Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Информационные системы и технологии).pdf

- кластерные структуры;

- серверы;

- рабочие станции;

- сетевые компьютеры.

Мощные машины и вычислительные системы предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний. По своим характеристикам их можно отнести к классу суперЭВМ, но в отличие от них они являются более специализированными и ориентированными на обслуживание мощных потоков информации.

Кластерные структуры представляют собой многомашинные распределенные вычислительные системы, объединяющие несколько серверов. Это позволяет гибко управлять ресурсами сети, обеспечивая необходимую производительность, надежность и другие характеристики.

Серверы – это вычислительные машины и системы, управляющие определенным видом ресурсов сети. Различают файл-серверы ,серверы приложений, факс - серверы, почтовые, коммуникационные, Web-серверы и др.

Рабочие станции – абонентские пункты, ориентированные на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами. Этот термин отделяет их от ПК, обеспечивающих работу основной массы непрофессиональных пользователей, работающих обычно в автономном режиме.

Сетевые компьютеры представляют собой упрощенные персональные компьютеры, вплоть до карманных ПК. Их основным назначением является обеспечение доступа к сетевым информационным ресурсам.

1.2. Архитектура вычислительных систем

Архитектура ВС – совокупность характеристик и параметров, определяющих структурную и функционально-логическую организацию системы. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования ВС.

Существует четыре основных архитектуры ВС.

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

множественный поток команд – одиночный поток данных (МКОД), или

Multiple Instruction Single Data (MISD) – конвейерная архитектура;

одиночный поток команд – множественный поток данных (ОКМД) или

Single Instruction Multiple Data (SIMD) – векторная архитектура;

множественный поток команд – множественный поток данных (МКМД),

или Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) – матричная архитектура.

Рассмотрим данные архитектуры на схеме ниже (рисунок 1.2):

Рисунок 1.2  – 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. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работы процессора и устройств ввода-вывода.

Архитектура МКОД представляет своеобразный процессорный конвейер, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Конвейерная схема нашла применение в скалярных процессорах суперЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, процессорные. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Задачи с широким параллелизмом составляют достаточно узкий класс. Структуры ВС этого типа – это структуры специализированных суперЭВМ.

Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственными потоками команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется в крупных вычислительных центрах. Подобные системы могут быть многомашинными и многопроцессорными. На практике такие системы позволяют одновременно использовать сотни и тысячи процессоров.

1.3. Типовые структуры вычислительных систем

Практика показала, что каждая структура вычислительной системы эффективно обрабатывает лишь задачи определенного класса [6, 9,] При этом необходимо, чтобы структура вычислительной системы максимально соответствовала структуре решаемых задач. Только в этом случае система обеспечивает максимальную производительность. Универсальной структуры ВС, одинаково хорошо обрабатывающей задачи любого типа, не существует.

Классификация уровней программного параллелизма включает 6 позиций: независимые задания, отдельные части заданий, программы и подпрограммы, циклы и итерации, операторы и команды, фазы отдельных команд.

Рассмотрим возможные структуры ВС, которые обеспечивают перечисленные виды программного параллелизма.

ОКОД - структуры. Два нижних вида параллелизма реализуются в любых современных компьютерах, включая и ПК. Данный тип архитектуры объединяет любые системы в однопроцессорном (одномашинном) варианте.

Перечислим большое число улучшений классической структуры компьютера: иерархическое построение памяти компьютера, появление сверхоперативной памяти и кэш-памяти, относительная и косвенная адресация памяти, разделение процессора вввода-вывода и обработки задач, появление систем прерывания и приоритетов и т.д.

В этом ряду следует рассматривать и организацию конвейера последовательно выполняемых команд: формирование адреса команды, выбор команды, формирование адресов и выбор операндов, выполнение команды, запись результата. Линейные участки современных программ редко превышают 10-15 последовательно выполняемых команд. Поэтому конвейер часто перезапускается, что снижает производительность компьютера в целом.

В связи с успехами микроэлектроники появилась возможность построения RISC-компьютеров(Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд.

Большие ЭВМ предыдущих поколений не имели большой сверхоперативной памяти, поэтому они имели достаточно сложную систему

CISC-команд (Complete Instruction Set Computing – вычисления с полной системой команд). В этих машинах большую долю команд составляли команды типа «память-память»,в которых операнды и результаты операций находились в оперативной памяти. Время обращения к памяти и время вычислений соотносились примерно 5/1. ВRISC-машинах с большой сверхоперативной памятью большой удельный вес составляют операции«регистр-регистр»и отношение времени обращения к памяти и времени вычислений составляет 2/1.

В RISC-компьютерах основу системы команд составляют «короткие» операции типа алгебраического сложения. Сложные операции выполняются как подпрограммы, состоящие из простых операций. Это позволяет значительно упростить внутреннюю структуру процессора, уменьшить фазы дробления конвейерной обработки и увеличить частоту работы конвейера. Но здесь необходимо отметить, что за эффект приходится расплачиваться усложнением процедур обмена данными между регистрами сверхоперативной памяти и кэш-памяти с оперативной памятью.

Другой модификацией классической структуры компьютера является

VLIW ( Very Large Instruction Word ) – компьютер с «очень длинным командным словом». Компьютер этого типа выбирает из памяти суперкоманду, включающую несколько команд. VLIW- компьютеры могут выполнять суперскалярную обработку, т.е. одновременно выполнять две или более команды. В целом ряде структур суперЭВМ использовалась эта идея. Отметим, что и в ПК последних выпусков имеется возможность выполнения двух команд одновременно.

ОКМД - структуры. Для реализации программного параллелизма, включающего циклы и итерации, используются матричные или векторные структуры. В них эффективно решаются задачи матричного исчисления, задачи решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля, геодезические задачи, задачи аэродинамики. Подобные структуры могут использоваться как сопроцессоры в системах будущих поколений.

МКОД - структуры  большой практической реализации не получили. Задачи, в которых несколько процессоров могли бы эффективно обрабатывать один поток данных, в науке и технике неизвестны. С некоторой натяжкой к этому классу можно отнести фрагменты многофункциональной обработки, например обработку на разных процессорах команд с фиксированной и плавающей точкой.

МКМД - структуры являются наиболее интересным классом структур вычислительных систем. В данных системах можно найти все перечисленные виды параллелизма. Этот класс дает большое разнообразие структур, сильно отличающихся друг от друга своими характеристиками (рисунок 1.3).

Важную роль здесь играют способы взаимодействия компьютеров или процессоров в системе. В сильно связанных системах достигается высокая оперативность взаимодействия процессоров посредством общей оперативной памяти. При этом пользователь имеет дело с многопроцессорными ВС. Наиболее простыми по строению и организации функционирования являются однородные, симметричные структуры. Они обеспечивают простоту подключения процессоров и не требуют очень сложных централизованных ОС, размещаемых на одном из процессоров.

Рисунок 1.3 – Типовые структуры ВС в МКМД (MIMD) – классе.

Появление мощных микропроцессоров типа Pentium привело к экспериментам по созданию многопроцессорных систем на их основе. Так, для включения мощных серверов в локальные сети ПК была предложена несколько измененная структура использования ООП - мультипроцессирование с разделением памяти (Shared Memory multiprocessing, SMP). На общей шине оперативной памяти можно комплексировать до четырех микропроцессоров.

Слабосвязанные МКМД – системы могут строиться как многокомпьютерные комплексы или использовать в качестве средств передачи информации общее поле внешней памяти на дисковых накопителях большой емкости.

Появление БИС и СБИС позволили расширить границы этого направления. Возможно построение систем с десятками, сотнями и тысячами процессорных элементов, с размещением их в непосредственной близости друг от друга. Если каждый процессор системы имеет собственную память, то он также будет сохранять известную автономию в вычислениях. Именно такие системы займут доминирующее положение в мире компьютеров в ближайшие 10-15 лет. Подобные ВС получили название систем с массовым параллелизмом (Mass-ParallelProcessing, MPP).

Передача данных в МРР-системах предполагает обмен не отдельными данными под централизованным управлением, а подготовленными процессами (программами вместе с данными). Подобный подход позволяет строить системы с громадной производительностью и реализовывать проекты с любыми видами параллелизма.

Глава 2. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.

2.1. Функции программного обеспечения ВС и компьютеров.

Программное обеспечение (ПО) отдельных компьютеров и вычислительных систем (ВС) может сильно различаться составом используемых программ, режимами применения вычислительной техники, содержанием вычислительных работ пользователей и т.п. Развитие ПО современных компьютеров и ВС в значительной степени носит эволюционный характер, но можно выделить закономерности в его построении.

В общем случае процесс подготовки и решения задач на компьютере предусматривает выполнение следующей последовательности этапов.

1) Формулировка проблемы и математическая постановка задачи;

2) Выбор метода и разработка алгоритма решения;

3) Программирование (запись алгоритма) с использованием операторов алгоритмического языка;

4) Планирование и организация вычислительного процесса – порядка и последовательности использования ресурсов компьютера и ВС;

5) Формирование машинной программы, которую непосредственно будет выполнять компьютер;

6) Собственно решение задачи – выполнение вычислений по готовой программе.

По мере развития вычислительной техники автоматизация этих этапов идет снизу вверх. В компьютерах 1-гопоколения автоматизации подлежал только шестой этап. Все пять предыдущих этапов пользователь должен был готовить вручную самостоятельно. Поэтому в компьютерах следующих поколений появились, сначала элементы, а затем целые системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.

Для компьютеров 2-гопоколения характерно широкое применение алгоритмических языков (Автокоды, Алгол, Фортран и др.) и соответствующих трансляторов, позволяющих автоматически формировать машинные программы по их описанию на алгоритмическом языке. Здесь же широко стали внедряться библиотеки стандартных программ, что позволило строить машинные программы блоками.

Компьютеры 3-гопоколенияхарактеризуются расцветом операционных систем , отвечающих за организацию и управление вычислительным процессом. Слово компьютер все чаще стало заменяться понятием вычислительная система, что отражало усложнение, как аппаратной, так и программной частей компьютера.