RU2780169C1 - Вычислительный модуль для многозадачных вычислительных систем - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к вычислительному модулю для многозадачных вычислительных систем. Технический результат заключается в возможности одновременного решения различных задач на одной рабочей ПЛИС и совычислителе. Модуль содержит входной порт 1 интерфейса PCI-Express, выходной порт 2 интерфейса PCI-Express, коммутатор 3 PCI-Express, блок 4 управления коммутатором PCI-Express, память 5 стартовой конфигурации системной ПЛИС 7, память 6 стартовой конфигурации рабочих ПЛИС, системную ПЛИС 7, порт 8 контроля и управления системной ПЛИС 7, блок 10 конфигурирования рабочих ПЛИС, блок 11 мониторинга, порт 12 мониторинга, блок 13 управления питанием и охлаждением, порт 14 управления питанием и охлаждением и группу из М вычислительных каналов 9₁, …, 9_М, каждый из которых содержит рабочую ПЛИС 15 и совычислитель 26, причем рабочая ПЛИС 15 содержит контроллер 16 PCI-Express, память 17 конфигурации, блок 18 управления коммутатором 23 рабочей ПЛИС 15, адаптер 19 совычислителя 26, буферную память 20 данных, буферную память 21 результата, контроллер 22 прямого доступа в память, коммутатор 23 рабочей ПЛИС 15, группу из К адаптеров 24₁, …, 24_К исполнительных устройств, группу из К исполнительных устройств 25₁, …, 25_К, а совычислитель 26 содержит интерфейсный блок 27, коммутатор 28 совычислителя и группу из N вычислительных ядер 29₁, …, 29_М, каждое из которых содержит память 30 программы и параметров, блок 31 управления, память 32 данных, операционный блок 33 и память 34 результата. 1 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности, к высокопроизводительным реконфигурируемым вычислительным устройствам, предназначенным для решения сложных, трудоемких задач и высокоскоростной обработки больших информационных массивов в многозадачных вычислительных системах с использованием распараллеливания и конвейеризации вычислительных процессов.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В реконфигурируемых вычислительных системах на ПЛИС, использующих для обмена с управляющей ЭВМ интерфейс PCI-Express, распределение вычислительных ресурсов между пользователями (задачами) осуществляется с точностью до одной рабочей ПЛИС, если у всех рабочих ПЛИС имеется независимое питание и загрузка выполняемыми программами может осуществляется в режиме автоконфигурирования с использованием собственных (отдельных) памятей конфигурации. В случае, когда у рабочих ПЛИС используется общее питание и конфигурирование выполняемыми программами осуществляется исключительно системной ПЛИС, распределение вычислительных ресурсов между пользователями (задачами) осуществляется только с точностью до одного вычислительного модуля.

С появлением более мощных вычислительных компонент заказных СБИС и развитием технологии создания мощных ПЛИС, когда их вычислительных ресурсов становится достаточно для размещения в них нескольких вычислительных устройств (как одинаковых, так и в общем случае разных) и вычислительных каналов, актуальным становится более дифференцированное распределение вычислительных ресурсов между задачами.

Известно реконфигурируемое вычислительное устройство (РВУ 13) приведенное в реконфигурируемой вычислительной системы (RU №2713757 С1, МПК G06F15/17, заявлено 29.04.2019, опубликовано 07.02.2020 Бюл. №4), содержащее коммутатор PCI-Express 19, группу из М унифицированных посадочных мест 17₁, …, 17_М с установленными соответствующими вычислительными ПЛИС 20₁, …, 20_М, интерфейсную ПЛИС 22, группа из М унифицированных посадочных мест 18₁, …, 18_М с установленными соответствующими вычислительными СБИС 33₁, …, 33_М, с установленным над ними единым радиатором прямоугольной формы 27, блок конфигурирования и мониторинга 23, блок управления режимом 30 коммутатора PCI-Express 19, память 24 конфигураций ПЛИС, группу из М блоков индивидуального мониторинга и управления 15₁, …, 15_М, группу из М памятей стартовых конфигураций 35₁, …, 35_М, группу из М буферных памятей 37₁, …, 37_М, группу из М контроллеров 38₁, …, 38_М прямого доступа в память реконфигурируемых вычислительных устройств 13₁, …, 13_N, входной 16 и выходной 28 высокоскоростные последовательные интерфейсы PCI-Express.

Недостатками данного реконфигурируемого вычислительного устройства (РВУ 13) являются не эффективное использование его вычислительной мощности при решении вычислительно сложных задач и задач требующих высокой интенсивности обмена информацией вычислительных ПЛИС по высокоскоростным последовательным интерфейсам PCI-Express.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что у реконфигурируемого вычислительного устройства (РВУ 13) имеется возможность распределять вычислительные ресурсы между задачами только с точностью до одной вычислительной ПЛИС с соответствующей СБИС, а мониторинг состояния компонент вычислительного модуля осуществляется, как и обмен данными, по интерфейсу 16 PCI-Express, что снижает скорость обмена данными и результатами задач пользователей и приводит к простоям вычислительные СБИС.

Известен вычислительный модуль (ВМ 11) приведенный в реконфигурируемой вычислительной системы с многоуровневой подсистемой мониторинга и автоматическим управлением (RU №2748454 С1, МПК G06F 15/16, G06F 15/80, заявлено 02.10.2020, опубликовано 25.05.2021 Бюл. №15), содержащий коммутатор PCI-Express 12, группу из М вычислительных ПЛИС 16₁, …, 16_М, системную ПЛИС 25, блок 20 управления режимом коммутатора 12 PCI-Express, память 24 стартовой конфигураций системной ПЛИС 25, группу из М памятей 13₁, …, 13_М стартовых конфигураций вычислительных ПЛИС 16₁, …, 16_М, группу из М совычислителей 19₁, …, 19_М с индивидуальным питанием, группу из М блоков 18₁, …, 18_М управления режимом совычислителей 19₁, …, 19_М, блок 21 мониторинга и управления, блок 26 конфигурирования вычислительных ПЛИС 16₁, …, 16_М и их памятей 13₁, …, 13_М стартовых конфигураций, блок 23 управления охлаждением и питанием вычислительного модуля, блок 22 автоматического управления, группы из М блоков 17₁, …, 17_М автоматического управления вычислительными ПЛИС и совычислителями, буферных памятей 14₁, …, 14_М и контроллеров 15₁, …, 15_М прямого доступа в память выполняемых задач, входной 35 высокоскоростной последовательный интерфейс PCI-Express, выходной 36 высокоскоростной последовательный интерфейс PCI-Express, шину 51 управления охлаждением и питанием и шину 52 мониторинга и управления состоянием модуля.

Недостатком данного вычислительного модуля (ВМ 11) является не эффективное использование его вычислительной мощности при решении вычислительно сложных задач, если в некоторых задачах имеются неиспользуемые вычислительные мощности вычислительных ПЛИС и совычислителей.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что у вычислительного модуля имеется возможность распределять вычислительные ресурсы между задачами только с точностью до одной вычислительной ПЛИС с совычислителем.

Наиболее близким устройством того же назначения, к заявленному изобретению, по совокупности признаков является принятый за прототип вычислительный модуль (RU №2643622 С1, МПК G06F 15/163, заявлено 25.05.2017, опубликовано 02.02.2018, БИ №4), содержащий группу из N вычислительных ядер 6₁, …, 6_N, интерфейсный блок 1, блок разделения заданий 2, блок памяти заголовков заданий 3, блок памяти данных заданий 4, арбитр заданий 5, группу из N блоков памяти номеров заданий вычислительных ядер 7₁, …, 7_N, блок мультиплексоров результатов 8, арбитр результатов 9, блок памяти заголовков результатов 10, блок памяти данных результатов 11, внешний интерфейс 12, при этом каждое вычислительное ядро 6₁, …, 6_N состоит из входной буферной памяти 6-1, операционного блока 6-2, выходной буферной памяти 6-3 и блока управления 6-4.

Недостатками данного вычислительного модуля являются не эффективное использование его вычислительной мощности при решении вычислительно сложных задач, если в некоторых задачах имеются неиспользуемые вычислительные ядра, и отсутствие подсистемы мониторинга состояния.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что вычислительный модуль предназначен для применения только при решении трудоемкой задачи одного пользователя с использованием распараллеливания по данным на множество независимых однотипных подзадач, объединенных общими режимами и параметрами работы.

ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании вычислительного модуля для многозадачных вычислительных систем.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение возможности одновременного решения различных задач на одной рабочей ПЛИС и совычислителе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что вычислительный модуль для многозадачных вычислительных систем содержит входной порт 1 интерфейса PCI-Express, выходной порт 2 интерфейса PCI-Express, коммутатор 3 PCI-Express, блок 4 управления коммутатором PCI-Express, память 5 стартовой конфигурации системной ПЛИС 7, память 6 стартовой конфигурации рабочих ПЛИС, системная ПЛИС 7, порт 8 контроля и управления системной ПЛИС 7, блок 10 конфигурирования рабочих ПЛИС, блок 11 мониторинга, порт 12 мониторинга, блок 13 управления питанием и охлаждением, порт 14 управления питанием и охлаждением и группу из М вычислительных каналов 9₁, …, 9_М, каждый из которых содержит рабочую ПЛИС 15 и совычислитель 26,

причем рабочая ПЛИС 15 содержит контроллер 16 PCI-Express, память 17 конфигурации, блок 18 управления коммутатором 23 рабочей ПЛИС 15, адаптер 19 совычислителя 26, буферную память 20 данных, буферную память 21 результата, контроллер 22 прямого доступа в память, коммутатор 23 рабочей ПЛИС 15, группу из К адаптеров 24₁, …, 24_К исполнительных устройств, группу из К исполнительных устройств 25₁, …, 25_К,

а совычислитель 26 содержит интерфейсный блок 27, коммутатор 28 совычислителя и группу из N вычислительных ядер 29₁, …, 29_N, каждое из которых содержит память 30 программы и параметров, блок 31 управления, память 32 данных, операционный блок 33 и память 34 результата,

причем коммутатор PCI-Express 3 соединен с входным портом 1 интерфейса PCI-Express, выходным портом 2 интерфейса PCI-Express, блоком 4 управления коммутатором PCI-Express, контроллерами 16 PCI-Express группы из М вычислительных каналов 9₁, …, 9_М и системной ПЛИС 7, которая соединена с блоком 4 управления коммутатором PCI-Express, портом 8 контроля и управления системной ПЛИС 7, памятью 5 стартовой конфигурации системной ПЛИС 7, памятью 6 стартовой конфигурации рабочих ПЛИС 15 и с блоком 10 конфигурирования рабочих ПЛИС 15, который соединен с рабочими ПЛИС 15 группы из М вычислительных каналов 9₁, …, 9_M мшинами 35₁, …, 35_М конфигурирования,

кроме того системная ПЛИС 7 соединена с блоком 11 мониторинга, который соединен с портом 12 мониторинга, группой из М вычислительных каналов 9₁, …, 9_М шинами 36₁, …, 36_М мониторинга состояния и блоком 13 управления питанием и охлаждением, который соединен с портом 14 управления охлаждением и шинами 37₁, …, 37_М управления питанием с группой из М вычислительных каналов 9₁, …, 9_М,

в каждой из рабочих ПЛИС 15 контроллер 16 PCI-Express соединен с контроллером 22 прямого доступа в память и с памятью 17 конфигурации, которая соединена с блоком 18 управления коммутатором 23 рабочей ПЛИС 15 и контроллером 22 прямого доступа в память, который соединен с буферной памятью 20 данных, буферной памятью 21 результата и коммутатором 23 рабочей ПЛИС 15, который соединен с блоком 18 управления коммутатором рабочей ПЛИС 15, группой из К адаптеров исполнительных устройств 24₁, …, 24_К, соединенных с соответствующими одноименными исполнительными устройствами 25₁, …, 25_К, и с адаптером 19 совычислителя 26,

причем адаптер 19 совычислителя 26 соединен с интерфейсным блоком 27 совычислителя 26, в котором интерфейсный блок 27 соединен с коммутатором 28, который соединен с группой из N вычислительных ядер 29₁, …, 29_N.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 приведена функциональная схема вычислительного модуля для многозадачных вычислительных систем.

На фиг. 1 и в тексте приняты следующие сокращения и обозначения:

1 - входной порт интерфейса PCI-Express;

2 - выходной порт интерфейса PCI-Express;

3 - коммутатор PCI-Express;

4 - блок управления коммутатором PCI-Express;

5 - память стартовой конфигурации системной ПЛИС;

6 - память стартовой конфигурации рабочих ПЛИС;

7 - системная ПЛИС;

8 - порт контроля и управления системной ПЛИС;

9₁, …, 9_М - группа из М вычислительных каналов;

10 - блок конфигурирования рабочих ПЛИС;

11 - блок мониторинга;

12 - порт мониторинга;

13 - блок управления питанием и охлаждением;

14 - порт управления охлаждением;

15 - рабочая ПЛИС;

16 - контроллер PCI-Express;

17 - память конфигурации;

18 - блок управления коммутатором рабочей ПЛИС;

19 - адаптер совычислителя;

20 - буферная память данных;

21 - буферная память результата;

22 - контроллер прямого доступа в память;

23 - коммутатор рабочей ПЛИС;

24₁, …, 24_К - группа из К адаптеров исполнительных устройств;

25₁, …, 25_К - группа из К исполнительных устройств;

26 - совычислитель;

27 - интерфейсный блок;

28 - коммутатор совычислителя;

29₁, …, 29_N - группа из N вычислительных ядер;

30 - память программы и параметров;

31 - блок управления;

32 - память данных;

33 - операционный блок;

34 - память результатов;

35₁, …,35_M - группа из М шин конфигурирования рабочих ПЛИС;

36₁, …, 36_M - группа из М шин мониторинга состояния вычислительных каналов;

37₁, …, 37_М - группа из М шин управления питанием вычислительных каналов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Трудоемкие задачи, предназначенные для решения на высокопроизводительных реконфигурируемых вычислительных системах, содержат некоторые трудоемкие фрагменты, которые определяют трудоемкость задачи в целом, и к которым, прежде всего, относятся вычисления некоторых сложных функций или функций с большим числом повторений (переборов). При решении таких задач осуществляется их декомпозиция на отдельные фрагменты, при которой наиболее трудоемкие фрагменты выполняются при помощи различных ускорителей вычислений.

К ускорителям вычислений в реконфигурируемых вычислительных системах относятся аппаратные ускорители, синтезированные на ресурсах рабочих ПЛИС, и программно-аппаратные ускорители, реализуемые на различного типа заказных СБИС.

Исполнительное устройство 25 - это ускоритель вычислений, предназначенный для аппаратной реализации трудоемкого фрагмента задачи пользователя и реализованный на ресурсах рабочих ПЛИС 15.

Вычислительное ядро 29 - это ускоритель вычислений, предназначенный для программно-аппаратной реализации трудоемкого фрагмента задачи пользователя и реализованный на ресурсах совычислителя 26.

Коммуникационная среда - это система, предназначенная для обмена информацией между вычислительными компонентами модуля и внешними портами. В предлагаемом вычислительном модуле реализована трехуровневая коммуникационная среда, обеспечивающая взаимодействие программы пользователя (задачи) с исполнительными устройствами и вычислительными ядрами.

Первый уровень коммуникационной среды реализован на коммутаторе 3 PCI-Express, основан на использовании стандартного протокола PCI-Express, обеспечивает унифицированное объединение контроллеров 16 PCI-Express рабочих ПЛИС 15 и простое подключение предлагаемого вычислительного модуля к внешней управляющей ЭВМ вычислительной системы.

Второй уровень коммуникационной среды - это коммутатор 23, реализованный на внутренних ресурсах рабочих ПЛИС, который использует как стандартные, так и специализированные протоколы, наиболее эффективные для подключения конкретных исполнительных устройств в рабочих ПЛИС.

Третий уровень коммуникационной среды - это коммутатор 28 совычислителя, который также использует как стандартные, так и специализированные протоколы, наиболее эффективные для подключения конкретных вычислительных ядер и реализован на внутренних ресурсах совычислителя.

Входной порт 1 интерфейса PCI-Express предназначен для связи с управляющей ЭВМ.

Выходной порт 2 интерфейса PCI-Express предназначен для подключения аналогичных вычислительных модулей к управляющей ЭВМ и объединения с другой управляющей ЭВМ.

Блок 4 управления коммутатором PCI-Express предназначен для управления режимами работы коммутатора 3 PCI-Express по входному 1 и выходному 2 портам при подключении дополнительных вычислительных модулей или объединении с другой управляющей ЭВМ.

Память 5 стартовой конфигурации системной ПЛИС 7 предназначена для хранения стартовой программы системной ПЛИС 7, загружающейся в нее по включению питания.

Память 6 стартовой конфигурации рабочей ПЛИС предназначена для хранения стартовой программы рабочих ПЛИС 15, загружающейся в них по включению питания.

Системная ПЛИС 7 взаимодействует со служебными программами управляющей ЭВМ посредством коммутатора 3 PCI-Express и предназначена для управления коммутатором 3 PCI-Express посредством блока 4, записи памяти 6 стартовой конфигурации рабочей ПЛИС и собственной памяти 5 стартовой конфигурации, и обеспечивает управление блоком 10 конфигурирования рабочих ПЛИС и блоком 11 мониторинга.

Порт 8 контроля и управления системной ПЛИС 7 предназначен для работы в режиме настройки и стартового конфигурирования программными средствами САПР системной ПЛИС 7 и памяти 5 стартовой конфигурации системной ПЛИС 7.

Блок 10 конфигурирования рабочих ПЛИС предназначен для организации одновременного конфигурирования всех рабочих ПЛИС 15 из памяти 6 стартовой конфигурации и независимого конфигурирования рабочих ПЛИС 15 под управлением системной ПЛИС 7.

Блок 11 мониторинга предназначен для сбора и обработки информации о состоянии (температура, напряжение питания) вычислительных каналов 9₁, …, 9_M, организации взаимодействия с внешней системой мониторинга по порту 12 мониторинга, управления блоком 13 управления питанием и охлаждением.

Блок 13 управления питанием и охлаждением предназначен для организации независимого управления питанием в каждом из вычислительных каналов 9₁, …, 9_M (включить/выключить питание рабочей ПЛИС 15, совычислителя 26) и взаимодействия с системой управления скоростью вращения вентиляторов охлаждения по порту 14.

Группа из М вычислительных каналы 9₁, …, 9_M, каждый из которых состоит из рабочей ПЛИС 15 и совычислителя 26, предназначена для решения трудоемких фрагментов задач пользователей.

Контроллер 16 PCI-Express и контроллер 22 прямого доступа в память с буферными памятями 20 данных и 21 результатов рабочей ПЛИС 15, предназначены для организации высокоскоростной связи с памятью управляющей ЭВМ через коммутатор 3 PCI-Express.

Память 17 конфигурации предназначена для хранения характеристик исполнительных устройств 25₁, …, 25_К рабочей ПЛИС 15 и совычислителя 26, а также параметров их взаимодействия с задачами пользователя.

Группы из К исполнительные устройства 25₁, …, 25_К в рабочих ПЛИС 15 предназначены для решения трудоемких фрагментов задач пользователей.

Адаптеры 24₁, …, 24_К исполнительных устройств пользователей предназначены для согласования протокола коммутатора 23 рабочей ПЛИС, работающего под управлением блока 18, с протоколами конкретных исполнительных устройств группы из К 25₁, …, 25_К.

Адаптер 19 совычислителя 26 предназначен для согласования протокола совычислителя 26 с протоколом коммутатора 23 рабочей ПЛИС.

Интерфейсный блок 27 совычислителя 26, предназначен для согласования протокола адаптера 19 совычислителя 26 с протоколом коммутатора 28 совычислителя 26.

Группы из N вычислительных ядер 29₁, …, 29_N, состоящие из памяти 30 программы и параметров, блока 31 управления, памяти 32 данных, операционного блока 33 и памяти 34 результата, предназначены для решения трудоемких фрагментов задач пользователей.

Предлагаемый вычислительный модуль для многозадачных вычислительных систем работает в составе вычислительной системы с управляющей ЭВМ следующим образом.

После подключения вычислительного модуля к вычислительной системе по портам 1 и 2 интерфейса PCI-Express и к подсистемам мониторинга (порт 12) и управления охлаждением (порт 14), осуществляется централизованное включение питания на вычислительном модуле (на фиг. 1 не показано) и выполняется загрузка стартовой конфигурации системной ПЛИС 7 из памяти 5. После этого системная ПЛИС 7 включает питание на рабочих ПЛИС 15 и осуществляет загрузку в них стартовой конфигурации из памяти 6, а также установку начальных порогов температурной защиты рабочих ПЛИС 15 и совычислителей 26 в блоке 11 мониторинга.

Включение питания совычислителей 26 осуществляется соответствующей рабочей ПЛИС только в случае использования их вычислительных ресурсов задачами пользователей (на фиг. 1 не показано).

По окончании начальной подготовки предлагаемого вычислительного модуля к работе осуществляется загрузка операционной системы управляющей ЭВМ и выполняется привязка контроллеров 16 PCI-Express рабочих ПЛИС 15 вычислительных каналов 9₁, …, 9_M к адресному пространству управляющей ЭВМ (номер вычислительного модуля в вычислительной системе и номер контроллера 16 PCI-Express в коммуникационной среде первого уровня коммутатора 3 вычислительного модуля).

После этого в каждом из вычислительных каналов 9₁, …, 9_M, осуществляется считывание содержания памяти 17 конфигурации рабочих ПЛИС 15, выделение требуемых буферов в памяти управляющей ЭВМ и привязка последних к вычислительным ресурсам исполнительных устройств 25₁, …, 25_К рабочих ПЛИС 15 и вычислительных ядер 29₁, …, 29_N совычислителей 26. Привязка осуществляется путем записи в память 17 конфигурации рабочих ПЛИС 15 прямых (физических) адресов буферов обмена, выделенных для них вычислительной системой.

На каждое исполнительное устройство 25₁, …, 25_К и вычислительное ядро 29₁, …, 29_N в памяти управляющей ЭВМ выделяются:

- буфер для обрабатываемых данных;

- буфер для результатов обработки;

- буфер для выполняемой программы, параметров и текущего состояния исполнительного устройства и вычислительного ядра.

Для каждого исполнительного устройства 25₁, …, 25_К рабочих ПЛИС 15 и вычислительного ядра 29₁, …, 29_N совычислителей 26 память 17 конфигурации содержит следующую информацию:

- признак исполнительного устройства (0) или номер адаптера 19 (не равен 0) совычислителя 26 (содержится в памяти 17 конфигурации);

- номер (тип) выполняемой задачи в исполнительным устройством 25₁, …, 25_К или вычислительным ядром 29₁, …, 29_N совычислителя 26 из общего списка задач (содержится в памяти 17 конфигурации);

- номер (адрес) адаптера исполнительного устройства 24₁, …, 24_К или вычислительного ядра 29₁, …, 29_N совычислителя 26 (содержится в памяти 17 конфигурации);

- начальные (физические) адреса буферов в адресном пространстве управляющей ЭВМ (записываются в память 17 конфигурации после привязки);

- объемы буферов необходимые для выполнения задачи в исполнительных устройствах 25₁, …, 25_К или ядрах 29₁, …, 29_N совычислителя 26 (содержится в памяти 17 конфигурации).

Исполнительные устройства 241, …, 24_К рабочих ПЛИС 15 и вычислительные ядра 291, …, 29n могут быть как однотипные, так и нет. Загрузка тех или иных исполнительных устройств 24₁, …, 24_К рабочих ПЛИС 15 осуществляется в процессе обработки текущего потока задач пользователей, в зависимости от его состава. Задачи, выполняемые вычислительными ядрами 29₁, …, 29_N совычислителя 26 зависят как от программ и параметров, так и от операционных блоков 33.

Память 17 конфигурации по всем исполнительным устройствам и вычислительным ядрам содержит следующую информацию:

{(X)(Z_J)(J)(A)(B)(C)(Na)(Nb)(Nc)},

где X - признак исполнительного устройства (0) или номер адаптера совычислителя;

Z_J - номер (тип) задачи из общего списка задач исполнительных устройств и вычислительных ядер вычислительной системы;

J - номер адаптера исполнительного устройства (1, …, К) в рабочей ПЛИС 15 или вычислительного ядра (1, …, N) в совычислителе 26;

А, В, С - начальные (физические) адреса буферов в памяти управляющей ЭВМ;

Na, Nb, Nc - объем буферов в памяти управляющей ЭВМ.

Алгоритм взаимодействия задачи пользователя с операционной системой управляющей ЭВМ реализует:

- выделение массивов под переменные задачи;

- выделение исполнительных устройств 24₁, …, 24_N и вычислительных ядер 29₁, …, 29_N совычислителей 26 из имеющихся в наличие и свободных на текущий момент;

- привязка адресов массивов логических переменных обрабатываемых данных, результатов, выполняемой программы, параметров и текущего состояния к буферам, выделенным исполнительным устройствам 25₁, …, 25_N и соответствующим вычислительным ядрам 29₁, …, 29_N;

- загрузку программ и параметров в соответствующие исполнительные устройства 25₁, …, 25_N и вычислительные ядра 29₁, …, 29_N, после чего исполнительные устройства и

вычислительные ядра активизируются и выставляют запросы на получения данных для обработки или новых программ и параметров;

-выполнение задачи пользователя исполнительными устройствами 25₁, …, 25_N и соответствующими вычислительными ядрами 29₁, …, 29_N.

Алгоритм выполнения задачи осуществляет следующее:

- загрузка данных в соответствующие буфера исполнительных устройств 25₁, …, 25_N и вычислительных ядер 29₁, …, 29_N из массива данных задачи;

- старт и анализ завершения обработки данных соответствующими исполнительными устройствами 25₁, …, 25_N и вычислительными ядрами 29₁, …, 29_N по состоянию буфера выполняемой программы, параметров и текущего состояния;

- выгрузка результатов из соответствующих буферов исполнительных устройств 25₁, …, 25_N и вычислительных ядер 29₁, …, 29_N в массив результатов задачи;

- анализ продолжения или окончания задачи, освобождение выделенных исполнительных устройств 25₁, …, 25_N, вычислительных ядер 29₁, …, 29_N массивов переменных задачи.

После окончания задачи исполнительные устройства 25₁, …, 25_N рабочих ПЛИС 15 и вычислительные ядра 29₁, …, 29_N совычислителей 26 остаются активными и после перезагрузки программ и параметров от другой задачи могут принимать участие в ее решении. А так как изменение программ и параметров осуществляется независимо в каждом исполнительном устройстве и вычислительном ядре, то в предлагаемом вычислительном модуле на рабочих ПЛИС 15 и совычислителях 26 могут одновременно выполняться фрагменты различных задач пользователей.

Контроллер 22 прямого доступа в память, в соответствии с состоянием памяти 17 конфигурации, отрабатывает все запросы исполнительных устройств 25₁, …, 25_N и вычислительных ядер 29₁, …, 29_N на доступ к выделенным буферам для получения новых программ, данных и записи полученных результатов, к которым с другой стороны можно обращаются из задач (программ) пользователя в режиме разделения памяти.

Таким образом, задачам пользователей нет необходимости резервировать за собой рабочие ПЛИС 15, так как они выполняются на свободных исполнительных устройствах 24 и вычислительных ядрах 29, которые могут физически находиться даже в различных рабочих ПЛИС 15 и совычислителях 29, тем самым на одной рабочей ПЛИС 15 могут решаться одновременно различные задачи пользователей.

Деактивация исполнительных устройств 25₁, …, 25_N и вычислительных ядер 29₁, …, 29_N осуществляется путем переконфигурирования рабочих ПЛИС при которой обнуляются начальные (физические) адреса буферов в ее памяти 17 конфигурации.

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемый вычислительный модуль для многозадачных вычислительных систем может быть реализован на следующих элементах:

- системная ПЛИС 7 - на микросхеме фирмы Xilinx типа XC7A15T-FGG484;

- коммутатор PCI-Express 3 - на микросхеме коммутатора РЕХ8732 фирмы PLX Technology;

- блок конфигурирования 10 - на микросхемах CPLD ХС2С64А;

- блок мониторинга 11 - на микросхемах МАХ1239 и 570FCA000133DG;

- памяти 5 и 6 стартовых конфигураций - на микросхемах SPI-памяти М25Р64;

- рабочие ПЛИС 15 - на микросхемах фирмы Xilinx типа ХС7А100 в корпусе FGG484. Вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод, что предлагаемый

вычислительный модуль для многозадачных вычислительных систем решает поставленную задачу и соответствует заявляемому техническому результату - обеспечение возможности одновременного решения различных задач на одной рабочей ПЛИС и совычислителе.

Claims (7)

1. Вычислительный модуль для многозадачных вычислительных систем содержит входной порт 1 интерфейса PCI-Express, выходной порт 2 интерфейса PCI-Express, коммутатор 3 PCI-Express, блок 4 управления коммутатором PCI-Express, память 5 стартовой конфигурации системной ПЛИС 7, память 6 стартовой конфигурации рабочих ПЛИС, системную ПЛИС 7, порт 8 контроля и управления системной ПЛИС 7, блок 10 конфигурирования рабочих ПЛИС, блок 11 мониторинга, порт 12 мониторинга, блок 13 управления питанием и охлаждением, порт 14 управления питанием и охлаждением и группу из М вычислительных каналов 9₁, …, 9_М, каждый из которых содержит рабочую ПЛИС 15 и совычислитель 26,
2. причем рабочая ПЛИС 15 содержит контроллер 16 PCI-Express, память 17 конфигурации, блок 18 управления коммутатором 23 рабочей ПЛИС 15, буферную память 20 данных, буферную память 21 результата, контроллер 22 прямого доступа в память, коммутатор 23 рабочей ПЛИС 15, группу из К адаптеров 24₁, …, 24_К исполнительных устройств, адаптер 19 совычислителя 26, группу из К исполнительных устройств 25₁, …, 25_К,
3. а совычислитель 26 содержит интерфейсный блок 27, коммутатор 28 совычислителя и группу из N вычислительных ядер 29₁, …, 29_М, каждое из которых содержит память 30 программы и параметров, блок 31 управления, память 32 данных, операционный блок 33 и память 34 результата,
4. причем коммутатор PCI-Express 3 соединен с входным портом 1 интерфейса PCI-Express, выходным портом 2 интерфейса PCI-Express, блоком 4 управления коммутатором PCI-Express, контроллерами 16 PCI-Express группы из М вычислительных каналов 9₁, …, 9_М и системной ПЛИС 7, которая соединена с блоком 4 управления коммутатором PCI-Express, портом 8 контроля и управления системной ПЛИС 7, памятью 5 стартовой конфигурации системной ПЛИС 7, памятью 6 стартовой конфигурации рабочих ПЛИС 15 и с блоком 10 конфигурирования рабочих ПЛИС 15, который соединен с рабочими ПЛИС 15 группы из М вычислительных каналов 9₁, …, 9_М шинами 35₁, …, 35_М конфигурирования,
5. кроме того, системная ПЛИС 7 соединена с блоком 11 мониторинга, который соединен с портом 12 мониторинга, группой из М вычислительных каналов 9₁, …, 9_М шинами 36₁, …, 36_М мониторинга состояния и блоком 13 управления питанием и охлаждением, который соединен с портом 14 управления охлаждением и шинами 37₁, …, 37_М управления питанием с группой из М вычислительных каналов 9₁, …, 9_М,
6. в каждой из рабочих ПЛИС 15 контроллер 16 PCI-Express соединен с контроллером 22 прямого доступа в память и с памятью 17 конфигурации, которая соединена с блоком 18 управления коммутатором 23 рабочей ПЛИС 15 и контроллером 22 прямого доступа в память, который соединен с буферной памятью 20 данных, буферной памятью 21 результата и коммутатором 23 рабочей ПЛИС 15, который соединен с блоком 18 управления коммутатором рабочей ПЛИС 15, группой из К адаптеров исполнительных устройств 24₁, …, 24_К, соединенных с соответствующими исполнительными устройствами 25₁, …, 25_К, и с адаптером 19 совычислителя 26,
7. причем адаптер 19 совычислителя 26 соединен с интерфейсным блоком 27 совычислителя 26, в котором интерфейсный блок 27 соединен с коммутатором 28, который соединен с группой из N вычислительных ядер 29₁, …, 29_N.

Images