تعليمات متعددة، بيانات متعددة

الموسوعة الحرة
تصنيف فلين لتصميم MIMD: تعليمات متعددة، بيانات متعددة. لا تُمثل كل "وحدة معالجة" (PU) بالضرورة معالجًا، بل هي مجرد وحدة وظيفية قادرة على إجراء المعالجة. يُشار إلى وحدات المعالجة بهذه الطريقة لتوضيح العلاقة بين التعليمات والبيانات ومعالجة البيانات.

في مجال الحوسبة ، تُعدّ تقنية "التعليمات المتعددة، البيانات المتعددة " ( MIMD ) أسلوبًا يُستخدم لتحقيق التوازي. تحتوي الأجهزة التي تستخدم هذه التقنية على عدد من نوى المعالجة التي تعمل بشكل غير متزامن ومستقل. في أي لحظة، قد تقوم معالجات مختلفة بتنفيذ تعليمات مختلفة على أجزاء مختلفة من البيانات.

يمكن استخدام بنى MIMD في العديد من مجالات التطبيق، مثل التصميم والتصنيع بمساعدة الحاسوب ، والمحاكاة ، والنمذجة ، ومفاتيح الاتصال. تُصنف أجهزة MIMD إلى فئتين: الذاكرة المشتركة والذاكرة الموزعة . ويستند هذا التصنيف إلى كيفية وصول معالجات MIMD إلى الذاكرة. قد تكون أجهزة الذاكرة المشتركة من النوع القائم على ناقل البيانات ، أو الممتد، أو الهرمي . أما أجهزة الذاكرة الموزعة، فقد تعتمد على مخططات ربط بينية من نوع المكعب الفائق أو الشبكة .

أمثلة

من الأمثلة على أنظمة MIMD معالج Intel Xeon Phi ، المنحدر من بنية Larrabee الدقيقة. [ 2 ] تحتوي هذه المعالجات على نوى معالجة متعددة (تصل إلى 61 نواة اعتبارًا من عام 2015) يمكنها تنفيذ تعليمات مختلفة على بيانات مختلفة.

معظم الحواسيب المتوازية، اعتبارًا من عام 2013، هي أنظمة MIMD. [ 3 ]

نموذج الذاكرة المشتركة

في نموذج الذاكرة المشتركة، تتصل جميع المعالجات بذاكرة "متاحة عالميًا"، إما عبر برامج أو أجهزة. ويحافظ نظام التشغيل عادةً على تماسك ذاكرته . [ 4 ]

من وجهة نظر المبرمج، يُعدّ نموذج الذاكرة هذا أكثر وضوحًا من نموذج الذاكرة الموزعة. ومن مزاياه الأخرى أن نظام التشغيل هو من يدير تماسك الذاكرة، وليس البرنامج المكتوب. أما عيوبه المعروفة فهي: صعوبة التوسع لأكثر من 32 معالجًا، وانخفاض مرونة نموذج الذاكرة المشتركة مقارنةً بنموذج الذاكرة الموزعة. [ 4 ]

توجد أمثلة عديدة على الذاكرة المشتركة (المعالجات المتعددة): UMA ( الوصول الموحد للذاكرة )، وCOMA ( الوصول إلى الذاكرة من ذاكرة التخزين المؤقت فقط ). [ 5 ]

الحافلات

تتميز أجهزة MIMD ذات الذاكرة المشتركة بمعالجات تتشارك في ذاكرة مركزية واحدة. في أبسط صورها، تتصل جميع المعالجات بناقل يربطها بالذاكرة. وهذا يعني أن كل جهاز ذي ذاكرة مشتركة يتشارك في نظام ناقل مركزي مشترك خاص به لجميع العملاء.

على سبيل المثال، إذا اعتبرنا حافلة بها عملاء A وB وC متصلون من جانب واحد وP وQ وR متصلون من الجانب الآخر، فإن أيًا من العملاء سيتواصل مع الآخر عن طريق واجهة الحافلة بينهما.

هرمي

تستخدم أجهزة MIMD ذات الذاكرة المشتركة الهرمية تسلسلاً هرمياً من الحافلات (كما هو الحال في بنية " الشجرة السمينة ") لتمكين المعالجات من الوصول إلى ذاكرة بعضها البعض. ويمكن للمعالجات الموجودة على لوحات مختلفة التواصل عبر حافلات بينية. وتدعم هذه الحافلات التواصل بين اللوحات. وبهذا النوع من البنية، يمكن للجهاز دعم أكثر من تسعة آلاف معالج.

الذاكرة الموزعة

في أجهزة MIMD (تعليمات متعددة، بيانات متعددة) ذات الذاكرة الموزعة، يمتلك كل معالج موقع ذاكرة خاص به. ولا يمتلك أي معالج معرفة مباشرة بذاكرة المعالجات الأخرى. ولتبادل البيانات، يجب تمريرها من معالج إلى آخر كرسالة. ونظرًا لعدم وجود ذاكرة مشتركة، فإن التنازع على الذاكرة ليس مشكلة كبيرة في هذه الأجهزة. ليس من المجدي اقتصاديًا توصيل عدد كبير من المعالجات مباشرةً ببعضها البعض. ولتجنب هذا الكم الهائل من الاتصالات المباشرة، يتم توصيل كل معالج بعدد قليل من المعالجات الأخرى. قد يكون هذا النوع من التصميم غير فعال بسبب الوقت الإضافي اللازم لتمرير الرسالة من معالج إلى آخر عبر مسار الرسالة. وقد يكون الوقت اللازم للمعالجات لتنفيذ توجيه الرسائل البسيط كبيرًا. وقد صُممت أنظمة لتقليل هذا الوقت الضائع، وتُعد تقنية المكعب الفائق وتقنية الشبكة من بين أكثر تقنيات الربط البيني شيوعًا.

تشمل أمثلة الذاكرة الموزعة (أجهزة كمبيوتر متعددة) المعالجة المتوازية الضخمة (MPP) ، ومجموعات محطات العمل (COW)، والوصول غير الموحد للذاكرة (NUMA ). تُعدّ الأولى معقدة ومكلفة: إذ تتطلب العديد من أجهزة الكمبيوتر العملاقة المتصلة بشبكات واسعة النطاق. ومن أمثلتها تقنية المكعب الفائق وشبكات الربط الشبكي. أما COW فهي نسخة محلية الصنع بتكلفة أقل بكثير. [ 5 ]

شبكة الربط البيني المكعبة الفائقة

في آلة ذاكرة موزعة من نوع MIMD ذات شبكة ربط بينية لنظام مكعب فائق يحتوي على أربعة معالجات، يتم وضع معالج ووحدة ذاكرة عند كل رأس من رؤوس المربع. قطر النظام هو أقل عدد من الخطوات اللازمة لمعالج لإرسال رسالة إلى المعالج الأبعد. على سبيل المثال، قطر مكعب ثنائي الأبعاد هو 2. في نظام مكعب فائق يحتوي على ثمانية معالجات، حيث يتم وضع كل معالج ووحدة ذاكرة عند رأس مكعب، يكون القطر 3. بشكل عام، في نظام يحتوي على 2^N معالج، حيث يتصل كل معالج مباشرةً بـ N معالج آخر، يكون قطر النظام N. من عيوب نظام المكعب الفائق أنه يجب تكوينه بمضاعفات العدد 2، لذا يجب بناء آلة قد تحتوي على عدد من المعالجات يفوق بكثير ما هو مطلوب فعليًا للتطبيق.

شبكة ربط متشابكة

في آلة الذاكرة الموزعة MIMD ذات شبكة الربط البيني المتداخلة، تُوضع المعالجات في شبكة ثنائية الأبعاد. ويرتبط كل معالج بأربعة من جيرانه المباشرين. ويمكن توفير وصلات التفافية على حواف الشبكة. من مزايا شبكة الربط البيني المتداخلة مقارنةً بالمكعب الفائق أنها لا تتطلب تكوين النظام المتداخل وفقًا لمضاعفات العدد اثنين. أما من عيوبها، فيكون قطر الشبكة المتداخلة أكبر من قطر المكعب الفائق في الأنظمة التي تحتوي على أكثر من أربعة معالجات.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ فلين، مايكل ج. (سبتمبر 1972). "بعض تنظيمات الحاسوب وفعاليتها" (ملف PDF) . معاملات IEEE في مجال الحواسيب . C-21 (9): 948-960 . doi : 10.1109/TC.1972.5009071 .
  2. ↑ "مخاطر المعالجة المتوازية: لارابي ضد إنفيديا، MIMD ضد SIMD" . 19 سبتمبر 2008.
  3. ↑ "MIMD | منطقة مطوري Intel®" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 16-10-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 16-10-2013 .
  4. 1 2 إيبارودين، جعفر. "المعالجة المتوازية، EG6370G: الفصل 1، الدافع والتاريخ." شرائح المحاضرة. جامعة سانت ماري ، سان أنطونيو، تكساس . ربيع 2008.
  5. 1 2 أندرو س. تانينباوم (1997). تنظيم الحاسوب الهيكلي ( الطبعة الرابعة). برنتيس هول. الصفحات 559-585 . ISBN   978-0130959904أُرشف من المصدر الأصلي بتاريخ 1 ديسمبر 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 مارس 2013 .