Классификация ЭВМ и систем. Классификация Флинна

По мере своего развития вычислительные системы стали отходить от принципов фон Неймана. Появилась параллельная обработка команд, при их подготовке к выполнению и параллельная обработка данных. Классификация архитектур параллельных систем обработки была предложена Флинном в 60-х годах.

По Флинну архитектуры вычислительных систем, работающих с потоками данных и потоками команд можно разделить на 4 класса:

§ SISD - Single Instruction Single Date - один поток команд, один поток данных.

§ SIMD - Single Instruction Multiple Date - один поток команд, множественный поток данных.

§ MISD - Multiple Instruction Single Date - Множественный поток данных, один поток команд.

§ MIMD - Multiple Instruction Multiple Date - множественный поток данных, множественный поток команд.

Архитектура SISD - это классическая архитектура фон Неймана. В вычислительной системе одно устройство управления и одно исполнительное устройство, например, одно универсальное арифметико - логическое устройство (АЛУ). Вычислительный процесс следует заданному в программе порядку вычислений.

Архитектура SIMD возникла в связи с развитием структур векторной или матричной обработки данных. Множество исполнительных устройств (АЛУ или процессоров) управляются одной последовательностью команд. При этом, каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Массивы обрабатываемых данных представляются в виде матриц или векторов. Это довольно узкий круг задач. Вычислительные системы такого типа были специализированными. В таких системах решаются сложные системы линейных и нелинейных уравнений, задачи теории поля, исследования турбулентности и т.д. Векторную архитектуру имели многие первые суперЭВМ, например, первая суперЭВМ - ILLIAC-IV. Векторными были суперкомпьютеры семейства Cyber и Gray, отечественные параллельные системы - ПС-2000, ПС-3000.

Архитектура MISD - архитектура конвейерного типа. Исполнительные устройства ( АЛУ или процессоры) образуют конвейер. Выходные данные одной ступени передаются на вход следующей ступени, по такому принципу работают, например, конвейерные АЛУ.

Архитектура MIMD - архитектура, в которой каждое АЛУ или каждый процессор системы работают с собственным потоком команд. В Этой архитектуре возможно решение задач, которые разбиваются на мало связанные между собой части, которые могут решаться независимо. Архитектура может быть реализована и как многомашинная система.

Архитектурные особенности организации ЭВМ различных классов.

Параллельные системы.

Применение параллельных вычислительных систем (ПВС) является стратегическим направлением развития вычислительной техники. Это обстоятельство вызвано не только принципиальным ограничением максимально возможного быстродействия обычных последовательных ЭВМ, но и практически постоянным существованием вычислительных задач, для решения которых возможностей существующих средств вычислительной техники всегда оказывается недостаточно. Организация параллельности вычислений, когда в один и тот же момент времени выполняется одновременно несколько операций обработки данных, осуществляется, в основном, введением избыточности функциональных устройств (многопроцессорности). В этом случае можно достичь ускорения процесса решения вычислительной задачи, если осуществить разделение применяемого алгоритма на информационно независимые части и организовать выполнение каждой части вычислений на разных процессорах. Подобный подход позволяет выполнять необходимые вычисления с меньшими затратами времени, и возможность получения максимального ускорения ограничивается только числом имеющихся процессоров и количеством "независимых" частей в выполняемых вычислениях.

Параллельная вычислительная система -вычислительная система, у которой имеется по меньшей мере более одного устройства управления или более одного центрального обрабатывающего устройства, которые работают одновременно.

Области применения параллельных вычислительных систем:

n предсказания погоды, климата и глобальных изменений в атмосфере;

n науки о материалах;

n построение полупроводниковых приборов;

n сверхпроводимость;

n структурная биология;

n разработка фармацевтических препаратов;

n генетика;

n квантовая хромодинамика;

n астрономия;

n транспортные задачи;

n гидро- и газодинамика;

n управляемый термоядерный синтез;

n эффективность систем сгорания топлива;

n геоинформационные системы;

n разведка недр;

n наука о мировом океане;

n распознавание и синтез речи;

n распознавание изображений;

n военные цели.

n Ряд областей применения находится на стыках соответствующих наук.

Матричные ВС.

Назначение матричных вычислительных систем - обработка больших массивов данных (во многом схоже с назначением векторных ВС). В основе матричных систем лежит матричный процессор (array processor), состоящий из регулярного массива процессорных элементов (ПЭ).

Организация систем подобного типа на первый взгляд достаточно проста. Они имеют общее управляющее устройство, генерирующее поток команд, и большое число ПЭ, работающих параллельно и обрабатывающих каждый свой поток данных.

Между матричными и векторными системами есть существенная разница. Матричный процессор интегрирует множество идентичных функциональных блоков (ФБ), логически объединенных в матрицу и работающих в SIMD-стиле. Не столь существенно, как конструктивно реализована матрица процессорных элементов — на едином кристалле или на нескольких. Важен сам принцип - ФБ логически скомпонованы в матрицу и работают синхронно, то есть присутствует только один поток команд для всех. Векторный процессор имеет встроенные команды для обработки векторов данных, что позволяет эффективно загрузить конвейер из функциональных блоков. В свою очередь, векторные процессоры проще использовать, потому что команды для обработки векторов — это более удобная для человека модель программирования, чем SIMD.

Структуру матричной вычислительной системы можно представить в следующем виде:

Поиск по сайту: