Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем (2005) (1186253), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Типичным представителем последней группы, в частности, является компьютер ConnectionMachine 2, имеющий на внешнем уровне топологию гиперкуба,каждый узел которого является кластером.Классификация Шора. Классификация Дж. Шора, появившаясяв начале 70-х гг., интересна тем, что представляет собой попыткувыделения типичных способов компоновки вычислительных системна основе фиксированного числа базисных блоков: устройствауправления, арифметико-логического устройства, памяти команд ипамяти данных. Дополнительно предполагается, что выборка из памяти данных может осуществляться словами, т.
е. выбираются всеразряды одного слова и/или битовым слоем — по одному разряду изодной и той же позиции каждого слова (иногда этих два способа на-3.1. Основные определения. Классы архитектур ВСI249зывают горизонтальной и вертикальной выборками соответственно). Конечно же, при анализе данной классификации надо делатьскидку на время ее появления, так как предусмотреть невероятноеразнообразие параллельных систем настоящего времени было впринципе невозможно. Итак, согласно классификации Шора всекомпьютеры разбиваются на шесть классов, которые так и называются: машина типа I, II и т. д.Машина типа I — это вычислительная система, которая содержит устройство управления, арифметико-логическое устройство, память команд и память данных с пословной выборкой (рис. 3.11, а).Считывание данных осуществляется выборкой всех разрядов некоторого слова для их параллельной обработки в арифметико-логическом устройстве.
Состав АЛУ специально не оговаривается, что допускает наличие нескольких функциональных устройств, можетбыть, конвейерного типа. По этим соображениям в данный класспопадают как классические последовательные машины (IBM 701,PDP-11, VAX 11/780), так конвейерные скалярные (CDC 7600) ивекторно-конвейерные (CRAY-1).Если в машине типа I осуществлять выборку не по словам, а содержимого одного разряда из всех слов, то получим машину типа II(рис. 3.11, б). Слова в памяти данных по-прежнему располагаютсягоризонтально, но доступ к ним осуществляется иначе.
Если в машине I происходит последовательная обработка слов при параллельной обработке разрядов, то в машине II — последовательная обработка битовых слоев при параллельной обработке множества слов.Структура машины II лежит в основе ассоциативных компьютеров (например, центральный процессор машины STARAN), причемфактически такие компьютеры имеют не одно арифметико-логическое устройство, а множество сравнительно простых устройств поразрядной обработки.
Другим примером служит матричная системаабРис. 3.11. Машины типов I (а) и II (б) по классификации Шора250Глава 3. Вычислительные системыICL DAP, которая может одновременно обрабатывать по одномуразряду из 4096 словЕсли объединить принципы построения машин I и //, то получим машину типа III (рис. 3.12, а) Эта машина имеет два арифметико-логических устройства — горизонтальное и вертикальное, имодифицированную память данных, которая обеспечивает доступкак к словам, так и к битовым слоям. Впервые идею построения таких систем в 1960 г.
выдвинул У. Шуман, называвший их ортогональными (если память представлять как матрицу слов, то доступ кданным осуществляется в направлении, «ортогональном» традиционному — не по словам (строкам), а по битовым слоям (столбцам)).В принципе, как машину STARAN, так и ICL DAP можно запрограммировать на выполнение функций машины III, но посколькуони не имеют отдельных АЛУ для обработки слов и битовых слоев,отнести их к данному классу нельзя. Полноправными представителями машин класса III являются вычислительные системы семейства OMEN-60 фирмы Sanders Associates, построенные в прямом соответствии с концепцией ортогональной машины.Если в машине I увеличить число пар «арифметико-логическоеустройство — память данных» (иногда эту пару называют процессорным элементом), то получим машину типа IV (рис.
3.12, б). Единственное устройство управления выдает команду за командой сразувсем процессорным элементам. С одной стороны, отсутствие соединений между процессорными элементами делает дальнейшее наращивание их числа относительно простым, но с другой — сильно ограничивает применимость машин этого класса. Такую структуруимеет вычислительная система РЕРЕ, объединяющая 288 процессорных элементов.Если ввести непосредственные линейные связи между соседними процессорными элементами машины IV, например в виде матУУ•ПУ\АЛУAJ,дапдПбРис. 3.12.
Машины типов III (а) и IV (б) по классификации Шора3.2. Примеры некоторых архитектур вычислительных система251бРис. 3.13. Машины типов V (а) и VI (б) по классификации Шораричной конфигурации, то получим схему машины типа К (рис. 3.13,а). Любой процессорный элемент теперь может обращаться к данным как в собственной памяти, так и в памяти непосредственныхсоседей.
Подобная структура характерна, например, для классического матричного компьютера ILLIAC IV.Заметим, что все машины типа I—Vпридерживаются концепцииразделения памяти данных и арифметико-логических устройств,предполагая наличие шины данных или какого-либо коммутирующего элемента между ними. Машина типа К/(рис. 3 13, б), названнаяматрицей с функциональной памятью (или памятью со встроенной логикой), представляет собой другой подход, предусматривающий распределение логики процессора по всему запоминающему устройству.Примерами могут служить как простые ассоциативные запоминающие устройства, так и сложные ассоциативные процессоры.3.2.
Примеры некоторых архитектурвычислительных системРассмотрим далее примеры конкретных архитектур, а именно:• асимметричную многопроцессорную (мультипроцессорную)обработку (архитектуру);• массивно-параллельную архитектуру;• симметричную многопроцессорную архитектуру;• гибридную архитектуру с неоднородным доступом к памяти;• параллельную архитектуру с векторными процессорами;• кластерную архитектуру.Авторы предлагают читателю самостоятельно отнести указанныетипы систем к тем или иным классам из вышерассмотренных классификаций.252Глава 3. Вычислительные системыАсимметричная мультипроцессорная обработка —ASymmetric Multiprocessing (ASMP)Это архитектура суперкомпьютера, в которой каждый процессоримеет свою оперативную память.В ASMP используются три схемы (рис.
3.14) В любом случаепроцессоры взаимодействуют между собой, передавая друг другу сообщения, т. е. как бы образуя скоростную локальную сеть. Передачасообщений может осуществляться через общую шину (рис. 3.14, а,см. также МРР-архитектура) либо благодаря межпроцессорнымсвязям. В последнем случае процессоры связаны либо непосредственно (рис. 3.14, б), либо через друг друга (рис. 3.14, в). Непосредственные связи используются при небольшом числе процессоров.Каждый процессор имеет свою, расположенную рядом с нимоперативную память.
Благодаря этому, если это необходимо, процессоры могут располагаться в различных, но рядом установленныхкорпусах. Совокупность устройств в одном корпусе именуется кластером. Пользователь, обращаясь к кластеру, может работать сразу сгруппой процессоров. Такое объединение увеличивает скорость обработки данных и расширяет используемую оперативную память.Резко возрастает также отказоустойчивость, ибо кластеры осуществляют резервное дублирование данных. Созданная таким образомсистема называется кластерной.
В этой системе, в соответствии с ееструктурой, может функционировать несколько копий операцион-ПамятьПроцессор 1Процессор 2ПамятьПроцессор 4ПамятьXПамятьПроцессор 3бПамятьПроцессор 1Процессор 2ПамятьПамятьIПроцессор3—IПроцессор 4ПамятьРис. 3.14. Схемы асимметричной многопроцессорной архитектуры3.2. Примеры некоторых архитектур вычислительных систем253ной системы и несколько копий прикладной программы, которыеработают с одной и той же базой данных (БД), решая одновременноразные задачи.МРР-архитектура (massive parallel processing) — массивно-параллельная архитектура (вариант «а» на рис 3 14). В этом случае система строится из отдельных модулей, каждый из которых содержит:• процессор;• локальный банк оперативной памяти (ОП);• два коммуникационных процессора (рутера): один — для передачи команд, другой — для передачи данных (или сетевойадаптер);• жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода.По своей сути, такие модули представляют собой полнофункциональные компьютеры.
Доступ к банку ОП из данного модуляимеют только процессоры из этого же модуля. Модули соединяютсяспециальными коммуникационными каналами. Пользователь можетопределить логический номер процессора, к которому он подключен, и организовать обмен сообщениями с другими процессорами.Используются два варианта работы операционной системы на машинах МРР-архитектуры.В первом — полноценная ОС работает только на управляющеймашине (front-end), на каждом из остальных работает урезанный вариант ОС, обеспечивающий работу только расположенной в нем ветви параллельного приложения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
