Вопрос 27. Вычислительные системы, классы архитектур

Вычислительная система (ВС) – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферического оборудования и ПО, предназначенного для подготовки и решения задач пользователя. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку.

Цели создания ВС:

· повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных;

· повышение надежности и достоверности вычислений

предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Структура ВС – это совокупность комплексирующих (объединенных) элементов и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные ЭВМ и процессоры.

Классификации:

· По назначению: специализированные и универсальные.

· По типу: ВС на многомашинные и многопроцессорные.

· По признакам: однородные (несколько однотипных ЭВМ) и неоднородные (разнотипные ЭВМ)

· По степени территориальной обобщенности: системы совмещенного и распределенного типа.

· По методам управления элементами ВС: централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением.

· По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ или процессорами: с жестким и с плавающим закреплением

· По режиму работы: работающие в оперативном и неоперативном временных режимах.

Архитектура ВС – совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально логическую и структурную организацию системы.

Так как вычислительные системы появились как параллельные системы, классификация архитектур рассматривается с этой точки зрения. Она была предложена Флинном в 1966 году. В её основе заложено 2 возможных вида параллелизма – независимость потока команд, существующих в системе, и независимость данных, обрабатываемых в каждом потоке.

В соответствии с данной классификацией существует 4 вида ВС:

SISD (single instruction stream / single data stream) - одиночный поток команд и одиночный поток данных (ОКОД). В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. Параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода информации.

Примеры: VAX 11/780, CRAY-1, CYBER 205, машины семейства FACOM VP и другие.

SIMD (single instruction stream / multiple data stream) - одиночный поток команд и множественный поток данных (ОКМД). Предполагает создание структур векторной или матричной обработки, система этого типа обычно строятся как однородные, то есть процессорные элементы, входящие в систему, идентичны. И все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту архитектуру хорошо подходят задачи обработки матриц, векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений и так далее. Узким местом подобных систем является необходимость изменения коммутации между процессорами.

Примеры: ILLIAC -IV, ПС-2000 («перестраиваемые структуры»), ПС-3000, CRAY 1,2,3.

MISD (multiple instruction stream / single data stream) - множественный поток команд и одиночный поток данных (МКОД). Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. В современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций. Такая схема нашла применение в скалярных процессорах супер-ЭВМ.

Было создано немного ЭВМ с MISD-архитектурой, поскольку MIMD и SIMD чаще всего являются более подходящими для общих методик параллельных данных. Они обеспечивают лучшее масштабирование и использование вычислительных ресурсов, чем архитектура MISD.

MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) - множественный поток команд и множественный поток данных (МКМД). Предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. В настоящее время такая схема использования применяется на многих вычислительных центрах для увеличения пропускной способности.

Примеры: CRAY Y-MP, CRAY T3D, Intel Paragon и многие другие.

Большой интерес представляет возможность согласованной работы ЭВМ (процессоров), когда каждый элемент делает часть общей задачи. Теоретической базой такого вида работ практически нет, но есть примеры большой эффективности этой модели вычисления. Подобные системы могут быть многомашинными и многопроцессорными.

Поиск по сайту: