РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ЭМУЛЯТОРА ПРОЦЕССОРНОГО ЭЛЕМЕНТА ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОТОКОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

DEVELOPMENT OF A SOFTWARE EMULATOR OF A PROCESSOR ELEMENT OF A DYNAMIC STREAM COMPUTING SYSTEM

Vyatchanin Dmitry

Student, Department of Electronic Computing Machines, Vyatka State University,

Russia, Kirov

Krutikov Alexander

scientific supervisor, senior lecturer, Vyatka State University,

Russia, Kirov

АННОТАЦИЯ

В данной статье описана разработка эмулятора процессорного элемента динамической потоковой вычислительной системы для изучения принципа работы потоковых систем в рамках лабораторных и практических работ. Анализируется наглядность разработанного эмулятора с точки зрения точности моделирования процессов и наглядности представляемых данных, приводятся краткие теоретические сведения и проектирование системы. Полученные результаты подчеркивают значимость разрабатываемого эмулятора и его потенциал для оптимизации изучения подобных вычислительных систем.

ABSTRACT

This article describes the development of an emulator for a processing element of a dynamic dataflow computing system, designed to facilitate the study of dataflow system principles within laboratory and practical coursework. The clarity of the developed emulator is analyzed in terms of the accuracy of process simulation and the comprehensibility of the presented data. Brief theoretical information and the system design are provided. The obtained results highlight the significance of the developed emulator and its potential for optimizing the study of such computing systems.

Ключевые слова: динамическая потоковая вычислительная система, процессорный элемент, управление потоком данных, эмулятор.

Keywords: dynamic dataflow computing system, processing element, dataflow control, emulator.

В современном мире существует множество различных вычислительных устройств, отличающихся элементной базой (от квантовых компьютеров до биокомпьютеров) или масштабом (от персональных компьютеров до кластерных систем), но всех их в своей основе объединяет модель вычислений, разработанная учёным Джоном фон Нейманом, основанная на выполнении команд в заданной последовательности. Все современные устройства относятся к данной архитектуре, но она не единственная.

Помимо уже укоренившегося подхода фон-Неймана существует альтернатива, основанная на ином принципе организации выполнения операций, а именно с помощью потоков данных. Операция начинает выполнение в момент поступления всех необходимых операндов.

На данный момент подобный подход является нишевым и используется в специализированных устройствах или в качестве модуля традиционного процессора. Но в перспективе при удешевлении технологий данная архитектура может полноценно заменить традиционный подход организации вычислений.

Ввиду непопулярности подхода изучение принципов работы данных вычислительных систем происходит только на теоретическом уровне, что негативно сказывается на понимании студентами.

Целью данной работы является изучение динамической потоковой вычислительной системы и создание программного эмулятора для предоставления возможности подробного изучения принципа работы и способа взаимодействия не только в теории, но и на практике.

Потоковые вычислительные системы описываются так называемым потоковым графом (dataflow graph). Вершины или же узлы отображают выполняемые операции. Дуги или рёбра соединяют вершины и представляют направление потока данных. Вначале дуги располагается источник данных, это может быть как вершина, отдающая результат вычислений, так и вводимые пользователем начальные данные. Конец дуги направлен к потребителю данных, который так же может являться вершиной, принимающей операнд(-ы), и контейнером данных, возвращаемых пользователю. Токены являются отображением передаваемых данных, но помимо них так же содержат дополнительную информацию, зависящая от вида потоковой вычислительной системы.

Пример графа потоков данных представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Граф потоков данных операции a/b+b×c

Все потоковые вычислительные системы делятся на два основных вида: статические и динамические. Отличием статических вычислительных систем от динамических является вместимость дуги, в статических одновременно на одной дуге может находиться только один токен, в динамических же количество токенов неограниченно.

Данное ограничение в статических потоковых вычислительных системах хоть и упрощает систему, но при всём этом ограничивает потенциал потоковых систем и замедляя поток данных. Динамические же системы лишены подобного недостатка, но при этом создают необходимость в дополнительном маркировании токенов, чтобы избежать перемешивания токенов при выполнении операции.

Существует два вида динамических потоковых вычислительных систем: c помеченными токенами (tagged-token architecture) и с явно адресуемыми токенами (explicit token-store). В рамках данной статьи рассматривается только динамическая потоковая вычислительная система с явно адресуемыми токенами.

Система с явно адресуемыми токенами подходит с иной стороны к вопросу маркировки токенов. При проверке работы динамической потоковой вычислительной системы с помеченными токенами, было замечено следующие: все токены из одной итерации цикла или из одного и того же вхождения имеют один цвет (тег).

Благодаря этому факту удалось организовать систему со следующим механизмом работы: при инициализации итерации цикла или обращения к процедуре формируется кадр токенов (token frame), содержащий токены текущей итерации или обращения. При обращении к ячейке памяти кадров происходит проверка бита наличия токена, в случае отсутствия токена, он помещается в данную ячейку, в ином случае происходит извлечение данных токена и выполнение операции.

Для системы с явно адресуемыми токенами структура каждого сводится к следующей схеме:

< v, < F P, IP >> , где

v — данные, переносимые токеном;

FP (Frame Pointer) — указатель начального адреса кадра

IP (Instruction Pointer) — указатель адреса инструкции, к которой привязан токен.

Помимо сильно отличающейся структуры токена, структура команды также претерпела значительные изменения:

< opc, i, dis > , где

opc — код выполняемой операции;

i — смещение в памяти кадра, определяющее ячейку с нужным токеном;

dis — смещение в памяти инструкций относительно текущей команды, необходимое для определения новой вершины токена-результата.

Структура процессорного элемента типовой потоковой системы с явно адресуемыми токенами представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структура процессорного элемента типовой потоковой системы с явно адресуемыми токенами

Проектирование эмулятора было разделено на два этапа: прототипирование интерфейса и функциональное проектирование.

Прототипы будущего интерфейса представлены на рисунках 3-6.

Рисунок 3. Страница «Память команд»

Рисунок 4. Страница «Потоковый граф»

Рисунок 5. Страница «Структурная схема»

Для функционального проектирования проекта была выбрана нотация IDEF0, для детализации процесса работы пользовательской программы использовалась DFD.

Диаграммы представлены на рисунках 6-8.

Рисунок 6. Диаграмма IDEF0 с приближением A-0

Рисунок 7. Диаграмма IDEF0 с приближением A0

Рисунок 8. Диаграмма DFD с приближением A4

В настоящее время, продолжается тестирование приложения. Оцениваются возможности его модернизации и масштабирования.

Список литературы:

1. Орлов С.А., Цилькер Б.Я. Организация ЭВМ и систем [Текст] / С.А. Орлов, Б.Я. Цилькер – 2-ое издание. – Санкт-Петербург: «Питер», 2011 – 688 c;
2. Culler, D. E., & Papadopoulos, G. M. (1990). The Explicit Token Store (Computation Structures Group Memo No. 312). MIT Laboratory for Computer Science.