Файл: Состав и свойство вычислительных систем.pdf

1. Архитектура и свойства вычислительных систем

1.1 Понятие и классификация вычислительных систем

Вычислительная система (ВС) представляет собой совокупность взаимосвязанных процессоров или компьютеров, программного обеспечения и периферийного оборудования, предназначенная для сбора, хранения, обработки, распределения и выдачи информации. Отличительной особенностью ВС по отношению к компьютеру является наличие в ней нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система (ОС) вычислительной системы. Основные принципы построения ВС, представлены на рисунке 1.[6]

Рис. 1 - Принципы построения вычислительных систем

Под структурой вычислительной системы понимают совокупность её элементов и их связей. Элементами в данном случае являются отдельные компьютеры и (или) процессоры.

Классификацию вычислительных систем проводят по признакам, основные из которых представлены на рисунке 2. [11]

Рис. 2 - Классификация вычислительных систем.

По назначению вычислительные системы подразделяются на универсальные и специализированные. Универсальные применяют для решения широкого круга задач. В то время как специализированные ориентированы на решение узкого класса задач. Специализация ВС устанавливается различными средствами:

- структура ВС ориентирована на определенные виды обработки;

- структура ВС содержит специальное оборудование и пакеты.

По типу вычислительные системы делятся на многомашинные и многопроцессорные (рисунок 3). [2]

Рис. 3 – Типы ВС: а – многомашинные комплексы; б – многопроцессорные системы

Положения 1 и 3 электронного ключа обеспечивали режим повышенной надежности, когда одна из ЭВМ выполняла вычисления, а другая находилась в резерве. Положение 2 электронного ключа обеспечивало параллельный режим вычислений обоих ЭВМ. Здесь возможны две ситуации:

1) обе машины решают одну и ту же задачу и периодически сверяют результаты, это повышает достоверность результата;

2) обе машины параллельно решают разные задачи, сохраняя возможность обмена информацией, это повышает производительность. [6]

Каждый компьютер многомашинной системы сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС. Все ЭВМ, которые подключаются дополнительно, являются периферийными устройствами.

Многопроцессорные системы состоят из нескольких процессоров. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память. Параллельная работа процессоров и использование общей оперативной памяти обеспечивается единой ОС. Такие системы позволяют получить наивысшую оперативность в процессе взаимодействия процессоров.

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы.

Однородные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные – разнотипных. Однородные системы позволяют упростить разработку и обслуживание технических и программных средств, обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы.

Неоднородные ВС комплексируются из элементов, сильно отличающихся по своим техническим и функциональным характеристикам. Такие системы используются в многопроцессорных системах. [2]

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного и распределенного типов.

Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа. Учитывая успехи микроэлектроники (СБИС), появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.

В совмещенных и распределенных многомашинных системах оперативность взаимодействия зависит от удаленности ЭВМ. Современные ЭВМ оснащены средствами прямого взаимодействия и средствами подключения к сетям (модем). [6, 11]

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением.

В централизованных ВС имеется главная, или диспетчерская, ЭВМ (процессор). Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Функции управления могут быть жестко фиксированы или передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС.

В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием вычислительных систем и сетей интерес к децентрализованным системам постоянно растет.

В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. [1]

По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые используют режим реального времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе.

Таким образом, существует обширная классификация вычислительных систем. Кроме того, вычислительные системы различаются архитектурой.

1.2 Архитектура вычислительных систем

Под архитектурой ВС понимают совокупность характеристик и параметров, определяющих структурную и функционально-логическую организацию системы. Архитектура включает в себя и общие принципы построения и функционирования вычислительных систем.

Архитектуры вычислительных систем существуют в четырех вариациях, представленных на рисунке 4:

1. одиночный поток команд – одиночный поток данных (ОКОД) или Single Instruction Single Data (SISD) – однопроцессорная архитектура;

2. множественный поток команд – одиночный поток данных (МКОД), или Multiple Instruction Single Data (MISD) – конвейерная архитектура;

3. одиночный поток команд – множественный поток данных (ОКМД) или Single Instruction Multiple Data (SIMD) – векторная архитектура;

4. множественный поток команд – множественный поток данных (МКМД), или Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) – матричная архитектура. [11]

Рис. 4 – Архитектуры ВС: а – SISD (однопроцессорная); б – MISD (конвейерная); в – SIMD (векторная); г – MIMD (матричная)

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, т.е. с одним вычислителем. К данному типу относятся ЭВМ классической структуры. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками арифметико-логического устройства, а также параллельной работы процессора и устройств ввода-вывода. [5, 12]

Архитектура МКОД представляет собой своеобразный процессорный конвейер, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Такая схема используется в скалярных процессорах суперкомпьютеров, где основной их задачей является поддержка векторной обработки.

ЭВМ такой архитектуры практически не используются. К такому типу относится систолический массив процессоров, которые находятся в узлах регулярной решетки. Ребрами этой решетки являются межпроцессорные соединения. Все процессорные элементы управляются общим тактовым генератором. Каждый процессор вычислительной системы получает данные от соседних процессоров, выполняет определенную задачу и передает соседним звеньям, так выглядит цикл работы. [8,9]

Примером архитектуры МКОД является распределенная мультипроцессорная система с общими данными, в том числе обычная локальная сеть персональных компьютеров, в которой множество процессоров обрабатывают один поток данных с единой базы данных. В случае, когда в такой сети пользователи переключаются на обработку собственных данных, недоступных для других абонентов сети, МКОД-система превращается в систему с множеством потоков команд и множеством потоков данных, т.е. МКМД.

Архитектура ОКМД представляет собой создание структур векторной обработки. Как правило, системы такого класса строятся как однородные и процессорные, при этом каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Примерами данной архитектуры являются структуры специализированных суперкомпьютеров. Таким образом, компьютеры строятся следующими способами: матричная структура ЭВМ и векторно-конвейерная обработка. [5]

Матричная структура используется для реализации алгоритмов, допускающих параллельную обработку многих потоков данных по одной и той же программе (решение систем дифференциальных уравнений в частных производных, операций над векторами и матрицами и др.). В качестве примера векторных суперкомпьютеров с матричной структурой можно привести систему ILLIAC-IV.

Векторно-конвейерная структура компьютера предполагает конвейер операций, где элементы векторов проходят обработку параллельно, а результаты таких операций записываются последовательно в единую память. Такую структуру имеют однопроцессорные суперкомпьютеры серии VP фирмы Fujitsu; C90, М90, Т90 фирмы CrayResearch; Сrау-3, Сrау-4 фирмы CrayComputer и т.д. В них применяются векторные операции с векторами определенной длины, выполняемые над векторными регистрами. [9]

Архитектуру ОКМД имеет технология ММХ (Multimedia Extensions). В ней объединены подход классической CISC-архитектуры (Pentium), архитектуры ОКМД и ряд простых (RISC) команд параллельной обработки данных. Она разработана для ускорения выполнения мультимедийных и коммуникационных программ с добавлением новых типов данных и новых инструкций.

Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственными потоками команд. Такие процессоры могут быть автономными и независимыми. ВС такого типа используют в крупных вычислительных центрах. По способу взаимодействия процессоров такие системы бывают с сильной и слабой связью. [8]

Сильно-связанные вычислительные системы, или многопроцессорные вычислительные системы (МПВС), основаны на объединении процессоров на общем поле оперативной памяти, называемой разделяемой памятью (Shared Memory). Количество параллельных процессов невелико, они находятся под управлением единой ОС. Производительность данных систем не увеличивается пропорционально количеству процессоров. Например, сложнейшие средства снижения межпроцессорных конфликтов в оперативной памяти суперкомпьютеров серии CRAY X-MP/Y-MP позволяют получить коэффициент ускорения не более 3,5 для четырехпроцессорной конфигурации системы.

По виду межмодульных функциональных и управляющих связей и организации работы выделяют два типа многопроцессорных систем МКМД: с общей шиной и с использованием многовходовой памяти. [6]

Многопроцессорные вычислительные системы с общей шиной называют архитектура SMP (Shared Memory Proccessing), в такой системе все процессоры, модули памяти, устройств ввода-вывода подсоединены к одной общей шине межмодульных связей. Архитектура SMP стала своего рода стандартом для многопроцессорных серверов, например, НР9000 и DEC Alpha Server AXP.

В многопроцессорных вычислительных системах с многовходовыми модулями памяти, или симметричных МПВС, взаимные соединения выполняются с помощью индивидуальных шин, подключающих каждый процессор и каждое устройство ввода-вывода к отдельному входу оперативной памяти. Такие системы используют при создании мэйнфреймов.

Вычислительные системы со слабой связью, или распределенные многомашинные вычислительные системы (ММВС), представлены многомашинными комплексами, где отдельные компьютеры объединены либо с помощью сетевых средств, либо с помощью общей внешней памяти. Каждая ЭВМ системы имеет свою оперативную память и работает под управлением своей ОС. Одним из примеров таких систем являются системы с массовым параллелизмом (МРР), состоящие из множества процессорных узлов. Такая структура использует стандартные микропроцессоры и обладает неограниченным быстродействием. Однако программирование коммутаций процессов является слабо автоматизированной и сложной процедурой. [8]