BC/NW 2011; №2 (19):2.1

КОММУНИКАТОР МНОГОПРОЦЕССОРНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Мороховец Ю.Е., Шполянский М.И.

(Национальный исследовательский университет «МЭИ», Россия)

На сегодняшний день для параллельных вычислений широко применяются многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы. В то время как процессорные модули и машины считаются центральными компонентами таких систем, ключевыми устройствами, позволяющих наладить их совместную работу, являются коммутаторы. Коммутаторы обеспечивают параллельную работу процессорных модулей и вычислительных машин в системах. Коммутаторы могут быть реализованы как единое целое, так и состоять из отдельных компонентов, так называемых коммутационных модулей. Они могут осуществлять передачу данных как с промежуточным хранением (буферизацией) пакетов, так и без него [1]. Коммутаторы с буферизацией передаваемых пакетов называются коммуникаторами.

В работе рассматривается коммуникатор для многопроцессорных вычислительных систем, построенный на основе кольцевой ассоциативной памяти – закольцованного массива ячеек c₀, …, c_i, c_i+1, …, c_n-1, содержимое которых циклически сдвигается в соответствии с правилом if i<n–1 then c_i→c_i+1 else c_i→c₀. Доступ к содержимому ячеек по записи и чтению ассоциативный, предполагающий сравнение ключевых разрядов ячеек с данными находящимися в точках доступа, называемых портами (рис. 1).

В процессе работы коммуникатора, процессорный модуль PM формирует заявки на передачу пакетов – дескрипторы пакетов с данными об их объеме, адресе процессорного модуля отправителя и адресе процессорного модуля получателя. Пакет представляет собой последовательность кадров, причем каждый отдельно взятый кадр может храниться в ячейке кольцевой ассоциативной памяти MOM. Заявка и сам пакет поступают в модуль памяти ММ. Емкость модуля памяти достаточна для хранения всех пакетов, соответствующих дескрипторам в буфере заявок, включая случай, когда этот буфер заполнен полностью.

Рис. 1. Структура коммуникатора
PM – процессорный модуль; RAM – запоминающее устройство с произвольной выборкой; MM – модуль памяти; Buff – буфер кадров порта; Port – порт; SM – коммутационный модуль; MAM – модуль кольцевой ассоциативной памяти

Параллельно с этим, по сигналу процессорного модуля, при условии, что буфер Buff не полон, кадр (либо кадры, в зависимости от доступного места в буфере Buff) поступают по шине В2 из ММ в порт. Порт осуществляет взаимодействие процессорного модуля PM с модулем ассоциативной памяти МАМ. МАМ представляет собой закольцованный массив ячеек, содержимое которых циклически сдвигается такт за тактом. Порты, подключенные к модулю МАМ в равноудаленных точках кольца, имеют возможность просматривать содержимое ячейки, через которую последовательно, цикл за циклом проходит весь массив кадров. Как уже было сказано, запись и чтение содержимого ячейки, просматриваемой портом, осуществляются ассоциативно. Расстояние (число ячеек) между портами определяет размер сектора кольца и связано с объемом передаваемых пакетов. Кадры из порта размещаются в ячейках кольцевой ассоциативной памяти по мере поступления их из буфера кадров, в зависимости от того, занята ли ячейка памяти, просматриваемая портом, или нет. Важно отметить, что в случае, если буфер запросов переполнен, то работа процессорного модуля прекращается в случае необходимости передачи очередного пакета.

Интенсивности потоков пакетов различны для каждого из портов кольца. При этом логическая структура потоков представима в виде полного графа, где каждая вершина (процессорный модуль) соединена со всеми остальными вершинами графа.

Следует отметить, что принципы построения MAM делают возможным множественный доступ к массиву хранимых в ней кадров и, что самое главное, гарантируют отсутствие коллизий при доступе к памяти с увеличением числа процессорных модулей, невозможность одновременного доступа к одним и тем же кадрам с различных направлений. Это позволяет рассматривать отдельно взятый кадр как критический ресурс, доступный одновременно только одному процессорному модулю, связанному с определенным портом доступа.

Рассматриваемый подход к организации передачи пакетов между процессорными модулями является интересным в первую очередь благодаря перспективам дальнейшего развития и совершенствования. По мере продвижения разработки становится ясно, что предлагаемая концепция может позволить, используя множество доступных на сегодняшний день вычислительных устройств и устройств памяти, создавать высокопроизводительные вычислительные системы с числом процессорных модулей порядка 2⁸ – 2¹⁰ штук. Кроме того, перспективным является возможность эффективного использования стандартной программной системы передачи сообщений MPI [2] при разработке прикладного программного обеспечения многопроцессорных систем, построенных на базе кольцевой ассоциативной памяти.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дерюгин А.А. Коммутаторы вычислительных систем – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 112 с.

2. Антонов А.С. Параллельное программирование с использованием технологии MPI. – М.: Изд-во МГУ, 2004. – 71 с.