Классификация ЭВМ параллельной обработки

Параллельные ЭВМ часто подразделяются по классификации Флинна на машины типа SIMD (Single Instruction Multiple Data – с одним потоком команд при множественном потоке данных) и MIMD (Multiple Instruction Multiple Data - с множественным потоком команд при множественном потоке данных). Как и любая другая, приведенная выше классификация несовершенна: существуют машины прямо в нее не попадающие, имеются также важные признаки, которые в этой классификации не учтены.

Различие понятий многомашинной (ММС) и многопроцессорной (МПС) систем поясняет рис.7.1. ММС содержит несколько ЭВМ, каждая из которых имеет свою ОП и работает под управлением своей операционной системы, а также средства обмена информацией между машинами. Реализация обмена информацией происходит, в конечном счете, путем взаимодействия операционных систем машин между собой. Это ухудшает динамические характеристики процессов межмашинного обмена данными. Применение многомашинных систем позволяет повысить надежность вычислительных комплексов. При отказе в одной машине обработку данных может продолжать другая машина комплекса. Однако можно заметить, что при этом оборудование комплекса недостаточно эффективно используется для этой цели. Достаточно в системе, изображенной на рис.7.1, в каждой ЭВМ выйти из строя по одному устройству (даже разных типов), как вся система становится неработоспособной.

Рисунок 7.1

Многомашинные (а) и многопроцессорные (б) системы

Этих недостатков лишены многопроцессорные системы. В таких системах (рис. 7.1,б) процессоры обретают статус рядовых агрегатов вычислительной системы, которые подобно другим агрегатам, таким, как модули памяти, каналы, периферийные устройства, включаются в состав системы в нужном количестве.

Вычислительная система называется многопроцессорной, если она содержит несколько процессоров, работающих с общей ОП (общее поле оперативной памяти) и управляется одной общей операционной системой. Часто в МПС организуется общее поле внешней памяти.

Можно выделить четыре основных типа архитектуры систем параллельной обработки:

1) Конвейерная и векторная обработка.

Основу конвейерной обработки составляет раздельное выполнение некоторой операции в несколько этапов с передачей данных одного этапа следующему. Производительность при этом возрастает благодаря тому, что одновременно на различных ступенях конвейера выполняются несколько операций. Конвейеризация эффективна только тогда, когда загрузка конвейера близка к полной, а скорость подачи новых операндов соответствует максимальной производительности конвейера. Если происходит задержка, то параллельно будет выполняться меньше операций и суммарная производительность снизится. Векторные операции обеспечивают полную загрузку вычислительного конвейера.

При выполнении векторной команды одна и та же операция применяется ко всем элементам вектора. Для настройки конвейера на выполнение конкретной операции может потребоваться некоторое установочное время, однако затем операнды могут поступать в конвейер с максимальной скоростью, допускаемой возможностями памяти. Главный принцип вычислений на векторной машине состоит в выполнении некоторой элементарной операции, которая должна многократно применяться к некоторому блоку данных.

2) Машины типа SIMD.

Состоят из большого числа идентичных процессорных элементов, имеющих собственную память. Все процессорные элементы выполняют одну и ту же программу. В отличие от машин первого типа, это универсальные программируемые ЭВМ, так что задача, решаемая параллельно, может быть достаточно сложной и содержать ветвления. Модели (1) и (2) схожи, и часто обсуждаются как эквивалентные.

3) Машины типа MIMD (мультипроцессор).

В машинах данного типа каждый процессорный элемент (ПЭ) выполняет свою программу достаточно независимо от других процессорных элементов. Процессорные элементы, конечно, должны как-то связываться друг с другом, что делает необходимым более подробную классификацию машин типа MIMD. В мультипроцессорах с общей памятью (сильно связанных мультипроцессорах) имеется память, доступная всем ПЭ. С общей памятью ПЭ связываются с помощью сети обмена. Слабосвязанные многопроцессорные системы – машины с локальной памятью, связанные с помощью сети обмена.

4) Многопроцессорные машины с SIMD-процессорами.

Представляют собой многопроцессорные системы, в которых в качестве процессоров используются процессоры типов 1 и 2.

Особенностью многопроцессорной системы является сеть обмена, с помощью которой процессоры соединяются друг с другом или с памятью. От модели обмена зависят многие характеристики производительности. Основные модели сети: 1) основана на передаче сообщений, 2)на использовании общей памяти. Обмен 2)часто реализуется по принципу взаимно исключающего доступа к общей памяти методом "почтового ящика".

В архитектурах с локальной памятью разделение памяти невозможно. Процессоры получают доступ к данным через сети обмена. Эффективность сети обмена зависит от протоколов обмена, пропускной способности памяти и каналов обмена.

Существующие MIMD-машины делятся на два класса в зависимости от количества объединяемых процессоров, которое определяет и способ организации памяти, и методику их межсоединений.

1) машины с общей (разделяемой) основной памятью, объединяющие до нескольких десятков (обычно менее 32) процессоров.

2) крупномасштабные системы с распределенной памятью.