Системы конвеерной обработки информации

Принцип конвеерной обработки информации нашёл широкое применение в вычислительной технике. В первую очередь, это относится к конвееру команд. Практически, все современные ЭВМ используют этот принцип. Вместе с тем, во многих вычислительных системах наряду с конвеером команд, используется конвеер данных. Сочетание этих двух конвееров, даёт возможность достичь очень высокой производительности систем на определённых классах задач. Особенно, если при этом, используется несколько конвеерных процессоров, способных работать одновременно и независимо друг от друга. Магистральные системы относятся к классу систем с множественным потоком команд и одиночным потоком данных.

Арифметико-магистральная (1) и командно-магистральная обработка (2)

Принцип магистральной обработки основан на разделении вычислительного процесса на несколько подпроцессов, каждый из которых выполняется на отдельном устройстве. Этот принцип может применяться на различных уровнях вычислительного процесса начиная с уровня логического вентиля. В качестве основных уровней реализации магистрального принципа можно выделить уровень устройств выполнения элементарных операций над битами данных, уровень арифметико-логических устройств и уровень управляющих устройств, которым сопоставляются арифметико-магистральная, командно-магистральная и макро-магистральная обработка соответственно.

Макромагистральная (3) обработка

На первой схеме показана схема четырёхэтапной арифметико-магистральной обработки. Каждая команда выполняется последовательно на 4х устройствах. А последовательность 4х соседних команд заполняет данную магистраль системы таким образом, что на последнем четвёртом устройстве выполняется последний четвёртый этап первой команды. На третьем устройстве третий этап второй команды. На втором устройстве – второй этап третьей команды и на первом устройстве – первый этап четвертой команды. После завершения выполнения устройствами своих этапов обработки. Первая команда оказывается выполненной и выводится из магистрали. Вторая, третья и четвертая команды поступают на очередные четвертый, третий и второй этап соответственно. А в первое устройство поступает очередная, пятая, команда и так далее… Хочется отметить, что такого вида обработка реализована в системах типа STAR 100 и ASC, причём в первой реализована 4-этапная магистраль для сложения и 8-разрядная магистраль для умножения. А во второй вычислительной системе реализована магистраль из восьми этапов общего назначения. Более высокий уровень магистральной обработки представляет собой командно-магистральная обработка, представленная на схеме (2). В этом случае каждая команда потока команд выполняется на соответствующем ей функциональном обрабатывающем устройстве, причём данные устройства могут работать одновременно. Ясно, что для эффективной работы обрабатываемые команды должны быть независимыми, а их состав в динамике счёта по возможности идентичным составу функциональных устройств. Это нужно для того, чтобы одновременно загружать как можно большее число функциональных устройств. Такой способ магистральной обработки называется также способом параллелизма функциональных устройств. Наиболее известным примером, в котором реализован такой способ обработки является система CDC 6600, в которой имеется десять специализированных устройств обработки. Среди них устройства умножения с плавающей запятой, сложения целых чисел, приращение и др. На практике оказалось, что в среднем загружена примерно четвёртая часть её функциональных устройств одновременно.