1. Микропроцессоры. Определение, классификация, закономерности развития, области применения

31. Систолические вычислительные системы

Систолические вычислительные системы сочетают достоинства конвейерной и матричной обработок информации.


Систолическая структура — это однородная вычислительная среда из процессорных элементов, сочетающая свойства конвейерной и матричной обработки и обладающая следующими особенностями:
∙ вычислительный процесс представляет собой непрерывную и регулярную передачу данных от одного ПЭ к другому без сохранения промежуточных результатов вычислений;
∙ каждый элемент входных данных выбирается из памяти однократно и используется столько раз, сколько необходимо по алгоритму, ввод данных осуществляется в крайние элементы матрицы;
∙ ПЭ однотипны и каждый из них может быть менее универсальным, чем процессоры обычных многопроцессорных систем;
∙ потоки данных и управляющих сигналов обладают регулярностью, что позволяет объединять ПЭ локальными связями минимальной длины;
∙ производительность системы можно линейно увеличивать добавлением в матрицу определенного количества ПЭ.

По степени гибкости систолические структуры можно разделить:

∙ на специализированные;
∙ алгоритмически ориентированные;
∙ программируемые.


Специализированные структуры предназначены для выполнения определенного алгоритма, что выражается не только в конкретной геометрии структуры, количестве ПЭ и статичности связей между ними, но и в выборе типов операций, выполняемых всеми ПЭ. Примерами таких структур являются системы, ориентированные на реализацию алгоритмов фильтрации, быстрого преобразования Фурье и т. п.


Алгоритмически ориентированные структуры позволяют выполнять некоторое множество алгоритмов, сводимых к однотипным операциям над векторами, матрицами и другими числовыми множествами. Это достигается за счет возможности программирования либо конфигурации связей в систолической матрице, либо самих ПЭ.


Программируемые систолические структуры имеют возможность программирования как самих ПЭ, так и связей между ними. При этом ПЭ могут иметь локальную память программ и выполнять в один и тот же момент времени различные операции из некоторого набора.

Основные достоинства систолических вычислительных систем:

∙ минимизированы обращения к памяти, что позволяет согласовать скорость работы памяти со скоростью обработки;
∙ упрощено решение проблем ввода/вывода, поскольку сокращено количество конфликтов при обращении к памяти;
∙ эффективно используются технологические возможности СБИС за счет регулярности структуры.