Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем (2005) (1186253), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Флинн, 1966 г.)Цели, которым должна служить хорошо построенная классификация архитектур:• облегчать понимание того, что достигнуто на сегодняшнийдень в области архитектур вычислительных систем, и какиеархитектуры имеют лучшие перспективы в будущем;• подсказывать новые пути организации архитектур — речь идето тех классах, которые в настоящее время по разным причинам пусты;• показывать, за счет каких структурных особенностей достигается увеличение производительности различных вычислительных систем; с этой точки зрения классификация может служить моделью для анализа производительности.В 1966 г. М. Флинном (Flynn) был предложен следующий подход к классификации архитектур вычислительных систем.
В основубыло положено понятие потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. Соответствующая система классификации основана нарассмотрении числа потоков инструкций и потоков данных и описывает четыре базовых класса (табл. 3.1, рис. 3.4).Коротко рассмотрим отличительные особенности каждой из архитектур.3.1. Основные определения. Классы архитектур ВС233Таблица 3 1 Классификация ФлиннаПоток командПоток данныходиночныймножественныйS1SD - Single Instruction stream / Single MISD - Multiple Instruction stream / SingleData stream (Одиночный поток Команд и Data stream (Множественный поток КомандОдиночный поток Данных - ОКОД)и Одиночный поток Данных - МКОД)ОдиночныйSIMD - Single Instruction stream / Multiple MIMD - Multiple Instruction stream / MultipleМножественный Data stream (Одиночный поток Команд и Data stream (Множественный поток КомандМножественный поток Данных - ОКМД)и Множественный поток Данных - МКМД)РезультатыJПамять команд>гПоток комаьг1лП2г— >•п.,Поток данныхРис.
3.4. Классификация Флинна:а - S1SD, б - MISD; в - SIMD, г - MIMDАрхитектура ОКОД (SISD) охватывает все однопроцессорные иодномашинные варианты систем, т. е. с одним вычислителем. ВсеЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполненияопераций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой234Глава 3. Вычислительные системыустройств ввода-вывода информации и процессора. Закономерностиорганизации вычислительного процесса в этих структурах достаточно хорошо изучены.Архитектура ОКМД (S1MD) предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, т.
е. процессорные элементы, входящие в систему, идентичны, и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свойпоток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработкиматриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейныхи нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательнообеспечивать соединения между процессорами, соответствующеереализуемым математическим зависимостям.
Как правило, эти связинапоминают матрицу, в которой каждый процессорный элементсвязан с соседними. По данной схеме строились системы: первая суперЭВМ — ILLIAC-IV, отечественные параллельные системы —ПС-2000, ПС-3000. Идея векторной обработки широко использовалась в таких известных суперЭВМ, как СуЬег-205 и Gray-I, II, III.Узким местом подобных систем является необходимость изменениякоммутации между процессорами, когда связь между ними отличается от матричной.
Кроме того, класс задач, допускающих широкийматричный параллелизм, весьма узок. Структуры ВС этого типа, посуществу, являются структурами специализированных суперЭВМ.Элементы технологии SIMD реализованы в процессорах Intelначиная с Pentium MMX (1997 г.).Третий тип архитектуры — МКОД (MISD) предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому поцепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Прототипом таких вычислений может служить схема любого производственногоконвейера. В современных ЭВМ по этому принципу реализованасхема совмещения операций, в которой параллельно работают различные функциональные блоки, и каждый из них делает свою частьв общем цикле обработки команды. В ВС этого типа конвейерыдолжны образовывать группы процессоров.
Однако при переходе насистемный уровень очень трудно выявить подобный регулярный характер в универсальных вычислениях. Кроме того, на практикенельзя обеспечить и «большую длину» такого конвейера, при которой достигается наивысший эффект. Вместе с тем конвейерная схема нашла применение в так называемых скалярных процессорах су-3.1. Основные определения.
Классы архитектур ВС235перЭВМ, в которых они применяются как специальные процессорыдля поддержки векторной обработки.Архитектура МКМД (MIMD) предполагает, что все процессорысистемы работают по своим программам с собственным потокомкоманд.
В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется на многихкрупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра. Большой интерес представляет возможность согласованной работы ЭВМ (процессоров), когда каждый элемент делает часть общей задачи. Общая теоретическая база такого вида работ практически отсутствует. Но можно привести примеры большойэффективности этой модели вычислений. Подобные системы могутбыть многомашинными и многопроцессорными. Например, отечественный проект машины динамической архитектуры (МДА) —ЕС-2704, ЕС-2727 — предполагал одновременное использованиесотни процессоров.Другие подходы к классификации ВСНаличие большого разнообразия систем, образующих классМКМД (MIMD), делает классификацию Флинна не полностью адекватной. Действительно и 4-процессорный SX-5 компании NEC и1000-процессорный Cray T3E попадают в этот класс, и это заставляет искать другие подходы к классификации.Классификация Джонсона.
Е. Джонсон предложил проводитьклассификацию MIMD-архитектур на основе структуры памяти иреализации механизма взаимодействия и синхронизации междупроцессорами.По структуре оперативной памяти существующие вычислительные системы делятся на две большие группы: либо это системы собщей памятью, прямо адресуемой всеми процессорами, либо этосистемы с распределенной памятью, каждая часть которой доступнатолько одному процессору. Одновременно с этим и для межпроцессорного взаимодействия существуют две альтернативы: через разделяемые (общие) переменные или с помощью механизма передачисообщений.
Исходя из таких предположений, можно получить четыре класса MIMD-архитектур, уточняющих систематику Флинна(табл. 3.2).Основываясь на таком делении, Джонсон вводит следующие наименования для некоторых классов:• вычислительные системы, использующие общую разделяемуюпамять для межпроцессорного взаимодействия и синхрониза-236Глава 3. Вычислительные системыТаблица 3 2 Классификация Джонсона для систем MIMD по ФлиннуОбменданнымиПамятьобщаяраспределеннаяGMSV - General Memory-Shared variables DMSV - Distributed Memory, Shared variablesОбщие (Общая память - разделяемые переменные) (Распределенная память - разделяемые переданные Класс 1 «Системы с разделяемой памятью» менные)Класс 2.
«Гибридная архитектура»GMMP - General Memory, Message pro- DMMP - Distributed Memory, MessageПередача pagation (Общая память - передача сообще- propagation) (Распределенная память - передаданных ний)ча сообщений)Класс 3 «Архитектуры с передачей сообщений»ции, он называет системами с разделяемой памятью, напримерCRAY Y-MP (по его классификации это класс 1);• системы, в которых память распределена по процессорам, адля взаимодействия и синхронизации используется механизмпередачи сообщений, называются архитектурами с передачейсообщений, например NCube (класс 3);• системы с распределенной памятью и синхронизацией черезразделяемые переменные, как в BBN Butterfly, называютсягибридными архитектурами (класс 2).В качестве уточнения классификации автор отмечает возможность учитывать вид связи между процессорами: общая шина, переключатели, разнообразные сети и т.
п.Классификация Базу. По мнению А. Базу (A. Basu), любую параллельную вычислительную систему можно однозначно описать последовательностью решений, принятых на этапе ее проектирования, асам процесс проектирования представить в виде дерева. Корень дерева — это вычислительная система (рис. 3.5), и последующие ярусыдерева, фиксируя уровень параллелизма, метод реализации алгоритма, параллелизм инструкций и способ управления, последовательнодополняют друг друга, формируя описание системы.На первом этапе определяется, какой уровень параллелизма использует вычислительная система. Одна и та же операция может одновременно выполняться над целым набором данных, определяяпараллелизм на уровне данных (обозначено D на рис. 3.5).
Способность выполнять более одной операции одновременно говорит о параллелизме на уровне команд (О). Если же компьютер спроектирован так, что целые последовательности команд могут быть выполнены одновременно, то будем говорить о параллелизме на уровнезадач (Т).2373.1. Основные определения. Классы архитектур ВСПараллельные вычислительные системыУровеньпараллелизмаМетодреализацииалгоритмаДанн ые (о)1Аппаратнаяреализация1Инструкции m)1ПрограммнаяреализацияЗадачи ("т)1^паратнаяреализацияПрогр аммнаяреализацияi1ПараллелизмисполненияинструкцийПараллельное Конвейеризация Параллельное Параллельное Конвейеризацияисполнениеисполненияисполнениеисполнениеисполненияинструкцийинструкцийинструкцийинструкцийинструкций(Pa(Pi)(Pa)(Pa)(Pi)r-U1СпособСинхр Асинх D Синхрs~~^Архитектурасистемыs-^©®DCPaSDCPaAСинхрIIг-L^r-l-,С лнхрАсинхр© C DСDDPPiSOCPaS OCPaA^_^DPPaS®Х~ЧСинхр©S~*\OPP/SПараллельноеисполнениеинструкций(Pa)Iг-ЧАсинхр Синхр АсинхрО.j © ®S"OPPiA OPPaS ОРРаЛРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
