Попов И.И., Матвеев А.А., Максимов Н.В. Архитектура электронно-вычислительных машин и систем (2004) (1186255), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Эти функции выполняет операционная системаВС.Несмотря на то, что классическим является многомашинныйвариант ВС, в ВС может быть только один компьютер, ноагрегированныйсмногофункциональнымпериферийнымоборудованием (стоимость периферийного оборудования часто во многораз превосходит стоимость компьютера). В компьютере может быть как123несколько процессоров (тогда мы имеем также классическиймногопроцессорный вариант ВС), так и один процессор (если не брать врасчет специализированные процессоры, входящие в составпериферийных устройств).Существуют следующие типы вычислительных систем:Одномашинная ВС – ВС, построенная на основе одногокомпьютера.Многопроцессорная ВС – ВС, построенная на основе несколькихпроцессоровМногомашинная ВС – ВС, построенная на основе несколькихкомпьютеровОднородная ВС – ВС, построенная на основе однотипныхкомпьютеров или процессоров.
Позволяет использовать стандартныенаборы программных средств, типовые протоколы (процедуры)сопряжения устройств.Неоднородная ВС – ВС, включающая в свой состав различныетипы компьютеров или процессоров.Оперативные ВС – ВС, функционирующие в реальном масштабевремени, в них реализуется оперативный режим обмена информацией –ответы на запросы поступают незамедлительно.Неоперативные ВС – ВС, допускающие режим «отложенногоответа», когда результаты выполнения запроса можно получить снекоторой задержкой (иногда даже в следующем сеансе работы ссистемой).ВС с централизованным управлением – ВС, в которых управлениевыполняет выделенный компьютер или процессорВС с децентрализованным управлением – ВС, в которыхкомпоненты (компьютеры / процессоры) равноправны и каждый можетбрать управление на себя.Территориально-сосредоточенные ВС – ВС, все компонентыкоторых размещены в непосредственной близости друг от другаРаспределенные ВС – ВС, компоненты которых могутраспологаться на значительном расстоянии, например – вычислительныесети.Структурно одноуровневые ВС – ВС, в которых имеетсялишьодин общий уровень обработки данных.Многоуровневые (иерархические) ВС – ВС, машины илипроцессоры в которых распределены по разным уровням обработкиинформации.Некоторыемашины(процессоры)могутспециализироваться на выполнении определенных функций.Вычислительные системы (ВС) чаще всего являются— многомашинными,— многопроцессорными.124Многопроцессорная архитектура.
Наличие в компьютеренескольких процессоров означает, что параллельно может бытьорганизовано много потоков данных и много потоков команд. Такимобразом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов однойзадачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную памятьи несколько процессоров, представлена на рис. 8.Рис. 8. Архитектура многопроцессорного компьютераМногомашинная вычислительная система. Здесь несколькопроцессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общейоперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную).
Каждыйкомпьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру,и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект отприменения такой вычислительной системы может быть получен толькопри решении задач, имеющих очень специальную структуру: онадолжна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколькокомпьютеров в системе.Преимущество в быстродействии многопроцессорных имногомашинных вычислительных систем перед однопроцессорнымиочевидно.Архитектура с параллельными процессорами.
Здесь несколькоАЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, чтомножество данных может обрабатываться по одной программе — тоесть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такойархитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковыевычислительные операции выполняются одновременно на различныходнотипных наборах данных. Структура таких компьютеровпредставлена на рис. 9.Рис. 9.
Архитектура с параллельными процессорами125В современных машинах часто присутствуют элементы различныхтипов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурныерешения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.Многомашинные вычислительные системы (ММС) появилисьраньше, чем многопроцессорные. Основные отличия ММС заключаютсяв организации связей и обмена информацией между ЭВМ всегокомплекса (ВС). Каждая из ЭВМ сохраняет возможность автономнойработы и управляется собственной ОС. Любая другая подключаемая кней ЭВМ рассматривается как периферийное специальное устройство.
Взависимости от территориальной разобщенности ЭВМ и используемыхсредств сопряжения обеспечивается и различная оперативность ихинформационного взаимодействия.Уровни и средства комплексирования.Логические и физические уровниВ создаваемых ВС стараются обеспечить несколько путейпередачи данных, что позволяет достичь необходимой надежностифункционирования, гибкости и адаптируемости к конкретным условиямработы. Эффективность обмена информацией определяется скоростьюпередачи и возможными объемами данных, передаваемыми по каналувзаимодействия.Этихарактеристикизависятотсредств,обеспечивающих взаимодействие модулей и уровня управленияпроцессами, на котором это взаимодействие осуществляется.
Сочетаниеразличных уровней и методов обмена данными между модулями ВСнаиболее полно представлено в универсальных суперЭВМ и большихЭВМ, в которых сбалансирование использовались все методыдостижения высокой производительности. В этих машинах предусматривались следующие уровни комплексирования:1. прямого управления (процессор - процессор);2. общей оперативной памяти;3. комплексируемых каналов ввода-вывода;4. устройств управления внешними устройствами (УВУ);5.
общих внешних устройств.На каждом из этих уровней используются специальныетехнические и программные средства, обеспечивающие обменинформацией.Уровень прямого управления служит для передачи короткиходнобайтовыхприказов-сообщений.Последовательностьвзаимодействия процессоров сводится к следующему. Процессоринициатор обмена по интерфейсу прямого управления (ИЛУ) передает вблок прямого управления байт-сообщение и подает команду «прямаязапись». У другого процессора эта команда вызывает прерывание,126относящееся к классу внешних. В ответ он вырабатывает команду«прямое чтение» и записывает передаваемый байт в свою память. Затемпринятая информация расшифровывается и по ней принимаетсярешение.
После завершения передачи прерывания снимаются, и обапроцессора продолжают вычисления по собственным программам.Видно, что уровень прямого управления не может использоваться дляпередачибольшихмассивовданных,однакооперативноевзаимодействие отдельными сигналами широко используется вуправлении вычислениями. У ПЭВМ типа IBM PC этому уровнюсоответствует комплексирование процессоров, подключаемых ксистемной шине.Уровень общей оперативной памяти (ООП) является наиболеепредпочтительным для оперативного взаимодействия процессоров. Вэтом случае ООП эффективно работает при небольшом числеобслуживаемых абонентов.Уровень комплексируемых каналов ввода-вывода предназначаетсядля передачи больших объемов информации между блокамиоперативной памяти, сопрягаемых в ВС.
Обмен данными между ЭВМосуществляется с помощью адаптера «канал-канал» (АКК) и команд«чтение» и «запись». Адаптер - это устройство, согласующее скоростиработы сопрягаемых каналов. Обычно сопрягаются селекторные каналы(СК) машин как наиболее быстродействующие. Скорость обменаданными определяется скоростью самого медленного канала. Скоростьпередачи данных по этому уровню составляет несколько Мбайт всекунду. В ПЭВМ данному уровню взаимодействия соответствуетподключение периферийной аппаратуры через контроллеры и адаптеры.Уровень устройств управления внешними устройствами (УВУ)предполагает использование встроенного в УВУ двухканальногопереключателя и команд «зарезервировать» и «освободить».Двухканальный переключатель позволяет подключать УВУ одноймашины к селекторным каналам различных ЭВМ.
По команде127«зарезервировать» канал - инициатор обмена имеет доступ через УВУ клюбым накопителям на дисках НМД или на магнитных лентах НМЛ. Насамом деле УВУ магнитных дисков и лент -совершенно различныеустройства. Обмен канала с накопителями продолжается до полногозавершения работ и получения команды «освободить». Только послеэтого УВУ может подключиться к конкурирующему каналу. Толькотакая дисциплина обслуживания требований позволяет избежатьконфликтных ситуаций.На четвертом уровне с помощью аппаратуры передачи данных(АПД) (мультиплексоры, сетевые адаптеры, модемы и др.) имеетсявозможность сопряжения с каналами связи. Эта аппаратура позволяетсоздавать сети ЭВМ.Пятый уровень предполагает использование общих внешнихустройств.
Для подключения отдельных устройств используетсяавтономный двухканальный переключатель.Пять уровней комплексирования получили название логическихпотому, что они объединяют на каждом уровне разнотипнуюаппаратуру, имеющую сходные методы управления. Каждое изустройств может иметь логическое имя, используемое в прикладныхпрограммах. Этим достигается независимость программ пользователейот конкретной физической конфигурации системы. Связь логическойструктуры программы и конкретной физической структуры ВСобеспечивается операционной системой по указаниям -директивампользователя, при генерации ОС и по указаниям диспетчера-операторавычислительного центра.
Различные уровни комплексированияпозволяют создавать самые различные структуры ВС.Второйлогическийуровеньпозволяетсоздаватьмногопроцессорные ВС. Обычно он дополняется и первым уровнем, чтопозволяет повышать оперативность взаимодействия процессоров.Вычислительные системы сверхвысокой производительности должныстроиться как многопроцессорные. Центральным блоком такой системыявляетсябыстродействующийкоммутатор,обеспечивающийнеобходимые подключения абонентов (процессоров и каналов) к общейоперативной памяти.Уровни 1, 3, 4, 5 обеспечивают построение разнообразныхмашинных комплексов. Особенно часто используется третий вкомбинации с четвертым. Целесообразно их дополнять и первымуровнем.Пятый уровень комплексирования используется в редкихспециальных случаях, когда в качестве внешнего объекта используетсякакое-то дорогое уникальное устройство.
В противном случае этотуровень малоэффективен. Любое внешнее устройство - это недостаточнонадежное устройство точной механики, а значит, выгоднее использоватьчетвертый уровень комплексирования, когда можно сразу управлять неодним, а несколькими внешними устройствами, включая и резервные.128Сочетание уровней и методов взаимодействия позволяет создаватьсамые различные многомашинные и многопроцессорные системы.Архитектура вычислительных системЧтобы дать более полное представление о многопроцессорныхвычислительных системах, помимо высокой производительностинеобходимо назвать и другие отличительные особенности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
