вычислительные системы в информатике. вычислительные системы (копия). В россии в xvixvii веках появилось намного более передовое изобретение

• Название: В россии в xvixvii веках появилось намного более передовое изобретение
• Анкор: вычислительные системы в информатике
• Дата: 23.05.2023
• Размер: 0.79 Mb.
• Имя файла: вычислительные системы (копия).docx
• Тип: Анализ; #1153303
• страница: 5 из 12

Вычислительные системы: структура, архитектура и принципы построения.

 

Возможности дальнейшего повышения быстродействия ЭВМ за счет совершенствования элементной базы и сокращения вре­мени на обмен информацией между устройствами и блоками ма­шины ограничиваются физическими пределами. Время переклю­чения используемых в вычислительной технике запоминающих и логических элементов достигло наносекунд, а скорость распрост­ранения сигналов в линиях связи ограничивается скоростью света (30 см/нс). В связи с этим значительное повышение быстродей­ствия ЭВМ, необходимость в котором диктуется практикой (прове­дение сложных научно-технических расчетов, реализация много­мерных экономико-математических моделей и т. д.), не может быть достигнута дальнейшим уменьшением времени переключения электронных схем.

 Наиболее эффективный и широкореализуемый путь — повышение уровня совмещения во времени выполняемых в ЭВМ операций, распространение принципа параллелизма на сами устройства обработки информации, создание многомашинных и многопроцессорных (мультипроцессорных) вычислительных си­стем, в которых производится распараллеливание во времени вы­полнения одной программы (одновременное выполнение автоном­ных частей программы) или параллельная реализация несколь­ких программ.

Вычислительная система (ВС) — это совокупность взаимосвя­занных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферий­ного оборудования и программного обеспечения, предназначенных для автоматизации процессов приема, хранения, обработки и вы­дачи информации и ориентированных либо на достижение сверх­высокой производительности, либо на повышение надежности и живучести средств вычислительной техники ( СВТ ).

Создание ВС преследует следующие основные це­ли:

• 
  сокращение времени выполнения некоторого объема вычисли­тельных работ;
  
• 
  увеличение эффективности использования аппарат­ных средств системы, повышение надежности функционирования СВТ;
  
• 
  предоставление максимума удобств пользователям.
  

По сравнению с автономно используемыми однопроцессорными ЭВМ вычислительные системы имеют рядпреимуществ, обуслов­ленных эффектами комплексирования СВТ, которые можно объе­динить в три группы.

1. 
   Улучшение использования скомплексированных ЭВМ (процес­соров). Здесь основными эффектами являются: общие    програм­мные средства (при прочих равных условиях в ВС можно сосре­доточить большее количество единиц   общесистемных    програм­мных модулей, обрабатывающих программ, трансляторов, ППП, сервисных программ); распараллеливание, т. е. одновременное ре­шение частей одной и той же задачи на различных ЭВМ системы; функциональная специализация, т. е. специализация процессоров или ЭВМ системы в зависимости от классов решаемых задач или организации режима их решения; общая память (объединение   в ВС групп различных ЗУ повышает ее возможности); общие внеш­ние устройства (обеспечивается более интенсивная загрузка этих устройств, а следовательно, с помощью меньшего количества   ВУ осуществляется   необходимая    производительность    центральных устройств ВС).
   
2. 
   Улучшение технической эксплуатации скомплексированных ЭВМ (процессоров): централизованное обслуживание (для обслу­живания ВС требуется меньшее количество специалистов и сер­висного оборудования), сглаживание пиковых нагрузок (при не­обходимости все вычислительные мощности системы могут быть использованы для решения срочных задач, а при отсутствии по­следних система выполняет программы, заранее скомпонованные в пакеты, тем самым сводятся к минимуму случаи простоя или пере­грузки вычислительных мощностей).
   
3. 
   Повышение надежности и достоверности решения задач: эффект «горячего» резервирования (одна и та же задача решается на двух или нескольких ЭВМ или процессорах, а затем сравни­ваются результаты; при их совпадении они считаются достовер­ными, в противном случае производятся повторная проверка и от­ключение неисправной машины), эффект «холодного» резервиро­вания (при отказе одной из ЭВМ или одного из процессоров си­стемы решение задачи передается на другую машину и продолжается, начиная с некоторой «опорной точки»).
   

Вычислительные системы относятся к категории сложных си­стем. При рассмотрении вопросов, связанных с их построением  и функционированием, выделяют элементы системы и подсистемы как составные части структуры ВС.

Элемент системы — объект системы, не подлежащий дальней­шему расчленению на части при данном ее рассмотрении. Пред­метом изучения является не внутренняя структура элемента, а такие его свойства, которые определяют взаимодействие этого элемента с другими элементами системы или влияют на свойства системы в целом.

Подсистема — часть системы, представляющая собой совокуп­ность некоторых ее элементов, выделенных по определенному функциональному признаку, и отличающаяся подчиненностью по своей цели функционирования единой цели функционирования всей системы.

Структура ВС— это организация системы из отдельных эле­ментов с их взаимосвязями, которые определяются распределени­ем функций, выполняемых ВС. В зависимости от уровня детали­зации при данном рассмотрении структуры ВС в качестве ее эле­ментов могут пониматься отдельные модули системы вплоть до ЭВМ в целом.

Важным понятием является архитектура ВС — совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-ло­гическую и структурную организации системы. Понятие архитек­туры ВС охватывает комплекс общих вопросов ее построения, существенных в первую очередь для пользователя, интересующе­гося возможностями (свойствами) системы, а не деталями ее тех­нического исполнения. Свойства ВС определяются наличием в ее структуре аппаратных и программных средств и распределением функций между ними.

Комплекс программных средств регулярного применения, пред­назначенный для придания ВС определенных свойств, повыше­ния эффективности ее использования, облегчения эксплуатации и снижения трудоемкости подготовительной работы при решении задач, образуетсистемное программное обеспечение(СМО) ВС.

В состав СМО входят: программы, управляющие работой ВС (операционная система ВС); система автоматизации программи­рования (САП); пакеты прикладных программ общего пользова­ния и расширяющие возможности операционной системы; комплекс программ технического обслуживания ВС.

Основные принципы построения ВС заключаются в следующем:

• 
  обеспечении работы в различных режимах;
  
• 
  модульности структуры технических и программных средств;
  
• 
  унификации и типизации технических и программных средств;
  
• 
  согласованности пропускных способностей отдельных функцио­нальных частей системы;
  
• 
  иерархии в организации управления процессом    функциониро­вания;
  
• 
  способности системы к самоорганизации, самонастройке, адап­тивности к изменению условий функционирования. Система назы­вается самоорганизующейся, если в ней на основании оценки воздействия внешней среды путем последовательного изменения своих свойств заложены возможности перехода к некоторому ус­тойчивому состоянию, когда воздействия внешней среды сказыва­ются в допустимых пределах. В ВС возможность к самонастрой­ке заложена преимущественно в структуре и функциях управля­ющей программы ОС. Примеры самонастройки: автоматическое пе­рераспределение ресурсов системы с увеличением числа активных абонентов; повышение уровня мультипрограммной работы, т. е. увеличение числа одновременно обслуживаемых запросов або­нентов, если ставится задача обеспечения минимального времени ожидания обслуживания, и др.;
  

• 
  обеспечении максимальных удобств абонентов в общении   их с системой. Это достигается за счет развитой   сети   технических средств ввода, вывода, регистрации и отображения информации; использования современных средств автоматизации    программи­рования; обеспечения независимости работы абонентов при под­готовке своих программ; обеспечения доступа абонентов к базам данных и знаний, стандартным программам, пакетам прикладных программ, имеющимся в структуре информационного и програм­много обеспечения ВС; обеспечения гарантированной защиты ин­дивидуальных программ и информационных массивов абонентов от несанкционированного доступа.
  

 

Многомашинные (ММС) и многопроцессорные вычислительные системы (МПС).

 

Эти вычислительные системы называют также параллельными вычислительны­ми системами (ПВС), поскольку в них осуществляется параллель­ная обработка данных.

 Основные различия между ММС и МПС заключаются в следующем.

ММС включает несколько ЭВМ, каж­дая из которых имеет свою оперативную память и работает   под управлением своей операционной системы. Каждая машина    ис­пользует другую как канал или устройство ввода-вывода, каким бы ни был их общий интерфейс. Обмен информацией между машина­ми происходит в результате взаимодействия их операционных си­стем.

В МПС все процессоры работают с общей ОП (т. е. имеет­ся общее поле ОП) и управление обеспечивается    одной   общей операционной системой. При этом достигаются более быстрый об­мен информацией между процессорами, чем между ЭВМ в ММС и более высокая суммарная производительность системы.

Существует достаточно большое количество различных призна­ков, по которым можно классифицировать ПВС:

• 
  по целевому на­значению и выполняемым функциям;
  
• 
  числу ЭВМ или процессоров и их типу;
  
• 
  структуре, режимам работы и методам управления эле­ментами системы;
  
• 
  степени разобщенности элементов системы и др.
  

 Однако основными классификационными признаками являются при­знаки структурной и функциональной организации ПВС.

По назначениюПВС делятся на универсальные и специализи­рованные.

Универсальные системы предназначены для решения задач любого типа, специализированные — для решения задач оп­ределенного круга или класса. Специализация определяется не только характером решаемых задач и ограниченностью их пе­речня, но и наличием в структуре системы элементов специального назначения: преобразователей информации, устройств сопряжения с внешними объектами, специальных устройств отображения ин­формации и др.

К числу специализированных ПВС относятся уп­равляющие системы, обеспечивающие управление объектами или процессами в реальном масштабе времени.

По типу ЭВМ или процессоров,из которых комплектуются ПВС, различают однородные системы, составленные из однотип­ных машин (процессоров), и неоднородные.

Неоднородные ММС состоят из ЭВМ различного типа, а в неоднородных МПС ис­пользуются различные специализированные процессоры: для обработки десятичных чисел, для реализации некоторых функций ОС, для матричных задач и др.

В однородных системах упрощаются вопросы обеспечения про­граммной совместимости на любом уровне, облегчается решение задачи резервирования для повышения надежности, упрощается техническое обслуживание системы, удешевляется ее реконструк­ция, модернизация и, в случае необходимости, наращивание про­изводительности, а самое главное — гораздо проще решаются воп­росы по управлению работой системы во всех режимах, по орга­низации вычислительного процесса.

Однако для однородных систем характерно в ряде случаев неполное использование их производительности, что определяется непостоянством степени загруженности отдельных ЭВМ (процес­соров). Часто возникает необходимость иметь в составе ПВМ машины различной производительности, что диктуется требовани­ями функциональной специализации отдельных подсистем ПВС (например, ЭВМ подсистемы связи с абонентами могут иметь меньшую производительность, чем ЭВМ обработки информации).

 В этом случае рациональным решением является построение си­стемы на базе унифицированных ЭВМ, составляющих семейство или ряд ЭВМ, т. е. построение неоднородной системы.

По степени территориальной разобщенностивычислительных модулей ПВС делятся на два типа: системы совмещенного (со­средоточенного) типа и распределенные (разобщенного типа).

 К первому типу относятся системы, в которых время передачи ин­формации от одной машины ПВС к другой, необходимое для ре­шения некоторой задачи, пренебрежимо мало по сравнению с временем решения этой задачи на одной из них. Информация передается по линиям связи между машинами, как правило, в па­раллельном коде.

В распределенных системах (сетях ЭВМ) отдельные ЭВМ на­ходятся на значительных расстояниях и обмениваются информа­цией по каналам связи через специальную аппаратуру в после­довательном коде. Время, затрачиваемое на обмен, в этом случае соизмеримо с временем решения задач в системе и должно учи­тываться при исследовании процесса функционирования системы, в частности при оценке ее производительности.

Многопроцессорные системы строятся обычно совмещенного типа.

По методам управления элементами ПВС делятся на центра­лизованные, децентрализованные и со смешанным управлением.

 В централизованных ПВС осуществляется полная централизация управления элементами системы. Все функции управления сосре­доточены в специально выделенной центральной управляющей ма­шине (или в центральном процессоре), называемой главной ма­шиной.

 Главная машина (центральный процессор) распределяет нагрузку между другими ЭВМ (процессорами) системы, обеспе­чивая сокращение общего времени на выполнение вычислений, координирует работу машин и их взаимодействие в процессе решения задач. В однородных ПВС функции главной машины мо­жет выполнять любая ЭВМ, что способствует повышению надеж­ности системы.

В децентрализованных системах функции управления распре­делены между отдельными элементами системы. Единого, четко фиксированного органа, управляющего процессом функциониро­вания ПВС, нет. Каждая ЭВМ (процессор) системы при решении задач действует автономно, а вычислительный процесс организует­ся за счет передачи между машинами специального набора сиг­налов.

В системах со смешанным управлением в некоторой пропор­ции реализуются принципы централизованного и децентрализо­ванного управления. Вся система разбивается на группы взаимо­действующих ЭВМ (процессоров), в каждой из которых осущест­вляется централизованное управление.

По структурным признакамПВС можно классифицировать сле­дующим образом:

• 
  по числу уровней иерархии в структуре систе­мы;
  
• 
  степени обобществления модулей памяти различного типа;
  
• 
  топологии управляющих и функциональных связей между маши­нами (процессорами) системы;
  
• 
  возможности перестройки систе­мы;
  
• 
  принципу распределения функций между элементами системы.
  

По числу уровней иерархии в структуре ПВС различают одно­уровневые и многоуровневые системы.

В многоуровневых иерар­хических системах средства управления распределены по несколь­ким уровням. Например, при двух уровнях управления система разбивается на группы взаимодействующих элементов с локаль­ным управлением в пределах каждой группы (это первый уровень управления). На втором уровне управления с помощью некоторого управляющего элемента осуществляется взаимодействие выделен­ных групп элементов системы. Типовой иерархической многоуров­невой структурой является структура ярусного типа (рис. 13.1, а), когда каждый элемент более высокого яруса управляет функцио­нированием нескольких элементов соседнего низшего яруса. Ча­стным случаем иерархической структуры служит ПВС узловой структуры с главной машиной (центральным процессором), т. е. с централизованным управлением (рис. 13.1,6).

По степени обобществления модулей памяти или по структуре памяти выделяют системы с жестким и свободным разделением памяти. В последнем случае все ЭВМ (процессоры) системы име­ют доступ ко всем модулям памяти, т. е. память является общей. Могут быть и промежуточные решения. Например, обобществля­ются только внешняя память и часть оперативной памяти при наличии автономной ОП у каждой ЭВМ системы.

По топологии управляющих и функциональных связей разли­чают структуры ПВС с однородными и неоднородными связями.

Две машины системы называются функционально связанными, если от одной из них к другой возможна передача функциональ­ной информации (программ, исходных и промежуточных данных решаемых задач, результатов обработки данных). Если функциональная информация передается только в одну сторону, то система называется ориентированной по функциональным связям, если в обе стороны — неориентированной. Могут быть и частично ориен­тированные системы, в которых присутствуют ориентированные и неориентированные подсистемы.

Две машины системы называются связанными по управлению, если от одной из них к другой поступает управляющая информа­ция, необходимая для правильного функционирования ПВС    как



 

Рис. 4.1.   Структуры параллельных вычислительных систем: а — иерархиче­ская ярусного типа; б — узловая; в— одноуровневая однородная по связям единой системы. Если связи по управлению всегда ориентированы в одну сторону, система называется направленной, в противном случае — ненаправленной.

Каналы связи для передачи этих двух видов информации (функциональной и управляющей) могут быть совмещенными и раздельными.

Система называется однородной по связям, если связи между ее машинами организованы по принципу «каждая с каждой». Если этот принцип не выполняется, система относится к типу не­однородных по связям.

Системы с однородными связями обычно являются децентрализованными с одноуровневой структурой (рис.4.1. , в).

Система относится к типу систем с постоянной структурой, если в процессе ее функционирования состав функциональных и управляющих связей и их ориентация остаются неизменными.

В противном случае система называется ВС с переменной структу­рой. Особенностью таких систем является возможность реконфи­гурации.

Реконфигурация — это процесс перераспределения под­систем системы в соответствии с новыми функциональными зада­чами или процесс, связанный с выведением неисправных подсис­тем и введением резервных при их наличии.

Развитые средства обеспечения реконфигурации (программное обеспечение, реализу­ющее алгоритмы управления реконфигурацией, специальная ком­мутационная аппаратура, резервные элементы) служат основой построения адаптивных и самоорганизующихся систем обработки информации.

По принципу закрепления вычислительных функцийза от­дельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким    и системы с плавающим закреплением функций.

Жесткое закрепле­ние, хотя и позволяет использовать для хранения программ на­дежно работающие постоянные ЗУ, приводит к значительному уменьшению гибкости системы. В связи с этим системы с жестким закреплением функций за вычислительными средствами строятся сравнительно редко, они могут быть только специализированными.

По временному режиму работыразличают системы, работаю­щие в оперативном и неоперативном временных режимах.

 Пер­вые предназначены для работы в реальном масштабе времени. Для них характерна высокая степень автоматизации процессов приема информации, ее обработки. Роль оператора в этих процессах све­дена к минимуму.

В системах, работающих в неоперативном временном режиме, роль оператора значительно выше. Его вмешательство может быть связано с прерыванием процесса обработки информации.

В зависимости от того, какая главная цель преследуется при построении вычислительных систем, их целесообразно разделить на две группы :

• 
  ПВС, ориентированные главным образом на достижение сверх­высокой производительности;
  
• 
  ПВС, ориентированные главным образом на повышение на­дежности и живучести.
  

Системы, принадлежащие к первой группе, являются преиму­щественно многопроцессорными вычислительными системами.

Типовые вычислительные структуры и режимы их работы.

С момента появления первых систем было опробовано большое количество разнообразных структур систем, отличающихся друг от друга различными техническими решениями. Практика показала, что каждая структура вычислительной системы эффективно обрабатывает лишь задачи определенного класса. При этом необходимо, чтобы структура вычислительной системы максимально соответствовала структуре решаемых задач. Только в этом случае система обеспечивает максимальную производительность.

Универсальной структуры вычислительной системы, одинаково хорошо обрабатывающей задачи любого типа, не существует.

Классификация уровней программного параллелизма включает в себя шесть позиций: независимые задания, отдельные части заданий, программы и подпрограммы, циклы и итерации, операторы и команды, фазы отдельных команд. Для каждого из них имеются специфические свойства параллельной обработки, апробированные в различных структурах вычислительных систем. Заметим, что данный перечень совершенно не затрагивает этапы выбора алгоритмов решения, на которых могут анализироваться альтернативные алгоритмы (а значит, и программы), дающие различные результаты.

Для каждого вида параллельных работ имеются структуры вычислительных средств, используемые в различных вычислительных системах. Верхние три уровня, включающие независимые задания, шаги или части заданий и отдельные программы, имеют единое средство параллельной обработки -мультипроцессирование, т.е. многопроцессорные вычислительные системы, относящиеся к архитектуре МКМД. Программные циклы и итерации требуют использования векторной обработки (архитектура ОКМД). Операторы и команды, выполняемые ЭВМ, ориентированы на многофункциональную обработку. Параллельная обработка фаз последовательно выполняемых команд приводит к организации конвейера команд.

Рассмотрим возможные структуры вычислительных систем, которые обеспечивают перечисленные виды программного параллелизма.

ОКОД-структуры.

 Данный тип архитектуры объединяет любые системы в однопроцессорном (одномашинном) варианте.

За пятьдесят лет развития электронной вычислительной техники классическая структура ЭВМ претерпела значительные усовершенствования. Однако основной принцип программного управления не был нарушен. Данная структура оказалась сосредоточенной вокруг оперативной памяти, так как именно цепь “процессор - оперативная память” во многом определяет эффективную работу компьютера.

При выполнении каждой команды необходимо неоднократное обращение к оперативной памяти : выбор команды, операндов, отсылка результатов и т.д.

Можно перечислить большое число приведенных улучшений классической структуры ЭВМ, ставших в настоящее время определенными стандартами при построении новых ЭВМ: иерархическое построение памяти ЭВМ, появление сверхоперативной памяти и кэш-памяти, относительная и косвенная адресация памяти, разделение процессов ввода-вывода и обработки задач, появление систем прерывания и приоритетов и т.д.

В этом ряду следует рассматривать и организацию конвейера последовательно выполняемых команд:

• 
  формирование адреса команды;
  
• 
  выбор команды;
  
• 
  формирование адресов и выбор операндов;
  
• 
  выполнение команды;
  
• 
  запись результата.
  

Однако примитивная организация памяти (память линейна и одномерна) не позволяет организовать длинный и эффективный конвейер. Линейные участки современных программ редко превышают десяток, полтора последовательно выполняемых команд. Поэтому конвейер часто перезапускается, что снижает производительность ЭВМ в целом.

Многофункциональная обработка также нашла свое место при построении ЭВМ.

Например, даже в персональных ЭВМ, построенных на микропроцессорах i486 и Pentium, в состав ЭВМ могут включаться и другие специализированные средства обработки: умножители, делители, сопроцессоры или блоки десятичной арифметики, сопроцессоры обработки графической информации и другие.

Все они совместно с центральным процессором ЭВМ позволяют создавать своеобразные микроконвейеры, целью которых является повышение скорости вычислений.

В последние годы широко используется еще несколько модификаций классической структуры.

В связи с успехами микроэлектроники появилась возможность построения RISC-компьютеров ( Reduced Instruction Set Computing ), т.е. ЭВМ с сокращенным набором команд.

Большие ЭВМ предыдущих поколений не имели большой сверхоперативной памяти, поэтому они имели достаточно сложную систему команд CISC (Complete Instruction Set Computing) -  вычисления с полной системой команд).

В этих машинах большую долю команд составляли команды типа “память-память”, в которых операнды и результаты операций находились в оперативной памяти. Время обращения к памяти и время вычислений соотносились примерно 5:1.

В RISC - машинах с большой сверхоперативной памятью большой удельный вес составляют операции “регистр-регистр” и отношение времени обращения к памяти по времени вычислений составляет 2:1.

Поэтому в RISC-ЭВМ основу системы команд составляют наиболее употребительные, “короткие” операции типа алгебраического сложения. Сложные операции выполняются как подпрограммы, состоящие из простых операций. Это позволяет значительно упростить внутреннюю структуру процессора, уменьшить фазы дробления конвейерной обработки и увеличить частоту работы конвейера. Но здесь необходимо отметить, что за эффект приходится расплачиваться усложнением процедур обмена данными между регистрами сверхоперативной памяти и кэш-памяти с оперативной памятью.

Другой модификацией классической структуры ЭВМ является VLIW (Very Large Instuction Word) - ЭВМ с “очень длинным командным словом”.

ЭВМ этого типа выбирает из памяти суперкоманду, включающую несколько команд. Здесь возможны варианты.

В самом простом случае это приводит к появлению буфера команд (кэш-команд) с целью ускорения конвейера операций. В более сложных случаях в состав суперкоманд стараются включать параллельные команды, не связанные общими данными. Если процессор ЭВМ при этом построен из функционально независимых устройств (устройства алгебраического сложения, умножения, сопроцессоры), то в этом случае обеспечивается максимальный эффект работы ЭВМ. Но это направление связано с кардинальной перестройкой процессов трансляции и исполнения программ. Здесь значительно усложняются средства автоматизации программирования.