Структура и функции управляющего пакета интеллектуальной системы памяти

Запропоновані структура і функції керуючого пакета інтелектуальної системи пам'яті (ІСП) і його складових полів. Предложены структура и функции управляющего пакета интеллектуальной системы памяти (ИСП) и его составляющих полей. Structure and functions of a control packet of intellectual system...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2009
Автор: Елисеева, Е.В.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2009
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6519
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Структура и функции управляющего пакета интеллектуальной системы памяти / Е.В. Елисеева // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2009. — № 8. — С. 130-137. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-6519
record_format dspace
spelling Елисеева, Е.В.
2010-03-05T15:06:52Z
2010-03-05T15:06:52Z
2009
Структура и функции управляющего пакета интеллектуальной системы памяти / Е.В. Елисеева // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2009. — № 8. — С. 130-137. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
1817-9908
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6519
681.324
Запропоновані структура і функції керуючого пакета інтелектуальної системи пам'яті (ІСП) і його складових полів.
Предложены структура и функции управляющего пакета интеллектуальной системы памяти (ИСП) и его составляющих полей.
Structure and functions of a control packet of intellectual system of memory and its component fields are offered.
ru
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
Структура и функции управляющего пакета интеллектуальной системы памяти
Structure and functions of a control packet of intellectual system of memory
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Структура и функции управляющего пакета интеллектуальной системы памяти
spellingShingle Структура и функции управляющего пакета интеллектуальной системы памяти
Елисеева, Е.В.
title_short Структура и функции управляющего пакета интеллектуальной системы памяти
title_full Структура и функции управляющего пакета интеллектуальной системы памяти
title_fullStr Структура и функции управляющего пакета интеллектуальной системы памяти
title_full_unstemmed Структура и функции управляющего пакета интеллектуальной системы памяти
title_sort структура и функции управляющего пакета интеллектуальной системы памяти
author Елисеева, Е.В.
author_facet Елисеева, Е.В.
publishDate 2009
language Russian
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
format Article
title_alt Structure and functions of a control packet of intellectual system of memory
description Запропоновані структура і функції керуючого пакета інтелектуальної системи пам'яті (ІСП) і його складових полів. Предложены структура и функции управляющего пакета интеллектуальной системы памяти (ИСП) и его составляющих полей. Structure and functions of a control packet of intellectual system of memory and its component fields are offered.
issn 1817-9908
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6519
citation_txt Структура и функции управляющего пакета интеллектуальной системы памяти / Е.В. Елисеева // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2009. — № 8. — С. 130-137. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT eliseevaev strukturaifunkciiupravlâûŝegopaketaintellektualʹnoisistemypamâti
AT eliseevaev structureandfunctionsofacontrolpacketofintellectualsystemofmemory
first_indexed 2025-11-26T02:45:02Z
last_indexed 2025-11-26T02:45:02Z
_version_ 1850609027389587456
fulltext Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 130 E.V. Yelisyeyeva STRUCTURE AND FUNCTIONS OF A CONTROL PACKET OF INTELLECTUAL SYSTEM OF MEMORY Structure and functions of a control packet of intellectual system of memory and its component fields are offered. Запропоновані ст рукт ура і функ- ції керуючого пакет а інт елект у- альної сист еми пам'ят і (ІСП) і його складових полів. Предлож ены ст рукт ура и функ- ции управляющего пакет а инт ел- лект уальной сист емы памят и (ИСП) и его сост авляющих полей.  Е.В. Елисеева, 2009 УДК 681.324 Е.В. ЕЛИСЕЕВА СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ УПРАВЛЯЮЩЕГО ПАКЕТА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПАМЯТИ Введение. Интеллектуальная система памяти (ИСП) компьютера – это система памяти, совмещающая функции хранения и обработ- ки информации за счет перенесения от ос- новного процессора части вычислений не- посредственно в память, где размещено мно- жество элементов обработки информации. ИСП часто определяют как “процессор-в- памяти” (“Processor-in-memory”) или PIM- системы по основному признаку – наличие в БИС памяти процессорных элементов. Бла- годаря особенностям архитектурно-струк- турной организации ИСП, построенные на их основе компьютерные системы (КС), имеют ряд преимуществ по сравнению с КС с клас- сической архитектурой, особенно, когда речь идет о решении задач в Petaflops-ном диапа- зоне при массовом обращении к памяти за данными и широком распараллеливании вы- числительного процесса [1, 2]. За рубежом создано несколько архитектур КС на базе интеллектуальной памяти. Среди них наиболее известны [1–3]: Active Pages (“активная страницa”) Data Intensive Archi- tecture – DIVA (интенсивная архитектура данных), архитектура IRAM (интеллектуаль- ная оперативная память), VIRAM (векторная IRAM), архитектура с потоком памяти поль- зовательского уровня (User-Level Memory Thread – ULMT) и др. Далее приведены осо- бенности отдельных ИСП и их эффектив- ность использования согласно [1 – 3]. DIVA – уникальна для поддержки нерегу- лярных приложений, включая умножение разреженной матрицы и отслеживание указа- СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ УПРАВЛЯЮЩЕГО ПАКЕТА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПАМЯТИ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 131 теля. Моделирования показали, что такие типы нерегулярных приложений обес- печивают ускорение от 1.6 до 30 раз, когда они выполнены на архитектуре DIVA. Подход к интегрированию элементарных процессоров с системой обыч- ной памяти при сохранении ведущего процессора делает архитектуру DIVA близко связанной с проектом Active Pages. Однако, Active Pages интегрирует большое число элементарных процессоров в системе памяти, в то время как DIVA содержит меньше, но более сложных процессоров. Еще одно отличие – Active Pages ограничивает совместное использование связи между элементар- ными процессорами в системе памяти, тогда как DIVA содержит специализиро- ванную сеть, чтобы поддержать коммуникацию между чипами PIM. Интеллектуальная оперативная память (IRAM) состоит из процессора и не- скольких банков динамической оперативной памяти. Миграция динамической оперативной памяти на процессорную подложку значительно увеличивает поло- су пропускания памяти и понижает время ожидания памяти процессором. Моде- лирование показывает, что архитектура VIRAM в состоянии вычислить пере- ходное выражение ориентированного графа в плотном представлении более чем в два раза быстрее, чем на рабочей станции Intel P4 1.5 Ггц. VIRAM – это архитектура IRAM с применением векторного процессора. Он в состоянии выполнить идентичные операции на всех элементах вектора или массива параллельно. Поскольку векторные вычисления чрезвычайно ценны для многих мультимедийных приложений, система VIRAM главным образом пред- назначена для потоковых или мультимедийных приложений в реальном време- ни. Пиковая полоса пропускания памяти архитектуры VIRAM – 6.4 ГВ/с, что в 5−10 раз выше, чем у большинства КС с классической архитектурой. Как IRAM, так и VIRAM архитектуры предложены как возможные системные архи- тектуры интеллектуальной памяти для поддержки мультимедийных и встраи- ваемых приложений. Архитектура с потоком памяти пользовательского уровня (User-Level Memory Thread – ULMT) встраивает дополнительную вычислительную мощ- ность в контроллер памяти, исключая объединение динамической оперативной памяти (DRAM) и логики обработки на одной подложке. Это позволяет исполь- зовать коммерческую БИС память. ULMT выполняет предвыборку корреляции в поддержку приложения, работающего на основном процессоре. Предвыборка корреляции использует предыдущие последовательности обращений к памяти, чтобы предсказать будущие доступы к памяти и предварительную выборку этих адресов в кэш процессора. Чипы динамической оперативной памяти остаются неизменными. Моделирование показало, что архитектура ULMT может обеспе- чить для некоторых приложений до 58 % ускорения по сравнению с реализацией этих приложений на классических КС. Image-архитектура поддерживает приложения, показывающие высокий па- раллелизм данных. Image включает несколько арифметических блоков, разме- щенных в отдельный чип от чипов памяти. Такое разделение позволяет транзак- ции чтения и записи, инициализированные ведущим процессором, эффективно Е.В. ЕЛИСЕЕВА Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 132 перекрывать с вычислением в системе памяти. Image может значительно пре- взойти по быстродействию VIRAM для тех приложений, которые оцениваются существенно большим значением отношения количества операций на количест- во доступов к памяти. Другая интеллектуальная архитектура системы памяти, названная “Модуль арифметики, памяти и интерфейса” (Memory Arithmetic Unit and Interface – MAYI) объединила в себе некоторые особенности архитектур Active Pages, DIVA и архитектуры ULMT [3]. Подобно ULMT (в отличие от Active Pages и DIVA) архитектура MAYI содержит логику обработки на том чипе, где разме- щен контроллер памяти. Моделирование MAUI показало, что приложения могут быть реализованы на этой архитектуре приблизительно на 80 % быстрее, чем при использовании классической КС. Основой потокового вычислительного процесса ИСП-архитектуры, являет- ся управляемое сообщением вычисление. Его выполняют соответствующие механизмы интерпретации "на модуле", быстро опознающие последователь- ность операций, которые должны быть выполнены, и строки данных, над кото- рыми выполняется операция. Поддержка управляемого сообщением вычисления опирается на концепцию пакетов, предложенных применительно к ИСП в про- екте DIVA. Структура и функциональное назначение пакета и его отдельных компонентов (полей) для каждой PIM-системы являются специфическими, так как проектируемые PIM-системы ориентировались на конкретную задачу (в лучшем случае – на класс задач), и поэтому такого рода информация о паке- тах отсутствует в отечественных и зарубежных источниках. Однако роль управ- ляющего пакета в организации вычислительного процесса ИСП чрезвычайно велика: пакет, вырабатываемый хост-машиной, на системном уровне фактически запускает и управляет процессами как внутри чипа, так и за его пределами при взаимодействии с другими аналогичными чипами, дополнительной памятью и внешними устройствами. Поэтому в данной работе рассматривается структура и функции управляющего пакета, который в своей основе может быть исполь- зован в качестве исходного варианта при проектировании ИСП. Структура и функции управляющего пакета ИСП. Как показал зарубеж- ный опыт, создание интеллектуальных систем памяти является реальным при современном уровне развития интегральной технологии, а их применение впол- не оправданным. Так как построенные на их основе компьютерные системы при решении определенного класса задач обеспечивают выигрыш в производитель- ности от нескольких процентов до нескольких тысяч раз по сравнению с КС с классической архитектурой. Этот выигрыш становится особенно ощутимым, если речь идет о задачах, поддающихся широкому распараллеливанию при мас- совом обращении к памяти за данными и при требованиях к скорости обработки информации в Petaflops-ном диапазоне. Однако эти положительные качества ин- теллектуальных систем памяти, объясняемые, прежде всего, особенностями их архитектурно-структурной организации, снижаются следующими факторами, СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ УПРАВЛЯЮЩЕГО ПАКЕТА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПАМЯТИ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 133 которые в основном продиктованы интегральной технологией создания БИС памяти. При этом в качестве очевидных факторов выступают: – фиксированное количество элементов памяти и логических элементов на кристалле, ориентированных на решение конкретной задачи (в лучшем случае класса задач), что препятствует оптимизации интеллектуальной памяти по емко- сти памяти и соответственно по стоимости; – необходимость доработки существующих системного и прикладного про- граммного обеспечений, что продиктовано особенностями их архитектурно- структурной организации и характером решаемых задач [4]. Эти факторы в основном препятствовали широкому распространению и ис- пользованию ИСП в различных сферах человеческой деятельности. Появление программируемых логических схем (ПЛИС) существенно не изменило создав- шееся положение, поскольку они, во-первых, не исключили второй фактор. Во- вторых, обеспечивая возможность перестройки компонентов архитектуры ИСП, они при этом из-за особенностей технологии их создания снижают производи- тельность системы в целом. С этой точки зрения наиболее перспективным явля- ется подход к оптимизации архитектуры БИС памяти путем выбора для решения конкретной задачи находящихся на кристалле заведомо введенных избыточных ресурсов [5]. Такой подход фактически снимает влияние первого фактора на се- рийноспособность и широкое использование ИСП. На рис. 1 показана укруп- ненная структурная схема ИСП такого типа. В соответствие с этим в данной работе приводится описание структуры управляющего пакета и функций его полей с ориентацией на реконфигурируе- мую PIM-систему широкого назначения, подробно рассмотренную в [5]. В общем случае пакет может быть представлен в виде кортежа W = = (А, В, D), где A – микросервер адресата, B – команда, D – список параметров. Микросервер адресата представляется виртуальной адресацией, которая ото- бражается аппаратными средствами, чтобы адресовать узел, которому нужно поставить пакет. Компонент команды пакета, вместе с его параметрами, опреде- ляет действие, которое будет выполнено по прибытию пакета на объект адреса- та. Это может быть любая спецификация микро метода или явная последова- тельность кода, которая будет выполнена в микросервере адресата. Список па- раметров пакета содержит параметры любого вида, поддержанного системой. Интерпретация параметров может зависеть от приложения, команды пакета, его объекта адресата; параметр может использоваться, чтобы определить "про- должение" действия, инициализированного в микросервере адресата, такого как возвращение значения. Пакеты позволяют осуществлять разбиение или расщеп- ление операций, сокращая тем самым общее время задержки информации для всей системы. Их эффективность существенно повышается при аппаратной под- держке реализуемых ими функций. На рис. 2 показан пример структуры пакета, содержащего поля, согласно вышеприведенному представлению пакета. Е.В. ЕЛИСЕЕВА Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 134 При этом приняты следующие обозначения: СДПоп – спецификатор действия пакета, определяющий операции, которые должны быть выполнены объектом-адресатом после получения пакета; ПД1 – поле значения параметров (данных), которые могут использоваться СДПоп ПД1 КОПстр ПРреж ПРрес КЗсп ККчип ЧТв.адр ПДм.чип Пнастр ККм/чип Пдоп ПДзак HOST- машина Банки памяти Массив ПЯ Связь с другими чипами Шина (PCI) ГП КЭШ Межчиповая сеть ВП КЭШ N-й чип Интерфейс- ные схемы БОУП ВП КЭШ С1 С2 С3 ВП КЭШ 1-й чип Интерфейс- ные схемы БОУП ВП КЭШ С1 С2 С3 Обозначения: ГП – главный процессор (процессор хост-машины); ВП– ведущий процессор; ПЯ – процессорные ядра (процессоры памяти); БОУП – блок обработки управляющего пакета; БЗТК – блок загрузки и тестового контроля; КЭШ – память типа КЭШ; С1, С2, С3 – селекторы выбора ВП, ПЯ и банков памяти соответственно. Контроллер БИС-памяти Контроллер БИС-памяти БЗТК БЗТК Загрузка Управляющий пакет Управляющий пакет РИС. 1. Схема ИСП, иллюстрирующая способ реконфигурации архитектуры путем выбора с помощью селекторов требуемых ресурсов из избыточных РИС. 2. Вариант структуры управляющего пакета ИСП СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ УПРАВЛЯЮЩЕГО ПАКЕТА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПАМЯТИ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 135 при выполнении текущего действия, или могут быть частью процесса, который переносит значения в следующие местоположения; КОПстр – код строки явных операций, определяющий действие пакета; ПРреж – поле признака, отражающего характер и последовательность дейст- вий в различных режимах работы системы памяти, в том числе – в качестве обычной памяти, а также в качестве “процессора в памяти”; ПРрес – поле признака использования ресурсов обработки информации соб- ственного кристалла или дополнительных ресурсов за счет других чипов, под- ключенных через соответствующие интерфейсы; КЗсп – коды запуска сервисных программ для выполнения функций: разбие- ния задачи на параллельные фрагменты, разбиения алгоритма на гранулы верх- него уровня, формирования нового управляющего пакета, библиотеки стандарт- ных подпрограмм, загрузки данных и тестирования чипа и др.; ККчип – код для управления коммутацией внутри чипа; ККм/чип – код для управления коммутацией межчиповой сети; ЧТв.адр – поле адреса для чтения отдаленного, виртуального адресного обращения; ПДм.чип – поле адреса для передачи блоков данных между отдаленными чипами; Пдоп – дополнительные (вспомогательные) поля, необходимые для на- дежной транспортировки, обнаружения ошибок, маршрутизации и управления контекста; ПДзак – заключительный элемент пакета – поле, определяющее последую- щие действия после окончания выполнения данного пакета, например, могут быть созданы один или более потоков и посланы отдаленным (вне чипа) узлам. Иногда действие пакета приводит к созданию одного или более дочерних пакетов. Применительно к предлагаемой системе памяти (рис. 1) управляющий па- кет, помимо вышеуказанных полей, содержит поля и признаки, отражающие ха- рактер и последовательность действий, обеспечивающих настройку архитектур- но-структурного образа системы (Пнастр) перед запуском её на решение кон- кретной задачи, а также при необходимости перестройку системы в процессе работы, путем подключения соответствующего ведущего процессора (ВП), вы- бора типа и количества соответствующих банков памяти, а также выбора типа и количества процессорных ядер (ПЯ). Все пакеты направляются к объекту – получателю или адресату, все адреса пакета – виртуальные адреса, которые могут идентифицировать индивидуаль- ные переменные, блоки данных, структур, объектов или потоков, а также пото- ков ввода-вывода. Пакет может изменяться по длине, таким образом, обеспечи- вая эффективную обработку простых операций с маленькими пакетами и эффек- Е.В. ЕЛИСЕЕВА Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 136 тивным использованием полосы пропускания для перемещения больших блоков данных. Интерфейсы пакета (последовательно-параллельные) представлены ка- налами для активного управляемого сообщением вычисления между чипами. Пакеты также могут использоваться для выполнения операций типа отда- ленной загрузки или хранения, а также для вызова методов обработки на другой аналогичный чип системы памяти, перемещая тем самым с помощью пакетов методы обработки ближе к данным за меньшее время, чем данные (как обычно) передаются к ним. Элементы чипов (например, процессорные ядра), принимая переданные методы обработки информации, исполняют указанные действия, приводящие к локальной модификации их состояния, к порождению и отправке новых пакетов к другим чипам. Пакеты позволяют осуществлять разбиение или расщепление операций, обеспечивая тем самым допустимое время ожидания для всей системы. Их эффективность существенно повышается при аппаратной под- держке реализуемых ими функций. Следует отметить, что состав полей управляющего пакета и разрядность ка- ждого поля определяется типом и функциональными возможностями ИСП, а также особенностями решаемых с помощью ИСП задач. При этом длина (коли- чество разрядов) управляющего пакета может быть равна длине строки храни- мых в памяти данных (например, 256 бит), и поэтому пакеты могут быть сохра- нены в строке широких регистров и обработаны непосредственно широким арифметико-логическом устройством (АЛУ). Управляющий пакет формируется хост-машиной и поступает на блок обра- ботки управляющего пакета (БОУП), который может работать непосредственно с локальным контроллером памяти и механизмом переадресации, не участвуя в управлении потоком и в модулях выполнения (рис. 1). БОУП анализирует все поля поступающего пакета и вырабатывает сигналы синхронизации и управляющие сигналы для селектора С1 выбора ВП, второго селектора С2 выбора банка памяти, третьего селектора С3 выбора ПЯ, а также сигналы синхронизации и управляющие сигналы для обеспечения работоспо- собности интерфейса внешней памяти, интерфейса ввода-вывода, контроллера памяти, а также других схем и узлов системы памяти. БОУП может использовать пакет как основу для установления потока, кото- рый продолжит предназначенное действие. После завершения действия, один или более потоков могут быть созданы и посланы отдаленным (вне чипа) узлам. БОУП принимает спецификацию пакета возвращения от менеджера потока и запускает его через межчиповую сеть. Однако, для маленького подмножества простых операций пакета БОУП способен сам создавать результирующий пакет из первоначального пакета. Выводы. Создание и применение интеллектуальных систем памяти являет- ся актуальным, так как построенные на их основе компьютерные системы обес- печивают выигрыш в производительности от нескольких процентов до несколь- ких тысяч раз по сравнению с КС с классической архитектурой при решении определенного класса задач, характерными особенностями которых являются: СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ УПРАВЛЯЮЩЕГО ПАКЕТА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПАМЯТИ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 137 массовое обращение к памяти, возможность широкого распараллеливания при требованиях Petaflops-ного диапазона производительности системы. Определение структуры и функций управляющего пакета является чрезвы- чайно важным для проектирования интеллектуальной системы памяти и КС на её основе, так как управляющий пакет является основным инструментом на сис- темном уровне организации потоковой обработки информации, управляя основ- ными процессами внутри чипа и за его пределами при взаимосвязи между чипа- ми, внешней памятью и различными устройствами ввода-вывода. Предложенные структура и функции управляющего пакета могут быть ис- пользованы в качестве исходных при проектировании ИПС и компьютерных систем на их основе с потоковой обработкой информации, в частности при соз- дании предложенной ранее в Институте кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины интеллектуальной системы памяти с реконфигурируемой струк- турой. 1. Палагин А.В., Яковлев Ю.С., Тихонов Б.М. Основные принципы построения вычисли- тельных систем с архитектурой “Процессор-в-памяти”(Processor-in-Memory) // Управ- ляющие системы и машины. – 2004. – № 5. – С. 30 – 37. 2. Палагин А.В., Яковлев Ю.С., Тихонов Б.М., Першко И.М. Архитектурно-структурная ор- ганизация компьютерных средств класса “Процессор-в-памяти” // Математичні машини і системи. – 2005. – № 3.– С. 3 –16. 3. Teller Justin Stevenson. Performance characteristics of an intelligent memory system. – http:// www.ece.osu.edu/~tellerj/ms-thesis.pdf. 4. Елисеева Е.В., Яковлев Ю.С. О концепции построения программной среды PIM-систем // Управляющие системы и машины. – 2008. – № 4. – С. 58 – 67 5. Сергієнко І.В., Кривонос Ю.Г., Палагін О.В., Коваль В.М., Яковлєв Ю.С., Тихонов Б.М. Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України. Система пам’яті з інтеграцією функцій зберегання та обробки інформації на одному кристалі. Деклараційний патент на корисну модель. № 6259. G06F13/00, G06F12/00. 15.04.2005. Бюл. № 4. – 24 c. Получено 05.03.2009 С1 КЭШ ВП БОУП ВП С1 ВП БОУП ВП Межчиповая сеть