Архитектура вычислительных систем
Процесс решения любой задачи можно представить как воздействие определенной последовательности команд (потока команд) на соответствующую последовательность данных (поток данных). На этом принципе построена классификация ВС. С точки зрения организации обмена командами между процессором и памятью существует 4 класса ВС.
Системы с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных (ОКОД);
Системы с одиночным потоком команд и множественным потоком данных (ОКМД);
Системы с множественным потоком команд и одиночным потоком данных (МКОД);
Системы с множественным потоком команд и множественным потоком данных (МКМД).
Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, т.е. системы с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс, а фон-неймановский процессор является лишь частным случаем систем ОКОД. В них параллелизм вычислений достигается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода и процессора.
Архитектура ОКМД предполагает обработку по одной и той же программе нескольких потоков данных (рис.1.2.2.(3.1.3))
Рис.1.2.2. Архитектура ОКМД
Каждый поток данных обрабатывается либо отдельным процессором либо отдельным АЛУ (тогда УУ общее). Одиночным поток команд называется потому, что каждый процессор выполняет одновременно только одну команду. Такую схему обработки называют векторной. Если объединить несколько векторных систем обработки, то получается матричная система, организация которой довольно проста: общее устройство управления, генерирующее поток команд, и большое число процессоров, работающих параллельно и обрабатывающих каждый свой поток данных. Процессоры, входящие в ВС, одинаковы и управляются одной последовательностью команд. В структурах данной архитектуры обеспечиваются связи между процессорами, которые напоминают матрицу, в которой каждый элемент связан с соседними. По данной технологии строились системы Илиак-4(первая суперЭВМ), ПС-2000, Супергрей. Элементы этой технологии реализованы в процессорах Intel, начиная с Pentium MMX.
Архитектура МКОД предполагает построение процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке (Рис1.2.3(3.1.5))
Р ис.1.2.3. Система мкод
Такая система обработки получила название конвейерной (скалярной) обработки. Обязательным условием конвейера операций является наличие нескольких блоков обработки, в каждом из которых команды выполняются последовательно. Таким образом, конвейерная обработка не нарушает принципы фон-Неймана. Однако надо учитывать, что длина конвейера не может быть очень большой, конвейерная обработка увеличивает быстродействие за счет усложнения системы.
В ВС данной архитектуры используются кроме конвейера команд и конвейер данных, который работает по тому же принципу: ВС разбивается на ряд модулей, работающих одновременно. Сочетание двух конвейеров позволяет достичь очень большой скорости обработки.
Архитектура МКМД Объединяет все другие архитектуры. Схема ВС такой архитектуры представлена на рис.1.2.4 (3.1.9).
Рис.1.2.4. Система МКМД
Данная архитектура предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд. Эти процессоры могут быть автономны и независимы, и тогда мы приходим к многомашинным ВС. Такая система применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра.
Вторая разновидность МКМД – многопроцессорная ВС, в которой процессоры достаточно жестко связаны общей памятью, и хотя процессоры в системе имеют достаточную самостоятельность, в системе организуется совместная их работа.