Принципы векторной обработки

Принцип векторной обработки основан на существовании значительного класса задач использующих операции над векторами. Алгоритмы этих задач в соответствии с терминологией Флинна относятся к классу «одиночный поток команд – множественный поток данных». Реализация операций обработки векторов на скалярных процессорах с помощью обычных циклов ограничивает скорость вычислений по следующими причинам.

- Перед каждой скалярной операцией необходимо вызывать и декодировать скалярную команду.

- Для каждой команды необходимо вычислять адреса элементов данных

- Данные должны вызываться из памяти, а результаты запоминаться в памяти. В больших ЭВМ память выполняется, как правило, в виде набора модулей, доступ к которым может осуществляться одновременно. В условиях когда каждая команда вырабатывает свой собственный запрос к памяти, такой раздробленный доступ может стать причиной возникновения конфликтов обращения к памяти, препятствующих эффективному использованию ее потенциальной пропускной способности.

- Необходимо осуществлять упорядочение выполнения операций в функциональных устройствах. В целях увеличения производительности эти устройства строятся по конвейерному принципу. Эффективному использованию конвейерных устройств препятствует последовательная “природа” оператора цикла.

- Реализация команд построения циклов (счетчик и переход) сопровождается накладными расходами. Кроме того, наличие в цикле команды перехода препятствует эффективному использованию принципа опережающего просмотра.

Влияние перечисленных отрицательных факторов уменьшается при введении векторных команд, с помощью которых задается одна и та же операция над элементами одного или нескольких векторов, и организации, системы, которая обеспечивает эффективное исполнение таких команд. Этот подход реализуется в системах двух типов: матричных и векторно-конвейерных.

- В матричной системе исполнение векторной команды включает чтение из памяти элементов векторов, распределение их по процессорам, выполнение заданной операции и засылку результатов обратно в память.

- В векторно-конвейерной системе выполнение векторной команды осуществляется путем засылки элементов векторов в конвейер с интервалом, равным длительности прохождения одной, стадии обработки. При этом скорость вычислений зависит только от длительности стадии и не зависит от задержек в процессоре в целом.

Оба подхода в принципе позволяют достичь значительного ускорения по сравнению со скалярными машинами. Более того, ускорение в системах матричного типа может быть больше, чем в конвейерных, поскольку увеличить число процессорных элементов проще, чем число ступеней в конвейерном устройстве. В настоящее время созданы и успешно применяются системы обоих типов.