Архитектура вычислительных систем

Архитектура ВС - совокупность характеристик и параметров, опре­деляющих функционально-логическую и структурную организацию системы и затрагивающий в основном уровень параллельно работающих вычислителей (По Пятибратову).

Классификация архитектур была предложена М. Флинном (М. Flynn) в начале 60-х гг. XX в. В основу такой классификации заложено два возможных вида параллелизма:

· независимость потоков заданий (команд),существующих в системе,

· независимость (несвязанность) данных, об­рабатываемых в каждом потоке.

С появлением систем, ориентирован­ных на потоки данных и использование ассоциативной обработки, данная классификация может быть некорректной. Но она является справедливой для ВС, в которых вычислительные модули построены на принципах классической структуры ЭВМ:

· ОКОД - одиночный поток команд - одиночный поток данных (SISD - Single Instruction Single Data -одиноч­ный поток инструкций - одиночный поток данных)(Слайд 7);

· ОКМД - одиночный поток команд - множественный поток данных (SIMD- Single Instruction Multiple Data - одиночный поток инструкций - множественный поток данных) (Слайд 8);

Архитектура МКОДпредполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки переда­ются от одного процессора к другому по цепочке. В современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, в которой параллельно работают различные функциональные блоки, 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 для универсальных вычислений это практически неприменимо. Кроме того, на практике трудно обеспечить и такую большую длину конвейера, при которой достигается наивысший эффект. Конвейерная схема нашла применение в так называемых скаляр­ных процессорах суперЭВМ, в которых они применяются как специ­альные процессоры для поддержки векторной обработки.

Архитектура МКМДпредполагает, 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.

МКМД - архитектура является наиболее перспективной для вычислительных систем. Ей присущи все перечисленные виды параллелизма. Этот класс дает большое разнообразие структур, сильно отличающихся друг от друга своими характеристиками (Слайд 11).

Важную роль здесь играют способы взаимодействия компьютеров или процессоров в системе. В сильно связанных системахс мно­гопроцессорной организацией достигает­ся высокая оперативность взаимодействия процессоров посредством общей оперативной памяти. Наиболее простыми по строению и организации функционирования являются однородныеи симметричныеструктуры. Они обеспечивают простоту подключения процессо­ров и не требуют очень сложных централизованных операционных систем.

Появление мощных микропроцессоров типа Pentium привело к созданию многопроцессорных систем на их осно­ве. Так, для включения мощных серверов в локальные сети персональных компьютеров была предложена несколько измененная структура использования общей оперативной памяти (ООП) - мультипроцессирование с разделением памяти (Shared Memory multiprocessing - SMP). На общей шине оперативной памяти можно комплексировать несколько микропроцессоров (Слайд 6).

Слабосвязанные МКМД - системымогут строиться как многома­шинные комплексы или использовать в качестве средств передачи информации общее поле внешней памяти на дисковых накопителях большой емкости.

Если каждый процессор системы имеет собственную память, то он также будет сохранять известную автономию в вычислениях. Именно такие ВС наиболее перспективны и получили название систем с массовым параллелизмом (Mass-ParallelProcessing - МРР).

Передача данных в МРР- системах предполагает обмен не отдель­ными данными под централизованным управлением, а подготовлен­ными процессами (программами вместе с данными). Этот принцип по­строения вычислений уже не соответствует принципам программного управления классической ЭВМ. Передача данных процесса по его го­товности соответствует принципам построения «потоковых машин» (машин, управляемых потоками данных). Подобный подход позволяет строить системы с громадной производительностью и реализовывать проекты с любыми видами параллелизма.