Специализированная процессорная часть ЭВМ М-13

Г. Г. Алексеев, В. М. Златников, Ю. В. Кутынин,
А. И. Левнев, В. И. Парфенков, И. Б. Семенов

Рассмотрены структура, некоторые особенности и алгоритмы функционирования специализированной процессорной части ЭВМ М-13.

В настоящее время создание систем обработки информации в геофизике, радиолокации, робототехнике связывают с использованием цифровых методов обработки сигналов. Задачи, возлагаемые на вычислительные средства для обработки сигналов в реальном масштабе времени, весьма разнообразны по содержанию, а алгоритмы их реализации достаточно сложны и требуют от вычислительных средств высокой производительности. Такие средства могут быть узкоспециализированными, т. е. предназначенными для решения частной конкретной задачи, либо универсальными проблемно-ориентированными, то есть для решения широкого класса задач. Создание строго специализированных средств для каждой отдельной задачи требует разработки разнотипных и сложных устройств, что оказывается весьма неэкономичным и таит опасность ситуации, в которой любое усовершенствование или даже простое исправление ошибки в первоначально заложенных алгоритмах требует внесения существенных изменений в аппаратуру.

В ЭВМ М-13 принят принципиально другой подход к решению проблемы, при котором вместо совокупности специализированных средств создана проблемно-ориентированная структура, предназначенная для решения широкого круга задач определенного класса.

Архитектура специализированной части (СПЧ) ЭВМ М-13 разрабатывалась и адаптировалась с учетом прежде всего анализа структуры решаемых задач. Высокая производительность СПЧ порядка 1,3 млрд. операций в секунду, в приведенной на рис. 1 конфигурации, обеспечивается достаточным числом процессоров когерентной обработки (ПКО) и устройств памяти гипотез (УПГ), при решении задач обработки сигналов в многоканальных информационных системах.

Производительность СПЧ может быть изменена в большую или меньшую сторону в зависимости от характера решаемых задач соответствующей вычислительной структурой.

Блок-схема специализированной процессорной части ЭВМ М-13 представлена на рис. 1. Конструктивно СПЧ состоит из одного контроллера технического управления (КТУ) и определенного набора устройств ПКО и УПГ, которые объединяются в четыре группы элементов структуры (ГПКО-0, ГПКО-1, ГПКО-2, ГПКО-3).

Рис. 1 Блок-схема специализированной процессорной части ЭВМ М-13

СПЧ связана с центральной процессорной частью (ЦПЧ) по информационному (ШЧт, ШЗп) и командному (ШИ-КЦ, ШИ-ЦК) интерфейсам. Устройства КТУ, ПКО, УПГ связаны между собой по вертикальному интерфейсу (ШИ, ШИВД, ШК, ШКВД). Устройства ПКО, УПГ, кроме этого, связаны между собой по горизонтальному интерфейсу (ШКП, ШИПГ).

Работа СПЧ организована таким образом, чтобы максимально освободить ЦПЧ М-13 от взаимодействия с подсистемой СПЧ в части организации вычислительного процесса в СПЧ. Это обеспечено программно-аппаратными средствами КТУ и ПКО.

Устройство КТУ предназначено для сопряжения СПЧ с ЦПЧ и диспетчеризации работ различных групп ГПКО. Обмен управляющей информации с ЦПЧ выполняется посредством ШИ-КЦ/8Б/ и трехбайтной шины ШИЦК/ЗБ/ (см. рис. 1). Информационный тракт обмена с внутренней памятью ЦПЧ реализован с помощью шин чтения ШЧт (32Б) и шин записи ШЗп (32Б). КТУ выполняет в мультиплексном режиме обмен данными по вертикальному интерфейсу между отдельными ГПКО внутри СПЧ (межгрупповой обмен), а также между внутренней памятью ЦПЧ и отдельными ГПКО. При этом производится согласование форматов (в ЦПЧ формат 32Б, а в СПЧ — 64Б), а также преобразование представления чисел из формата СПЧ в формат ЦПЧ.

Устройство УПГ [1] специализированное многопортовое ЗУ — используется в СПЧ для “длительного” хранения “системной” информации в ГПКО-1 (рис. 1),и для “временного” хранения входной, выходной и промежуточной (рабочей) информации в ГПКО-0.

“Системная” информация из УПГ (ГПКО-1) по “горизонтальному” интерфейсу (шины ШИПГ (8Б)) поступает в ПКО (ГПКО-1, ГПКО-2, ГПКО-З). “Системная” информация — это таблицы “поворачивающих коэффициентов” (7) для вычисления базовых операций быстрого преобразования Фурье (ЕПФ); значения векторов опорных спектров для вычисления различных сверток сигналов, а также таблицы адресов для запоминающих устройств ПКО (ЗУПКО) при выполнении различных переупорядочиваний и операции с ЗУПКО. Инициацией поступления “системной” информации по горизонтальному интерфейсу (ШИПГ) является командная информация, поступающая из ПКО по шинам ШКП (4Б).

По вертикальному интерфейсу (ШИ) производится загрузка и выгрузка входной и выходной информации СПЧ. Обмен по вертикальному интерфейсу и в ПКО и в УПГ выполняется при поступлении командной информации, поступающей по шинам ШК (4Б). Информация, поступающая от КТУ по вертикальному интерфейсу ШИ-0, ШК-0, …, ШИ-3, ШК-З может транслироваться от одной ГПКО к другой по шинам ШИВД-0, ШКВД-0, …, ШИВД-3, ШКВД-3.

На рис. 2 представлена архитектура процессора когерентной обработки (ПКО), которая относится к классу машин ОКМД (один поток команд — много потоков данных). Устройство ПКО имеет в своем составе четыре подсистемы: управляющую, обрабатывающую, подсистему памяти и адресную.

Рис. 2. Архитектура процессора когерентной обработки

ПКО ориентирован на реализацию различных алгоритмов цифровой обработки сигналов: преобразование Фурье, умножение на импульсную характеристику, логическую обработку, вычисление суммы произведений, операции с матрицами. Алгоритмы таких преобразований определяют архитектуру специализированного процессора ПКО.

В специализированном процессоре цифровой обработки ПКО используется программно-управляемая глубококонвейерная архитектура устройства двухточечного преобразования (УДП), основу которого определяет узел для выполнения базовой операции быстрого преобразования Фурье. В УДП используется базовая операция БПФ по основанию 2 с прореживанием по времени. Применение данной базовой операции позволило на том же оборудовании выполнять, кроме базовой операции БПФ, также многие другие операции, необходимые в алгоритмах цифровой обработки сигналов: вычисление максимального значения в массиве, сравнение массива с пороговым значением, вычисление суммы произведения массивов, вычисление корреляционных матриц и т. д. Особенностью обрабатывающей подсистемы устройства ПКО является то, что одна и та же команда управляющей подсистемы выполняется над большой совокупностью данных (векторов) в четырех каналах.

По классификации, предложенной в [2], вычислительные машины по их архитектуре делятся на четыре класса в зависимости от способа управления потоками команд и данных: ОКОД, ОКМД, МКОД, МКМД. Архитектура машин ОКОД (один поток команд и один поток данных) соответствует машинам, в которых команды исполняются последовательно, а отдельная команда выполняет одну операцию над данными. Машины класса ОКМД (один поток команд — много потоков данных) выполняют большое число одинаковых операций над различными данными. К архитектуре ОКМД относятся векторные процессоры. Машины класса МКМД (много потоков команд — много потоков данных) характеризуются одновременным исполнением многих различных потоков команд (программ), в которых команды каждого потока исполняются над различными наборами данных, К архитектуре МКМД относятся многопроцессорные системы. Машины класса МКОД (много потоков команд — один поток данных) выполняют одновременно обработку многими командами одного потока данных.

По приведенной классификации в специализированной вычислительной структуре в СПЧ М-13 выделим архитектуру МКМД. Две группы процессоров (ГПКО-2, ГПКО-З) занимаются выполнением различных потоков команд (программ) над массивами, векторами данных, поступающих в группу ГПКО-2, ГПКО-3.

Архитектура ОКМД используется на уровне каждого специализированного процессора обрабатывающей подсистемы. В каждом ПКО четыре независимых канала обработки информации УДП работают под общим управлением. Особенностью СПЧ М-13 является совмещение в единой вычислительной структуре нескольких архитектур МКМД и ОКМД.

Высокая производительность СПЧ достигается за счет параллельной одновременной работы всех элементов структуры. Под параллельной одновременной работой [3] понимается работа, происходящая в один и тот же момент времени, но на разных аппаратных средствах.

В специализированной процессорной части М-13 присутствуют несколько видов параллелизма в зависимости от способа управления потоками команд и данных. Кроме того, для обработки в реальном времени больших массивов информации, для организации эффективного вычислительного процесса организуется макроконвейер обработки на уровне всей вычислительной структуры. Макроконвейер, например, содержит следующие шаги обработки.

Шаг 1: В первом временном интервале происходит поступление входной информации от независимых каналов в ГПКО-0 в устройстве УПГ, где она буферизируется.

Шаг 2: Во втором временном интервале информация, буферизированная в предыдущем интервале, поступает в ГПКО-2, ГПКО-3. В обрабатывающей подсистеме происходит обработка данных каждого канала шага 1. Результаты обработки буферизируются ГПКО-0. Одновременно с вычислением в ГПКО-2, ГПКО-3 входной информации шага 1 происходит поступление новой входной информации (шаг 2) в ГПКО-0.

Шаг 3: В третьем временном интервале в ГПКО-0 обрабатывается входная информация шага 2. Результаты обработки буферизируются в ГПКО-0. Кроме того, начиная с шага 3, одновременно с операциями буферизации входной информации в ГПКО-0 и вычислениями в обрабатывающей подсистеме специализированная процессорная часть позволяет выполнять дополнительные операции, например, на этапе шага 3 производится редактирование массива, буферизированного в ГПКО-0 шага 1. 

Таким образом, в подсистеме СПЧ в момент времени i одновременно происходят три процесса: буферизация входной информации шага i + 1; обработка входной информации шага i; операция редактирования шага i — 1. Особенностью вычислительной структуры СПЧ является реализация операции типа “выборка”, характерной для организации вычислительного процесса обработки информации в реальном масштабе времени при пороговом сравнении информации. Данная операция позволяет значительно сократить объемы выходной информации из специализированной процессорной части М- 13. 

Заключение. Специализированная процессорная часть ЭВМ М- 13 представляет собой проблемно-ориентированную структуру, предназначенную для решения в реальном времени широкого класса задач, включающих пространственную фильтрацию, частично-временную фильтрацию, операции матрично-векторной алгебры, а также реализации алгоритмов типа “выборка”, используемых в задачах управления сложными радиотехническими комплексами.

Литература

1. Георгиев Н. В., Крупский  А. А., Левин  Ю. В. Устройство памяти гипотез ЭВМ М-13 — “Вопросы радиоэлектроники” Сер. ЭВТ. — 1990. — Вып, 1 — с. 6-8.
2. Флинн М. Ж. Сверхбыстродействующие вычислительные системы // ТИИЭР — 1966 -Т 54 № 12 — с. 311-320.

Статьи об ЭВМ М-13 
Сборник “Вопросы радиоэлектроники”, серия “Электронная вычислительная техника”, выпуск 16, 1991 г.
Перепечатывается с разрешения авторов.
Статья помещена в музей 02.07.2007 г.