97. Классификация и архитектурные особенности
вычислительных систем
Классификация и архитектурные особенности вычислительных
систем
Система (от греческого systema — целое,
составленное из частей соединение) — это совокупность элементов,
взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство.
Вычислительная система — это совокупность одного
или нескольких компьютеров или процессоров, программного обеспечения и
периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения
информационно-вычислительных процессов.
Вычислительная машина, счётная машина —
механизм, электромеханическое или электронное устройство, предназначенное для
автоматического выполнения математических операций.
Электронная вычислительная машина (ЭВМ),
компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической
обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
Характеристика основных направлений развития вычислительных
машин. Отличительные особенности вычислительных систем.
Первые компьютеры (автоматические электронные вычислительные
машины с программным управлением) были созданы в конце 40-х годов XX века и
представляли собой гигантские вычислительные монстры, использовавшиеся только
для вычислительной обработки информации. По мере развития компьютеры существенно
уменьшились в размерах, но обросли дополнительным оборудованием, необходимым для
их эффективного использования. В 70-х годах компьютеры из вычислительных машин
сначала превратились в вычислительные системы, а затем в
информационно-вычислительные системы.
Основным направлением совершенствования ЭВМ является
неуклонный рост производительности (быстродействия) и интеллектуальности
вычислительных средств.
Наиболее перспективным и динамичным направлением увеличения
скорости решения прикладных задач является широкое внедрение идей параллелизма в
работу вычислительных систем (ВС).
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 ЭВМ.
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.
Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является
наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку.
Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС:
• возможность работы в разных режимах;
• модульность структуры технических и программных средств, что
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
По назначению ВС делят на
• универсальные,
•
проблемно-ориентированные
•
специализированные.
Универсальные предназначаются для решения широкого
класса задач. Проблемно-ориентированные используются для решения
определенного круга задач в сравнительно узкой сфере. Специализированные
ориентированы на решение узкого класса задач
По типу ВС различаются на
• многомашинные
•
многопроцессорные.
Вычислительная система может строиться на базе либо целых
компьютеров (многомашинная ВС), либо на базе отдельных процессоров
(многопроцессорная ВС).
По типу ЭВМ или процессоров различают
• однородные –
строятся на базе однотипных компьютеров или процессоров.
• неоднородные
системы – включает в свой состав различные типы компьютеров или процессоров.
Территориально ВС делятся на:
• сосредоточенные
(все компоненты располагаются в непосредственной близости друг от друга);
• распределенные
(компоненты могут располагаться на значительном расстоянии, например,
вычислительные сети);
По методам управления элементами ВС различают
• централизованные,
•
децентрализованные
• со смешанным
управлением.
В первом случае управление выполняет выделенный компьютер или
процессор, во втором – эти компоненты равноправны и могут брать управления на
себя.
В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры
централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций
осуществляется в ходе вычислительного процесса исходя из сложившейся ситуации.
По принципу закрепления вычислительных функций
за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим
закреплением функций.
По режиму работы ВС различают системы, работающие в
• оперативном
• неоперативном
временных режимах.
Оперативные системы работают в реальном масштабе
времени, в них реализуется оперативный режим обмена информацией – ответы на
запросы поступают незамедлительно. В неоперативных ВС допускается режим
“задержанного ответа”, когда результаты выполнения запроса можно получить с
некоторой задержкой (иногда даже в следующем сеансе работы системы).
Кроме этого, ВС могут быть структурно
• одноуровневыми
(имеется лишь один общий уровень обработки данных);
• Многоуровневыми
(иерархическими) структурами. В иерархических ВС машины или процессоры
распределены по разным уровням обработки информации, некоторые машины
(процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций.
Структура вычислительной системы.
Структура ВС - это совокупность комплексируемых
элементов и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные ЭВМ и
процессоры.
Упрощенная схема вычислительного процесса может быть описана
следующим образом.
По указанию устройства управления (УУ) управляющая
информационная (команда) считывает из запоминающего устройства, передается в УУ
и расшифровывается. Она определяет, какая операция и над какими данными должна
выполняться в АЛУ. Получив соответствующие указания и адреса, запоминающее
устройство выдает требуемые числа в АЛУ, где они преобразуются. Результаты
обработки пересылаются в ОЗУ на хранение. Окончательная результатная информация
из ОЗУ с помощью устройств вывода поступает на дисплей, печатающее устройство
или на машинный носитель.
Вычислительные системы имеют многоуровневую информационную
организацию.
На I уровне системы располагаются ЦП, в состав
которых входят АЛУ, центральные устройства управления и
внутренняя память процессоров (иногда сверхоперативная память СОП).
Процессоров может быть несколько. Они могут быть универсальными и
специализированными и отличаться своими функциональными возможностями. На этом
же уровне находятся модули ОЗУ.
Арифметико-логическое устройство - это блок ЭВМ, в котором
происходит преобразование данных по командам программы: арифметические действия
над числами, преобразование кодов и др.
Управляющее устройство координирует работу всех блоков
компьютера.
II уровень составляют процессоры ввода-вывода
(каналы ввода - вывода), которые предназначены для выполнения операций ввода –
вывода и обеспечивают все двусторонние связи между ОП и процессором, с одной
стороны, и множеством различных периферийных устройств – с другой. Каналы ввода
– вывода позволяют осуществлять параллельную работу высокоскоростного ЦП и
сравнительно медленно действующих устройств ввода – вывода с различными
техническими характеристиками. Благодаря такому построению исключает «жесткое»
подключение периферийных устройств к ЦП. Канал ввода–вывода представляет собой
самостоятельное в логическом отношении устройство, работающее по собственной
программе, хранимой в памяти машины.
На III уровне находятся интерфейс ввода – вывода
(устройство сопряжения) и устройство управления внешними устройствами
(УУВУ).
Связь ЦП с внешними устройствами как через селекторный, так и
через мультиплексный каналы выполняется по универсальному стандартному принципу,
заключающемуся в наличии определенного набора сигналов и одной и той же
временной диаграммы взаимодействия для всех внешних устройств независимо от их
типа. Благодаря наличию стандартного сопряжения последовательность управляющих
сигналов одинакова для всех устройств, связанных с одним каналом.
IV уровень составляет периферийные устройства.
К ним относятся внешние запоминающие устройства(ВЗУ)
и устройства ввода-вывода.
В современных вычислительных системах можно выделить V
уровень, который составляют абонентские пункты, аппаратура передачи данных и
каналы связи. Этот уровень необходим при использовании ВС в системах
распределенной обработки данных, вычислительных центрах коллективного
пользования, вычислительных сетях.
В описанной многоуровневой структуре реализуется классическая
фон- неймановская организация ВС и предполагает последовательную обработку
информации по заранее составленной программе.
Архитектура вычислительных систем. Классификация архитектур
вычислительных систем.
Архитектура системы – совокупность свойств
системы, существенных для пользования.
Архитектурой компьютера называется его описание
на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей
программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д.
Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное
соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ,
внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров
обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.
Наиболее распространены следующие архитектурные решения.
Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) —
одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток
данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд —
программа. Это однопроцессорный компьютер. К этому типу
архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной.
Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также
системной магистралью.
Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с
гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали
разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.
Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к
аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления
периферийными устройствами.
Контроллер — устройство, которое связывает периферийное
оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от
непосредственного управления функционированием данного оборудования.
Многопроцессорная архитектура. Наличие в
компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть
организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом,
параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.
Многомашинная вычислительная система. Здесь
несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей
оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в
многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система
применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной
системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную
структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько
компьютеров в системе.
Преимущество в быстродействии многопроцессорных и
многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.
Архитектура с параллельными процессорами. Здесь
несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество
данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку
команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на
задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно
на различных однотипных наборах данных.
Самой ранней и наиболее известной является классификация
архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном.
Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается
последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На
основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса
архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.
SISD (single instruction stream / single data
stream) - одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу
относятся, прежде всего, классические последовательные машины, или иначе, машины
фон-неймановского типа, например, PDP-11 или VAX 11/780. В таких машинах есть
только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за
другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. Не
имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости
выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка - как
машина CDC 6600 со скалярными функциональными устройствами, так и CDC 7600 с
конвейерными попадают в этот класс.
SIMD (single instruction stream / multiple
data stream) - одиночный поток команд и множественный поток данных. В
архитектурах подобного рода сохраняется один поток команд, включающий, в отличие
от предыдущего класса, векторные команды. Это позволяет выполнять одну
арифметическую операцию сразу над многими данными - элементами вектора. Способ
выполнения векторных операций не оговаривается, поэтому обработка элементов
вектора может производится либо процессорной матрицей, как в ILLIAC IV, либо с
помощью конвейера, как, например, в машине CRAY-1.
MISD (multiple instruction stream / single
data stream) - множественный поток команд и одиночный поток данных. Определение
подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и
тот же поток данных. Однако ни Флинн, ни другие специалисты в области
архитектуры компьютеров до сих пор не смогли представить убедительный пример
реально существующей вычислительной системы, построенной на данном принципе. Ряд
исследователей относят конвейерные машины к данному классу, однако это не нашло
окончательного признания в научном сообществе. Будем считать, что пока данный
класс пуст.
MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) - множественный поток команд и множественный поток данных. Этот класс предполагает, что в вычислительной системе есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком команд и данных.
