Охрана труда подростков (СТ. 272 ТК)

Классификация вычислительных систем по типу строения памяти

Классификация по степени однородности

Классификация по типу коммуникационной сети.

Классификация по типу строения оперативной памяти.

Классификация Флина.

Производительность параллельных вычислительных систем

Многопроцессорные системы (МIMD системы). Вычислительные кластеры

Многопроцессорные системы (МIMD системы)

Векторно-конвейерные алгоритмы и векторно-параллельные (SIMD системы)

Классификация параллельных вычислительных систем

АРХИТЕКТУРА ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

ЛЕКЦИЯ 1. Основные классы параллельных вычислительных систем

1. Под архитектурой вычислительной системы понимаются абстрактное представление ЭВМ с точки зрения программиста. Полное описание архитектуры системы включает в себя:

· основные форматы представления данных;

· способы адресации данных в программе;

· состав аппаратных средств вычислительной машины, характеристики этих средств, принципы организации вычислительного процесса.

В курсе рассматриваются только последние аспекты архитектуры вычислительной системы.

Структуру вычислительной системы можно определить как совокупность аппаратных средств ЭВМ с указанием основных связей между ними.

Имеется много различных классификаций вычислительных систем. Рассмотрим наиболее часто используемые классификации.

Наибольшее распространение получила классификация вычислительных систем, предложенная в 1966 г. профессором Стенфордского университета М.Д.Флином (M.J.Flynn) - классификация Флина. Эта классификация охватывает только два классификационных признака – тип потока команд и тип потока данных (см. Рис.1, 2).

Рис. 1. К классификации Флина. Классификация по типу потока команд.

В одиночном потоке команд в один момент времени может выполняться только одна команда. В этом случае эта единственная команда определяет в данный момент времени работу всех или, по крайней мере, многих устройств вычислительной системы.

Во множественном потоке команд в один момент времени может выполняться много команд. В этом случае каждая из таких команд определяет в данный момент времени работу только одного или лишь нескольких (но не всех) устройств вычислительной системы.

В одиночном потоке последовательно выполняются отдельные команды, во множественном потоке – группы команд.

Рис. 2. К классификации Флина. Классификация по типу потока данных.

Одиночный поток данных обязательно предполагает наличие в вычислительной системе только одного устройства оперативной памяти и одного процессора. Однако при этом процессор может быть как угодно сложным, так что процесс обработки каждой единицы информации в потоке может требовать выполнения многих команд.

Множественный поток данных состоит из многих зависимых или независимых одиночных потоков данных.

В соответствии со сказанным, все вычислительные системы делятся на четыре типа:

· SISD (ОКОД);

· MISD (МКОД);

· SIMD (ОКМД);

· MIMD (МКМД).

Вычислительная система SISD представляет собой классическую однопроцессорную ЭВМ фон-неймановской архитектуры.

На вычислительную системы MISD существуют различные точки зрения. По одно них – за всю историю развития вычислительной техники системы MISD не были созданы. По другой точке зрения (менее распространенной, чем первая) к MISD-системам относятся векторно-конвейерные вычислительные системы. Мы будем придерживаться первой точки зрения.

Вычислительная система SIMD содержит много процессоров, которые синхронно (как правило) выполняют одну и ту же команду над разными данными. Системы SIMD делятся на два больших класса:

· векторно-конвейерные вычислительные системы;

· векторно-параллельные вычислительные системы или матричные вычислительные системы.

Вычислительная система MIMD содержит много процессоров, которые (как правило, асинхронно) выполняют разные команды над разными данными. Подавляющее большинство современных суперЭВМ имеют архитектуру MIMD (по крайней мере, на верхнем уровне иерархии). Системы MIMD часто называют многопроцессорными системами. Детально классификация этих систем рассмотрена в параграфе 3.

Рассмотренная классификации Флина позволяет по принадлежности компьютера к классу SIMD или MIMD сделать сразу понятным базовый принцип его работы. Часто этого бывает достаточно. Недостатком классификации Флина является "переполненность" класс MIMD.

По типу строения оперативной памяти системы разделяются на системы с общей (разделяемой) памятью, системы с распределенной памятью и системы с физически распределенной, а логически общедоступной памятью (гибридные системы).

В вычислительных системах с общей памятью (Common Memory Systems или Shared Memory Systems) значение, записанное в память одним из процессоров, напрямую доступно для другого процессора. Общая память обычно имеет высокую пропускную способность памяти (bandwidth) и низкую латентность памяти (latency) при передачи информации между процессорами, но при условии, что не происходит одновременного обращения нескольких процессоров к одному и тому же элементу памяти. К общей памяти доступ разных процессорами системы осуществляется, как правило, за одинаковое время. Поэтому такая память называется еще UMA-памятью (Unified Memory Access) — памятью с одинаковым временем доступа. Система с такой памятью носит название вычислительной системы с одинаковым временем доступа к памяти. Системы с общей памятью называются также сильносвязанными вычислительными системами.

В вычислительных системах с распределенной памятью (Distributed Memory Systems) каждый процессор имеет свою локальную память с локальным адресным пространством. Для систем с распределенной памятью характерно наличие большого числа быстрых каналов, которые связывают отдельные части этой памяти с отдельными процессорами. Обмен информацией между частями распределенной памяти осуществляется обычно относительно медленно. Системы с распределенной памятью называются также слабосвязанными вычислительными системами.

Вычислительные системы с гибридной памятью - (Non-Uniform Memory Access Systems) имеют память, которая физически распределена по различным частям системы, но логически разделяема (образует единое адресное пространство). Такая память называется еще логически общей (разделяемой) памятью (logically shared memory). В отличие от UMA-систем, в NUMA-системах время доступа к различным частям оперативной памяти различно.

Заметим, что память современных параллельных систем является многоуровневой, иерархической, что порождает проблему ее когерентности.

Классификация параллельных вычислительных систем по типу коммуникационной сети рассмотрена в следующем параграфе. Заметим лишь, что по количеству уровней иерархии коммуникационной среды различают системы с одноуровневой коммутационной сетью (один уровень коммутации) и системы с иерархической коммутационной сетью (когда группы процессоров объединены с помощью одной системы коммутации, а внутри каждой группы используется другая).

По степени однородности различают однородные (гомогенные) и неоднородные (гетерогенные) вычислительные системы. Обычно при этом имеется в виду тип используемых процессоров.

В однородных вычислительных системах (гомогенных вычислительных системах) используются одинаковые процессоры, в неоднородных вычислительных системах (гетерогенных вычислительных системах) – процессоры различных типов. Вычислительная система, содержащая какой-либо специализированный вычислитель (например, Фурье-процессор), относится к классу неоднородных вычислительных систем.

В настоящее время большинство высокопроизводительных систем относятся к классу однородных систем с общей памятью или к классу однородных систем с распределенной памятью.

Рассмотренные классификационные признаки параллельных вычислительных систем не исчерпывают всех возможных их характеристик. Существует, например, еще разделение систем по степени согласованности режимов работы (синхронные и асинхронные вычислительные системы), по способу обработки (с пословной обработкой и ассоциативные вычислительные системы), по жесткости структуры (системы с фиксированной структурой и системы с перестраиваемой структурой), по управляющему потоку (системы потока команд -instruction flow и системы потока данных — data flow) и т.п.

Современные высокопроизводительные системы имеют, как правило, иерархическую структуру. Например, на верхнем уровне иерархии система относится к классу MIMD, каждый процессор которой представляет собой систему MIMD или систему SIMD.

Отметим также тенденцию к построению распределенных систем с программируемой структурой. В таких системах нет общего ресурса, отказ которого приводил бы к отказу системы в целом – средства управления, обработки и хранения информации распределены по составным частям системы. Такие системы обладают способностью автоматически реконфигурироваться в случае выхода из строя отдельных их частей. Средства реконфигурирования позволяют также программно перестроить систему с целью повышения эффективности решения на этой системе данной задачи или класса задач.

Перечислите классификационные признаки, используемые в классификации вычислительных систем Флина, а также типы вычислительных систем по этой классификации.

Ответ

Классификации Флина охватывает только два классификационных признака – тип потока команд и тип потока данных.

В одиночном потоке команд в один момент времени может выполняться только одна команда. В этом случае эта единственная команда определяет в данный момент времени работу всех или, по крайней мере, многих устройств вычислительной системы.

Во множественном потоке команд в один момент времени может выполняться много команд. В этом случае каждая из таких команд определяет в данный момент времени работу только одного или лишь нескольких (но не всех) устройств вычислительной системы.

Одиночный поток данных обязательно предполагает наличие в вычислительной системе только одного устройства оперативной памяти и одного процессора. Однако при этом процессор может быть как угодно сложным, так что процесс обработки каждой единицы информации в потоке может требовать выполнения многих команд.

Множественный поток данных состоит из многих зависимых или независимых одиночных потоков данных.

В соответствии с классификацией Флина различают следующие четыре класса вычислительных система: SISD (ОКОД); MISD (МКОД); SIMD (ОКМД); MIMD(МКМД).

SISD-система представляет собой классическую однопроцессорную ЭВМ фон неймановской архитектуры.

На MISD-систему существуют различные точки зрения. По одно них – за всю историю развития вычислительной техники MISD-системы не были созданы. По другой точке зрения (менее распространенной, чем первая) к MISD-системам относятся векторно-конвейерные вычислительные системы.

SIMD-система содержит много процессоров, которые синхронно (как правило) выполняют одну и ту же команду над разными данными. SIMD-системы делятся на два больших класса: векторно-конвейерные вычислительные системы; векторно-параллельные вычислительные системы.

MIMD-система содержит много процессоров, которые (как правило, асинхронно) выполняют разные команды над разными данными. Подавляющее большинство современных суперЭВМ имеют архитектуру MIMD (по крайней мере, на верхнем уровне иерархии). MIMD-системы часто называют многопроцессорными системами.

Назовите три основных класса параллельных вычислительных систем в зависимости от типа строения их оперативной памяти.

Ответ

По типу строения оперативной памяти системы разделяются на следующие классы: вычислительные системы с общей памятью; вычислительные системы с распределенной памятью; системы с физически распределенной, а логически общедоступной памятью (гибридные системы).

1) В вычислительных системах с общей памятью (Common Memory Systems или Shared Memory Systems) значение, записанное в память одним из процессоров, напрямую доступно для другого процессора. Общая память обычно имеет высокую пропускную способность памяти (bandwidth) и низкую латентность памяти (latency) при передачи информации между процессорами, но при условии, что не происходит одновременного обращения нескольких процессоров к одному и тому же элементу памяти. К общей памяти доступ разных процессорами системы осуществляется, как правило, за одинаковое время. Поэтому такая память называется еще UMA–память (Unified Memory Access) — памятью с одинаковым временем доступа. Системы с такой памятью называются UMA-системами. Системы с общей памятью называются также сильносвязанными системами. Вычислительные системы с общей памятью Вычислительные системы с общей памятью называются мультипроцессорными вычислительными системами или мультипроцессорами.

2) В системах с распределенной памятью (Distributed Memory Systems) каждый процессор имеет свою локальную память с локальным адресным пространством. Для систем с распределенной памятью характерно наличие большого числа быстрых каналов, которые связывают отдельные части этой памяти с отдельными процессорами. Обмен информацией между частями распределенной памяти осуществляется обычно относительно медленно. Системы с распределенной памятью называются также слабосвязанными системами. Вычислительные системы с распределенной памятью называются мультикомпьютерными вычислительными системами или мультикомпьютерами.

3) Системы с гибридной памятью - NUMA-системы (Non-Uniform Memory Access Systems) имеют память, которая физически распределена по различным частям системы, но логически разделяема (образует единое адресное пространство). Такая память называется еще логически общей (разделяемой) памятью (logically shared memory). В отличие от UMA-систем, в NUMA-системах время доступа к различным частям оперативной памяти различно.

1) не допускается заключе­ние трудового договора с лицами моложе 16 лет;

2) заключить трудовой договор с лицами, достигшими 14 лет, но только с письменного согласия одного из родителей (усыновителей, попечителей), если труд носит легкий характер, осуществляется в свободное от учебы время, не причиняет вреда здоровью и не наносит ущерба посещаемости занятий;

3) несовершеннолетние приравниваются в правах к совершенно­летним, а в области охраны труда, рабочего времени, отпусков и не­которых других условий труда пользуются льготами;

4) ежегодный отпуск предоставляется до истечения шести месяцев непре­рывной работы в летнее время или, по их желанию, в любое другое время года продолжительностью не менее одного календарного месяца;

5) принимаются на работу лишь после предварительного медицинского осмотра и в дальней­шем, до достижения восемнадцати лет, ежегодно подлежат обяза­тельному медицинскому осмотру;

6) Выпускникам государственных высших, средних специальных и профессионально-технических учебных заведений, а также военно­служащим срочной службы, уволенным из Вооруженных Сил РБ, га­рантируется предоставление первого рабочего места;

7) несовершеннолетним за­прещается в соответствии со ст. 274 ТК применение их труда:

- на тяже­лых работах;

- на работах с вредными и опасными условиями труда;

- в ночное время;

- сверхурочно;

- в государственные праздники и выходные и праздничные дни;

8) Заработная плата несовершеннолетним, несмотря на сокра­щенную продолжительность рабочего времени, выплачивается в та­ком же размере, как работникам соответствующих категорий при пол­ной продолжительности ежедневной работы.