Многопроцессорные вычислительные системы

Многопроцессорные комплексы реализуются или с распределенной между процессорами памятью, или с общим ОЗУ, или смешанного типа. При работе с общей памятью возможны ситуации, когда один процессор заменил старые данные новыми, а второй обращается к ним, как к старым значениям. Чтобы избежать таких проблем, при каждом процессоре создается кэш-память, в которой помещаются защищенные от других процессоров данные.

Наибольшее увеличение производительности в многомашинных и в многопроцессорных комплексах достигается тогда, когда задача разделена по объему вычислений поровну между процессорами или машинами. Однако объем вычислений не всегда соответствует объему команд, ибо в одинаковых по количеству команд ветвях может существенно отличаться количество необходимых итераций (циклы while и repeat) из-за чего процессор с меньшим количеством итераций простаивает в ожидании результатов работы процессора с большим количеством итераций. Для выявления в программах параллельных ветвей разработаны средства, выявляющие параллельные ветви как автоматически при анализе программы, так и помогающие программисту изменять алгоритм задачи и проверять, насколько эти изменения позволяют перейти к параллельным вычислениям.

15.Классификация вычислительных систем (ВС) по соотношению потока задач и потока данных: ВС типа ОКОД и ОКМД.

Классификационным признаком вычислительных систем является соотношение между потоком команд и потоком данных. По этому признаку выделяют 4 группы ВС:

- с одним потоком команд и одним потоком данных (ОКОД);

- с одним потоком команд и множеством данных (ОКМД);

- с множеством команд и одним потоком данных (МКОД);

- с множеством команд и множеством данных (МКМД);

К 1-ой группе относятся традиционные или классические ЭВМ и построенные на их основе вычислительные системы.

Даже в ВС типа ОКОД возможно совместное решение нескольких задач. Такой режим работы системы называется мультипрограммным режимом. Программы и данные для совместно решаемых задач хранятся в оперативной памяти, где всем программам выделяются свои сегменты (разделение оборудования). Время работы процессора разделено на небольшие периоды (такты), в течение которых он выполняет команды для одной программы. Когда такт заканчивается, происходит прерывание, и передача управления операционной системе (программе-супервизору), которая просматривает очередь задач и определяет, есть ли в очереди задачи с более высоким или таким же приоритетом, что и у прерванной программы. Если есть, то в следующий такт процессор выполняет команды другой программы, если нет, то продолжает выполнение прерванной (разделение времени процессора). В таких ВС различаются 2 вида задач: фоновые и интерактивные. Первые из них не требуют вмешательства пользователя, вторые требуют ответов на запросы или ввода информации или, иначе говоря, выполняются в диалоговом режиме. Первые задачи имеют низкий приоритет, вторые – более высокий.

ВС типа ОКМД иначе называют еще системами с общим потоком команд. В них в разных процессорах выполняются одни и теже команды над разными данными. Реализуется синхронный параллельный вычислительный процесс (все данные для очередной команды одновременно подаются на обработку процессору и одновременно из процессора после обработки передаются в память ЭВМ). Применяются такие ВС для решения задач: одномерное и двумерное прямое и обратное преобразование Фурье, решение дифференциальных уравнений в частных производных, выполнение операций над матрицами и векторами.

16.Классификация вычислительных систем (ВС) по соотношению потока задач и потока данных: ВС типа МКОД и МКМД.

Классификационным признаком этой группировки вычислительных систем является соотношение между потоком команд и потоком данных. По этому признаку выделяют 4 группы ВС:

- с одним потоком команд и одним потоком данных (ОКОД);

- с одним потоком команд и множеством данных (ОКМД);

- с множеством команд и одним потоком данных (МКОД);

- с множеством команд и множеством данных (МКМД);

ВС типа МКОД реализуют принцип конвейерной обработки одной команды (функции), из которой выделены несколько операций (подфункций), путем последовательного выполнения операций на отдельных аппаратных блоках, которые здесь по аналогии с предыдущим изложением обозначены как процессоры.

В ВС типа МКМД реализуется асинхронный параллельный принцип обработки данных. Особенность в том, что в них каждый процессор выполняет свою программу или участок (ветвь) одной большой программы над отдельными данными. Важной особенностью таких ВС является наличие нескольких групп много канальных связей между аппаратными модулями (к ним относится общая память, каналы ввода-вывода (КВВ) и процессоры). Эти связи бывают либо постоянными (физическими) или логическими, устанавливаемыми по мере необходимости в ходе вычислительного процесса. За счет этих связей обеспечиваются следующие условия работы: любой процессор может управлять передачей данных к и от любого сегмента общей памяти; любой процессор может направлять команды к любому КВВ; любой КВВ может передавать данные к и от любого сегмента общей памяти, любой КВВ может управлять передачей данных между ОП и любым устройством ввода-вывода.

17.Сравнение конвейерной и параллельной организаций вычислительных систем: базовая структура, производительность, период синхронизации.

Параллелизм и конвейеризация имеют одинаковые цели – повышение производительности ВС, оба подхода предполагают достижение этой цели за счет “размножения” аппаратных средств (избыточности аппаратуры ВС), однако организация вычислительного процесса в них достаточно различается, чтобы оправдать их сравнение. Приведенная таблица отражает наиболее существенные различия между этими подходами.

6.Что такое центральный процессор, его состав и основные функции?

Процессор делится на 2 логических устройства: устройство исполнения (УИ) и шинный интерфейс (ШИ). УИ ответственно за выполнение инструкций, а ШИ – за доставку УИ данных и инструкций для обработки. УИ содержит АЛУ, УУ и регистры.

Основная функция ШИ – управление шиной, сегментными регистрами и очередью исполнения. ШИ управляет шинами, передающими данные в УИ, память и внешние устройства ввода/вывода. Сегментные регистры управляют адресацией памяти.

Еще одна функция ШИ – предоставлять доступ к инструкциям (командам программы). Поскольку инструкции исполняемой программы находятся в памяти, ШИ должен получить к ним доступ и поместить в очередь исполнения, размер которой меняется в зависимости от типа процессора и определяется размером кэша команд. Это позволяет ШИ предсказывать и загружать необходимые инструкции заранее, так что в очереди всегда есть инструкции, готовые к исполнению.

УИ и ШИ работают параллельно, и ШИ всегда на 1 шаг опережает УИ. УИ сообщает ШИ, когда ему необходим доступ к данным в памяти или к устройствам ввода/вывода. УИ также запрашивает инструкции для исполнения из очереди в ШИ. Самая верхняя инструкция – исполняемая в данный момент, а пока УИ занято выполнением данной инструкции, ШИ извлекает следующую инструкцию из памяти. Выполнение инструкций и их получение из памяти перекрываются по времени, за счет чего растет быстродействие процессора.

18.Сравнение конвейерной и параллельной организаций вычислительных систем: структура задач и организация памяти.

Параллелизм и конвейеризация имеют одинаковые цели – повышение производительности ВС, оба подхода предполагают достижение этой цели за счет “размножения” аппаратных средств (избыточности аппаратуры ВС), однако организация вычислительного процесса в них достаточно различается, чтобы оправдать их сравнение. Приведенная таблица отражает наиболее существенные различия между этими подходами.

19.Сравнение конвейерной и параллельной организаций вычислительных систем: факторы, ограничивающие производительность, и обеспечение надежности.

Параллелизм и конвейеризация имеют одинаковые цели – повышение производительности ВС, оба подхода предполагают достижение этой цели за счет “размножения” аппаратных средств (избыточности аппаратуры ВС), однако организация вычислительного процесса в них достаточно различается, чтобы оправдать их сравнение. Приведенная таблица отражает наиболее существенные различия между этими подходами.

Дата добавления: 2015-04-24