Основные архитектурные схемы вычислительных систем

 

Современные компьютеры, предназначенные для решения задач со сложными алгоритмами, управления другими объектами или компьютерными сетями, в своем составе имеют не один, а несколько процессоров, обеспечивая многопрограммный (мультипрограммный) режим работы всей системы.

Главная задача многопроцессорных систем - обеспечить достижение сверхбольших скоростей работы на основе распараллеливания вычислений. Классификация архитектур подобных систем, предложенная М. Флинном в 1960-х гг., остается актуальной до сих пор.

В ее основе находятся два подхода: независимость потоков заданий (команд), существующих в вычислительной системе и независимость данных, обрабатываемых в каждом потоке.

Согласно этой классификации, существуют четыре основные архитектуры вычислительных систем:

1. Архитектура ОКОД (одиночный поток команд — одиночный поток данных), или SISD (Singly Instruction stream - Singly Date stream), соответствует однопроцессорной ЭВМ с невозможностью распараллеливания вычислений, рис. 3.6.

Память команд

Рис. 3.6. Архитектура ОКОД

 

2. Архитектура ОКМД (одиночный поток команд - множество
потоков данных), или SIМD (Singly Instruction stream - Multiple Date stream), соответствует матричной многопроцессорной системе обработки данных, рис. 3.7.

Память команд

Рис. 3.7. Архитектура ОКМД

 

В такой системе используется несколько однородных, сравнительно простых быстродействующих процессоров, управляющих одной и той же последовательностью команд, но каждый процессор обрабатывает только свой поток данных. По такой схеме были построены такие суперкомпьютеры, как Illiac-IV, Cyber-205, Gray I и др.

3. Архитектура МКОД (множество потоков команд - одиночный
поток данных), или MISD (Multiple Instruction stream - Single Date stream), рис. 3.8.

Данный тип архитектуры предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты вычислений словно по цепочке передаются от одного процессора к другому. В современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, где параллельно работают различные блоки и каждый из них выполняет свою часть в общем цикле обработки команды.

Память команд

Память данных

Рис. 3.8. Архитектура МКOД

 

4. Архитектура МКМД (множество потоков команд - множество
потоков данных), или MIMD (Multiple Instruction stream - Multiple Date stream), рис. 3.9.

Память команд

Рис. 3.9. Архитектура МКМД

Эта архитектура предполагает, что все процессоры системы работают по своим собственным программам с собственными потоками данных, причем процессоры могут быть независимыми друг от друга.

 

Режимы работы компьютеров

 

Под режимом работы компьютера понимают способ функционирования системы. Режим работы прежде всего определяется тем, как пользователь может участвовать в процессе обработки данных на компьютере: иметь непосредственный доступ к системе, либо принимать решение после завершения машиной задания.

При непосредственном доступе (характерен для персонального компьютера) пользователь может вмешиваться в процесс решения задачи через индивидуальное устройство (клавиатуру, пульт), вводя необходимые коррективы в данные и выполняемые машиной команды.

При доступе на уровне заданий пользователем предварительно определяется конкретный объем работы (задание) для системы, которое помещается в устройство ввода компьютера. Может быть подготовлено несколько автономных заданий, которые образуют так называемый пакет заданий. При этом каждое задание имеет свои исходные данные и управляющие операторы. Из сформированного пакета каждое задание поступает на обработку последовательно без участия человека, и пользователь не имеет возможности вмешиваться в процесс обработки заданий до полной обработки пакета.

При многопрограммной (мультипрограммной) организации обработки данных возможно несколько режимов работы компьютера: пакетный, режим разделения времени, диалоговый, режим "запрос — ответ", режим реального времени.

В отличие от машин с однопрограммной организацией решения задач компьютеры, работающие в многопрограммном режиме, располагают значительно более развитыми аппаратно-программными средствами. В числе аппаратных средств присутствуют таймеры, системы прерываний, сегментации и защиты памяти машины и др.; программное обеспечение дополняется специальными управляющими и контролирующими программами.

Пакетный режим. Суть пакетного режима рассмотрена выше. При многопрограммной обработке каждое задание идентифицируется в зависимости от важности задачи, срочности решения, информационной взаимосвязи задач. Параллельность выполнения заданий, выбор их очередности и выделение для них аппаратных ресурсов обеспечивает управляющая программа-супервизор.

Режим разделения времени. При этом режиме процессорное время последовательно поделено между группой обрабатываемых заданий (решаемых задач). По окончании выделенного задаче кванта времени задача возвращается в очередь ожидания обслуживания. При большом числе независимых пользователей каждый из них имеет одновременный и непосредственный доступ к компьютеру со своих терминалов (устройств ввода-вывода). Специальные аппаратно-программные средства обеспечивают распределение ресурсов системы между пользователями и могут изменять величины квантов времени между задачами.

Такой режим создает видимость у пользователя, что ему отданы все ресурсы компьютера и что его задача моментально включается в обработку.

Диалоговый режим. Характеризуется обменом сообщениями между пользователем и выполняемой программой. Выполнив законченный цикл обработки данных, диалоговая программа выдает пользователю информацию (результатную либо вопросного характера) и приостанавливает работу, ожидая реакцию со стороны пользователя. Пользователь может в любое время вмешаться в работу диалоговой программы, послав ей новые инструкции или приостановить ее работу.

Режим "запрос — ответ". Может быть организован для повышения загрузки ресурсов компьютера. Учитывая, что внешние запросы от пользователя могут поступать через какие-то промежутки времени, компьютер решает рутинные фоновые задачи. Поскольку машины специализируются на обработке запросов заранее определенных типов, каждому типу запросов должна соответствовать своя программа, постоянно находящаяся в памяти компьютера. Получив запрос, машина прерывает решение фоновой задачи, вызывает нужную программу и, выдав результаты запроса пользователю, вновь переходит к решению фоновой задачи. Этот режим работы компьютера удобен для таких задач, как резервирование мест в гостиницах, продажа билетов на различные виды транспорта, выдача справочных сообщений и др.

Режим реального времени. Применим для объектов, нуждающихся в непосредственном и постоянном контроле параметров их состояния и управления (космические объекты, технологические установки непрерывного производства). Обработка данных в этом режиме обеспечивается взаимодействием компьютера с внешними по отношению к ней процессами в темпе реальности этих процессов. Для этого ввод информации необходимо осуществлять с различного рода датчиков, а программа должна быть высоконадежной и находиться в постоянной готовности к приему сигналов.