Мета роботи: вивчити основну класифікацію комп’ютерних систем (кс), а також ознайомитись з іншими існуючими класифікаціями кс.

 

Теоретичні відомості:

Велика різноманітність обчислювальних систем, породила безліч класифікацій. Одна з перших класифікацій, посилання на яку найбільше часто зустрічаються в літературі, була запропонована М.Фліном наприкінці 60- х років минулого століття. Вона базується на поняттях двох потоків: команд і даних. На основі числа цих потоків виділяється чотири класи архітектур:

· SISD (Single Instruction Single Data) – єдиний потік команд і єдиний потік даних. У загальному випадку, це класична машина Фон-Неймана. До цього класу відносять усі однопроцесорні системи.

· SIMD (Single Instruction Multiple Data) – єдиний потік команд і множинний потік даних. Представниками є матричні комп'ютери, у яких усі процесорні елементи виконують ту саму програму, застосовувану до своїх, різним для кожного процесорного елементу, локальним даним. Деякі автори до цього класу відносять і векторно-конвеєрні комп'ютери, якщо кожний елемент вектора розглядати як окремий елемент потоку даних.

· MISD (Multiple Instruction Single Date) – множинний потік команд і єдиний потік даних. М. Флін не зміг привести жодного прикладу реально існуючої системи, що працює на цьому принципі. Деякі автори як представники такої архітектури називають векторно-конвеєрні комп'ютери, однак така точка зору не одержала широкої підтримки.

· MIMD (Multiple Instruction Multiple Date) – множинний потік команд і множинний потік даних. До цього класу ставляться практично всі сучасні багатопроцесорні системи.

Тип архітектури SISD — "один потік команд — один потік даних", умовно зображено на рисунку 1.1.

В ЕОМ класичної архітектури ведеться послідовна обробка команд і даних. Команди надходять одна за іншою, за винятком крапок розгалуження програми, і для них з ОЗП або регістрів так само послідовно надходять операнди. Однієї команді або операції, відповідає один необхідний їй набір операндів, і як правило, два для бінарних операцій.

Рисунок 1.1 Комп’ютерна система типу SISD

 

Тип архітектури SIMD — "один потік команд — багато потоків даних" зображено на рисунку 1.2.

Рисунок 1.2. Комп’ютерна система типу SIMD

ПЕ – процесорний елемент.

У комп'ютерних системах даного типу, однією командою обробляється набір даних, множина даних, вектор, і виробляється безліч результатів. Це векторні й матричні системи, у яких по одній команді виконується одна й та сама операція над усіма елементами масиву — вектора або матриці, розподіленими між процесорними елементами або процесорами.

До типу MISD — «багато потоків команд — один потік даних» відносять векторний конвеєр, звичайно в складі обчислювальної системи, щоб підкреслити основний використовуваний принцип обчислень. На векторному конвеєрі виробляється послідовна обробка одного потоку даних багатьма обробними пристроями, станціями конвеєра. Принцип роботи показано на рисунку 1.3 (ПУ – пристрій управління).

Рисунок 1.3. Комп’ютерна система типу MISD

 

Також існують наступні класифікації:

· Доповнення до класифікації Фліна Ванга и Брігса: конкретизація класів SISD, SIMD, MIMD.

· Класифікація Енслоу;

· Класифікація Фенга: дві прості чисельні характеристики паралелізму, послівний і поразрядний паралелізм

· Класифікація Шора: шість «типових архітектур» обчислювальних систем.

· Класифікація Хендлера: кількісний опис паралелізму на трьох різних рівнях обробки даних, виконання програми, виконання команд, обробка бітів.

· Класифікація Хокні: конкретизація класу MIMD.

· Класифікація Шнайдера: конкретизація класа SIMD, основна ідея - виділення етапів вибірки й безпосередньо виконання в потоках команд і даних.

· Класифікація Джонсона: чотири класа MIMD-комп’ютерів, комп'ютери із загальною або розподіленою пам'яттю, запрограмовані за допомогою передачі повідомлень або поділюваних змінних.

· Класифікація Базу: послідовність рішень, прийнятих на етапі проектування архітектури.

· Класифікація Кришнамарфі: чотири якісні характеристики паралелізму, ступінь гранулярності паралелізму, спосіб реалізації, топологія й природа зв'язку процесорів, спосіб керування процесорами.

· Класифікація Скілікорна: опис архітектури комп'ютера як абстрактної структури, що складається з компонентів 4 типів (процесор команд, процесор даних, ієрархія пам'яті, комутатор).

· Класифікація Дазгупти: побудова схем архітектур із семи базових понять.

· Класифікація Дункана.

 

Хід роботи:

1. В залежності від варіанта, зобразите графічно принцип роботи комп'ютерної системи.

2. Складіть таблицю, порівняльних характеристик, комп’ютерної системи, які дані у вашому варіанті.

3. Внесіть у протокол лабораторної роботи структурну схему комп’ютерної системи і зрівняльну характеристику. Поясніть, різницю у продуктивності двох систем.

 

Таблиця 1.1

№ варіанта	Тип комп’ютерної системи	Комп’ютерна система для зрівняльної характеристики
	Класифікація Фенга	Класифікація Фліна SISD
	Класифікація Дункана.	Класифікація Фліна MISD
	Класифікація Дазгупти	Класифікація Фліна SIMD
	Класифікація Скілікорна	Класифікація Фліна SISD
	Класифікація Кришнамарфі	Класифікація Фліна MISD
	Класифікація Базу	Класифікація Фліна SIMD
	Класифікація Хендлера	Класифікація Фліна SISD
	Класифікація Хокні	Класифікація Фліна MISD
	Класифікація Шора	Класифікація Фліна SIMD
	Класифікація Шнайдера	Класифікація Фліна SISD
	Класифікація Енслоу	Класифікація Фліна SIMD
	Класифікація Джонсона	Класифікація Фліна MISD

 

Контрольні запитання:

1. Що називається комп’ютерною системою?

2. По яким ознакам класифікуються комп’ютерні системи?

3. Що таке комп’ютер в Фон-Неймоновському розумінні?

4. Поясніть принцип роботи системи MIMD.

5. Поясніть принцип роботи системи SIMD.

6. Поясніть принцип роботи системи SISD.

7. Поясніть принцип роботи системи MISD.

8. Які ще класифікації, окрім класифікації Фліна ви знаєте?

9. Чому класифікацію Фліна необхідно було доповнити?

10. Дайте визначення вектору даних.

11. Поясніть поняття «потік команд» і «потік даних».

12. До якої класифікації, відносять існуючі однопроцесорні системи?

 

Лабораторна робота №2. Вивчення архітектури комп'ютерних систем

Мета роботи: Засвоїти архітектуру комп'ютерних систем. Вивчити відмінні риси архітектур комп'ютерних систем.

Теоретичні відомості:

Класифікація комп'ютерних систем визначається набором ознак, які характеризують внутрішні параметри об'єктів класифікації. При цьому вибираються найбільш важливі ознаки, що визначають зовнішні параметри цих об'єктів.

У тому випадку, коли об'єктами класифікації є комп'ютерні системи, завдання класифікації ускладнюється через різноманіття областей застосування комп'ютерних систем і, отже, різноманіття їх видів, оскільки комп'ютерні системи є спеціалізованими відповідно до класу розв'язуваних завдань.

Є два фактори, які треба брати до уваги, які б види комп'ютерних систем не розглядалися:

· які завдання повинні вирішуватися за допомогою комп'ютерних систем;

· які знадобляться обчислювальні засоби і як вони повинні бути взаємозалежні, щоб необхідні завдання можна було вирішити за заданий час (або в іншій постановці – визначається час, необхідний для рішення необхідних завдань на обраних обчислювальних засобах).

Розв'язувані завдання досить умовно можна розділити по характеру взаємодії між частинами завдання, на: сильно зв'язані й з ослабленими зв'язками.

Обчислювальні засоби, призначені для рішення відзначених вище завдань, назвемо відповідно:

· багатопроцесорними обчислювальними системами (БПОС);

· багатомашинними обчислювальними системами (БМОС).

Склад обчислювальних засобів і зв'язки між цими засобами – це основні класифікаційні ознаки, що характеризують будь-яку технічну структуру, у тому числі й комп’ютерні системи, оскільки комп’ютерна система є технічною структурою.

Класифікація комп’ютерних систем, по основних ознаках, що характеризують структуру цих технічних об'єктів, наведено в таблиці 2.1. У таблицю включені додаткові ознаки, що відбивають особливості організації пам'яті, передачі даних, керування й конструктивної реалізації комп’ютерної системи.

Таблиця 2.1

Класифікація комп’ютерних систем

Признак класифікації	Багатопроцесорна комп’ютерна система	Багатомашина комп’ютерна система
Состав структури	CP*, PM, ОM, ЗM, I/O, SW	МО (ЕОМ), ЗM, I/O, SW
Вид зв'язку між елементами структури	Матричний SW, багатоступінчастий SW, спільна шина	Шинні або лінкові.
Організація пам'яті	Загальна пам'ять	Розподілена пам'ять
Спосіб передачі даних	Паралельний (сильний зв'язок)	Паралельно-послідовний (ослаблений зв'язок)
Приймач переданих даних	–	Кеш- пам'ять чи Оперативна пам'ять
Ініціатор передачі даних	–	Процес-послідовник або процес-попередник
Операційна система, управління	Загальна, централізоване	Копії ОС і загальна надбудова. Змішане
Просторове розміщення елементів структури	На одній платі або в одному блоці	В одному блоці, в одній стійці і т.д. (в одному приміщенні)

 

У таблиці 2.1, використовуються скорочення: CP – центральний процесор, якій не містить кеш-пам'яті СМ; PM – процесорний модуль, тобто CP+СМ, при цьому СМ може бути дворівневої; ОM – оперативна пам'ять, яка може складатися з одного або декількох модулів ММ (2, 4, 8 …); ММ – модуль оперативної пам'яті, який являє собою секціонірованну пам'ять із числом секцій, рівним числу слів у блоці СМ (звичайно 4), ЗМ – зовнішня пам'ять на магнітних або оптичних носіях інформації; I/O – пристрою уведення /висновку; SW – комутатор, тобто сукупність засобів, що забезпечують взаємодію між елементами структури. До складу SW крім ключових елементів входить пристрій керування, що виконує функції маршрутизації, арбітражу й т.п., МО – модуль обчислювання (це ЕОМ).

Образ єдиної комп’ютерної системи, підтримується сукупністю як апаратних, так і програмних засобів (операційною системою). Однак класифікація, що приводиться, орієнтована головним чином на організацію апаратних засобів.

 

Схема класифікації комп’ютерних систем, приведена на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1 Схема класифікації комп’ютерних систем

Багатопроцесорні комп’ютерні системи характеризуються сильними зв'язками й загальною пам'яттю. Особливістю таких систем є те, що час обігу будь-якого процесора до пам'яті однакове. Робота систем, характеризується також абревіатурою SMP (Symmetrical Multiprocessor Processing) – однорідна (симетрична) багатопроцесорна обробка, яка досягається за рахунок циклічної зміни пріоритетів процесорів.

Багатомашинні комп’ютерні системи, характеризуються ослабленими зв'язками й розподіленою пам'яттю. Зв'язки в таких системах, можуть бути у вигляді шин або у вигляді лінків, тобто двох груп ліній, по яких сигнали можуть передаватися незалежно у двох протилежних напрямках.

Структури комп'ютерних систем, де оперативна пам'ять розподілена по обчислювальних модулях, причому час обігу процесора до оперативної пам'яті локального модуля менше, часу звертання до пам'яті вилученого модуля, називають NUMA (Non-uniform Memory Access) – системи з неоднорідним доступом до пам'яті, а саму пам'ять – розподіленої (distributed memory).

Робота багатомашинні обчислювальні системи характеризується абревіатурою MPP (Massively Parallel Processing) – обчислювальна система з масовою паралельною обробкою.

По способу організації передачі даних, тобто способу обігу процесора однієї обчислювальної системи до пам'яті іншого вилученого обчислювального модуля, виділяють багатомашинні обчислювальні системи з організацією CCNUMA, COMA і RMA.

CCNUMA (Cache Coherent NUMA) – організація багатомашинних обчислювальних систем, у яких передача рядка даних виробляється з ініціативи процесу-послідовника. Дані передаються з оперативної пам'яті обчислювального модуля, у якім вони були отримані, у кеш-пам'ять обчислювального модуля, на якім буде виконуватися процес-послідовник. Передача робиться тоді, коли ці дані будуть потрібні.

COMA (Cache Only Memory Architecture) – організація багатомашинних обчислювальних систем, у якій передача сторінки даних виробляється з ініціативи процесу-послідовника. Дані передаються з оперативної пам'яті обчислювального модуля, у якім вони були отримані, в оперативну пам'ять обчислювального модуля, на якім буде виконуватися процес-послідовник. Передача виробляється тоді, коли ці дані будуть потрібні. Пам'ять обчислювального модуля називається, що притягає (AM – Attraction Memory), оскільки дані при необхідності як би притягаються в цю пам'ять.

RMA (Reflector Memory Architecture) – організація багатомашинних обчислювальних систем, у якій передача сторінки даних виробляється з ініціативи процесу-попередника. Дані передаються з оперативної пам'яті того обчислювального модуля, у якім вони були отримані, в оперативні пам'яті тих обчислювальних модулів, на яких будуть виконуватися процеси-послідовники, при статичному розподілі або в оперативній пам'яті всіх обчислювальних модулів при динамічному розподілі процесів по процесорах.

 

Хід роботи:

1. В залежності від варіанта, зобразите графічно принцип роботи багатомашинної і багатопроцесорної комп'ютерної системи.

2. Складіть таблицю, порівняльних характеристик, цих комп’ютерних систем.

3. Внесіть у протокол лабораторної роботи структурні схеми комп’ютерних систем, та їх зрівняльну характеристику. Поясніть, різницю у продуктивності багатомашинних та багатопроцесорних комп'ютерних систем.

Таблиця 2.2

Таблиця індивідуального завдання для виконання роботи

№ варіанта	Багатомашинна система	Багатопроцесорна система
	З матричним комутатором	З матричним комутатором
	Обчислювальні вузли з комутатором	Двоступінчастий комутатор 16х4
	З спільною шиною (32 обчислювальних модулів)	З спільною шиною
	З зв'язком шини ієрархічного типу (обчислювальних модулів першого типу – 8, другого -16)	Багатоступінчастий комутатор
	Комутаційний вузол 4х4 зі зв'язками у вигляді лінків	Чотирьохступінчатий комутатор
	Повносвязна система	Матричний комутатор
	Составний комутатор 64х64 з 4-х комутаційних вузлів 32х32.	Багатоступінчастий комутатор
	Составна система із ключових елементів вузлів 22х22	Матричний комутатор
	Регулярні у вигляді матриці (16 вузлів)	Матричний комутатор
	Регулярні у вигляді кільця (32 вузла)	Спільна шина
	Комутаційний вузол 4х4 зі зв'язками у вигляді шина	Спільна шина
	Составний комутатор 32х32 з 2-х комутаційних вузлів 16х16.	Чотирьохступінчатий комутатор

Контрольні запитання:

1. По яким ознакам класифікуються комп’ютерні системи?

2. На що які підсистеми ділиться комп’ютерна система?

3. Наведіть приклад багатопроцесорної системи.

4. Наведіть приклад багатомашинної системи.

5. Дайте повну назву абрівиатури NUMA. Чи є ефективним доступ до пам’яті у таких системах?

6. Дайте повну назву абрівиатури SMP. Яким чином проводиться обробка даних у таких системах і як вона досягається?

7. Дайте повну назву абрівиатури CCNUMA. У чому різниця систем NUMA і CCNUMA?

8. Дайте повну назву абрівиатури RMA. Яким чином передаються данні у таких системах?

9. Дайте повну назву абрівиатури COMA. Порівняйте цю організацію систем з організацією RMA, по критерію швидкої працездатності.

10. Яка на вашу думку комп’ютерна система придатна швидко вирішувати паралельні обчислювання?

11. У чому переваги й недоліки багатопроцесорних систем.

12. У чому переваги й недоліки багатомашинних систем.