Многопроцессорные ВС

Многомашинные МКМД

Многомашинные системы - это системы, включающие 2 и более ЭВМ, каждая из которых имеет свои память, периферийные устройства и операционную систему. По характеру связей они делятся на слабосвязанные, прямосвязанные и сателлитные.

В слабосвязанных системах ЭВМ связаны только через внешние ЗУ, а связь осуществляется только на информационном уровне. Обмен информацией осуществляется по принципу «почтового ящика». Каждая ЭВМ помещает в общую внешнюю память информацию, руководствуясь собственной программой, а другая ЭВМ принимает эту информацию исходя из своих потребностей. Такая организация применяется, когда необходимо повысить надежность путем резервирования.

Прямосвязанные системы отличаются большей гибкостью. В них существует три вида связей: через общее ОЗУ, прямое управление процессор-процессор, и связь через адаптер канал-канал. Связь через общее ОЗУ сильнее, чем через внешнее ЗУ, все процессы протекают быстрее, но при выходе из строя ОЗУ нарушается работа всей системы.Связь процессор-процессор может быть не только информационной, но и командной, т.е. по каналу прямого управления один процессор может непосредственно управлять работой другого. Контроль получается более полным, но в это время прекращается решение задач. Связь через адаптер связывает каналы ввода-вывода, что обеспечивает быстрый обмен большими объемами информации.

Сателлитная связь характеризуется не способом связи, а принципами взаимодействия ЭВМ. В сателлитных ВС ЭВМ не одинаковы и одна подчиняется другой. Основная ЭВМ мощная и предназначена для решения основной задачи. Вторая ЭВМ, вспомогательная, организует обмен данными. Такая связь не увеличивает надежность, но увеличивает производительность работы.

Многопроцессорные ВС – это системы, включающие 2 и более процессоров, работающих под управлением одной операционной системы, и имеющие общее ОЗУ и периферийные устройства.

Из рассмотренной классификации ВС видно, что фон-неймановский компьютер является частным случаем системы ОКОД. Возможные усовершенствования в рамках этой архитектуры ограничиваются включением в нее конвейеров и других функциональных узлов, а также использование разных методов кэширования. Две другие архитектуры были реализованы в нескольких проектах, но не стали массовыми.

Единственным путем преодоления ограничений архитектуры фон-Неймана (бутылочного горла) остается развитие архитектуры МКМД. В этих ВС может быть много подходов, это могут быть и кластерные архитектуры и многопотоковые процессоры.

Одной из характерных особенностей МКМД является параллельная обработка информации. Таким образом многопотоковые процессоры являются разновидностью ВС класса МКМД, и в частности, многопроцессорных систем.

В литературе многопроцессорные системы, построенные на основе процессоров, имеющих несколько ядер,(ядро – это АЛУ и УУ), называются CMP (Chip MultiProcessor) – мультипроцессорами. Первые СМР процессоры предназначались для серверного рынка и представляли два независимых суперскалярных процессора на одной подложке, как показано на рис.1.2.5.

Рис.1.2.5 Простейшая версия СМР

Такая архитектура позволяет уменьшить объем, в одном кристалле можно упаковать больше процессоров, что повышает удельную мощность. Обычно в этом случае между процессорами имеется лишь общий системный интерфейс. Достоинство СМР – заменяя одноядерный процессор двухядерным, можно при той же производительности вдвое уменьшить тактовую частоту, сократить потребление.

Логически оправдан следующий шаг: собрать несколько ядер и объединить их общей кэш-памятью. Это было реализовано в проекте Hydra (рис.1.2.6)

Рис.1.2.6. СМР с общей кэш-памятью второго уровня (Hydra)

Кристалл процессора состоит из четырех процессорных ядер на основе RISC-архитектуры (сокращенный набор команд). Каждое ядро имеет кэш-память команд и кэш-память данных, а все ядра объединены в общую кэш-память второго уровня.

Следующим шагом повышения производительности является усложнение ядра, чтобы оно было также многопотоковым, как показано на рис.1.2.7 и реализовано в проекте Niagara.

Рис.1.2.7. Многопотоковая версия СМР

В середине 90 годов была предпринята попытка создания процессоров с очень длинными словами. (WLIM -процессоры). В этой технологии создается специальный компилятор планирования, который проводит анализ программы и определяет группу команд, которые могут выполняться параллельно. Часть сложных операций предполагалось передать в ведение этого компилятора. Освободившаяся транзисторная логика освобождалась для создания новых функциональных узлов, чтобы обеспечить обмен командами и данными между процессором, кэш-памятью и основной памятью. Таким образом преодолевалось узкое горло обмена. В проекте Ниагара 8 процессорных ядер, каждое из которых может обрабатывать 4 потока информации, что позволяет аппаратно выполнять 32 потока. Для обработки каждого потока служит свой обрабатывающий канал (их 8). Каждое ядро содержит кэш-память первого уровня для команд и данных. Все 32 потока используют кэш-память 2 уровня емкостью 3 Мбайт, разделенную на 4 банка. Коммутатор соединяет 8 ядер, банки кэш-памяти второго уровня и другие устройства, причем поддерживает скорость обмена 200 Гбайт/сек. Кроме того, в коммутаторе находится порт для систем ввода-вывода и каналы к памяти. Максимальная емкость памяти 128 Гбайт. Процессор Ниагара ориентирован на операционную систему Солярис.

Вопросы к теме «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем»

1. Перечислить поколения ЭВМ.

2. Перечислить классы ЭВМ по областям применения.

3. Перечислить мироьтен ЭВМ и дать характеристику этих элементов.

4. Перечислить узлы, из которых состоит ЭВМ.

5. Перечислить базовые структуры алгоритмов.

6. Объяснить сущность принципов архитектуры фон-Неймана.

7. Какие функции выполняет процессор в архитектуре фон-Неймана.

8. Перечислить и описать основные типы архитектур ЭВМ.

9. Какие функции выполняет процессор в ЭВМ.

10. Классы архитектур вычислительных систем.

11. Что такое архитектура.

12. Чем ВС отличается от ЭВМ.

13. В чем отличие архитектуры ВС от архитектуры ЭВМ.

14. Описать архитектуру ОКОД.

15. Описать архитектуру ОКМД.

16. Описать архитектуру МКОД.

17. Описать архитектуру МКМД.

18. Чем многомашинные системы отличаются от многопроцессорных.

19. Описать принципы комплексирования машин в ВС.

20. Дать характеристику классов архитектуры ВС по уровням комплексирования.

21. Чем многомашинные ВС отличаются от многопроцессорных по уровню комплексирования.

22. Охарактеризовать многопотоковые процессоры с точки зрения архитектуры ВС.

23. Описать принцип работы многоядерного процессора.

24. Нарушает ли архитектура МКОД принципы фон-Неймана.

25. К какому классу архитектуры относится IBM-совместимый ПК.

26. Что такое потоковая архитектура.

27. Какие классы архитектур ВС не относятся к фон-неймановским компьютерам.

28. Как наличие регистров влияет на архитектуру.

29. Чем архитектура «звезда» отличается от магистральной архитектуры.

30. Приведите примеры магистральной архитектуры.

31. Описать структуру ЭВМ.

32. Чем понятие структуры отличается от понятия архитектуры.

33. Перечислить примеры ВС.

34. Перечислить применение ВС.

35. Описать ЭВМ с точки зрения архитектуры.

36. Перечислить элементы, узлы и устройства ЭВМ.

2 Архитектура и структура ЭВМ

2.1 Процессор

Назначение и классификация

Процессор – это устройство, осуществляющее операции обработки информации и управления вычислительным процессом. Процессор выбирает команды и данные из оперативной памяти, анализирует эти команды, выполняет команды программы, для чего организует обращения к основной памяти, осуществляет включение и выключение внешних устройств.

Процессоры классифицируются по ряду признаков.

По принципу построения: с жестким и программным управлением.

По количеству БИС: однокристальные, многокристальные, секционные.

По типу архитектуры: CISC, RISC, MISC, WLIM, многопотоковые, скалярные, суперскалярные, матричные, векторные.

Дата добавления: 2014-12-16