Гетерогенный процессор HEP: Архитектура и особенности реализации

Введение

Процессор с гетерогенными элементами (HEP) был представлен компанией Denelcor, Inc. в 1982 году. Архитектором HEP был Бертон Смит. Машина была разработана для решения задач гидродинамики для Баллистической исследовательской лаборатории. Система HEP, как следует из названия, собиралась из множества разнородных компонентов – процессоров, модулей памяти данных и модулей ввода-вывода. Компоненты были соединены посредством коммутируемой сети. Отдельный процессор, называемый PEM, в системе HEP (можно было подключить до шестнадцати PEM) был довольно нетрадиционным: посредством "очереди состояния программы (PSW)" до пятидесяти процессов могли поддерживаться аппаратно одновременно. Самая большая когда-либо поставленная система имела 4 PEM. Восьмиступенчатый конвейер команд позволял командам от восьми различных процессов выполняться одновременно. Фактически, в конвейере в любой момент времени могла присутствовать только одна команда от данного процесса. Поэтому полная пропускная способность процессора в 10 МИПС могла быть достигнута только при наличии восьми или более активных процессов; ни один процесс не мог достичь пропускной способности более 1,25 МИПС. Этот тип многопоточной обработки классифицирует HEP как процессор "бочкового" типа. Аппаратная реализация PEM HEP была выполнена на логике с эмиттерной связью. Процессы классифицировались как пользовательского или надзорного уровня. Процессы пользовательского уровня могли создавать процессы надзорного уровня, которые использовались для управления процессами пользовательского уровня и выполнения операций ввода-вывода. Процессы одного класса должны были быть сгруппированы в одну из семи пользовательских и семи надзорных задач. Каждый процессор, помимо очереди PSW и конвейера команд, содержал память команд, 2048 64-битных регистров общего назначения и 4096 константных регистров. Константные регистры отличались тем, что только процессы надзорного уровня могли изменять их содержимое. Сами процессоры не содержали памяти данных; вместо этого модули памяти данных могли быть подключены к коммутируемой сети отдельно. Память HEP состояла из полностью раздельной памяти команд (до 128 МБ) и памяти данных (до 1 ГБ). Пользователи видели 64-битные слова, но фактически слова в памяти данных были 72-битными, с дополнительными битами, используемыми для состояния (см. следующий абзац), контроля четности, тегов и других целей. В HEP была реализована разновидность взаимного исключения, в которой все регистры и ячейки памяти данных имели связанные состояния "пустой" и "полный". Чтение из ячейки устанавливало состояние в "пустой", а запись в нее – в "полный". Программист мог остановить процесс после попытки чтения из пустой ячейки или записи в полную ячейку, обеспечивая защиту критических секций. Коммутируемая сеть между элементами во многом напоминала современную компьютерную сеть. В сети были наборы узлов, каждый из которых имел три канала связи. Когда пакет приходил в узел, он обращался к таблице маршрутизации и пытался переслать пакет ближе к месту назначения. Если узел становился перегруженным, все входящие пакеты пересылались без маршрутизации. Пакеты, обработанные таким образом, получали повышенный уровень приоритета; когда несколько пакетов претендовали на один узел, пакет с более высоким уровнем приоритета маршрутизировался раньше пакетов с более низким уровнем приоритета. Другим компонентом коммутируемой сети была система sO, со своей собственной памятью и множеством отдельных шин DEC UNIBUS, подключенных для дисков и других периферийных устройств. Система также имела возможность сохранять биты "полный/пустой", которые обычно не были напрямую видны. Первоначальная производительность системы ввода-вывода оказалась крайне недостаточной из-за высокой задержки при запуске операций ввода-вывода. Рон Натали (из BRL) и Бертон Смит разработали новую систему из запасных частей на салфетках в местном стейк-хаусе и ввели ее в эксплуатацию в течение последующей недели. Основным языком программирования приложений HEP был уникальный вариант Fortran. Со временем были добавлены C, Pascal и SISAL. Синтаксис переменных данных, использующих биты "полный/пустой", предполагал добавление символа "$" перед их именем. Таким образом, 'A' обозначало бы локальную переменную, а $A – переменную блокировки "полный/пустой". Следовательно, возможность возникновения взаимоблокировки (deadlock) была реальной. Проблематично, что отсутствие "$" могло привести к непреднамеренной числовой неточности. Первая операционная система HEP была HEPOS. Майк Мусс участвовал в портировании Unix для Баллистической исследовательской лаборатории. HEPOS не была операционной системой, подобной Unix. Несмотря на то, что она была известна своей низкой стоимостной эффективностью, HEP получила внимание благодаря нескольким революционным функциям того времени. HEP обладал производительностью компьютера класса CDC 7600 в эпоху Cray 1. Системы HEP были приобретены Баллистической исследовательской лабораторией (система с четырьмя PEM), Лос-Аламосом, Аргоннской национальной лабораторией (одна PEM), Агентством национальной безопасности и немецкой компанией Messerschmitt (система с тремя PEM). Denelcor также поставила систему с двумя PEM в Университет Джорджии в обмен на их программную поддержку (система также была предложена Университету Мэриленда). Messerschmitt был единственным клиентом, который использовал HEP для "реальных" приложений; другие клиенты использовали его для экспериментов с параллельными алгоритмами. Система BRL использовалась для подготовки фильма с использованием программного обеспечения BRL CAD в качестве своего единственного реального приложения. Более быстрые и крупные проекты HEP 2 и HEP 3 были начаты, но так и не были завершены. Архитектурная концепция впоследствии была воплощена под кодовым названием Horizon.

The Heterogeneous Element Processor (HEP) was introduced by Denelcor, Inc. in 1982. The HEP's architect was Burton Smith. The machine was designed to solve fluid dynamics problems for the Ballistic Research Laboratory. A HEP system, as the name implies, was pieced together from many heterogeneous components processors, data memory modules, and I/O modules. The components were connected via a switched network. A single processor, called a PEM, in a HEP system (up to sixteen PEMs could be connected) was rather unconventional; via a "program status word (PSW) queue," up to fifty processes could be maintained in hardware at once. The largest system ever delivered had 4 PEMs. The eight stage instruction pipeline allowed instructions from eight different processes to proceed at once. In fact, only one instruction from a given process was allowed to be present in the pipeline at any point in time. Therefore, the full processor throughput of 10 MIPS could only be achieved when eight or more processes were active; no single process could achieve throughput greater than 1.25 MIPS. This type of multithreading processing classifies the HEP as a barrel processor. The hardware implementation of the HEP PEM was emitter coupled logic. Processes were classified as either user level or supervisor level. User level processes could create supervisor level processes, which were used to manage user level processes and perform I/O. Processes of the same class were required to be grouped into one of seven user tasks and seven supervisor tasks. Each processor, in addition to the PSW queue and instruction pipeline, contained instruction memory, 2,048 64 bit general purpose registers and 4,096 constant registers. Constant registers were differentiated by the fact that only supervisor processes could modify their contents. The processors themselves contained no data memory; instead, data memory modules could be separately attached to the switched network. The HEP memory consisted of completely separate instruction memory (up to 128 MBs) and data memory (up to 1 GB). Users saw 64 bit words, but in reality, data memory words were 72 bit with the extra bits used for state, see next paragraph, parity, tagging, and other uses. The HEP implemented a type of mutual exclusion in which all registers and locations in data memory had associated "empty" and "full" states. Reading from a location set the state to "empty," while writing to it set the state to "full." A programmer could allow processes to halt after trying to read from an empty location or write to a full location, enforcing critical sections. The switched network between elements resembled, in many ways, a modern computer network. On the network were sets of nodes, each of which had three links. When a packet arrived at a node, it consulted a routing table and attempted to forward the packet closer to its destination. If a node became congested, any incoming packets were passed on without routing. Packets treated in such a manner had their priority level increased; when several packets vied for a single node, a packet with a higher priority level would be routed before ones with lower priority levels. Another component of the switched network was the sO System, with its own memory and many individual DEC UNIBUS buses attached for disks and other peripherals. The system also had the ability to save the full/empty bits not normally visible directly. The initial IO System performance was shown to be woefully inadequate due to the high latency in starting the IO operations. Ron Natalie (from BRL) and Burton Smith designed a new system out of spare parts on napkins at a local steakhouse and put it into operation in the course of the ensuing week. The HEP's primary application programming language was a unique Fortran variant. In time C, Pascal, and SISAL were added. The syntax of data variables using full empty bits prepended '$' before their name. So 'A' would name a local variable, but $A would be a locking full empty variable. Application dead lock was thus possible. Problematic, failure to '$' could introduce unintended numerical inaccuracy. The first HEP operating system was HEPOS. Mike Muuss was involved in a Unix port for the Ballistic Research Laboratory. HEPOS was not a Unix like operating system. Although it was known to have poor cost performance, the HEP received attention due to what were, at the time, several revolutionary features. The HEP had the performance of a CDC 7600 class computer in the Cray 1 era. HEP systems were acquired by the Ballistic Research Laboratory (four PEM system), Los Alamos, the Argonne National Laboratory (single PEM), the National Security Agency, and Germany's Messerschmitt (three PEMS system. Denelcor also delivered a two PEM system to the University of Georgia in exchange for them providing software assistance (the system had also been offered to the University of Maryland). Messerschmitt was the only client to put the HEP into use for "real" applications; the other clients used it for experimenting with parallel algorithms. The BRL system was used to prepare a movie using the BRL CAD software as its only real application. Faster and larger designs for HEP 2 and HEP 3 were started but never completed. The architectural concept would later be embodied with the code name Horizon.