Архитектура Cray-1

В 70-х годах бывший сотрудник и один из руководителей фирмы CDC Seymour Cray (Сеймур Крей) организовал собственную фирму, которая занялась проектированием сверхбыстродействующей ЭВМ, известной под названием Cray-1 с быстродействием, превосходящим 150 млн. операций в секунду с широким использованием новой интегральной технологии.

Память этой машины выполнена в виде 16 блоков, общей емкостью в 1 млн. 64 разрядных слов. Допускается одновременное обращение к этим блокам таким образом, что реальное время обращения становится равным 12,5 нсек, в то время как время обращения к одному блоку равно 50 нсек.

Основная память машины Cray-1 в отличие от других высокопроизводительных машин не имеет иерархическую структуру, она столь быстра что в такой иерархии отпала необходимость. Считается, что машина Cray-1 является наиболее быстродействующей из класса однопроцессорных систем.

О структурной организации этой машины целесообразно рассказать более подробно. Изложение будет основано на интересной статье Ричарда М. Расселла, одного из разработчиков этой машины, в которой приведены основные технические данные, архитектурные особенности и некоторые соображения, положенные в основу принятых структурных решений (Richard М. Russell. The CRAY-1 Computer System. Communication of the ACM. January 1978, Volume 21, Number 1).

Расселл относит машину Cray-1 к классу сверхвысокопроизводительных векторных процессоров. К этому классу относятся также машины Иллиак-IV, STAR-100, ASC.

В состав центрального процессора Cray-1 входят:

главная память, объемом до 1048576 слов, разделенная на 16 независимых по обращению блоков, емкостью 64К слов каждый;

регистровая память, состоящая из пяти групп быстрых регистров, предназначенных для хранения и преобразования адресов, для хранения и обработки векторных величин;

функциональные модули, в состав которых входят 12 параллельно работающих устройств, служащих для выполнения арифметических и логических операций над адресами, скалярными и векторными величинами;

устройство, выполняющее функции управления параллельной работой модулей, блоков и устройств центрального процессора;

24 канала ввода-вывода, организованные в 6 групп с максимальной пропускной способностью 500000 слов в секунду (2 млн. байт в сек.).

Двенадцать функциональных устройств машины Cray-1, играющие роль арифметико-логических преобразователей, не имеют непосредственной связи с главной памятью. Так же как и в машинах семейства CDC-6000, они имеют доступ только к быстрым операционным регистрам, из которых выбираются операнды и на которые засылаются результаты после выполнения соответствующих действий.

Три группы операционных регистров, непосредственно связанные с арифметико-логическими устройствами, называются основными. К ним относятся восемь так называемых А-регистров, состоящих из 24 разрядов каждый. А-регистры связаны с двумя функциональными модулями, выполняющими сложение (вычитание) и умножение целых чисел. Эти операции используются главным образом для преобразования адресов, их базирования и индексирования. Они также используются для организации счетчиков циклов. В ряде случаев А-регистры можно использовать для выполнения арифметических операций над целыми числами.

В следующую группу основных операционных регистров входят восемь 64-разрядных S-регистров, непосредственно связанных с функциональными устройствами выполнения арифметических действий со скалярными величинами, представленными с фиксированной и плавающей запятой. Эти S-регистры аналогичны по назначению Х-регистрам операндов в машине CDC-6600. Особый интерес представляют восемь 64-элементных векторных регистров, которые предназначены для хранения восьми операндов-векторов. Каждый такой операнд состоит из 64 компонент (элементов). В свою очередь каждая компонента представляет собой 64-разрядное слово, в котором хранится число с плавающей или фиксированной запятой. Компоненты вектора могут представлять собой также элементы некоторой таблицы. В системе команд машины предусмотрены специальные операции, в качестве операндов которых выступают многокомпонентные векторы. Не во всех задачах требуется обрабатывать векторы размерности 64. Специальный управляющий регистр центрального процессора задает требуемую размерность (число элементов). Этот регистр программно- управляем, что позволяет в процессе вычислений изменять размерность обрабатываемых векторов. Кроме того, в центральном процессоре предусмотрен регистр маски, с помощью которого можно блокировать выполнение арифметико- логических действий над некоторыми компонентами вектора, т. е. осуществлять выборочные покомпонентные действия. Регистр маски по своему назначению аналогичен регистру маски машины Иллиак-IV.

Другое по технологическим наукам

Виды реактивных двигателей, физические основы реактивного движения при разных скоростях
В современной авиации гражданской и военной, в космической технике широкое применение получили реактивные двигатели, в основу создания которых положен принцип получения тяги за счёт силы реакции, возникающей при отбросе от двигателя некоторой массы (рабочего тела), а направление тяги и движения о ...