Принципы организации многозадачного режима работы параллельной потоковой вычислительной системы

Principles of multitasking organization in the parallel dataflow computing system

Змеев Д.Н. Климов А.В. Левченко Н.Н. Окунев А.С.

25.10.2015 3004

№ 10 (21)

10. Информатика, вычислительная техника и управление

Цитировать:

Принципы организации многозадачного режима работы параллельной потоковой вычислительной системы // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Змеев Д.Н. [и др.]. 2015. № 10 (21). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/2673 (дата обращения: 05.12.2025).

Прочитать статью:

Keywords: multitasking, token-stub, parallel dataflow computing system

АННОТАЦИЯ

Параллельная потоковая вычислительная система (ППВС), которая реализует новую потоковую модель вычислений с динамически формируемым контекстом, разрабатывается в Институте проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук.

ППВС представляет собой многоядерную масштабируемую вычислительную систему. В состав каждого вычислительного ядра системы входят исполнительное устройство, процессор сопоставления, коммутатор токенов, блок хэширования. Между ядрами в системе передаются единицы информации в виде токенов.

Одним из важных режимов, в котором должна эффективно функционировать ППВС, является режим многозадачной работы, позволяющий решаться одновременно нескольким задачам (подзадачам) без потери производительности системы в целом.

Организация такого режима работы системы опирается в основном на аппаратуру и требует значительно меньшего взаимодействия с хост-машиной, чем у классических высокопроизводительных систем.

Многозадачный режим работы системы тесно связан с решением проблемы переполнения памятей вычислительного ядра.

Первый уровень аппаратной поддержки многозадачного режима работы сис-темы заключается в реализации возможности такой работы на уровне подзадач.

Если при работе в многозадачном режиме возникает угроза переполнения памятей процессора сопоставления нескольких вычислительных ядер, то вступает в действие второй уровень аппаратной поддержки многозадачного режима работы системы.

Дано описание двух вариантов решения проблемы преодоления переполнения памятей процессора сопоставления в вычислительных ядрах. Затем описываются некоторые основные режимы работы вычислительной системы с использованием средств поддержки многозадачности.

Описанные режимы работы системы были реализованы в одном из вариантов программной блочно-регистровой модели. Проведенные исследования продемонстрировали работоспособность разработанного подхода по обеспечению многозадачного режима.

ABSTRACT

The parallel dataflow computing system (PDCS), which implements a new dataflow computing model with dynamically formed context, is developing in the Institute for Design Problems in Microelectronics of Russian Academy of Sciences.

PDCS is a scalable, multi-core computing system. Each computational core includes an execution unit, mapping processor, commutator of tokens and the unit of hashing. Between the cores in the system the information is transmitted in the form of tokens.

One of the important modes, in which the PDCS must effectively to function, is a multitasking mode, which allows to execute several tasks (subtasks) with no loss of performance of the system as a whole.

The organization of such mode of operation of the system relies mainly on hardware and requires much less interaction with the host machine than the classic high-performance systems.

The multitasking is closely linked with the solving of problem of memory overflow of computational core.

The first level of hardware support of multitasking consists in the operation at the level of sub-tasks.

If, working in multitask mode, there is a risk of memory overflow in mapping processors of several cores, then a second level of hardware support is starting to operate.

The article describes two solutions to the problem of memory overflow of mapping processor in computational cores. Then some of the basic modes of operation of a computing system are describes with the use of means of multitasking support.

The described modes have been implemented in one of the variants of program model. Studies have demonstrated the efficiency of the developed approach for multitasking support.

Список литературы:

1. Змеев Д.Н., Левченко Н.Н., Окунев А.С. и др. Средства визуализации процесса прохождения задачи в программной модели ППВС // Материалы Международной научно-технической конференции «Многопроцессорные вычислительные и управляющие системы (МВУС-2009). — Дивноморское, Россия, ТТИ ЮФУ, 2009. — Т. 1. — С. 49—52.
2. Климов А.В., Левченко Н.Н., Окунев А.С. Аппаратно-программные средства преодоления неравномерной загрузки отдельных устройств в параллельной потоковой вычислительной системе // Материалы Международной научно-технической конференции «Многопроцессорные вычислительные и управляющие системы» в составе мультиконференции “Проблемы информационно-компьютерных технологий и мехатроники”». — Таганрог: Издательство ТТИ ЮФУ, 2007. — Т. 1. — С. 92—95.
3. Климов А.В., Левченко Н.Н., Окунев А.С. Преимущества потоковой модели вычислений в условиях неоднородных сетей // Информационные технологии и вычислительные системы. — 2012. — № 2. — С. 36—45.
4. Климов А.В., Левченко Н.Н., Окунев А.С. и др. Суперкомпьютеры, иерархия памяти и потоковая модель вычислений // Программные системы: теория и приложения: электрон. научн. журн. — 2014. — T. 5. — № 1(19). — С. 15—36.
5. Левченко Н.Н., Окунев А.С. Об одном подходе к применению векторного функционального устройства в ППВС // Материалы Международной научно-технической конференции «Суперкомпьютерные технологии: разработка, программирование, применение» (СКТ-2010). — Таганрог — Москва, 2010. — Т. 1. — С. 124—126.
6. Левченко Н.Н., Окунев А.С., Змеев Д.Н. Расширение возможностей поведенческой блочно-регистровой модели параллельной потоковой вычислительной системы // Материалы Пятой Международной молодежной научно-технической конференции «Высокопроизводительные вычисли-тельные системы (ВПВС 2008)». — Таганрог, Россия, 2008. — С. 371—374.
7. Стемпковский А.Л., Левченко Н.Н., Окунев А.С. и др. Параллельная потоковая вычислительная система — дальнейшее развитие архитектуры и структурной организации вычислительной системы с автоматическим распределением ресурсов // Информационные технологии. — 2008. — № 10. — С. 2—7.
8. Arvind and R.S. Nikhil. Executing a Program on the MIT Tagged-Token Dataflow Architecture // IEEE Trans. Comput. Mar. — 1990. — Vol. 39. № 3. — P. 300—318.
9. Silc J., Robic B., Ungerer T. Asynchrony in parallel computing: From dataflow to multithreading // Parallel and Distributed Computing Practices. — 1998. — Vol. 1. № 1. — P. 3—30.

References:

1. Zmeev D.N., Levchenko N.N., Okunev A.S., Hodosh L.S. Visualization tools for the process of task running in the programming model of PDCS. Mnogoprocessornye vychislitel'nye i upravljajushhie sistemy (MVUS-2009). [Multi-processor computing and control systems (MCCS-2009)]. Divnomorskoe, TTI IuFU Publ., 2009, vol. 1, pp. 49—52. (In Russian).
2. Klimov A.V., Levchenko N.N., Okunev A.S. Hardware/Software tools of overcoming the uneven loading of the individual devices in parallel dataflow computing system. “Mnogoprocessornye vychislitel'nye i upravljajushhie sistemy” v sostave mul'tikonferencii “Problemy informacionno-komp'juternyh tehnologij i mehatroniki”. [“Multiprocessor computing and control systems” within the “Problems of information and computer technologies and mechatronics” conference]. Taganrog, TTI IuFU Publ., 2007, vol. 1, pp. 92—95. (In Russian).
3. Klimov A.V., Levchenko N.N., Okunev A.S. The advantages of dataflow calculation model in heterogeneous networks conditions. Informatsionnye tekhnologii i vychislitel'nye sistemy [Information technologies and computing systems]. 2012, no. 2, pp. 36—45. (In Russian).
4. Klimov A.V., Levchenko N.N., Okunev A.S., Stempkovskij A.L. Supercomputers, memory hierarchy and the dataflow computing system. Programmnye sistemy: teoriya i prilozheniya. [Program systems: theory and applications]. 2014, vol. 5, no. 1(19), pp. 15—36. (In Russian).
5. Levchenko N.N., Okunev A.S. About one approach to vector functional unit application in PDCS. Superkomp'juternye tehnologii: razrabotka, programmirovanie, primenenie (SKT-2010). [Supercomputer technologies: design, programming, application (SCT-2010)]. Taganrog — Moscow, 2010, vol. 1, pp. 124—126. (In Russian).
6. Levchenko N.N., Okunev A.S., Zmeev D.N. Enhancement of capability of the behavioral block-rated model of the parallel dataflow computing system. Vysokoproizvoditel'nye vychislitel'nye sistemy (VPVS 2008). [High-Performance Computing Systems (HPCS 2008)]. Taganrog, Russia, 2008, pp. 371—374. (In Russian).
7. Stempkovskij A.L., Levchenko N.N., Okunev A.S., Cvetkov V.V. Parallel dataflow computing system: further development of architecture and structural organization of the computing system with automatic distribution of resources. Informacionnye tehnologii [Information technologies]. 2008, no. 10, pp. 2—7. (In Russian).
8. Arvind and R.S. Nikhil. Executing a Program on the MIT Tagged-Token Dataflow Architecture. IEEE Trans. Comput. Mar. 1990, vol. 39, № 3, pp. 300—318.
9. Silc J., Robic B., Ungerer T. Asynchrony in parallel computing: From dataflow to multithreading. Parallel and Distributed Computing Practices. 1998, vol. 1, № 1, pp. 3—30.

Информация об авторах

Змеев Дмитрий Николаевич

научный сотрудник, Институт проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, 124365, РФ, Москва, Зеленоград, ул. Советская, дом 3

Zmejev Dmitry

Research scientist, Institute for Design Problems in Microelectronics of Russian Academy of Sciences, 124365, Russian Federation, Moscow, Zelenograd, Sovetskaya Street, 3

Климов Аркадий Валентинович

старший научный сотрудник, Институт проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, 124365, РФ, Москва, Зеленоград, ул. Советская, дом 3

Klimov Arkady

senior research scientist, Institute for Design Problems in Microelectronics of Russian Academy of Sciences, 124365, Russian Federation, Moscow, Zelenograd, Sovetskaya Street, 3

Левченко Николай Николаевич

кандидат техн. наук, заведующий отделом, Институт проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, 124365, РФ, Москва, Зеленоград, ул. Советская, дом 3

Levchenko Nikolay

Candidate of Engineering sciences, head of the department, Institute for Design Problems in Microelectronics of Russian Academy of Sciences, 124365, Russian Federation, Moscow, Zelenograd, Sovetskaya Street, 3

Окунев Анатолий Семенович

кандидат техн. наук, ведущий научный сотрудник, Институт проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, 124365, РФ, Москва, Зеленоград, ул. Советская, дом 3

Okunev Anatoly

Candidate of Engineering sciences, a leading research scientist, Institute for Design Problems in Microelectronics of Russian Academy of Sciences, 124365, Russian Federation, Moscow, Zelenograd, Sovetskaya Street, 3