Файл: Вычислительные системы: состав и свойства.pdf

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Отдельно рассматривают аппаратную и программную конфигурацию вычислительных систем.

Рис. 1.1 – Вычислительная система [^[11]]

Такой принцип разделения имеет особое значение, поскольку часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность. Аппаратные решения в среднем оказываются дороже, а реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала.

Подробнее, программное обеспечение (средства), как основную часть математического обеспечения рассмотрим во второй главе. В этой главе, так как будем обращаться к этому термину, дадим его определение.

Программное обеспечение – это совокупность программ системы обработки информации и программных документов, необходимых для эксплуатации этих программ. В свою очередь, программы – это упорядоченные последовательности команд, конечная цель которых – управление аппаратными средствами.

Взаимодействие аппаратного и программного обеспечения осуществляется через аппаратно-программный интерфейс, под которым понимают совокупность унифицированных технических средств, разъёмов и прочего оборудования, необходимых для сопряжения устройств в вычислительной системе и программных средств, таких как операционная система, драйверы, утилиты и т.п. Данный интерфейс представляет собой способы взаимодействия двух систем – устройств и программ для обмена информацией между ними.

Аппаратные средства (аппаратное обеспечение) – это электронные и механические части вычислительного устройства, входящие в состав системы.

Аппаратное обеспечение включает: компьютеры, ЭВМ и логические устройства, внешние устройства и диагностическую аппаратуру, источники питания.

Вычислительные системы имеют блочно-модульную аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, которую можно собирать из готовых узлов и блоков.

Существует большое количество признаков, по которым разделяют состав вычислительных систем. Рассмотрим основные из них.

По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства (ЦПУ – Central Processing Unit, CPU) различают внутренние и внешние устройства. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода – вывода данных (периферийные устройства) и устройства, предназначенные для длительного хранения данных. Позже мы рассмотрим более детально организацию хранения данных.

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные.

Универсальные системы предназначены для решения широкого спектра задач. Специализированные же системы применяются для решения узко ориентированного класса задач.

По типу построения вычислительные системы разделяются на:

• многомашинные – это когда вычислительные системы строятся на базе нескольких компьютеров;
• многопроцессорные – это когда вычислительные системы строятся на базе нескольких процессоров.

Основные отличия между ними заключаются в организации связей и обмена информацией между ЭВМ. Многомашинная вычислительная система содержит некоторое число компьютеров, информационно взаимодействующих между собой. Машины могут находиться рядом друг с другом, а могут быть удалены друг от друга на некоторое, либо значительное расстояние. В многомашинных вычислительных системах каждый компьютер работает под управлением своей операционной системы. Поскольку обмен информацией между машинами выполняется под управлением операционной систем, взаимодействующих друг с другом, то динамические характеристики процедур обмена заметно ухудшаются. Это происходит из – за того, что требуется время на согласование работы самих операционных систем.

Информационное взаимодействие компьютеров в многомашинной вычислительной системе может быть организованно на уровне процессоров, оперативной памяти и каналов связи.

При непосредственном взаимодействии процессоров друг с другом информационная связь реализуется через регистры процессорной памяти и требует наличия в операционной системе сложных специальных программ.

Взаимодействие на уровне оперативной памяти сводится к программной реализации общего поля оперативной памяти, что несколько проще, но также требует существенной модификации операционной системы. Под общим полем подразумевается равнодоступность модулей памяти. Это значит, что все модули памяти доступны всем процессорам и каналам связи.

На уровне каналов связи взаимодействие организуется наиболее просто и может быть достигнуто внешними по отношению к операционной системе программами – драйверами, обеспечивающими доступ от каналов связи одной машины к внешним устройствам других. Формируется общее поле внешней памяти и общий доступ к устройствам ввода – вывода.

Многопроцессорные вычислительные системы содержат несколько процессоров, информационно взаимодействующих между собой, либо на уровне регистров процессорной памяти, либо на уровне оперативной памяти. Этот тип взаимодействия организуется значительно проще и сводится к созданию общего поля оперативной памяти для всех процессоров. Общий доступ к внешней памяти и устройствам ввода – вывода обеспечивается в основном через каналы оперативной памяти. Важно, что многопроцессорная вычислительная система работает под управлением единой операционной системы, общей для всех процессоров. Это существенно улучшает динамические характеристики вычислительной системы, хотя и требует наличия специальной сложной операционной системы.

Многопроцессорные системы имеют существенные недостатки. Они связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве объединяемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, в которых несколько процессоров обращаются с операциями типа «чтение» и «запись» к одним и тем же ячейкам памяти. Помимо процессоров к оперативной памяти подключаются все процессоры ввода – вывода, средства измерения времени.

Вторым серьезным недостатком многопроцессорной системы является проблема коммутации и доступа абонентов к оперативной памяти. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру операционной системы многопроцессорной системы. Они эффективны при небольшом числе объединяемых процессоров (от 2 до 10).

Примером многомашинных вычислительных систем могут служить компьютерные сети, примером многопроцессорных – суперкомпьютеры.

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

Однородная вычислительная система строится на базе однотипных компьютеров или процессоров. Однородные системы позволяют использовать стандартные наборы технических и программных средств, стандартные протоколы (процедуры) сопряжения устройств. Поэтому их организация проще, облегчается обслуживание и модернизация систем.

Неоднородная вычислительная система включает в свой состав различные типы компьютеров или процессоров. При построении системы приходится учитывать их различные технические и функциональные характеристики, что существенно усложняет создание и обслуживание неоднородных систем.

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

В централизованных вычислительных системах за управление отвечает главная ЭВМ (процессор). Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован, либо эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору). Это способствует повышению надежности системы.

В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. В настоящее время децентрализованные системы получили большее распространение.

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

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа вычислительной системы следует решать задачи статического и динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей вычислительные системы делятся на системы:

• территориально-сосредоточенные. Это когда все компоненты располагаются в непосредственной близости друг от друга;
• распределенные. В таких системах компоненты могут располагаться на значительном расстоянии. Например, вычислительные сети;
• структурно-одноуровневые. При таком делении систем имеется лишь один общий уровень обработки данных;
• многоуровневые (иерархические) структуры. В иерархических вычислительных системах машины или процессоры распределены по разным уровням обработки информации, некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций.

Согласование между отдельными узлами и блоками вычислительных систем выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы называют протоколами.

Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные.

Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный – одновременно группами битов. Количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса.

Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложное устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).

Устройство последовательных интерфейсов проще, но пропускная способность их меньше и коэффициент полезного действия ниже. Поскольку обмен данными через последовательные устройства производится не байтами, а битами, их производительность измеряют битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с).

Основополагающие принципы (параллелизма, программируемости, однородности) и принципы модульности и близкодействия позволяют достичь полноты архитектурных свойств в вычислительных системах. Отметим важнейшие свойства вычислительных систем.

Масштабируемость (Scalability) – способность вычислительных систем к наращиванию и сокращению ресурсов, возможность варьирования производительности.

Сложность и трудоемкость задач, решаемых на вычислительных средствах, постоянно растет. Соответственно, для сохранения в течение длительного времени способности быть адекватным средством решения сложных задач необходимо, чтобы она обладала свойством масштабируемости. Это означает, что производительность, достигнутую вычислительной системой на заданном количестве вычислителей, можно увеличить, добавив еще один или несколько вычислителей. Выполнение этого свойства вычислительной системой гарантируется принципами модульности, локальности, децентрализованности и распределенности.

Свойство наращиваемости производительности предоставляет возможность решать задачи любой заданной сложности. Однако для практической реализации этой возможности требуется, чтобы алгоритм решения сложной задачи удовлетворял условию локальности, а межмодульные пересылки информации слабо влияли на время решения задачи. Это может быть достигнуто за счет крупноблочного распараллеливания сложных задач и (или) аппаратурных средств, позволяющих совместить межмодульные обмены информацией с вычислениями.

Универсальность – это такие вычислительные системы, когда они алгоритмически и структурно универсальны. ЭВМ, основанные на модели вычислителя алгоритмически универсальны, если они обладают способностью реализовать алгоритм решения любой задачи без изменения своих структур. С другой стороны, вычислительная машина – это коллектив вычислителей, каждый из которых обладает алгоритмической универсальностью, следовательно, и система универсальна.

В вычислительных системах могут быть реализованы не только любые алгоритмы, доступные ЭВМ, но и параллельные алгоритмы решения сложных задач. Последнее следует из определений модели коллектива вычислителей и, в частности, алгоритма функционирования вычислительной системы [^[12]].

Структурная универсальность вычислительной системы – следствие воплощения архитектурных принципов коллектива вычислителей, в частности, принципа программируемости структуры. Суть этого принципа – возможность автоматически, программно порождать специализированные виртуальные конфигурации, которые адекватны структурам и параметрам решаемых задач.