Файл: Каган Б.М. Цифровые вычислительные машины и системы учеб. пособие.pdf

формацией между машинами. При работе комплекса обе машины работают параллельно, выполняя одни и те же операции над одной и той же информацией (дуплекс­ ный режим), после выполнения каждой команды резуль­ таты преобразования информации сравниваются и при их совпадении процесс вычислений продолжается. При этом в памяти обеих машин в каждый момент времени находится одна и та же информация.

При обнаружении несовпадения в результатах обра­ ботки по сигналу системы автоматического контроля о возникшей неисправности неисправная ЦВМ выводит­ ся из дуплекса на ремонт, а исправная ЦВМ продолжает работу под контролем встроенной в ЦВМ системы авто­ матического контроля.

После ремонта снова вторая машина вводится в ду­ плексный режим, при этом предварительно в ее память переписывается содержимое памяти работающей ма­ шины.

Ясно, что если средняя продолжительность ремонта существенно меньше среднего интервала времени между возникновениями неисправностей (см. гл. 12), то ду­ плексный режим дает значительное повышение общей надежности комплекса.

Если же этого оказывается недостаточно, то в ком­ плекс добавляется третья резервная ЦВМ. Так, напри­ мер, организована многомашинная вычислительная си­ стема резервирования железнодорожных билетов «Экс­ пресс».

Многомашинные системы применяют не только для повышения надежности и живучести, но и для достиже­ ния производительности большей, чем можно получить от одной ЦВМ. С этой целью объединяют в комплекс машины одного, а чаще разных классов. Первый вариант используется, когда алгоритм решения задачи допускает существенное распараллеливание.

Более распространен второй вариант, когда менее мощная машина берет на себя ввод информации с раз­ личных терминалов и ее предварительную обработку. Такие вычислительные системы, которые содержат от­ дельные машины для выполнения различных уровней обработки информации, называют иерархическими. ЦВМ, выполняющие предварительную обработку, часто называют машинами-сателлитами. Для этой цели ис­ пользуют небольшие ЦВМ, так называемые минимаши­

606

ны. Построение вычислительного комплекса путем объ­ единения нескольких машин позволяет без больших до­ полнений использовать существующее у этих ЦВМ математическое обеспечение.

При создании многомашинных систем серьезным во­ просом является обеспечение межмашинного обмена ин­ формацией. Этот обмен может осуществляться различ-

Рис. 11-14. Организация межмашинных связей.

ным образом в зависимости от требования к скорости передачи информации между машинами.

Следует назвать три характерных способа организа­ ции связи между ЦВМ. Ниже они перечислены в поряд­ ке возрастания скорости обмена информацией.

1. Связь через общее периферийное устройство.

Указанные три способа связи показаны на рис. 11-14. В настоящее время исключительно важное значение приобретает другое направление в создании вычисли­ тельных комплексов — многопроцессорные вычислитель­ ные системы. Здесь процессоры обретают статус рядовых агрегатов вычислительной системы, которые подобно другим агрегатам, таким как модули оперативной па­ мяти, каналы, периферийные устройства, включаются в состав системы практически в любом нужном количе­ стве на основе стандартных интерфейсов, связывающих эти процессоры с памятью и каналами. Многопроцессор-

607

постъ в сочетании с агрегатным принципом построения других устройств позволяет создавать гибкие системы, обладающие повышенной надежностью и живучестью за счет возможных перестроек структуры (реконфигура­ ций) системы при отказах в отдельных агрегатах, в том числе в процессорах.

Но главное не это. Вычислительная техника в своем движении по пути создания все более быстродействую­ щих машин существенно приблизилась к пределам, кото­ рые обусловлены ограниченной скоростью распростране­ ния электромагнитных колебаний.

Важнейшим средством повышения быстродействия является распространение принципа параллелизма на сами устройства обработки информации, т. е. многопро­ цессорность.

Многопроцессорные системы могут быть неоднородны­ ми и однородными.

Неоднородные системы содержат несколько различ­ ных специализированных процессоров, например про­ цессор операций с фиксированной запятой, процессор операций с плавающей запятой, процессор операций умножения и деления, процессор интегрирования диффе­ ренциальных уравнений, процессор операционной систе­ мы и др. Следует отметить, что обыкновенную вычисли­ тельную систему с одним процессором можно рассматри­ вать как двухпроцессорную, считая канал специализиро­ ванным процессором операций ввода-вывода.

Однородная многопроцессорная система содержит несколько одинаю вых процессоров, каждый из которых может иметь свою локальную память и иметь доступ

кобщей памяти.

Внастоящее время развиваются, конкурируя между собой две структуры построения крупных однородных многопроцессорных систем: а) параллельная структура; б) структура типа «трубопровод».

При параллельной структуре несколько независимых процессоров параллельно во времени выполняют раз­ личные части одной и той же программы или различные программы. Такую структуру имеет, например, ЦВМ «Иллиак 4», содержащая 64 процессора, имеющих ло­ кальные ЗУ, а также доступную всем процессорам об­ щую память и системное устройство управления.

Впараллельных однородных многопроцессорных си­ стемах возникает сложная задача распараллеливания

608

алгоритмов решаемых задач и согласования вычисли­ тельных процессов, реализуемых в отдельных процессо­ рах. Эти вопросы легче решаются при структуре типа «трубопровод», которая предполагает наличие несколь­ ких, но на этот раз независимых процессоров, соединен­ ных между собой так, что информация на выходе одного процессора является входной информацией для другого процессора. Процессоры образуют информационный «трубопровод», так что процессоры обрабатывают после­ довательно части задачи, при этом каждая часть задачи

вкакой-то момент времени проходит через каждый про­ цессор.

Если «трубопровод наполнен», выходной процессор выдает результаты через очень короткие интервалы вре­ мени, хотя действительное время прохождения данной части программы через «трубопровод» может быть су­ щественно большим.

Взаключение подчеркнем различие между мульти­ программными и многопроцессорными сисіемами.

Вмультипрограммных системах несколько программ выполняется на одном процессоре относительно одно­ временно. Процессор выполняет одну из программ, пока

вней не потребуется операция с периферийными устрой­ ствами. Тогда вместо того, чтобы ждать выполнения этой операции, процессор переходит к выполнению другой программы и т. д.

Впараллельной многопроцессорной системе несколь­ ко программ могут выполняться одновременно на не­ скольких процессорах, причем программы не ожидают друг друга, если только они одновременно не обращают­ ся к памяти или одним и тем же периферийным устрой­ ством.

1 1 - 6 . Э Л Е М Е Н Т Ы Т Е О Р И И В Ы Ч И С Л И Т Е Л Ь Н Ы Х С И С Т Е М С Р А С П Р Е Д Е Л Е Н И Е М В Р Е М Е Н И

По мере развития вычислительных систем, расшире­ ния состава входящего в них основного и периферийного оборудования и средств математического обеспечения все большую актуальность приобретает повышение эф­ фективности их использования. С другой стороны, широ­ кое внедрение вычислительной техники во все сферы народного хозяйства, науки и культуры сопровождается увеличением общего количества персонала, связанного

с подготовкой и решением задач на вычислительных ма­ шинах. Таким образом, в широком смысле слова эффек­ тивность вычислительной техники зависит как от произ­ водительности самих средств вычислительной техники, так и в очень большой степени от эффективности труда лиц, решающих задачи на машинах. Последняя во мно­ гом зависит от доставляемых средствами вычислитель­ ной системы возможностей взаимодействия и общения пользователей с машиной в процессе подготовки и от­ ладки программ, а также в процессе решения задач.

При переходе к ЦВМ второго поколения на дискрет­ ных транзисторных схемах забота о повышении эффек­ тивности использования собственно средств вычисли­ тельных систем привела к операторному (пакетному) ме­ тоду эксплуатации и решения задач на ЦВМ, при кото­ ром пользователи сдают свои задачи оператору ЦВМ, формирующему пакет задач, решаемых в однопрограм­ мном или мультипрограммном режиме в зависимости от типа системы: В результате пользователь утратил не­ посредственную связь с ЦВМ, характерную для эксплу­ атации ламповых машин первого поколения.

Ожидание в течение суток и более результатов реше­ ния по переданной оператору программе сильно затруд­ няет отладку программ, делает невозможным оператив­ ное внесение в программы изменений по результатам ре­ шения, что ведет к снижению эффективности труда программистов по сравнению с режимом непосредствен­ ного общения с ЦВМ. Работа пользователя в условиях утраты прямого контакта с ЦВМ психологически зако­ номерно сопровождается завышенными требованиями пользователя на печатание информации при работе его программы (а вдруг это понадобится), что снижает в це­ лом эффективность вычислительной системы.

Выход из создавшейся ситуации был найден в идее распределения времени процессора между несколькими одновременно работающими с машиной пользователями

ииспользования различия во времени реакции человека

имашины для создания у пользователя иллюзии, что машина полностью принадлежит ему одному, что он

мой для ввода и пуска своих программ, их отладки, по­

610