СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ПАРАЛЛЕЛЬНО-КОНВЕЙЕРНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ В ОДНОРОДНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СРЕДЕ С КОММУТАЦИОННО-ПОТОКОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
METHOD OF ORGANISING PARALLEL-PIPELINE COMPUTATIONS IN HOMOGENEOUS COMPUTING ENVIRONMENT WITH SWITCH-STREAM CONTROL

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для построения быстродействующих параллельно-конвейерных устройств, выполняющих арифметико-логические операции над массивами чисел.
Однородной вычислительной средой называется регулярная структура, состоящая из соединенных друг с другом одинаковых ячеек, выполняющая арифметическую или логическую функцию.
Известно несколько способов управления вычислениями в арифметико-логическом устройстве на базе однородной вычислительной среды.
Один из таких способов (описанный более подробно в книге Коуги П.М. Архитектура конвейерных ЭВМ. - М.: Радио и связь, 1981, 357 с.) заключается в том, что исходные данные, пройдя через сортировщик данных, поступают на обработку в ОВС, специализирующуюся на выполнении соответствующей операции. Недостаток данного типа АЛУ заключается в том, что исходные данные поступают на обработку в соответствующую ОВС только после прихода в сортировщик команды, соответствующей текущим данным, что снижает быстродействие устройства.
Наиболее близким к заявляемому решению является способ (описанный более подробно в книге Коуги П.М. Архитектура конвейерных ЭВМ. - М.: Радио и связь, 1981, 357 с.), отличающийся от первого тем, что благодаря реконфигурации топологии единое пространство ОВС перестраивается для выполнения текущей операции. Вследствие этого отсутствует необходимость в сортировщике, что сокращает аппаратурные затраты, но значительно снижает быстродействие устройства.
Техническим результатом от использования способа организации параллельно-конвейерных вычислений в однородной вычислительной среде с коммутационно-потоковым управлением является повышение быстродействия АЛУ за счет параллельного выполнения операций в ОВС без необходимости ее реконфигурации или сортировки исходного потока данных.
Описание технического решения: ОВС, состоящая из многофункциональных ячеек, способных настраиваться на выполнение определенной операции, шина исходного операнда а, шина исходного операнда b, шина результата m-входового мультиплексора, где m - общее количество операций, на выполнение которых может быть настроена однородная вычислительная среда.
Описание способа организации параллельно-конвейерных вычислений в однородной вычислительной среде с коммутационно-потоковым управлением
Способ заключается в том, что в арифметико-логическом устройстве перед началом выполнения операций однородная вычислительная среда разделяется на m независимых подобластей путем настройки ячеек каждой выделенной подобласти на выполнение уникальной операции, где m - общее количество операций, на выполнение которых может быть настроена однородная вычислительная среда.
Затем при выполнении операции исходные операнды, поступающие на информационные входы однородной вычислительной среды, параллельно подаются на соответствующие входы каждой выделенной подобласти, где происходит параллельно-конвейерное выполнение соответствующей операции в назначенной подобласти. После выполнения в m-подобластях ОВС соответствующих им операций их результаты параллельно передаются с информационных выходов m-подобластей на соответствующие им информационные входы m-входового мультиплексора, в котором далее выполняется коммутация информационного входа плеча коммутатора с его информационным выходом в соответствии с кодом исполняемой операции, который поступает на управляющие входы m-входового мультиплексора.
Таким образом, искомый результат операции доступен на информационном выходе мультиплексора.
Пример: имеется устройство для конвейерных арифметических вычислений по заданному модулю на базе ОВС ("Ячейка однородной вычислительной среды, однородная вычислительная среда и устройство для конвейерных арифметических вычислений по заданному модулю". Патент на изобретение №2477513 от 10.03.2013 г., заявка №2011149264, приоритет от 02.12.2011) и необходимо вычислить результат умножения пары операндов.
Перед началом выполнения операций однородная вычислительная среда разделяется на 4 независимых подобласти (4 специализированных вычислительных ядра) путем настройки каждой подобласти на выполнение уникальной двухоперандной операции: операции сложения, операции вычитания, операции умножения и операции деления, то есть в данном случае m=4. При выполнении заданной операции пара исходных операндов одновременно подается на информационные входы всех четырех подобластей ОВС, в которых одновременно во времени реализуется выполнение соответствующей им операции, то есть операции сложения, операции вычитания, операции умножения и операции деления.
После параллельного выполнения перечисленных операций в каждой подобласти параллельно и одновременно формируется результат выполнения четырех операций: сложения, вычитания, умножения и деления. Так в решении "Ячейка однородной вычислительной среды однородная вычислительная среда и устройство для конвейерных арифметических вычислений по заданному модулю" (Патент на изобретение №2477513 от 10.03.2013 г., заявка №2011149264, приоритет от 02.12.2011) перечисленные операции выполняются с одинаковой скоростью.
Полученные результаты вычислений одновременно поступают с информационных вычислительных подобластей на четыре соответствующих информационных входа четырехвходового мультиплексора: на первый информационный вход мультиплексора поступает результат выполнения операции сложения, на второй - результат выполнения операции вычитания, на третий - результат выполнения операции умножения, на четвертый - результат выполнения операции деления. В зависимости от значения кода операции, поступающего на управляющие входы мультиплексора, на информационный выход мультиплексора подключается соответствующий информационный вход, на котором содержится результат выполнения заданной операции. Таким образом, искомый результат доступен на информационном выходе мультиплексора.
Примером построения устройства на базе описанного способа может служить его реализация в виде сверхбольшой интегральной схемы (СБИС) или программирование на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС).
На фиг. 1 представлен вариант структурной схемы устройства, реализующего способ организации параллельно-конвейерных вычислений в однородной вычислительной среде с коммутационно-потоковым управлением, где 1-4 подобласти ОВС; 5 - m-входовой мультиплексор; a, b - шины данных исходных операндов а и b соответственно; s - шина результата, I - шина подачи кода операции на управляющие входы m-входового мультиплексора.