Вычислительный узел для однородной вычислительной системы Советский патент 1982 года по МПК G06F17/13 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении однородных вычислительных систем для решения задачи Дирихле многомерных эллиптических и параболических уравнений математической физики с реализацией различных вычислительных шаблонов и сеток . Известен вычислительный узел, содержащий сумьадрукиций блок в виде мно говходового одноразрядного комбинаци онного сумматора последовательного типа с элементами для запоминания пе реносов на один или различное число тактов, регистр сдвига, регистр функ ции, группы входных и виходных, а также управля адих шин 1. Недостатком этого узла является большое количество оборудования, которое расходуется на построение сумм рующего блока и триггеров для запоми нания значений результата и переноса в каждом комбинационно сумматоре сумглирующего блока. Для построения такого су шрующего блока, ориён ированного на решение трехмерных yiiaBнений Пуассона, требуетС51 не менее шести трехвходовых .сумматоров и две,надцати элементов памяти (триггеров) для запоминания переносов и результатов, а также ограниченная область применения, обусловленная ориентацией на решение только двумерных уравнений Лапласа и Пуассона. Наиболее близким к предлагаемому является вычислительный узел, состоящий из входного коммутатора, суммируннцего блока в виде счетчика с промежуточным регистром, регистра сдвига результата и коммутатором значений результата или значений cyMNEj, зафиксированной в текущем ivraKpOTaKTe в младшем разряде счетчика, функции которого выполняет комбинационный трехвходовой сумматор f2j. Недостатками такого вычислительного узла являются ограниченные функциональные возможности, поскольку он решает задачи только с единичными коэффициентами при старших производных, низкий коэффициент использования оборудования, так как узел оперирует с полноразрядными числами, в то.время, как приближенные (начальные) значения далеки от точных значений узловых функций, с реализацией при этом операции полноразрядного умножения аппаратным способом. Это в свою очередь увеличивает время решения и усложняет структуру суммирующего блока и узла в целом. Кроме того, данный вычислительный узел не может peuiaTb уравнения с,переменными коэффициентами. ЦельИзобретения - повышение коэф фициента использования оборудования. Доставленная цель достигается тем/ что в вычислительный узел, содержащий суммирующий блок, блок хранения коэффициентов, блок накопления решения, входной коммутатор, выходной ко1«1мутатор, гфичем вход входного коммутатора является входом задания коэффициентов узла, выход суммирующего блока соединен с входом блока накопления решения, выход которого является выходом результата узла, установочнБй вход и вход задания направления сдвига суммирующего блок являются соответственно входом задания начальных условий и управляющим входом узла, информационный и адресный входы блока хранения коэффициентов являются соответственно входом задания начальных значений коэффициентов и адресным входом, узла, выход выходного коммутатора является выходом- коэффициентов узла, а первый вход соединен с адресным входом узла введены реверсивный счетчик количест ва сдвигов, кольцевой регистр задания режимов и элемент И, причем инфо мационный выход блока хранения коэффициентов соединен с вторым входом выходного коммутатора, вход направления счета и информационный вход ре версивного счетчика количества сдвигов соединены соответственно с управ ляющим входом узла и выходом суммирующего блока, сдвиговый вход которо го соединен с первым выходом реверсивного счетчика количества сдвигов, второй выход которого соединен с разрешающим входом блока хранения коэффициентов, управля1сиций вход кото рого является тактовым входом узла, информационный вход и вход управления сдвигом кольцевого регистра задания режимов соединены соответствен но с входом задания кода режима и управляющим входом узла, а выход сое динён с первым входомэлемента И, второй вход которого соединен с выходом входного коммутатора, а выход с информационным входом суммирующего блока. ; В результате в данном вычислител ном узле исключается традиционная для таких уравнений математической физики арифметическая операция умно жения, которая заменяется на логиче кую операцию выделения старшего раз ряда в исходных данных, сложения ко эффициентов с остатком от исходных данных в предыдущей итерации с одно кратным сдвигом полученного.резульата. Кроме этого, необходимо суммиовать приращения, выделяемые в кажой итерации. На чертеже приведена схема предагаемого вычислительного уала. Схема содержит суммирующий блок 1, блок хранения коэффициентов 2, блок, накопления решения 3, входной коммутатор 4, выходной коммутатор 5, реверсивный счетчик количества сдвигов б, кольцевой регистр задания режимов-7 и элемент И 8. Выход суммирующего блока соединен с информационным входом реверсивного счетчика количества сдвигов б и со входом блока накопления решения 3, выход которого является выходом результата узла. Установочный вход суммирующего блока 1 подключен,к входу задания начальных условий. Вход задания направления сдвига суммирующего блока 1 подключен к управляющему входу узла. Вход направления счета реверсивного счетчика количества сдвигов б соединен с управля- ющим входом узла, первый выход его соединен со сдвиговым входом суммирующего блока 1, а второй выход с разрешающим входом блока хранения коэффициентов 2. Вход задания начальных значений коэффициентов подключен к информационному входу блока хранения коэффициентов 2. Адресный вход блока хранения коэффициентов 2 подключен к адресно1«гу входу узла и к первоглу входу выходного коммутатора 5, второй вход которого соединен с информационным выходом блока хранения коэффициентов 2. Выход выходного коммутатора 5 является выходом коэффициентов узла. Управляющий вход блока хранения коэффициентов 2 подключен к тактовому входу узла. Вход выходного кoм 1yтaтopa 4 подключен к входу задания коэффициентов узла, а выход - ко втopo y входу элемента И 8. Информационный вход кольцевого регистра задания режима 7 соединен с входом задания кода режима вычислительного узла, а вход управления сдвигом кольцевого регистра задания режима 7 соединен с управляюг им вхо-. дом узла. Выход кольцевого регистразадания режима 7 соединен с первым входом элемента И 8, выход которого соединен с информационным входом суммирующего блока 1. При подготовке вычислительного узла к работе в блок хранения коэффициентов 2 через информационный вход (при наличии разрешающего сигнала на управляющем его входе) в ячейки, указанные по адресному входу узла, записывают в цифровой форме значения соответствующих коэффициентов . Кс1ждому коэффициенту соответствует свой адрес. Через установочный вход суммирукядего блока 1 записывают начальные .значений, правую часть или граничные условия, которые впоследствии являются исходными данными для первой итерации. Данный вычислительный узел отрабатывает алгоритм, предложенный автором, который .сводится к вычислению выражения

Л..-К5)

вида

,1в).

.I , (.ч(4)

&igrHZ()C44),.в)

Суть его заключается в выборе старшего разряда г(х) (равного 1) сеточной функции Z(x) в каждом вычислительном узле индивидуально со своим весом . .Позто для рассматриваемого узла в конкретной сеточной области, покрываемой однородной вычислительной системой, и реализаци выражения (1) калудай соседний вычислительный узел должен ввести из блока хранения коэффициентов 2 через выходнс коммутатор 5 в рассматриваемы узел через входной кo fl4yтaтop 4 коэффициент В (X; , х) со своим весом 2-t-ce tXi.l . в суглмирукяпем блоке 1 выполняется операция суммирования коэффициентов остатком (т.е. (jt9) . с этим весом в следующей (S+1)-и итерации из блока хранения коэффициентов 2 рассматриваемого узла через его выходной коммутатор 5 заводят в соседние узлы (т.е. в северный, южный, восточный и западный, например, для пятиточечиого.вычислительного шаблона) коэффициенты В(х, . Таким образом, в каяодЕлй вычислительный узел, соседний с рассматриваемым, через входы задания коэффициейтов . узла входного коммутатора 1 передаются коэффициенты, причем каждому соседу передается свой коэффициент, соответствующий только ему. Одщако все коэффициенты, переданные из рассматриваемого вычислительного узла в соседние с ним, передаются в (5 + 1)-й итерации с одним вессял г(х), т.е. все они сдвинуты на количество разрядов, соответствующее номеру позиции старшего разряда г(х) функции )рассматриваемого узла в S-той итерации. Это равносильно операции умножения коэффициентов на один разряд с весом . Рев.ерсивный счетчик количества сдвигов б служит для определения на S-той итерации и последующего указания номера на (5+1)-й итерации номера разряда, начиная с которого необходимо открыть вентили выхода из блока хранения коэффициентов 2. Это обеспечивает реализацию операции умножения коэффициентов, исходяиих из данного узла, на величину .) в процессе их выдачи

из вычислительного узла. В противном случае из-за того, что в каждом вычислительном узле вес старшего разряда различный, потребовалось бь. . .вместе с коэффициентами В (х , ) передавать в каядалй из соседних уз- ; лов и значение позиции старшего разряда ( (х,)) данного вычислительного узла с тем, чтобы в каждом суммирукидем блоке 1 реализовать ражение (1).

Управляющий вход узла, подключенный ко входу задания направления сдви;га суммирующего блока 1, обеспечивает сдвиг в сторону старших разрядов

5 кода Z для выделения старшего разряда г(х) величины Z(x) (т.е.д .-V+ j(3H)2ts+-)) сдвиг в сторону глладших разрядов кода О (iV получения величины . Вход задания

0 начальных условий, подключенный к установочному входу суммирующего блока 1, обеспечивает занесение кода . Z Ч в начале итерационного процесса. Его задействуют в начале решения

5 задачи, а затем отключают.

I.

В однородной вычислительной системе, построенной из вЕлчислительных узлов предлагаемого, типа, входы задания коэффициентов узла, подключенные ко входам входного коммутатора 4, постоянными связями соединены через выходы коэффициентов узла с выходами выходного коммутатора 5 трех, пяти, девяти, соседних вычислительных узлов (для трех-, пяти-, девяти-, ... точечных вычислительных шаблонов). При решении различных задач математической физики каждый вычислительный узел может быть контурным и пред0 контурным. При этом режима работы каждого узла разные. Внеконтурные узлы должны быть полностью отключены . по входу и выходу от всех соседних узлов. Внутриконтурные узлы должны

f реализовать все связи заданного вычислительного шаблона (кроме того, что они постоянными связями соединены, эти связи должны быть подключены и информационно). Контурный узел должен быть отключен по входам от всех соседних вычислительных узлов, но по выходу соединен с предконтурным УЗЛОМ. Предконтурный узел должет быть подключен по входу ко всем соседним узлагл, а по выходу со всеми, кроме контурного. Таким образом, последовательность 1 и О в кольцевом.регистре задания режи- ; ма 7 в течение решения данной задачи постоянная и в каждом - своя.

0 Она определяет информационные связи вычислительных узлов в данной задаче. Для контурного пятиточечного, например/ вычислительного шаблона это может быть код 0000, для

5 внутриконтурного узла - 1111, а в