Компьютерные системы

Полувековая история развития вычислительной техники была связана с совершенствованием классической структуры компьютера, имеющей следующие отличительные признаки:

• ядро компьютера - процессор - единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью;
• линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;
• одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;
• внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;
• последовательное централизованное управление вычислениями;
• достаточно примитивные возможности устройства ввода-вывода.

Классическая структура компьютера уже сослужила добрую службу человечеству. В ходе эволюции она была дополнена целым рядом частных доработок, позволяющих ликвидировать наиболее "узкие места" и обеспечить максимальную производительность в рамках достигнутых технологий. Однако, несмотря на все успехи, классическая структура уже не обеспечивает возможностей дальнейшего наращивания производительности. Теория и практика построения компьютеров подошли к рубежам микроэлектроники, за которыми стоят множество практически неразре-шимых проблем в областях системотехники, дальнейшего наращивания частоты работы микросхем, программирования, компиляции и т.д.

Дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) ЭВМ. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.

С появлением в начале нового тысячелетия многоядерных микропроцессоров эра компьютеров классической структуры и связанных с ними последовательных вычислений заканчивается. На смену идут новые параллельные структуры с новыми принципами их построения. Они становятся экономически более выгодными. Будущее вычислительной техники - именно за этими системами.

Под вычислительной (компьютерной) системой (ВС) понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС:

• возможность работы в разных режимах;
• модульность структуры технических и программных средств, которая позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительные системы без коренных их переделок;
• унификация и стандартизация технических и программных решений;
• иерархия в организации управления процессами;
• способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;
• обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений.

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.

Большое разнообразие структур ВС затрудняет их изучение. Поэтому их классифицируют с учетом их обобщенных характеристик. С этой целью вводится понятие "архитектура системы".

Архитектура ВС - совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную организацию системы и затрагивающих в основном уровень параллельно работающих вычислителей. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования, наиболее существенные для пользователей, которых больше интересуют возможности систем, а не детали их технического исполнения. Поскольку ВС появились как системы параллельной обработки, рассмотрим классификацию архитектур именно c этой точки зрения.

Классификация архитектур была предложена М. Флинном (M. Flynn) в начале 60-хгг. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Классификация до настоящего времени еще не потеряла своего значения. Однако подчеркнем, что, как и любая классификация, она носит временный и условный характер. Своим долголетием она обязана тому, что оказалась справедливой для ВС, в которых вычислительные модули построены на принципах классической структуры ЭВМ. С появлением систем, ориентированных на потоки данных и использование ассоциативной обработки, эта классификация может быть некорректной.

Согласно данной классификации существует четыре основных архитектуры ВС, представленных на рис.13.4:

• одиночный поток команд - одиночный поток данных (ОКОД), в английском варианте Single Instruction Single Data (SISD) - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных (рис.13.4a);
• одиночный поток команд - множественный поток данных (ОКМД), или Single Instruction Multiple Data (SIMD) - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных (рис.13.4б);
• множественный поток команд - одиночный поток данных (МКОД), или Multiple Instruction Single Data (MISD) - множественный поток инструкций - одиночный поток данных (рис.13.4в);
• множественный поток команд - множественный поток данных (МКМД), или Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) - множественный поток инструкций - множественный поток данных (рис.13.4г).

Коротко рассмотрим отличительные особенности каждой из архитектур.

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, то есть варианты 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 вы-числительного процесса в этих структурах достаточно хорошо изучены.

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, т.е. 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.

Рис. 13.4. Архитектуры вычислительных систем: а) ОКОД (SISD) - архитектура; б) ОКМД (SIMD) - архитектура; в) МКОД (MISD) - архитектура; г) МКМД (MIMD) - архитектура

Эту схему использовали и используют все суперЭВМ без исключения, начиная с таких известных систем, как Cyber-205 и Gray различных модификаций. Узким местом подобных систем является необходимость изменения коммутации между процессорами, когда связь между ними отличается от матричной. Кроме того, задачи, допускающие широкий матричный параллелизм, составляют достаточно узкий класс задач. Структуры ВС этого типа по существу являются структурами специализированных суперЭВМ.

Архитектура МКОД предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Прототипом таких вычислений может служить схема любого производственного конвейера. В современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, в которой различные функциональные блоки работают параллельно, и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки команды.

В ВС этого типа конвейер должны образовывать группы процессоров. Однако при переходе на системный уровень очень трудно выявить подобный регулярный характер в универсальных вычислениях. Кроме того, на практике нельзя обеспечить и "большую длину" такого конвейера, при которой достигается наивысший эффект. Вместе с тем конвейерная схема нашла применение в так называемых скалярных процессорах суперЭВМ - они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.

Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают с различными программами и с индивидуальным набором данных. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется во многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра.

Наибольший интерес представляет организация согласованной работы процессоров системы, когда каждый элемент делает часть общей программы. Общая теоретическая база такого вида работ пока только создается. Но можно привести примеры большой эффективности этой модели вычислений. Подобные системы могут быть многомашинными и многопроцессорными. Переход на многоядерные микропроцессоры позволяет создавать мощные центры параллельной обработки, имеющие в своем составе тысячи процессоров. Проектировщики компьютерных систем сосредотачивают свои усилия на разработках разноплановых структур ВС (сосредоточенных и распределенных систем) именно в архитектуре МКМД.

Лекция 14