Архитектура вычислительных систем

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. 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 параллельные системы, то и рассмотрим класси­фикацию архитектур под этой точкой зрения.

Эта классификация архитектур была предложена Флинном (М. Flynn) в начале 60-х гг. 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 ЭВМ и процессоры реализуют программные последователь­ные методы вычислений. С появлением систем, ориентированных на потоки данных и использующих ассоциативную обработку, классификация может быть некорректной.

Согласно данной классификации существуют четыре основные архитек­туры ВС, представленные на рис. 15.3:

1) одиночный поток команд - одиночный поток данных (ОКОД), в анг­лий­ской аббревиатуре Single Instruction Single Data (SISD), - одиночный поток инструкций - одиноч­ный поток данных;

2) одиночный поток команд - множественный поток данных (ОКМД), или Single Instruction Mul­tiple Data (SIMD), - оди­ночный поток инструкций -множественный поток данных;

3) множественный поток команд - одиночный поток данных (МКОД), или Multiple Instruction Single Data (MISD), - множественный поток инст­рукций - одиночный поток данных;

4) множественный поток команд - множественный поток данных (МКМД), или Multiple In­struction Multiple Data (MIMD), - множественный поток инст­рукций - множественный поток данных.

Коротко рассмотрим отличительные особенности каждой из архитектур.

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, т.е. 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 вычислительного 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.

По данной схеме строились системы: первая суперЭВМ - ILLIAC-IV, отечественные параллельные системы - ПС-2000, ПС-3000. Идея вектор­ной обработки широко использовалась в таких известных суперЭВМ, как Cyber-205 и Gray-I, П, III. 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.

Третий тип архитектуры 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 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 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, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.

Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работа­ют по своим программам с собственным потоком команд. В простейшем слу­чае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для уве­личения пропускной способности центра. Большой интерес представляет воз­можность согласованной работы ЭВМ (процессоров), когда каждый элемент делает часть общей задачи. Общая теоретическая база такого вида работ прак­тически отсутствует. Но можно привести примеры большой эффективности этой модели вычислений. Подобные системы могут быть многомашинными и многопроцессорными. Например, отечественный проект машины динами­ческой архитектуры (МДА) - ЕС-2704, ЕС-2727 позволял одновременно ис­пользовать сотни процессоров.