Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.pdf

Самыми важными предпосылками появления и развития вычислительных систем служат экономические факторы. Анализ характеристик ЭВМ различных поколений показал, что в пределах интервала времени, характеризующегося относительной стабильностью элементной базы, связь стоимости и производительности ЭВМ выражается квадратичной зависимостью. Для каждого поколения ЭВМ и ВС существует критический порог сложности решаемых задач Пкр, после которого применение автономных ЭВМ становится экономически невыгодным, неэффективным.

Критический порог определяется точкой пересечения двух приведенных зависимостей. Кроме выигрыша в стоимости следует учитывать и дополнительные преимущества. 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.

В настоящее время накоплен большой практический опыт в разработке и использовании ВС самого разнообразного применения. Эти системы очень сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками. Различия наблюдаются уже на уровне структуры. Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов вычислительной системы и др. Однако основными из них являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы.

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач.

По типу вычислительные системы разделяются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились исторически первыми. Основные различия ММС заключаются, как правило, в организации связи и обмене информацией между ЭВМ комплекса. Каждая из них сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС. Любая другая подключаемая ЭВМ комплекса рассматривается как периферийное специальное оборудование. В зависимости от территориальной разобщенности ЭВМ и используемых средств сопряжения обеспечивается различная оперативность их информационного взаимодействия Многопроцессорные системы (МПС) строятся при объединении нескольких процессоров. В качестве единого ресурса они имеют оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечивается под управлением единой операционной системы. По сравнению с ММС здесь достигается наивысшая оперативность взаимодействия вычислителей-процессоров. Многие исследователи считают, что использование МПС является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений.

Однако МПС имеет и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с ресурсами ООП. При большом количестве комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров обращаются с операциями типа «чтение» и «запись» к одним и тем же областям памяти. Помимо процессоров к ООП также подключаются все каналы (процессоры ввода-вывода), средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП. От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения МПС. Это решение должно обеспечиваться аппаратурно-программными средствами. Процедуры взаимодействия очень усложняют структуру ОС МПС. Накопленный опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе комплексируемых процессоров.

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают объединение однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные - разнотипных. В однородных системах значительно упрощается разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств. В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы.

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного (разобщенного) типов. Обычно такое деление касается только ММС. Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа. Более того, учитывая успехи микроэлектроники, это совмещение может быть очень глубоким. При появлении новых СБИС появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизованных ВС за это отвечает главная, или диспетчерская ЭВМ (процессор). Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован или эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС. В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ, интерес к децентрализованным системам постоянно растет. В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые, как правило, используют режим реального времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных.

2.2 Архитектура вычислительных систем

Основным отличием ВС от компьютеров является наличие в их структурах нескольких вычислителей (компьютеров или процессоров). Поэтому они способны выполнять параллельные вычисления. Поскольку ВС появились как параллельные системы, то рассмотрим классификацию архитектур c этой точки зрения. Такая классификация архитектур была предложена М. Флинном в начале 60-х годов. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Согласно данной классификации существует четыре основных архитектуры ВС:

. одиночный поток команд - одиночный поток данных (ОКОД), в английской аббревиатуре Single Instruction Single Data, SISD - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных;

. одиночный поток команд - множественный поток данных (ОКМД), или Single Instruction Multiple Data, SIMD - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных;

. множественный поток команд - одиночный поток данных (МКОД), или Multiple Instruction Single Data, MISD - множественный поток инструкций - множественный поток данных;

. множественный поток команд - множественный поток данных (МКМД), или Multiple Instruction Multiple Data, MIMD -множественный поток инструкций - множественный поток данных.

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, то есть системы 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 работой устройств ввода-вывода информации и процессора. Закономерности организации вычислительного процесса в этих структурах достаточно хорошо изучены.

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные: 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 схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними. Векторный или матричный тип вычислений является необходимым атрибутом любой суперЭВМ.

3. Типы вычислительных систем

1. Типовые структуры вычислительных систем

Классификация уровней программного параллелизма включает в себя шесть позиций:

• независимые задания,

• отдельные части заданий, программы и подпрограммы,

• циклы и итерации,

• операторы и команды,

• фазы отдельных команд.

Для каждого из них имеет определенные свойства параллельной обработки, проверенные в различных компьютерных структурах. Обратите внимание, что этот список абсолютно не затрагивает этапы выбора алгоритмов решения, которые могут быть проанализированы, используя альтернативные алгоритмы (и программы), дают разные результаты. Для каждого типа параллельной работы структур средства вычисления, используемые в различных компьютерных системах. На первых трех уровнях, включая независимые задания, шаги, золото частях миссий и индивидуальных программ, инструмент для параллельной обработки - механический, то есть с несколькими процессорами вычислительной системы, относящиеся к архитектуре МКМД. Циклы и Итерация программы с использованием вектора требуют лечений (зодчество CMBM). И вместе Команды Операторы в ориентированы компьютеры многофункционального лечения (МКОД). Фаза лечения параллельно последовательно привело к Орденов организации трубопроводов, инструкции, которые реализованного все компьютеры в современных, в том числе ПК. Проанализируем некоторые реальные схемы вычислительных систем, обеспечивающих перечисленные виды параллельности программ.

ОКОД - структуры. Однопроцессорный авиационных структур может перечислить множество усовершенствований в традиционной структуре компьютеров, которые стали, когда определенные стандарты в строительстве новых компьютеров: иерархическая структура компьютерной памяти, кэш внешний вид и памяти, а также отчет о косвенной адресации памяти, разделение ввода-вывода процесса и обработки задач, появление систем и прерывают приоритетов и т.д. Это также способствовало успеху в последние годы инженерии и систем микроэлектроники. Большая интегральная схема (БИС), в которую входят современные микропроцессоры, состав которой накапливается в самых последних достижениях, которые помогают повысить скорость и производительность вашего компьютера. Слишком много концепций схем заимствовано у предыдущих поколений структур, включая центры, включая компьютеры и те же суперкомпьютеры. ПК и серверы Аппаратное обеспечение, все больше и больше внедряются решения, связанные с параллельными вычислениями, что существенно отменяет компьютерные системы.

Например, быстрее, комбинированный суперкомпьютер в своем составе скалярных и векторных обработок (матрицы). Теперь, все эти характеристики свойственны почти всем новейшим микропроцессорам от разных производителей (Pentium IV фирмы Intel, Athlon - фирмы AMD, Alpha фирмы Dell, Ultra Spark - фирмы Sun, PA-RISC фирмы Hewlett Packard, Power PC фирмы IBM, MIPS фирмы SGI и др.). Супер скалярность свойственна RISC-процессорам (Reduced Instruction Set Computing, то есть процессорам узкой направленности, состоящим из набора нескольких определенных команд.). Эти процессоры класса имеют гораздо большую долю общих регистров - регистров кэша, что определяет улучшенные возможности параллельной работы инструкций программы последовательности. К RISC-архитектуре по обыкновению относят микропроцессоры фирм AMD и Dell. Более простой состав операций микропроцессора гарантирует упрощенный состав его ядра и более оперативную работу. В RISC-структурах базу совокупности команд образуют наиболее часто используемые, «маленькие» операции типа простого алгебраического вычитания. Более усложненные операции осуществляются как подпрограммы, которые состоят их простых операций. Это дает возможность весьма упростить внутреннюю схему процессора, сократить фазы деления конвейерного анализа и увеличить производительность конвейера. Но здесь следует отметить, что, по сути, вы должны оплатить усложнение операций между кэш-регистров и кэшем с активной памятью. Микропроцессоры, произведенные фирмой Intel с самого начала относились к CISC-процессорам (Complete Instruction Set Computing –вычисления со всеми командами). В компьютерах этой группы важная часть команд, таких как «память память», в которой хранятся операнды и результаты работы. Хотя доступ к памяти и времени вычислений составляет примерно 5: 1. Машины RISC с большим ноутбуком памяти составляют значительную часть операций «регистр-регистр» и отношение доступа к памяти для вычисления времени составляет 2 к 1.