Понятие о вычислительной системе

Вычислительная система (ВС) – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для сбора, хранения, обработки и распределения информации.

Цели создания ВС:

- повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных;

- повышение надежности и достоверности вычислений;

- предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг.

Отличительной особенностью ВС по отношению к классическим ЭВМ является наличие нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку.

Таким образом, весь набор современных средств обработки информации можно разделить на 4 класса: 1) обычные ЭВМ,

2) вычислительные комплексы и системы, в том числе многопроцессорные, 3) суперкомпьютеры, 4) вычислительные сети.

Три последних класса относятся к вычислительным системам.

Главная отличительная черта ВС – параллельная обработка информации. Она дает возможность преодолеть врожденную слабость современных ЭВМ – «бутылочное горло» архитектуры фон-Неймана. В простейшем изложении фон-неймановский процессор состоит из трех частей: процессор, память и соединяющий их канал, служащий для обмена данными между процессором и памятью, причем маленькими порциями, пословно.

Несмотря на прогресс в области технологии, ограниченность фон-неймановской архитектуры, связанная с ограниченной пропускной способностью канала, не исчезает, поскольку скорость работы памяти растет гораздо медленнее, чем производительность процессоров.

Параллелизм выполнения операций существенно повышает быстродействие системы, он также повышает и надежность. Параллелизм выполнения операций усложняет систему управления вычислительным процессом, что сказывается на сложности операционных систем.

Классическим вариантом ВС является многомашинные системы, но ВС может состоять и из одного компьютера, который связан с многофункциональным периферийным оборудованием, или содержит несколько процессоров.

Прежде всего ВС можно классифицировать как многомашинные и многопроцессорные.

Многомашинная ВС – это система нескольких ЭВМ, каждая из которых имеет свою оперативную память и свою операционную систему. Каждый компьютер в многомашинной ВС имеет классическую архитектуру, такие системы применяются достаточно широко,

Многопроцессорные ВС имеют общую память и общую операционную систему и обладают всеми преимуществами параллельной обработки.

В создаваемых ВС стремятся обеспечить несколько путей передачи данных, что повышает надежность, гибкость к условиям работы.

Существуют следующие уровни комплексирования ЭВМ:

- прямое управление;

- общая оперативная память;

- каналы ввода-вывода;

- устройства управления внешними устройствами (УВУ);

- общие внешние устройства.

Уровень прямого управления служит для передачи коротких однобайтовых приказов-сообщений. Процессор – инициатор обмена по интерфейсу прямого управления подает команду «прямая запись» У другого процессора эта команда вызывает внешнее прерывание и он записывает передаваемый байт в свою память. После завершения передачи, процессоры возвращаются к вычислениям по своим программам.

Уровень общей оперативной памяти является наиболее предпочтительным для оперативного взаимодействия процессоров.

Уровень комплексируемых каналов ввода-вывода предназначен для передачи больших объемов информации между блоками оперативной памяти. Скорость передачи по этому уровню представляет несколько мегабайт в секунду.

Уровень устройств управления внешними устройствами предполагает использование встроенного в УВУ двухканального переключателя и команд «зарезервировать» и «освободить». Двухканальный переключатель позволяет подключать УВУ одной машины к каналам ввода-вывода различных ЭВМ. По команде «зарезервировать» канал – инициатор обмена имеет доступ к любым накопителям на дисках или лентах. Обмен канала с накопителями продолжается до полного завершения работ и команды «освободить».

На четвертом уровне с помощью аппаратуры передачи данных имеется возможность сопряжения с каналами связи. Эта аппаратура позволяет создавать сети ЭВМ.

Пятый уровень предполагает использование общих внешних устройств.

Схема комплексирования ЭВМ в ВС приведена на рис.1.2.1

Рис.1.2.1 Уровни комплексирования машин в вычислительную систему

Эти пять уровней называются логическими, так как они объединяют разнотипную аппаратуру. Они позволяют создавать различные структуры ВС.

Второй уровень позволяет создать многопроцессорную систему. Обычно он дополняется первым уровнем, что позволяет повысить оперативность взаимодействия процессоров.

Уровни 1,3,4,5 обеспечивают построение разнообразных машинных комплексов. Особенно часто используются 3 и 4 уровни. 5 уровень применяется в редких специальных случаях, когда в качестве внешнего объекта используется дорогое уникальное устройство.

Архитектура вычислительных систем

Процесс решения любой задачи можно представить как воздействие определенной последовательности команд (потока команд) на соответствующую последовательность данных (поток данных). На этом принципе построена классификация ВС. С точки зрения организации обмена командами между процессором и памятью существует 4 класса ВС.

- Системы с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных (ОКОД);

- Системы с одиночным потоком команд и множественным потоком данных (ОКМД);

- Системы с множественным потоком команд и одиночным потоком данных (МКОД);

- Системы с множественным потоком команд и множественным потоком данных (МКМД).

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, т.е. системы с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс, а фон-неймановский процессор является лишь частным случаем систем ОКОД. В них параллелизм вычислений достигается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода и процессора.

Архитектура ОКМД предполагает обработку по одной и той же программе нескольких потоков данных (рис.1.2.2.(3.1.3))

Рис.1.2.2. Архитектура ОКМД

Каждый поток данных обрабатывается либо отдельным процессором либо отдельным АЛУ (тогда УУ общее). Одиночным поток команд называется потому, что каждый процессор выполняет одновременно только одну команду. Такую схему обработки называют векторной. Если объединить несколько векторных систем обработки, то получается матричная система, организация которой довольно проста: общее устройство управления, генерирующее поток команд, и большое число процессоров, работающих параллельно и обрабатывающих каждый свой поток данных. Процессоры, входящие в ВС, одинаковы и управляются одной последовательностью команд. В структурах данной архитектуры обеспечиваются связи между процессорами, которые напоминают матрицу, в которой каждый элемент связан с соседними. По данной технологии строились системы Илиак-4(первая суперЭВМ), ПС-2000, Супергрей. Элементы этой технологии реализованы в процессорах Intel, начиная с Pentium MMX.

Архитектура МКОД предполагает построение процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке (Рис1.2.3(3.1.5))

Рис.1.2.3. Система МКОД

Такая система обработки получила название конвейерной (скалярной) обработки. Обязательным условием конвейера операций является наличие нескольких блоков обработки, в каждом из которых команды выполняются последовательно. Таким образом, конвейерная обработка не нарушает принципы фон-Неймана. Однако надо учитывать, что длина конвейера не может быть очень большой, конвейерная обработка увеличивает быстродействие за счет усложнения системы.

В ВС данной архитектуры используются кроме конвейера команд и конвейер данных, который работает по тому же принципу: ВС разбивается на ряд модулей, работающих одновременно. Сочетание двух конвейеров позволяет достичь очень большой скорости обработки.

Архитектура МКМД Объединяет все другие архитектуры. Схема ВС такой архитектуры представлена на рис.1.2.4 (3.1.9).

Рис.1.2.4. Система МКМД

Данная архитектура предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд. Эти процессоры могут быть автономны и независимы, и тогда мы приходим к многомашинным ВС. Такая система применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра.

Вторая разновидность МКМД – многопроцессорная ВС, в которой процессоры достаточно жестко связаны общей памятью, и хотя процессоры в системе имеют достаточную самостоятельность, в системе организуется совместная их работа.

Дата добавления: 2014-12-16