Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем (2005) (1186253), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Так, для соединения 16процессоров потребуется 4-мерный гиперкуб (рис. 3.19, б). Для егопостроения следует взять обычный 3-мерный куб, сдвинуть в ещеодном направлении и, соединив вершины, получить гиперкуб.Архитектура гиперкуба является второй по эффективности, носамой наглядной. Используются и другие топологии сетей связи:трехмерный тор, «кольцо», «звезда» и другие (рис. 3.20).Наиболее эффективной считается архитектура с топологией«толстого дерева» (fat-tree). Архитектура «fat-tree» (hypertree) предложена Лейзерсоном (Charles E. Leiserson) в 1985 г.
Процессоры локализованы в листьях дерева, в то время как внутренние узлы дерева11010010110001001а6Рис. 3.19. Топологии связи:а — трехмерный куб; б — четырехмерный гиперкубРис. 3.20. Архитектура кольца с полной связью по хордам (Chordal Ring)264Глава 3. Вычислительные системыРис. 3.21. Кластерная архитектура «Fat-tree»а — вид «сбоку», б — вид «сверху»скомпонованы во внутреннюю сеть (рис 3.21).
Поддеревья могутобщаться между собой, не затрагивая более высоких уровней сети.Поскольку способ соединения процессоров друг с другом больше влияет на производительность кластера, чем тип используемых вней процессоров, то может оказаться более рентабельным создатьсистему из большего числа дешевых компьютеров, чем из меньшегочисла дорогих В кластерах, как правило, используются операционные системы, стандартные для рабочих станций, чаще всего, свободно распространяемые — Linux, FreeBSD, вместе со специальными средствами поддержки параллельного программирования и балансировки нагрузки При работе с кластерами так же, как и с МРРсистемами, используют так называемую Massive Passing ProgrammingParadigm — парадигму программирования с передачей данных (чащевсего — MPI).
Дешевизна подобных систем оборачивается большими накладными расходами на взаимодействие параллельных процессов между собой, что сильно сужает потенциальный класс решаемых задач.3.3. Обобщенные представления об архитектуревычислительных машин, систем и сетейРассматривая архитектуру ЭВМ, вычислительных систем, суперкомпьютеров и информационно-вычислительных сетей с общих позиций и абстрагируясь от деталей, можно воспользоваться следующей схемой (рис 3 22).2653.3.
Обобщенные представления об архитектуре...Процессоры (процессорная среда)nП*Iflf|Ntl1Коммутационная среда (cpf" ^tlH fj Hff.•fКоммуникационная среда (tlNHtlКоммутационная среда (среды)tltiN N NNБлоки памяти (запоминающая среда)Рис. 3.22. Абстрактное представление об архитектурах ЭВМ, вычислительныхсистем и сетейЗдесь мы используем принципы классификации Скилликорна,построенной на следующих элементах-объектах (см.
выше)• процессор команд (IP — Instruction Processor) — функциональное устройство, работающее как интерпретатор команд; в системе, вообще говоря, может отсутствовать;• процессор данных (DP — Data Processor) — функциональноеустройство, работающее как преобразователь данных, в соответствии с арифметическими операциями;• иерархия памяти (IM — Instruction Memory, DM — DataMemory) — запоминающее устройство, в котором хранятсяданные и команды, пересылаемые между процессорами,• переключатель — абстрактное устройство, обеспечивающеесвязь между процессорами и памятьюТаким образом, имеются'• процессоры и блоки памяти — информационно-вычислительная среда,• средства коммутации и коммуникации — коммуникационно-коммутационная среда.Все эти компоненты активно присутствуют как в ЭВМ, так и ввычислительных сетях и системах (суперЭВМ).266Глава 3.
Вычислительные системыТребования к архитектурным компонентам МВСЭти аспекты имеют более широкий смысл, чем просто требования к техническим характеристикам компонент вычислительнойсистемы: процессору, дисковым массивам, памяти, коммутаторами т. п. аппаратным средствам. Гораздо более важное значение имеют требования, предъявляемые к вычислительной системе, которуюсобираются построить для реализации конкретных целей — решения задач определенного круга (научных, экономических, информационных систем и т. п.), модель программирования.Разработчикам необходимо, прежде всего, проанализироватьследующие связанные между собой вопросы:• надежность и отказоустойчивость;• масштабируемость;• совместимость программного обеспечения;• отношение стоимость/производительность.Добиться дополнительного повышения производительности вМВС труднее, чем произвести масштабирование внутри узла.
Основным барьером является трудность организации эффективных межузловых связей. Коммуникации, которые происходят между узлами,должны быть устойчивы к большим задержкам программно поддерживаемой когерентности. Приложения с большим количеством взаимодействующих процессов работают лучше на основе SMP-узлов, в которых коммуникационные связи более быстрые. В кластерах, как и вМРР-системах, масштабирование приложений более эффективно приуменьшении объема коммуникаций между процессами, работающимив разных узлах. Это обычно достигается путем разбиения данных.Именно такой подход используется в наиболее известном приложении на основе кластеров OPS (Oracle Parallel Server).Появление любого нового направления в вычислительной технике определяется требованиями компьютерного рынка.
Поэтому уразработчиков компьютеров нет одной единственной цели. Большаяуниверсальная вычислительная машина (мейнфрейм) или суперкомпьютер стоят дорого. Для достижения поставленных целей припроектировании высокопроизводительных конструкций приходитсяигнорировать стоимостные характеристики.Суперкомпьютеры фирмы Cray Research и высокопроизводительные мейнфреймы компании IBM относятся именно к этой категории компьютеров. Другим крайним примером может служитьконструкция, где производительность принесена в жертву для достижения низкой стоимости.
К этому направлению относятся персональные компьютеры различных клонов IBM PC. Между этими3.3. Обобщенные представления об архитектуре...267двумя крайними направлениями находятся конструкции, основанные на отношении стоимость/производительность, в которых разработчики находят баланс между стоимостными параметрами и производительностью. Типичными примерами такого рода компьютеров являются мини-компьютеры и рабочие станцииДля сравнения различных компьютеров между собой обычно используются стандартные методики измерения производительности.Эти методики позволяют разработчикам и пользователям использовать полученные в результате испытаний количественные показателидля оценки тех или иных технических решений, и, в конце концов,именно производительность и стоимость дают пользователю рациональную основу для решения вопроса, какой компьютер выбрать.Масштабируемость.
Масштабируемость представляет собой возможность наращивания числа и мощности процессоров, объемовоперативной и внешней памяти и других ресурсов вычислительнойсистемы. Масштабируемость должна обеспечиваться архитектурой иконструкцией компьютера, а также соответствующими средствамипрограммного обеспечения.Так, например, возможность масштабирования кластера ограничена значением отношения скорости процессора к скорости связи,которое не должно быть слишком большим (реально это отношениедля больших систем не может быть более 3—4, в противном случаене удается даже реализовать режим единого образа операционнойсистемы). С другой стороны, последние годы развития процессорови коммуникаторов показывают, что разрыв по скорости междуними все увеличивается.Добавление каждого нового процессора в действительно масштабируемой системе должно давать прогнозируемое увеличениепроизводительности и пропускной способности при приемлемыхзатратах.
Одной из основных задач при построении масштабируемых систем является минимизация стоимости расширения компьютера и упрощение планирования. В идеале добавление процессоровк системе должно приводить к линейному росту ее производительности. Однако это не всегда так. Потери производительности могутвозникать, например, при недостаточной пропускной способностишин из-за возрастания трафика между процессорами и основнойпамятью, а также между памятью и устройствами ввода/вывода.В действительности реальное увеличение производительности трудно оценить заранее, поскольку оно в значительной степени зависитот поведения прикладных задач.Возможность масштабирования системы определяется не толькоархитектурой аппаратных средств, но и зависит от заложенных268Глава 3.
Вычислительные системысвойств программного обеспечения. Масштабируемость программного обеспечения затрагивает все его уровни — от простых механизмов передачи сообщений до работы с такими сложными объектами,как мониторы транзакций и вся среда прикладной системы. В частности, программное обеспечение должно минимизировать трафикмежпроцессорного обмена, который может препятствовать линейному росту производительности системы. Аппаратные средства(процессоры, шины и устройства ввода/вывода) являются толькочастью масштабируемой архитектуры, на которой программноеобеспечение может обеспечить предсказуемый рост производительности.
Важно понимать, что простой переход, например, на болеемощный процессор может привести к перегрузке других компонентов системы. Это означает, что действительно масштабируемая система должна быть сбалансирована по всем параметрам.Совместимость и мобильность программного обеспечения. Концепция программной совместимости впервые в широких масштабахбыла применена разработчиками системы IBM/360. Основная задача при проектировании всего ряда моделей этой системы заключалась в создании такой архитектуры, которая была бы одинаковой сточки зрения пользователя для всех моделей системы независимо отцены и производительности каждой из них.
Огромные преимущества такого подхода, позволяющего сохранять существующий заделпрограммного обеспечения при переходе на новые (как правило,более производительные) модели, были быстро оценены как производителями компьютеров, так и пользователями и, начиная с этоговремени, практически все фирмы-поставщики компьютерного оборудования взяли на вооружение эти принципы, поставляя серии совместимых компьютеров. Следует заметить, однако, что со временем даже самая передовая архитектура неизбежно устаревает и возникает потребность внесения радикальных изменений в архитектуруи способы организации вычислительных систем.В настоящее время одним из наиболее важных факторов, определяющих современные тенденции в развитии информационныхтехнологий, является ориентация компаний-поставщиков компьютерного оборудования на рынок прикладных программных средств.Это объясняется, прежде всего, тем, что для конечного пользователя, в конце концов, важно программное обеспечение, позволяющеерешить его задачи, а не выбор той или иной аппаратной платформы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
