, просматривая программу, выявляет цепочки, которые могут выполняться параллельно. Основной показатель эффективности работы векторно-конвейерной системы – заполненность всех функциональных устройств, чтобы коэффициент их использования стремился к 1. Не все части программы можно векторизовать, поэтому эти части выполняются на скалярном процессоре.

Дано А={а1,а2,…an}, B={b1,b2,…,bn}. Найти А+В

Д ля повышения эффективности работы вводится следующий принцип работы с векторами. В основе операций над векторами два класса ВС: массового параллелелизма и суперскалярной обработки.

1ый способ организации таких систем – использование нескольких вычислительных устройств, которые могут работать параллельно – массовый параллелелизм.

2 ой способ: Если количество процессоров меньше количества векторов, то выгодно использовать принцип конвейеризации. Конвейер – вычислительное устройство, которое некоторые элементарные операции выполняет последовательно. При работе с векторами целесообразно использовать конвейер, поскольку на одном и том же оборудовании можно выполнить большое количество операций. Конвейер состоит из нескольких ступеней, на каждой из которых выполняется свой тип операций. Конвейер выгоден когда размерность вектора велика и выполняется одна и та же операция над всеми векторами.

3ий способ: совмещение различных методов обработки информации.

Для машин с конвейерной архитектурой вводится понятие снижения пропускной способности за счет факторов:

За счет наличия скалярной обработки, т.е. чтобы запустить векторную операцию надо выполнить часть операций для подгонки.

– коэффициент снижения пропускной способности, определяется процентом скалярных операций, которые должны быть выполнены для выполнения векторной команды.

f – процент скалярных операций.

Стартовое время конвейера.

– время необходимое для запуска конвейера;

• n – длина вектора;

•  – время выполнения одной системы.

Коэффициент ускорения.

– как функция от длины вектора.

Для снижения стартового времени конвейера необходимо производить опережающий просмотр векторных команд.

а) Для ускорения времени выполнения векторных команд необходимо иметь быстродействующий системный процессор.

б) Использовать совершенные механизмы, ускоряющие работу памяти, т.е. уменьшение времени выборки из ОП. (механизм широкой команды – выборка нескольких команд).

в) Определение адекватного набора системы команд, т.е. должно быть оптимальное сочетание между векторными и скалярными командами.

40. Организация многоуровневой параллельной обработки в супер-эвм.

Параллельная обработка на нескольких уровнях.

Выполнение векторной команды:

1-й уровень параллелизма: во время исполнения – подготовка следующей команды, поэтому производительность определяется только временем исполнения команды.

2 -й уровень параллелизма:

3-й уровень параллелизма: (само исполнение).

На примере сложения.

В Cray–1 реализован 3-й уровень, в котором возможно выполнение отдельных фаз векторной команды. В любой векторно–конвейерной системе имеет место 2 типа обработки:

1 – скалярная обработка, которая выполняется в последовательном режиме;

2 – векторная обработка, которая выполняется в параллельном режиме.

Программа пишется на обычном языке (Fortran 77), поэтому программа последовательная. В связи с этим для реализации векторной обработки в любой векторно-конвейерной системе имеется специальный векторизирующий компилятор, который, просматривая программу, выявляет цепочки, которые могут выполняться параллельно (например, цикл DO). Основной показатель эффективности работы векторно-конвейерной системы – заполненность всех функциональных устройств, чтобы коэффициент их использования стремился к 1. Не все части программы можно векторизовать, поэтому эти части выполняются на скалярном процессоре.

Закон Амдаля: производительность системы определяется наихудшей ее частью (эстафета: заяц и черепаха), поэтому стремятся, чтобы самая медленная часть работала быстро. Во многих скалярных процессорах применяется опережающий просмотр (ф. IBM) и др. способы. Для обеспечения наибольшей производительности системы, необходимо обеспечить балансировку оборудования. В последующих архитектурах Cray наряду с векторно-конвейерной обработкой использовался мультипроцессорная обработка, свойственная архитектурам МКМД. Отсюда начали создаваться архитектуры МКМД+ОКМД. Например, Cray X–MP: 2-х процессорная система, каждый процессор включает один скалярный и один векторный процессор.

Особенность связана с тем, что в Cray использовался принцип заполнения операций, который заключается в том, что за счет соответствующей организации вычислений происходит параллельное выполнение векторных операций.

Пример:

Схема выполнения этих операций:

Смысл зацепления заключается в том, что по мере готовности результата выполнения операции над элементами векторов, эти результаты пересылаются на следующие конвейерные устройства. Т.е. одновременно параллельно выполняются разные операции над одними и теми же векторами. Такая система позволяет загрузить функциональные устройства и соответственно повысить производительность. VL предназначен для настройки векторных регистров V0…V7 на точность выполнения векторной операции.

VM (регистр векторной маски) – для организации маскирования векторов при выполнении операций условного перехода.