Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Сложные вычислительные системы).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Термин «вычислительная система» появился в начале 60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого явилось появление 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 ЭВМ.

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

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

Цель работы – изучить особенности конфигурации вычислительных систем.

Задачи:

1) рассмотреть понятие вычислительных систем,

2) изучить основные виды вычислительных систем,

3) изучить сложные вычислительные сситемы как новый вид.

Объект исследования – вычислительные системы.

Предмет исследования - конфигурация и основные характеристики вычислительных систем.

Методологическую основу данного исследования составили такие методы как анализ, синтез, сравнение, обобщение, выделение, классификация, интерпретация и другие методы научного познания.

Структура работы. Данная работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы.

ГЛАВАЯ 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

1.1. Понятие о вычислительных системах с программируемой структурой данных

Для создания вычислительных средств существует два основных подхода:

1. построение электронных вычислительных машин (ЭВМ), моделирующих процесс выполнения алгоритма одиночным человеком- вычислителем;
2. построение вычислительных средств, моделирующих процесс выполнения алгоритма коллективом вычислителей.

При применении модели вычислителя для построения высокопроизводительных вычислительных средств сталкиваемся с ограничениями: теоретическими и техническими пределами скорости реализации операций (возможностями элементной базы и фундаментальными физическими законами). Данное обстоятельство послужило поводом для создания вычислительных средств, в основе которых лежит модель коллектива вычислителей. Под коллективом вычислителей подразумевается группа вычислительных машин, программно-аппаратным способом настраиваемая на решение общей задачи.

Конструкция коллектива вычислителей базируется на следующих архитектурных принципах:

1. параллелизм (Parallelism, Concurrency) при обработке информации;
2. программируемость (Programmability, Adaptability) структуры;
3. однородность (Нomogeneity) конструкции.

Модель коллектива вычислителей основывается на диалектическом обобщении принципов модели вычислителя.

Параллелизм при обработке информации предполагает представление алгоритма решения задач с помощью параллельных программ.

Параллельная программа - это совокупность связанных ветвей-программ, выполняющих одновременную (параллельную) работу над выделенными данными и, при необходимости, взаимодействующих между собой [2].

Таким образом, применение данного принципа обеспечивает фактическую неограниченность в наращивании производительности посредством увеличения числа вычислителей.

Вычислительное средство, базирующееся на модели коллектива вычислителей, называется вычислительной системой [1, 11].

Более точно принципы модели коллектива вычислителей представлены в вычислительных системах с программируемой структурой данных. Создание теоретических основ, реализация технических принципов и разработка первых вычислительных систем с программируемой структурой данных были осуществлены к началу 70-х годов ХХ века в СССР.

Все вычислительные системы классифицируются по различным признакам. Наиболее распространённый способ классификации был предложен профессором Стэндфордского университета США М. Дж. Флинном в 1966г., в котором основное внимание уделяется способам взаимодействия потоков выполняемых команд и обрабатываемых данных при анализе архитектуры вычислительных систем.

Данная классификация позволяет выделить четыре класса архитектур (рисунок 1.1):

1. SISD (Single Instruction, Single Data) - системы, в которых выполняется одиночный поток команд и одиночный поток данных. К такому типу относятся обычные последовательные ЭВМ;
2. SIMD (Single Instruction, Multiple Data) - системы c одиночным потоком команд и множественным потоком данных. Такой класс составляют многопроцессорные вычислительные системы, в которых в каждый момент времени может выполняться одна и та же команда для обработки нескольких информационных элементов. Подобной архитектурой обладают многопроцессорные системы с единым устройством управления. Этот подход ранее широко использовался в системах ILLIAC IV или CM-1 компании Thinking Machines.
3. MISD (Multiple Instruction, Single Data) - системы, в которых присутствует множественный поток команд и одиночный поток данных.
4. MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data) - системы c множественным потоком команд и множественным потоком данных. К этому классу можно отнести большинство параллельных многопроцессорных вычислительных систем.

Рисунок 1 - Архитектура ВС

Из перечисленных классов SISD относится к ЭВМ, а архитектуры SIMD, MISD, MIMD - к вычислительным системам. В соответствии с данными архитектурами допустимо построение нескольких типов ВС:

1. Конвейерные ВС - системы, архитектура которых представляет собой предельный вариант эволюционного развития последовательной ЭВМ и простейшую версию модели коллектива вычислителей. Основой таких систем является конвейерный (или цепочечный) способ обработки информации, а их функциональная структура представляет собой последовательность связанных элементарных блоков обработки (ЭБО) информации. Все имеющиеся блоки работают параллельно, но каждый из них выполняет лишь свою операцию над данными одного и того же потока, что позволяет относить конвейерные ВС к MISD-системам;
2. Матричные ВС - в основе лежит принцип массового параллелизма, что обеспечивается возможность одновременной реализации большого числа операций на элементарных процессорах (ЭП), которые объединены в матрицу. Каждый ЭП является композицией из арифметико-логического устройства (АЛУ) и локальной памяти (ЛП), которая необходима для хранения части данных, но не части программы или параллельной ветви. Устройство управления формирует поток команд на матрицу ЭП. Из этого можно сделать вывод, что оно в составе имеет память для хранения программ обработки данных. Описанные ВС рассчитаны на решение задач матричной алгебры. В их основе лежит SIMD- архитектуру в классическом виде. Однако современные высокопроизводительные матричные ВС масштабируемые, имеется возможность варьировать количество матриц ЭП и устройств управления. Такие ВС можно отнести к системам c архитектурой MIMD.
3. Мультипроцессорные ВС являются группой, в которую включены конвейерные и матричные ВС. Однако принято к мультипроцессорным ВС относить системы c MIMD-архитектурой, которые состоят из множества процессоров не связанных друг с другом и общей памяти; связь между процессорами и памятью осуществляется через коммутатор, а между процессорами - через память.
4. Распределенные ВС - мультипроцессорные ВС c MIMD- архитектурой, в которых отсутствует общая память. В основе распределенной ВС лежат принципы модульности и близкодействия. К основным компонентам распределенной ВС (коммутаторам, устройствам управления, арифметикологическим устройствам или процессорам, памяти) допускают представление в виде композиции из одинаковых элементов (локальных коммутаторов и устройств управления, локальных процессоров и модулей памяти).
5. Транспьютерная ВС представляет собой промышленную

реализацию распределенных ВС. Система основывается на композиции из одинаковых взаимосвязанных микропроцессоров, называемых транспьютерами. Транспьютер состоит из локальных процессоров, памяти, а также локальных средств коммутации и линки (Link связь), которые позволяют организовать взаимодействия c другими транспьютерами.

1. Вычислительные системы c программируемой структурой полностью основываются на модели коллектива вычислителей и являются композицией взаимосвязанных элементарных машин (ЭМ). Такая ЭМ в составе имеет локальный коммутатор (ЛК), процессор и память, а также может иметь внешние устройства. Локальная память ЭМ используется для хранения части данных и ветвей параллельной программы. Архитектура ВС c программируемой структурой относится к типу MIMD. Данные ВС по своим потенциальным архитектурным возможностям не уступают ни одному из перечисленных выше классов систем. Они ориентированы на распределенную обработку информации, а также эффективны при конвейерной и матричной обработке. При использовании распределенного способа обработки данных на ВС полностью реализуются возможности MIMD-архитектуры. При конвейерном и матричном способах обработки данных архитектура MIMD превращается в архитектуру MISD и SIMD. Такие системы предназначены для работы во всех основных режимах: решения сложной задачи, обслуживания потоков задач, обработки наборов задач, реализации функций вычислительной сети.
2. Кластерные ВС представляют собой разновидность мультипроцессорных систем, описание архитектурных возможностей, которых в полной мере показывает слово кластер (Cluster группа). Термин «вычислительный кластер» был впервые введен DEC (Digital Equipment Corporation). По определению DEC, кластер это группа компьютеров, которые связаны между собой и функционируют как единое средство обработки информации. Из приведенного определения видно, что корпорация DEC, по сути, ввела синоним термину «вычислительная система», a не особый тип средств обработки информации. для создания кластерных ВС используются и MISD-, и SIMD-, и МIМD-архитектуры, различные функциональные структуры и конструктивные решения. B наиболее общем описании кластерная ВС, или кластер, это композиция множества вычислителей, сети связей между ними и программного обеспечения, предназначенная для параллельной обработки информации (в частности, реализации параллельных алгоритмов решения сложных задач). Для формирования кластерной ВС могут быть использованы стандартные промышленные компоненты или специально созданные средства.
3. К пространственно-распределенным ВС относят макросистемы - системы сложной конфигурации, имеющие пространственно-распределенные вычислительные средства в качестве функциональных элементов, которые основаны на моделях вычислителя и коллектива вычислителей, а также сети связи.

1.2. Вычислительные системы с программируемой структурой

Под ВС c программируемой структурой понимается совокупность элементарных машин, функциональное взаимодействие между которыми осуществляется через сеть связи, которая настраивается программно.

Основная функционально - структурная составляющая системы данного класса - элементарная машина (ЭМ), которая представляет собой композицию из вычислительного модуля и системного устройства. Вычислительный модуль (ВМ) необходим для хранения и переработки информации, а также для выполнения функции управления всей системой. Системное устройство (СУ) является аппаратной частью ЭМ и предназначена для обеспечения взаимодействия данной ЭМ с ближайшими соседними машинами (с системными устройствами, с которыми имеется связь).

Системы с программируемой структурой предназначены для решения задач разнообразной сложности (объем вычислителей может быть произвольным) как моно-, так и в мультипрограммных режимах. Так же они могут использоваться как вычислительные средства общего назначения и программно-ориентированного. Эксплуатация возможна автономно или в составе сложной системы.

Структура ВС представляется графом G = (C,E), множеству вершин С которого соответствуют элементарные машины или системные устройства, а множеству ребер Е - линии межмашинных связей.

Для обеспечения высоких показателей надежности, производительности и создания масштабируемых систем, к структуре ВС предъявляются определенные требования:

1. Простота вложения параллельного алгоритма решения сложной задачи в структуру ВС, которая должна быть подходить достаточно широкому классу решаемых задач. Настройка виртуальных проблемно-ориентированных конфигураций, а также реализация основных схем обмена информацией между ЭМ не должны зависеть от накладных расходов.
2. Удобство адресации ЭМ и переноса подсистем в пределах ВС. Данная ВС должна позволять пользователю реализовывать параллельные программы с виртуальными адресациями ЭМ. Структура вычислительных систем должна предоставлять возможность создавать механизм преобразования виртуальных адресов ЭМ в физические адреса ВС. В случае выполнения перечисленных требований будет достигнута эффективность ВС при работе в моно- и мультипрограммных режимах.
3. Реализация минимума задержек и принципа близкодействия при передачах информации от одной машины к другой в ВС. Принцип близкодействия представляет собой реализацию обменов информацией между ЭМ, которые удалены друг от друга, через промежуточные машины системы. Из этого можно сделать вывод, что в условиях ограниченного числа связей у каждой ЭМ структура будет выдавать минимум задержек при транзитных передачах информации.
4. Масштабируемость и большемасштабируемость структуры ВС. Для выполнения этого требования необходимо, чтобы структура имела возможность наращивания и сокращения числа вершин. Изменение числа ЭМ в ВС не должно приводить к коренным перекоммутациям между машинами и необходимости изменения числа связей для любых ЭМ. Чтобы достигнуть высокой производительности ВС требуется количество ЭМ в размере 10-10⁶. Для работоспособности большемасштабности необходимо, чтобы структура ВС обладала способностью эффективно осуществлять межмашинные обмены информацией в условиях невозможности реализации связей по полному графу.
5. Коммутируемость структуры ВС. Структура вычислительной системы должна иметь возможность поддерживать заданное число одновременно непересекающихся и взаимодействующих между элементарных машин.
6. Живучесть структуры ВС. Одним из самых важных требований к ВС является обеспечение работоспособности при отказе ее компонентов или даже самой подсистемы. Способность структуры ВС обеспечить связь между работоспособными ЭМ в системе при ненадежных линиях межмашинных связей и называется живучестью ВС.
7. Технологичность структуры ВС. Система должны быть восприимчива к массовой технологии.