30958-1 (Информатика), страница 3

в) директивами пользователем размещаемыми в проге

Перечисленные 5 уровней имеют аналоги и в ПЭВМ:

1 уровень в ПЭВМ. Реализуются системы прерывания относящиеся к классу внешних

2 уровень. Общая оперативная память реализуется только в серверах. Наиболее распространенные серверы с двумя, четырьмя CPU Pentium. Имеются разработки, включающие до 10 CPU на общее поле RAM.

3 уровень. Полностью соответствует каналам прямого доступа к памяти, при котором передача данных между памятью и внешним устройством осуществляется параллельно вычислением в CPU.

4 уровень. Уровень управления.

5. Многомашинные комплексы.

Все ВС имеют истоки - это многопрограммные комплексы.

Принцип.

Коммутатор - это электронное устройство, позволяющее соединить объекты между собой. В положении ключа или 1 или 3, одна ЭВМ является основной, другая - вспомогательной. Вспомогательная может находиться на профилактике, либо заниматься не основными, а второстепенными вычислениями - так наз. резерв. В случае выхода из строя основного ЭВМ, другая ЭВМ ее замещает. Это режим повышенной надежности. В положении ключа 2 обе машины могут решать одну и ту же важную задачу.

6. Многопроцессорные ВС.

Для многопроцессорных является общая ОП, поэтому для управления многопроцессорной ВС является общая ОС, которая имеет сложные встроенные программные средства. ООП призвана обслуживать не только n CPU, но также все подключенные каналы и специализированные внешние устройства (таймеры, CPU прямого доступа и др.) ООП становится системой массового обслуживания, поскольку при работе возможны различные конфликты. Разрешение конфликтов может привести к появлению очередей запросов и их последующей разгрузке, поэтому на практике отсутствует МВС, имеющее большое число комплексированных CPU. Обычно комплексируют не более 2-4 CPU. В качестве средств комплексирования используют следующие:

1. Количество конфликтов уменьшается пропорционально количеству комплексированных CPU.

2. Уменьшение количества обращений к памяти за счет использования сверхоперативной памяти. Каждый CPU имеет свою кэш память. Однако этот способ не позволяет полностью уменьшить конфликты, поскольку возникает новая проблема: как синхронизировать содержимое эталона и копии.

3. Средством решения противоречия. Организация многоходовой памяти. Любая память имеет адрес, вход и выход информации. ООП делается многоблочной. Каждый блок имеет собственный вход и выход. ОС закрепляет отдельные блоки за отдельными CPU, что дает преимущества - все блоки могут работать параллельно. Этот вариант является развитием 2 варианта. Этот вариант находит применение в серверах сети, когда каждый CPU сервера обслуживает свое подмножество клиентов.

4. ООП может комплектоваться различного рода коммутаторами. При больших значения N и K коммутаторы становятся очень громоздки, потребляют большую мощность, техническое обслуживание затрудняется. При значениях N и K = 15-20 коммутатор становится приличных размеров и потребляет большую мощность. На практике часто используют не централизованный коммутатор, а распределенный коммутатор, т.е. слои распределяют либо по CPU, либо по блокам памяти.

7. ВС на базе CPU.

7.1. Введение.

С появлением CPU появились новые возможности для построения специфических структур ВС. CPU имеет 30-летнюю историю развития. До настоящего времени структуры ВС в основном воспроизводились в суперЭВМ. Наибольшее применение ВС нашли в суперЭВМ типа Gray - I, II, III.

Cyber - 205, 305 ... (CDC).

ВС в этих суперЭВМ комбинировали в определенных соотношениях векторную и конвейерную обработку. Опыт построения этих систем показал, что все суперЭВМ являются по существу специализированными вычислителями, чем больше быстродействие они обеспечивают, тем уже становился класс алгоритма, которые они эффективно обрабатывают. Универсальных структур ЭВМ не существует. Эффективной структурой ВС следует считать ту, у которой структура в наибольшей степени соответствует (или может быть подстроена) под структуру задач, решаемых на этой системе.

7.2. ОКОД

Применение CPU позволяет использовать модификацию классических структур ЭВМ. Архитектура ОКОД (одномашинные или однопроцессорные позволяет строить виды структур:

- RISC - CPU - структура с ограниченной системой команд

- VLIW - CPU - структура с очень длинным кодом

В настоящее время основным видом CPU считается Pentium 2. Эти CPU относятся к RISC CPU у которых состав команд очень небольшой и соответствует операциям типа алгебраического сложения. Все сложные команды выполняются в виде подпрог.

RISC - набор команд очень небольшой. Они позволяют уменьшить время выполнения команд, а значит увеличить частоту работы конвейера команд. При этом число обращений к ОЗУ сокращается.

Все CPU типа Pentium имеют очень длинное командное слово. Буфер команд CPU имеет целью обеспечить более полную загрузку CPU. При этом появляется возможность параллельно выполнять несколько команд не связанных общими данными. Например сложение и пересылка 2-х операндов с одного места на другое. CPU Pentium позволяет снизить негативное влияние операций типа IF при которых приходится перезагружать конвейер команд. Т.е. в CPU типа Pentium имеется возможность предсказания переходов с последующим отбрасыванием ветвей. Это предсказание позволяет сократить количество срывов в конвейере при выполнении команд.

7.3. ОКМД

Успехи в микроэлектронике позволяют использовать целые матрицы CPU, работающих по одной и той же проге с разными данными. Такие структуры эффективны при векторной и матричной обработке. Каждый CPU имеет связи с соседним CPU. Однако эффективная работа подобных схем возможна только на матричных и векторных задачах. В подобных структурах очень тяжело обеспечить загрузку аппаратуры, поскольку отсутствует теория параллельного программирования. Поэтому данная структура находит ограниченное применение.

Структуры ОКМД могут быть реализованы в CPU исполнении в виде сопроцессоров для больших ЭВМ. Например, в серверах сети эти структуры могут обслуживать большие хранилища информации, повышая производительность и скорость обработки данных. В ПЭВМ появление таких сопроцессоров маловероятно.

7.4. Структуры МКОД.

МКОД - это структуры типа конвейер

Структуры этого типа не нашли большого применения в ВС. Это обусловлено тем, что обычно все ЭВМ (CPU) универсальны в своей основе. Поэтому нет необходимости обеспечивать конвейерную обработку. Кроме того программный принцип управления не дает возможность организовать эфф длинные конвейеры. Обычно считается, что линейный участок проги не превышает 7-10 (15) команд. После этих команд конвейер перезапускается.

Как вариант можно рассматривать многофункциональную обработку в существующих ЭВМ:

а) во всех современных ЭВМ имеется совмещение операции при которой организуется II-ная работа отдельных блоков (выборка команды, выборка операндов и т.д.)

б) как вариант конвейера можно рассматривать II-ную обработку центрального CPU ЭВМ и сопроцессора.

в) конвейер мы находим в суперЭВМ, когда обеспечивается подпитка информации в кэш-памяти в память команд и в память данных.

г) в сетях ЭВМ возможна II-ная работа нескольких клиентов с одной центральной БД. Но эта дисциплина обслуживания больше относится к структуре МКМД.

7.5. МКМД

Наиболее интересным видом является МКМД. Эта структур дает множество структур. Обычно эти структуры различают по степени связанности: сильносвязанные и слабосвязанные.

Архитектура МКМД в самом простом варианте предполагает наличие нескольких автономных вычислителей, каждый из которых работает с собственным потоком заданий. Такая структура увеличивает производительность системы, очень проста по построению и управлению.

Более интересны структуры у которых информационные потоки ветвятся образуя II-ные ветви.

Если вычислители находятся в непосредственной близости друг от друга, то они сильно связаны. Интенсивность передачи информации в таких системах может быть очень высокой и осуществляться небольшими порциями.

Симметричные структуры могут относиться к архитектуре ОКМД, где в узлах матрицы CPU находятся отдельные микропроцессоры, способные передавать своим соседям отдельные байты или слова информации.

Симметричные структуры строятся их однотипных элементов, что упрощает построение и управление структурой в целом. Однако обеспечить полную загрузку подобных структур практически не удается. Для этого отсутствуют методы программирования и языки программирования. Кроме того, очень тяжело обеспечить передачу данных между CPU, не являющимися соседними. А значит класс эффективно решаемых задач резко сужается.

Подобные системы не могут найти очень широкого распространения. Их удел - только специальные виды вычислений, т.е. векторы и матрицы.

SMP - структуры - это системы, подключенные к CPU к ООП.

Это мультипроцессирование с разделением памяти.

Появление мощных CPU типа Pentium привело к появлению многопроцессорных систем на их основе. На общей шине ОП можно комплексировать 2, 4 и до 10 CPU.

Однако увеличение числа комплексируемых CPU приводит к появлению большого количество конфликтов. Поэтому в ПЭВМ таких систем не ожидается, а такие системы могут встречаться только при построении серверов сети. Каждый сервер управляет своей группой клиентов; поскольку интересы пользователей различны, то появление конфликтов маловероятно. CPU ведут обработку параллельно, не мешая друг другу.

1. Системы массового параллелизма MPP.

В них предполагается менее интенсивное взаимодействие комплексируемых CPU или ЭВМ. Здесь вычислители более автономны, поэтому их взаимодействие предполагает передачу и прог и данных. Частота обмена небольшая.

Различают:

MPP - системы массового параллелизма (это многопроцессорные)

сети - они многомашинные

MPP предполагают комплексирование десятков, сотен и даже тысяч CPU расположенных в непосредственной близости друг от друга (в пределах корпуса одной большой ЭВМ).

Все CPU-ные элементы связаны друг с другом единой коммутационной средой. Здесь возникают проблемы аналогичные симметричным структурам, но на новой технологической основе.

Основные отличия:

- обмен данными идет не единичными данными, а целыми пакетами, т.е. прогами и обеспечивающими их данными.

Данный принцип обмена не соответствует принципам программного управления классических ЭВМ.

Передача пакетами больше соответствует принципу построения потоковых машин (управляемых потоками данных).

Принцип построения подобных машин на последних двух лекциях.

Этот подход позволяет строить системы с громадной производительностью и реализовывать проекты с любыми видами параллелизма.

В пределе можно реализовывать систематические вычисления.

Режим работы CPU в системах.

В вычислительных системах может иметь место 3 вида режимов:

1. Режим “ведущий-ведомый”

2. Симметрическая или однородная обработка во всех CPU

3. Раздельная независимая работа CPU по обработке задания

1. Этот режим может быть реализован в любой ПЭВМ. В пакете NC в меню link мы может организовать связь двух CPU: один ведущий (“master”) и периферийный

2. Она наиболее сложная. Предполагает построение очень сложной ОС. Под действием этой ОС все CPU выполняют одну и ту же прогу, но у командного CPU свои данные.

3. Она обычно осуществляется под управлением собственной ОС. Общая ОС является небольшой надстройкой этих автономных систем.

1. Предпосылки появления и развития ВСт.

Вычислительная сеть - это система взаимосвязанных и распределенных ЭВМ, ориентированных на коллективное использование общественных ресурсов. В качестве ресурсов сети используются аппаратные, программные и информационные объекты.