Файл: Вычислительные системы.pdf

ВВЕДЕНИЕ

Вычислительные машины (системы) за всю свою историю проделали стремительный и впечатляющий маршрут, отмеченный частыми сменами поколений электронных вычислительных машин (ЭВМ). Стремительное развитие науки и проникновение человеческой мысли во все новые области вместе с решением поставленных прежде проблем постоянно порождает поток вопросов и ставит новые, как правило более сложные, задачи. Во времена первых компьютеров казалось, что увеличение их быстродействия в сто раз позволит решить большое количество проблем, однако очень высокая производительность современных ЭВМ на сегодняшний день является явно недостаточной для многих ученых. Гидро и электро-динамика, моделирование химических соединений, сейсморазведка и прогноз погоды, исследование виртуальной реальности - вот далеко не полный список областей науки, исследователи которых используют каждую возможность ускорить выполнение своих программ.

Основным направлением совершенствования электронных вычислительных машин является неуклонный рост производительности (быстродействия) и интеллектуальности вычислительных средств. Наиболее перспективным и динамичным направлением увеличения скорости решения прикладных задач является широкое внедрение идей параллелизма в работу вычислительных систем (ВС).

Дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и электронно-вычислительных машин.

Термин вычислительная система появился в начале 60-х гг. при появлении электронно-вычислительных машин 3-го поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Это способствовало появлению новых технических решений: разделение процессов обработки информации и ее ввода-вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка. Отражая эти новшества, и появился термин «вычислительная система», т.е. возможность построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой электронно-вычислительных машин.

Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение достоверности и надежности вычислений, предоставление клиентам дополнительных сервисных услуг и т.д.

Наличие нескольких вычислителей в системе позволяет совершенно по новому решать проблемы надежности, резервирования, достоверности результатов обработки, обработки и централизации хранения данных, децентрализации управления и т.д.

В настоящее время созданы и опробованы множество разных компьютеров, которые используют в своей архитектуре тот или иной вид параллельной обработки данных. В научной литературе и технической документации можно найти более 10-ти различных наименований, характеризующих лишь общие принципы функционирования параллельных машин: векторно-конвейерные, массивно-параллельные, компьютеры с широким командным словом, гиперкубы, систолические массивы, мультипроцессоры и спецпроцессоры, кластерные и иерархические компьютеры, матричные электронные вычислительные машины и множество других. Если же к подобным названиям для полноты описания добавить еще и данные о таких важных параметрах, как, например, топология связи между процессорами, организация памяти, синхронность работы отдельных устройств или способ исполнения арифметических операций, то число различных архитектур станет и вовсе невообразимым.

При создании вычислительных систем основными принципами построения являются:

• возможность работы в разнообразных режимах;
• модульность структуры технических и программных средств, что позволяет усовершенствовать и модернизировать вычислительные системы без коренных их переделок;
• иерархия в организации управления процессами;
• способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;
• унификация и стандартизация технических и программных решений;
• обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Вычислительная система - это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или электронно-вычислительных машин, программного обеспечения и периферийного оборудования, предназначенная для подготовки и решения задач пользователей. Отличительной особенностью вычислительной системы по отношению к электронной вычислительной машине является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку.

Структура ВС - это совокупность комплексируемых элементов и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные процессоры и электронно-вычислительные машины. В ВС, относящихся к классу больших систем, можно рассматривать структуры технических, программных средств, структуры управления и т.д.

Основные понятия, используемые в вычислительной системе, - это электронная вычислительная машина (ЭВМ), центральный процессор (ЦП), программное обеспечение (ПО), канал ввода-вывода, устройство управления внешними устройствами (УУВУ) и периферийные устройства.

В настоящее время под словом ЭВМ обычно понимают цифровые электронные машины, предназначенные для автоматизации процесса обработки информации. Электронно-вычислительную машину обычно называют компьютером. Термин компьютер означает вычислитель, т.е. устройство для вычислений. Это связано с тем, что первые электронные вычислительные машины создавались только для вычислений, т.е. должны были заменить механические вычислительные устройства (арифмометры). Современные электронно-вычислительные машины подразделяются на основные классы: микро-ЭВМ, мини ЭВМ, супер ЭВМ.

Центральный процессор обеспечивает непосредственное преобразование данных по заданной программе и осуществляет управление взаимодействием всех устройств электронно-вычислительной машины. В состав ЦП входит центральное устройство управления, арифметикологическое (операционное) устройство (АЛУ), внутренняя память процессора (регистровая, сверхоперативная, кэш-память).

Программное обеспечение – совокупность программ, процедур и правил вместе со связанной с этими компонентами документацией, позволяющей использовать электронно-вычислительную машину для решения различных задач. ПО позволяет усовершенствовать организацию работы вычислительной системы с целью максимального использования ее возможностей; повысить качество и производительность труда пользователя; адаптировать программы пользователя к ресурсам конкретной ВС; расширить ПО ВС.

Каналы ввода-вывода предназначены для выполнения операций ввода-вывода и обеспечивают все двусторонние связи между оперативной памятью и процессором, с одной стороны, и множеством различных периферийных устройств, с другой.

Периферийные устройства, такие как внешние запоминающие устройства (ВЗУ), обеспечивают хранение больших массивов информации. Наиболее широкое распространение получили внешние запоминающие устройства на магнитных носителях (лентах и дисках).

Устройство управления внешними устройствами обеспечивает управление периферийными устройствами через селекторные (быстрые) и мультиплексные (медленные) каналы ввода-вывода. УУВУ бывают одиночные (управляющие работой одного внешнего устройства) и групповые (обсуживающие несколько однотипных внешних устройств, причем в каждый момент времени они обслуживают лишь одно внешнее устройство).

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

В настоящее время накоплен огромный практический опыт в разработке и использовании вычислительных систем самого разнообразного применения. Эти системы очень сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками. Существует не малое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, методам управления элементами системы, режимам работы, степени разобщенности элементов вычислительных систем и др. Основные из них являются признаки функциональной и структурной организации вычислительных систем.

По назначению вычислительные системы делят на универсальные, специализированные и проблемно-ориентированные.

• Универсальные необходимы для решения задач широкого класса.
• Специализированные предназначены для решение задач узкого класса. Специализация вычислительных систем может устанавливаться различными средствами:
• во-первых, сама структура системы (количество параллельно работающих элементов, связи между ними и т.д.) может быть ориентирована на определенные виды обработки информации: решение алгебраических, матричные вычисления, интегральных и дифференциальных уравнений и т.п. Практика разработки вычислительных систем типа супер ЭВМ показала, чем выше их производительность, тем уже класс эффективно решаемых ими задач;
• во-вторых, специализация вычислительных систем может закладываться включением в их состав специального оборудования и специальных пакетов обслуживания техники.
• Проблемно-ориентированные используют для решения определенного круга задач в сравнительно узкой сфере.

По типу вычислительные системы различаются на многопроцессорные и многомашинные системы.

• Многопроцессорные (МПС) создаются при комплексировании нескольких процессоров. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечиваются под управлением единой общей операционной системы.
• Многомашинные (ММС) появились исторически первыми. Уже при использовании электронно-вычислительных машин 1-х поколений возникали задачи повышения производительности, надежности и достоверности вычислений.

Многие исследователи считают, что использование многопроцессорные системы является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений. Однако МПС имеют и существенные недостатки. Они в первую очередь связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров обращаются с операциями типа «запись» и «чтение» к одним и тем же областям памяти. Помимо процессоров к общей оперативной памяти подключаются все каналы (процессоры ввода-вывода), средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком многопроцессорной системы является проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП. От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения многопроцессорной системы. Это решение обеспечивается аппаратурно-программными средствами. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру операционной системы МПС. Основываясь на опыте создания таких систем, мы можем сказать, что они эффективны с ограниченным числом сложных процессоров (2,4 до 10).

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

• Однородные предполагают комплексирование однотипных электронных вычислительных машин (процессоров);
• неоднородные – разнотипных.

В однородных системах значительно упрощаются разработка и обслуживание технических и программных средств. Они предоставляют возможность стандартизировать и унифицировать соединения и процедуры для взаимодействия элементов системы. Упрощение обслуживания системы, упрощение модернизации и развития. Вместе с тем существуют и неоднородные вычислительные системы, в которых комплексируемые элементы очень сильно отличаются по своим функциональным и техническим характеристикам. Обычно это связано с необходимостью параллельного выполнения многофункциональной обработки. Поэтому при создании системы с несколькими машинами, которая обслуживает каналы связи, рекомендуется объединять связанные машины связи и машины для обработки данных в один комплекс. В этих системах компьютеры связи выполняют функции связи, управления информацией, получаемой и передаваемой, формированием пакетов задач и т. д. Электронные вычислительные машины обработки данных не занимаются не свойственными им работами по обеспечению взаимодействия в сети, а все их ресурсы переключаются на обработку данных. Неоднородные системы находят применение и в МПС. Многие ЭВМ, в том числе и персональные электронно-вычислительные машины, могут использовать сопроцессоры: матричные, десятичной арифметики, и т.п.