Билеты (Graur) (Экзамен), страница 9

Реальные решения используемые в различных архитектурах ЭВМ могутбыть гораздо сложнее, но основные идеи остаются неизменными.Билет 16. Многомашинные, многопроцессорныеассоциации. Классификация. Примеры.Системы с распределенной памятью – MPP.Примером системы с распределенной памятью может служить массивнопараллельная архитектура – MPP1.

Массивно-параллельные системы состоят изоднородных вычислительных узлов, каждый из которых включает в себя:- один или несколько процессоров- локальную память, прямой доступ к которой с других узловневозможен- коммуникационный процессор или сетевой адаптер- устройства ввода/выводаСхема MPP системы, где каждый вычислительный узел (ВУ) имеет одинпроцессорный элемент (например, RISC-процессор, одинаковый для всех ВУ),память и коммуникационное устройство, изображена на рисунке.ЦППамятьЦППамятькоммуникац.устр-воВУкоммуникац.устр-воВУЦППамятьЦППамятькоммуникац.устр-воУправляющийузел (узлы)ВУкоммуникац.устр-воУзел (узлы)ввода-выводаВУРис. 1 Архитектура MPP.Помимо вычислительных узлов, в систему могут входить специальные узлыввода-вывода и управляющие узлы.

Узлы связаны между собой посредствомвысокоскоростной среды передачи данных определенной топологии. Числопроцессоров в MPP-системах может достигать нескольких тысяч.Поскольку в MPP-системе каждый узел представляет собой относительносамостоятельную единицу, то, как правило, управление массивно-параллельнойсистемой в целом осуществляется одним из двух способов:1. На каждом узле может работать полноценная операционная система,функционирующая отдельно от других узлов. При этом, разумеется, такаяОС должна поддерживать возможность коммуникации с другими узлами всоответствии с особенностями данной архитектуры.2. «Полноценная» ОС работает только на управляющей машине, а на каждомиз узлов MPP-системы работает некоторый сильно «урезанный» вариантОС, обеспечивающий работу задач на данном узле.1Аббревиатура MPP представляет собой сокращение от «Massive Parallel Processing»Вмассивно-параллельнойархитектуреотсутствуетвозможностьосуществлять обмен данными между ВУ напрямую через память, поэтомувзаимодействие между процессорами реализуется с помощью аппаратно ипрограммно поддерживаемого механизма передачи сообщений между ВУ.Соответственно, и программы для MPP-систем обычно создаются в рамках моделипередачи сообщений.Системы с общей памятью – SMP.В качестве наиболее распространенного примера систем с общей памятьюрассмотрим архитектуру SMP2 – симметричную мультипроцессорную систему.SMP-системы состоят из нескольких однородных процессоров и массива общейпамяти, который обычно состоит из нескольких независимых блоков.

Слово«симметричный» в названии данной архитектуры указывает на то, что всепроцессоры имеют доступ напрямую (т.е. возможность адресации) к любой точкепамяти, причем доступ любого процессора ко всем ячейкам памяти осуществляетсяс одинаковой скоростью. Общая схема SMP-архитектуры изображена на Рис.

2.Общая памятьВысокоскоростная среда передачи данныхЦПЦП.…..ЦПЦПРис. 2 Архитектура SMPПроцессоры подключены к памяти либо с помощью общей шины, либо с помощьюкоммутатора. Отметим, что в любой системе с общей памятью возникает проблемакэширования: так как к некоторой ячейке общей памяти имеет возможностьобратиться каждый из процессоров, то вполне возможна ситуация, когда некотороезначение из этой ячейки памяти находится в кэше одного или несколькихпроцессоров, в то время как другой процессор изменяет значение по данномуадресу. В этом случае, очевидно, значения, находящиеся в кэшах другихпроцессоров, больше не могут быть использованы и должны быть обновлены. ВSMP-архитектурах обычно согласованность данных в кэшах поддерживаетсяаппаратно.Очевидно, что наличие общей памяти в SMP-архитектурах позволяет эффективноорганизовать обмен данными между задачами, выполняющимися на разныхпроцессорах, с использованием механизма разделяемой памяти.

Однако сложностьорганизации симметричного доступа к памяти и поддержания согласованностикэшей накладывает существенное ограничение на количество процессоров в такихсистемах – в реальности их число обычно не превышает 32 – в то время, какстоимость таких машин весьма велика. Некоторым компромиссом междумасштабируемостью и однородностью доступа к памяти являются NUMAархитектуры, которые мы рассмотрим далее.2Аббревиатура SMP является сокращением фразы «Symmetric Multi Processing»Системы с неоднородным доступом к памяти – NUMA.Системы с неоднородным доступом к памяти (NUMA3) представляют собойпромежуточный класс между системами с общей и распределенной памятью.Память в NUMA-системах является физически распределенной, но логическиобщедоступной. Это означает, что каждый процессор может адресовать как своюлокальную память, так и память, находящуюся на других узлах, однако времядоступа к удаленным ячейкам памяти будет в несколько раз больше, нежели времядоступа к локальной памяти.

Заметим, что единой адресное пространство и доступк удаленной памяти поддерживаются аппаратно. Обычно аппаратноподдерживается и когерентность (согласованность) кэшей во всей системеСистемы с неоднородным доступом к памяти строятся из однородныхбазовых модулей, каждый из которых содержит небольшое число процессоров иблок памяти. Модули объединены между собой с помощью высокоскоростногокоммутатора. Обычно вся система работает под управлением единой ОС.Поскольку логически программисту предоставляется абстракция общей памяти, томодель программирования, используемая в системах NUMA, обычно в известнойстепени аналогична той, что используется на симметричных мультипроцессорныхсистемах, и организация межпроцессного взаимодействия опирается наиспользование разделяемой памяти.Масштабируемость NUMA-систем ограничивается объемом адресногопространства, возможностями аппаратуры поддержки когерентности кэшей ивозможностями операционной системы по управлению большим числомпроцессоров.Кластерные системы.Отдельным подклассом систем с распределенной памятью являются кластерныесистемы, которые представляют собой некоторый аналог массивно-параллельныхсистем, в котором в качестве ВУ выступают обычные рабочие станции общегоназначения, причем иногда узлы кластера могут даже одновременноиспользоваться в качестве пользовательских рабочих станций.

Кластер,объединяющий компьютеры разной мощности или разной архитектуры, называютгетерогенным (неоднородным). Для связи узлов используется одна изстандартных сетевых технологий, например, Fast Ethernet.Главными преимуществами кластерных систем, благодаря которым ониприобретают все большую популярность, являются их относительная дешевизна,возможность масштабирования и возможность использования при построениикластера тех вычислительных мощностей, которые уже имеются в распоряжениитой или иной организации.При программировании для кластерных систем, как и для других систем сраспределенной памятью, используется модель передачи сообщений.3Аббревиатура NUMA расшифровывается как «Non-Unified Memory Access», что вбуквальном переводе и означает «неоднородный доступ к памяти».

Часто используется также обозначение«ccNUMA», что означает «cache-coherent NUMA», или система с неоднородным доступом к памяти споддержкой когерентности (т.е. согласованности) кэшейБИЛЕТ 17. Терминальные комплексы. Компьютерныесети.Терминальные комплексы.Исторически, одним из первых примеров многомашинных ассоциаций являлисьтерминальные комплексы. Терминальный комплекс это многомашиннаяассоциация предназначенная для организации массового доступа удаленных илокальных пользователей к ресурсам некоторой вычислительной системы. Приэтом, к примеру, возможно использование терминальных комплексов для сбора ицентрализованной обработки информации (например, обработка результатовпереписи населения или выборов) или для массового доступа удаленныхпользователей к информации, размещенной в вычислительной системе (например,доступ пользователей к электронной библиотеке или система бронирования ипродажи авиа или железнодорожных билетов).

Временем появления подобныхзадач является конец 50-х – начало 60-х годов 20 века.Структуру терминального комплекса можно примерно изобразить следующимобразом.Терминальный комплекс может включать в свой состав:- основную вычислительную систему – систему, массовый доступк ресурсам которой обеспечивается терминальным комплексом;- локальныемультиплексоры–аппаратныекомплексы,предназначенные для осуществление связи и взаимодействиявычислительной системы с несколькими устройствами через одинканал ввода/вывода, в общем случае возможна схема M x N, где M– число обслуживаемых мультиплексором устройств, N числоиспользуемых для организации работы каналов ввода/вывода (M >N);---локальные терминалы – оконечные устройства, используемые длявзаимодействия пользователей с вычислительной системой (этомогут быть алфавитно-цифровые терминалы, графическиетерминалы, устройства печати, вычислительные машины,эмулирующие работу терминалов и т.п.) и, подключаемые квычислительной системе непосредственно через каналыввода/вывода или через локальные мультиплексоры;модемы – устройства, предназначенные для организациивзаимодействия вычислительной системы с удаленнымитерминалами с использованием телефонной сети.

В функциюмодема входит преобразование информации из дискретного,цифрового представления, используемого в вычислительнойтехнике в аналоговое представление, используемое в телефонии иобратно (в общем случае модем это устройство, предназначенноедля взаимного преобразования данных из различных формпредставления, например, могут быть оптические модемы,преобразующие данные из цифрового формата в оптический,предназначенный для передачи по оптоволоконным линиям связи).Со стороны вычислительной системы модем подключается либочерез канал ввода/вывода, либо через мультиплексор.удаленные терминалы – терминалы, имеющие доступ квычислительной системе с использованием телефонных линийсвязи и модемов.удаленные мультиплексоры – мультиплексоры, подключенные квычислительной системе с использованием телефонных линийсвязи и модемов.Телефонная сеть состоит из набора телефонных станций, объединенных другс другом линиями связи.