- •Оглавление
- •Глава 1. Архитектура вычислительных систем 11
- •Глава 2. Реализация параллельных алгоритмов 63
- •Глава 3. Надежность и живучесть вычислительных систем 96
- •Глава 4. Библиотека параллельных программ 120
- •Глава 5. Граф-схемы параллельных алгоритмов 150
- •Глава 6. Исследование информационных граф-схем со скалярными весами для планирования параллельных вычислений 182
- •Глава 7. Исследование информационных граф-схем решаемых задач с векторными весами для планирования параллельных вычислений 204
- •Глава 1. Архитектура вычислительных систем
- •1.Количественные характеристики, применяемые для оценок параметров вычислительных систем
- •Для случая неоднородной системы номинальное быстродействие выразится как
- •Здесь – вероятность выбора j-й операции, , . Для однородной вс её быстродействие по Гибсону выразится соотношением
- •Для неоднородной вс это быстродействие может быть определено, как
- •1.1.1. Вопросы к разделу 1.1.
- •2.Понятие о современных вычислительных системах
- •Пример графа регулярной вычислительной системы представлен на рисунке 1.2.1.
- •Примечание: Для регулярной вычислительной системы
- •2.1. Вопросы к разделу 1.2.
- •3.Структура современных вычислительных систем
- •3.1.Схема обмена с помощью структуры «Общая шина»
- •3.2.Схема обмена с помощью структуры «Линейка»
- •3.3.Вычислительная система, имеющая структуру типа «Кольцо»
- •3.4.Схема обмена с помощью структуры типа «Решётка»
- •1.3.5. Схема обмена с помощью структуры типа «Двумерный тор»
- •3.1.Схема обмена с помощью структуры типа «n-мерный двоичный гиперкуб» или «nD-куб»
- •3.2.Реализация обмена с помощью структуры типа «Обобщенный nD-куб»
- •3.3.Структура вс типа «n-мерный обобщённый тор»
- •3.4.Структура вс с сетью типа «Циркулянт»
- •1.3.10. Вычислительная система «Максимальный обхват»
- •1.3.11. Вычислительные системы со структурой сетей типа «Симметричные графы»
- •На рисунке 1.3.11. Представлена вс с симметричным графом.
- •1.3.12. Вычислительные системы с сетью связей типа «Гомоморфные графы»
- •1.3.13. Вычислительные системы с сетью связей типа «Граф л(n,V,g)»
- •1.3.14. Структура вычислительной системы типа «Бинарное дерево t0(n) глубины n»
- •1.3.15. Структура вычислительной системы типа «Мультидерево глубины n и ширины k t1(n,k)»
- •3.5. Вопросы к разделу 1.3
- •4.Коммуникационные среды вычислительных систем
- •Коммуникационная среда должна удовлетворять следующим требованиям:
- •4.1.Коммуникационная среда на основе масштабируемого когерентного интерфейса sci
- •4.2.Коммуникационная среда на основе технологии Myrinet
- •1.4.3. Краткая характеристика коммуникационной среды QsNet II
- •4.3. Вопросы к разделу 1.4
- •5.Коммутаторы вычислительных систем
- •1.5.1. Типы коммутаторов
- •5.1. Управление коммутаторами
- •5.2. Алгоритмы определения маршрутов
- •5.3. Дедлоки в составных коммутаторах
- •5.4.Вопросы к разделу 1.5
- •6.Процесс функционирования вычислительных систем
- •6.1. Вопросы к разделу 1.6.
- •7.Принципы технической реализации вс
- •1.7.1. Вопросы к разделу 1.7
- •1.8. Архитектурные особенности вс
- •1.8.1. Архитектурные свойства вс
- •1.8.2. Схема обмена информацией между ветвями параллельных алгоритмов
- •7.1.Опыт применения методики крупноблочного распараллеливания сложных задач
- •7.2.Архитектурные аспекты при создании ос вс
- •7.3.Структурные характеристики вс
- •7.4.Классификация структур вс
- •7.5.Вопросы к разделу 1.8.
- •Глава 2. Реализация параллельных алгоритмов
- •2.1. Реализация параллельных алгоритмов
- •2.1.1. Определение параллельного алгоритма
- •7.6.Организация динамического распараллеливания в суперскалярных микропроцессорах
- •2.1.3. Предварительная выборка команд и предсказание переходов
- •7.7.Декодирование команд, переименование ресурсов и диспетчеризация
- •7.8.Исполнение команд
- •2.1.6. Работа с памятью
- •2.1.7. Завершение выполнение команды
- •2.1.8. Направления развития суперскалярной архитектуры
- •7.9.Мультитредовая модель выполнения программы
- •7.10.Аппаратные и программные средства, необходимые для мультитредовой архитектуры
- •2.1.11. Специфика мультитредовых моделей распараллеливания
- •2.1.12. Вопросы к разделу 2.1
- •2.2.Организация распараллеливания на уровне программных модулей
- •2.2.1. Примеры организации вычислений на уровне программных модулей
- •2.2.2. Решение системы линейных уравнений методом Гаусса с помощью вс типов «решётка» и «линейка»
- •2.2.3. Исполнение алгоритма Гаусса на «решётке» n*n вm
- •2.2.4. Исполнение алгоритма Гаусса на «линейке», состоящей из n вм
- •2.2.5. Показатели эффективности параллельных алгоритмов
- •2.2.6. Понятие о сложных задачах
- •2.2.7. Вопросы к разделу 2.2
- •Глава 3. Надежность и живучесть вычислительных систем
- •8.Основные задачи создания отказоустойчивых систем
- •8.1.Вопросы к разделу 3.1
- •9.Классификация типов отказоустойчивости сложных систем и ее критерии
- •9.1.Вопросы к разделу 3.2
- •10.Способы обеспечения отказоустойчивого функционирования вс
- •3.3.1. Диагностическое тестирование вс
- •3.3.3. Способы восстановления отказоустойчивых вс
- •10.1.Вопросы к разделу 3.3
- •3.4. Построение живучих вс на основе экспоненциально- надежностного подхода
- •3.4.1. Показатели надежности вс
- •10.2. Методика расчета показателей надежности вс
- •3.4.3. Живучесть вс
- •3.4.4. Вопросы к разделу 3.4
- •11.Построение живучих вс, работоспособных в расчетном диапазоне кратностей отказов
- •3.5.1. Вопросы к разделу 3.5
- •3.6. Реализация модели отказоустойчивых систем
- •3.6.1. Горячий резерв
- •3.6.2. Репликация
- •3.6.3. Кластеры высокой готовности
- •4.1.2. Принципиальная схема программирования в OpenMp
- •11.2. Описание основных конструкций open mp
- •4.1.4. Способы построения параллельных программ
- •4.1.6. Вопросы к разделу 4.1
- •4.2. Основы построения библиотеки mpi
- •4.2.1. Основные понятия
- •4.2.2. Структура программ в mpi
- •4.2.3. Определение структуры приходящего сообщения
- •4.2.4. Определение базовых характеристик коммуникационной сети
- •11.4.Анализ тупиковых ситуаций при обмене
- •4.2.6. Организация передачи-приёма сообщений без блокировки
- •4.2.7. Реализация отложенных запросов на взаимодействие
- •4.2.8. Сравнительная оценка различных способов обмена данными
- •4.2.9. Использование глобальных операций в mpi
- •4.2.10. Взаимодействие процессов в mpi
- •4.2.11. Вопросы к раделу 4.2
- •Глава 5. Граф-схемы параллельных алгоритмов
- •5.1. Представление параллельных алгоритмов в виде граф-схем
- •5.1.1. Преобразование последовательных алгоритмов в параллельные
- •5.1.2.Использование граф-схем для представления параллельных алгоритмов
- •5.1.3. Вопросы к разделу 5.1
- •5.2.1. Вычисление матриц следования, расширенных матриц следования и матриц следования с транзитивными связями
- •5.2.2. Вопросы к разделу 5.2
- •11.5.Построение матрицы логической несовместимости.
- •5.3.2. Построение матрицы логической несовместимости операторов
- •5.3.3. Вопросы к разделу 5.3
- •5.4.1. Построение множеств взаимно независимых операторов.
- •5.4.2. Вопросы к разделу 5.4
- •Глава 6. Исследование информационных граф-схем со скалярными весами для планирования параллельных вычислений
- •6.1. Численные характеристики информационных граф-схем со скалярными весами
- •6.1.1 Определение ранних и поздних сроков окончания выполнения операторов.
- •11.6.Определение функций плотности загрузки, и минимальной загрузки для информационных граф-схем
- •6.1.3. Вопросы к разделу 6.1
- •6.2.1. Распределение операторов по вм вычислительной системы с общим полем памяти для информационной граф-схемы
- •6.2.2. Распределение операторов по вм вычислительной системы с общим полем памяти для информационно-логической граф-схемы
- •При срабатывании условного оператора «один», дуги 1.1 требуется 10 вм. Время решения задачи составит 22 условные единицы.
- •6.2.3. Распределение операторов по вм вычислительной системы с распределённой памятью для информационной граф-схемы
- •6.2.4. Реализация диаграмм для общепринятых способов обмена данными между вм вычислительной системы с распределённой памятью для информационной граф-схемы
- •6.2.5. Вопросы к разделу 6.2
- •Глава 7. Исследование информационных граф-схем решаемых задач с векторными весами для планирования параллельных вычислений
- •7.1 Информационная граф-схема решаемых задач с векторными весами вершин
- •7.1.1 Понятие об неоднородных системах
- •7.1.2. Основные определения, используемые для неоднородных вс
- •7.1.3. Вопросы к разделу 7.1
- •Литература
5.1. Управление коммутаторами
Управление коммутаторами зависит от способа передачи данных.
Используются следующие способы передачи данных:
коммутация каналов,
коммутация сообщений,
комбинация двух предыдущих способов - коммутация каналов на время передачи.
При коммутации каналов: перед передачей спецально создается канал, по которому будут передаваться данные, после передачи он удаляется. При коммутации сообщений, они собираются в пакеты одинакового размера. каждый пакет состоит из заголовка, передаваемых данных и признака конца пакета.
При коммутации пакетов, в коммутаторе используется общая входная очередь буферов для полного приема пакета. При поступления нового пакета в очередь алгоритм маршрутизации на основе информации из заголовка пакета вычисляет маршрут дальнейшего продвижения пакета. При коммутации каналов на время передачи пакета устанавливается маршрут передачи сообщений (по информации из заголовка пакета), он считается занятым пока по нему передается весь пакет, включая признак конца сообщения.
5.2. Алгоритмы определения маршрутов
В составных коммутаторах для передачи сообщения со входа на определенный выход определяется маршрут, проходящий через множество простых коммутаторов с помощью следующих алгоритмов маршрутизации:
детерминированные,
адаптивные,
частично адаптивные.
Для нахождения оптимального маршрута между входами и выходами используются детерминированные алгоритмы, но они не учитывают наличие сбоев и отказов простых коммутаторов. Поэтому применяются адаптивные алгоритмы, которые обрабатывают сбои и отказы коммутаторов и не выдают ошибок в этом случае. Но такие алгоритмы довольно объемные и медленнее обрабатываются. Чтобы оптимизировать работу применяются частично адаптивные алгоритмы, которые при малых отказах работают как детерминированные, а при ухудшении технических характеристик функционируют как адаптивные алгоритмы.
5.3. Дедлоки в составных коммутаторах
При работе в адаптивных алгоритмах возникают проблемы, связанные с ограничением числа буферов. Если используется общий буферный пул, то когда алгоритм маршрутизации нуждается в буфере, он получает любой свободный буфер из пула, при отсутствии свободных буферов алгоритм ожидает наличие свободного буфера. Такие блокировки называются дедлоками. Для борьбы с дедлоками применяется различные методы распределения буферного пула. Одним из таких методов - метод распределения буферного пула по линкам. Выбирается корневой ВМ, затем от ВМ, который передает сообщение, строится восходящее дерево до корневого ВМ. После этого корневой ВМ посылает данный пакет по нисходящему дереву до требуемого ВМ, который указан в заголовке пакета. Также можно распределять буферный пул по расстояниям. Общий буферный пул разбивают на классы. Количество классов больше диаметра графа на один. В каждом передаваемом пакете содержится информация о количестве передач. При посылке пакета это значение равно нулю. При прохождении через ВМ значение счетчика передач увеличивается на единицу, т.о. пакет класса n может размещаться в буферах от одного до n. Так как маршрут конечный, то циклическое ожидание не происходит, следовательно такая маршрутизация защищает от дедлоков.
Кроме рассмотренных выше методов, используется также метод старения пакетов, если дедлок продолжается в течении заданного времени, то начинается повторная передача пакета. Выполняются следующие действия над графом:
неориентированное ребро графа заменятся противоположно ориентированными ребрами;
учитывается порядок прохождения ВМ, без повторного захождения в пройденный ВМ;
граф разбивается на множество ориентированных подграфов следующим образом: вершина может принадлежать различным подграфам, а ребро входит только в один подграф.
В заключение, для оценки средств связи приведём сводную таблицу 1.5.1 сравнения высокоскоростных коммуникационных интерфейсов.
Таблица 1.5.1
Технология |
Пропускная способность MByte/s |
Задержка мксек/пакет |
Поддержка платформ |
Комментарий |
Fast Ethertnet |
12,5 |
158 |
Linux, UNIX, Windows |
Низкие цены, популярная |
Gigabit Ethernet |
125 |
33 |
Linux, UNIX, Windows |
Удобство модернизации |
Myrinet |
245 |
6 |
Linux, UNIX, Windows |
Открытый стандарт популярная |
VI (сLAN от Giganet) |
150 |
8 |
Linux, Windows |
Первая аппаратная промышленная реализация VI |
SCI |
400 |
1,5 |
Linux, UNIX, Windows |
Стандартизирована, широко используется |
QsNet |
340 |
2 |
True64 UNIX |
AlphaServer SC и системы Quadrics |
Memory Channel |
100 |
3 |
True64 UNIX |
Используется в Compaq AlphaServer |