Добавил:

Tushkan Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Предмет:

Вычислительные машины, системы и сети

Файл:

Презентации (2009)_2 / Классификация архитектур вычислительных систем.pptx

Скачиваний:

Добавлен:

28.06.2014

Размер:

203.19 Кб

Скачать

☆

1 / 21 2 > Следующая >>>

Классификация

архитектур вычислительных систем

Ha
M	N
M	d
	a
	de

Автор - Никитин А.А.

• выяснить на какой класс архитектур ему следует ориентироваться для решения требуемого класса задач

• показать возможные пути совершенствования компьютеров

Общие принципы функционирования				Наиболее важные параметры
	Введение			•	топология связи между
	параллельных машин			•	организация памяти
•	векторно-конвейерные
•	массивно-параллельные				процессорами
• компьютеры с широким командным				•	синхронность работы
	словом				отдельных устройств
•	систолические массивы			•	способ исполнения
•	гиперкубы	Основной вопрос - что			арифметических операций
•	спецпроцессоры		заложить в основу
•	мультипроцессоры		классификации
•	мультипроцессоры	•	стоимость компьютера
•	иерархические	•	стоимость компьютера		Правильная классификация
•	иерархические	•	потоки данных и команд		Правильная классификация
•	кластерные компьютеры	•	потоки данных и команд		помогает:
•	кластерные компьютеры	•	пословный и поразрядный		• разобраться с тем, что
•	dataflow		параллелизм		представляет собой каждая
•	матричные ЭВМ				архитектура

• понять как архитектуры

Классификация•облегчать пониманиемнениютого, чтоСкилликорнадостигнуто должна : взаимосвязаны между собой

сегодняшний день в области архитектур вычислительных систем, и какие архитектуры имеют лучшие перспективы в будущем;

•подсказывать новые пути организации архитектур - речь идет о тех классах, которые в настоящее время по разным причинам пусты;

•показывать, за счет каких структурных особенностей достигается увеличение производительности различных вычислительных систем; с этой точки зрения, классификация может служить моделью для анализа производительности.

Классификация

Флинна

d
	ata
к		fl
к	онве			ow и		вект
	онве			йе	р	вект			ор	н
прол				йе	р				ор	н
прол		е			ные		м
		е	тают				м	аши
			тают					аши

самая ранняя и наиболее	Классификация базируется на понятии потока
известная классификация	- последовательности элементов
	обрабатываемых процессором

Конвейерные машины

пуст

MISD - множественный поток команд и одиночный поток

данных. Мультипроцессорные системы

BBN Butterfly	переполнен
	различными
Intel Paragon	архитектурам
	и

MIMD - множественный поток команд и множественный поток данных.

Однопроцессорные

последовательные

компьютеры VAX 11/780

CRAY-1

SISD - одиночный поток команд и одиночный поток данных

					ы			р
			иц				с		ILLIAC IV
		р				с		о	ILLIAC IV
	т				е				ICL DAP
а				ц					ICL DAP
М			о
М		р		в
	п			в
			о

SIMD - одиночный поток команд и множественный поток данных.

Патч для архитектуры Флинна

Дополнения Ванга и Бриггса

Схема классиф
	ик
	ации на
при	иб
при	олее
	ме
	нима при оценке
	б
п	азовых
ри
нц
	ипов р
	аб
	от
	ы к
	ом
	пь
	ют
	ера.

Детализирует классы архитектур SIMD,SISD,MIMD

Класс SISD разбивается на два

В классе MIMD авторы различают

• вычислительные системы со

подкласса:

слабой связью между

• архитектуры с

процессорами, к которым они

единственным

относят все системы с

функциональным

распределенной памятью,

устройством, например, PDP-

например, Cosmic Cube,

11;

• и вычислительные системы с

• архитектуры, имеющие в

сильной связью (системы с общей

своем составе несколько

памятью), куда попадают такие

функциональных устройств -

компьютеры,П

как C.mmp, BBN

CDC 6600, CRAY-1, FPS AP-120B,

сто

Butterfly, CRAYд

Y-йMP,кл Denelcor HEP.

В класс SIMD вводится два подкласса:

я р

сс

CDC Cyber 205, FACOM 200.

•архитектуры с пословно-

при

або

нц

D п

ол

ип

тк

ез

последовательной обработкой

кон

иал

пц

информации - ILLIAC IV, PEPE, BSP;

пра

ов

ий в

ике

•архитектуры с разрядно-

ыч

по

еор

ии

рое

последовательной обработкой -

лит

ния

ель

ны

STARAN, ICL DAP.

сис

STARAN (1, 256) и MPP (1,16384)

Классификация

бая

- точка на

плоскости

(n,

с коо

рина

та

Интегральная характеристика

Классификация вычислительных систем на основе

Фенга

потенциала параллельности P -

двух простых характеристик

максимальная степень параллелизма

• Число бит n в машинном слове, обрабатываемых

параллельно при выполнении машинных

ВС P(C)=mn , это некоторый аналог

инструкций

пиковой

ы.

чи

• числу слов m, обрабатываемых одновременно

сли

производительности ы

че

мо

ьн

данной вычислительной системой

но р

Разрядно-последовательные

ыре

Функционирование любого компьютера

ла

азд

пословно-последовательные

а :

тьможно представить как параллельную

(n=m=1). В каждый момент

обработку n битовых слоев, на каждом

времени

такие

компьютеры

из которых независимо преобразуются

обрабатывают

только

один

m бит.

Разрядно-параллельные пословно-

двоичный разряд. MINIMA (1,1)

параллельные (n > 1, m > 1). Большая

Разрядно-параллельные

часть существующих параллельных

вычислительных систем BBN Butterfly (32,

пословно-последовательные

256) ,

ILLIAC IV (64, 64).

(n > 1 , m = 1).

Недостатки

Последовательные

-процессорные матрицы = векторно-

компьютеры :

конвейерные = многопроцессорные

IBM 701 (36,1) ; VAX 11/780

системами

-не исследуется за счет чего можно

Разрядно-последовательные пословно-

(32,1).

одновременно обрабатывать более одного

параллельные (n = 1 , m > 1). Много

слова.

одноразрядных процессоров, каждый

Достоинство - введение единой числовой

независимо обрабатывает данные.

метрики для всех типов компьютеров

Классификация

осущоркаи

ВыделениеШора

ов

ны

типичных способов компоновки

сл

ан

вычислительных систем на основе фиксированного

ми

числа базисных блоков: устройства управления,

ет

арифметико-логического устройства, памяти команд и

памяти данных.

Машина I - это вычислительная

Машина II осуществляет выборку

система, которая содержит

содержимого

устройство управления, арифметико-

одного разряда из всех слов. Слова в памяти

логическое устройство, память

данных располагаются горизонтально.

команд и память данных с пословной

Доступ к словам идет через

выборкой. Считывание данных

последовательную обработку битовых слоев

осуществляется выборкой всех

при параллельной обработке множества

разрядов некоторого слова для их

слов.

параллельной обработки в

арифметико-логическом Mустройстве.

ассоциативные компьютеры

классические последовательные Матричные системы машины конвейерные скалярные машины

векторно-конвейерные машины

Классификация Шора

Если объединить принципы построения машин I и II, то получим машину III. Эта машина имеет два арифметико- логических устройства - горизонтальное и вертикальное, и модифицированную память данных, которая обеспечивает доступ как к словам, так и к битовым слоям.

Если в машине I увеличить число пар арифметико-логическое устройство <==> память данных (иногда эту пару называют

процессорным элементом) то получим

машину IV. Единственное устройство управления выдает команду за командой сразу всем 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.

Вычислительные системы семейства

OMEN-60 фирмы Sanders Associates,

построенные в прямом соответствии с

Такую структуру имеет

концепцией ортогональной машины.

Ес

вычислительная система PEPE,

ли па

объединяющая 288 процессорных

мя

пре

сло

ть

дставля

элементов.

в, то дос

ту

п к

да

ть как ма

рицу

в напр

ав

ле

ни

и, "

нным ос

щес

ор

вля

ет

ся

радицион

но

ог

ональном"

а по

итовы

у - не

по сл

вам (с

сло

рока

м),

ям (сто

лб

ца

м)

Классификация Шора

Если ввести непосредственные линейные связи между соседними процессорными элементами машины IV, например в виде

матричной конфигурации, то получим схему машины V. Любой

процессорный элемент теперь может обращаться к данным как в своей памяти, так и в памяти непосредственных соседей.

Классический матричный компьютер ILLIAC IV

Заметим, что все машины с I-ой по V-ю придерживаются концепции разделения памяти данных и арифметико-логических устройств, предполагая наличие шины данных или какого-либо коммутирующего элемента между ними. Машина VI, названная

матрицей с функциональной памятью

(или памятью с встроенной логикой), представляет собой другой подход, предусматривающий распределение логики процессора по всему запоминающему устройству.

простые ассоциативные запоминающие устройства

сложные ассоциативные процессоры

Три уровняКлассификацияобработки данных в

иза

процессе выполнения программ:

•

уровень выполнения программы -

основа классификации - явное описаниеа

Хендлера

опираясь на счетчик команд и

возможностей параллельной и

некоторые другие регистры,

конвейерной обработки информации

устройство управления (УУ) производит

вычислительной системой

выборку и дешифрацию команд

способы связи между процессорами и

программы;

блоками памяти не рассматриваются

• уровень выполнения команд -

арифметико-логическое устройство

компьютера (АЛУ) исполняет команду,

выданную ему устройством

управления;

• уровень битовой обработки - все

элементарные логические схемы

процессора (ЭЛС) разбиваются на

группы, необходимые для выполнения

операций над одним двоичным

Тройка для описания вычислительной

Исчезает проблема с определени

разрядом.

системы C:

векторно-конвейерных машин

t(С) = (k×k',d×d',w×w') , где

(

исло процессоров (каждый со своим УУ), работающих параллельноt( S

IV )

(

глубина макроконвейера из отдельных процессоров

t( C

N )

(1,8

64,6

исло АЛУ в каждом процессоре, работающих параллельно

t( P

.mmp

192,

) =

(

)

16,1,

число функциональных устройств АЛУ в цепочке

ME )

(

16)

BN B

5,1,16

число разрядов в слове, обрабатываемых в АЛУ параллельно

utter

)

y G

число ступеней в конвейере функциональных устройств АЛУ

100

0(256

						е
			и			т
			и				а
лассификация Хокни				я				л
лассификация Хокни		Ф ии				ифи
									и
		к								з
		к								а
			л								ц
		ц		а
		ц			с
		л				с				к
систематизации компьютеров,		л								к
систематизации компьютеров,		и
			н
попадающих в класс MIMD по				н
попадающих в класс MIMD по					а
систематике Флинна.	машины с переключателем

Множественный поток команд может быть

обработан двумя способами:
-одним конвейернымMMIоК
устройством обработки,Dенв
работающем в режимеей
памят ь рас среди проц ессоров как их локаль ная
разделения времени	пределена
	ны

для отдельных потоков е

-каждый поток обрабатывается своим собственным

•ВС, где возможна прямая связь каждого

устройством

процессора с каждым, реализуемая с помощью

переключателя;

•ВС, где прямая связь каждого процессора возможна

только с ближайшими соседями по сети, взаимодействие удаленных процессоров

через процессоры-посредники.

		M -память распределена
	S
A
P			среди процессоров как
			их локальная
			память
			-память это					P
			разделяемый ресурс,
			доступный всем		X	-	M
			доступный всем		X
			процессорам черезY
			переключательR	A
			-гибридные ВСC

Машины с сетевой структурой систематизируются в соответствии с топологией сети

-звездообразная сеть (lCAP) -гиперкубы (NCube, Intel iPCS) -кластеры (Cm* , CEDAR)

Для межпроцессорного взаимодействия существуют две альтернативы:

через разделяемые переменныеС помощью механизма передачи сообщений.

					е
		и			т
		и				а
			я				л
лассификация ДжонсонаФ ии					ифи
								и
	к								з
	к								а
		л								ц
	ц		а
	ц			с
	л				с				к
классификацию MIMD архитектур на основе структуры памяти и	и
классификацию MIMD архитектур на основе структуры памяти и		нн
реализации механизма взаимодействия и синхронизации между				а

процессорами

По структуре оперативной памяти существующие вычислительные системы делятся на две большие группы:

системы с общей памятью, прямо адресуемой всеми

процессорами Четыре класса MIMD архитектур, уточняющихсистемы с распределенной

систематику Флинна:

памятью, каждая часть общая память - разделяемые переменные (GMSV);

•

которой доступна только

• распределенная память - разделяемые переменные одному процессору. (DMSV);

• распределенная память - передача сообщений (DMMP);

• общая память - передача сообщений (GMMP). Вычислительные системы, использующие Системыобщую с распределенной памятью и

разделяемую память для межпроцессорногосинхронизацией через разделяемые взаимодействия и синхронизации - системамипеременные,с как в BBN Butterfly, разделяемой памятью, например, CRAY Y-MPназываются(I) гибридными архитектурами

(II)

Для уточнения классификации существует возможность учитывать вид связи между процессорами: общую шину, переключатели, разнообразные сети.

кор
	е
	н
Классификация Базу		ь де			р
с	ис	т	ем			ева	-	вы	ч
с							-

				а					ис	литель
				а						литель

Любую параллельную вычислительную систему можно однозначно описать последовательностью решений, принятых на этапе ее проектирования, а сам процесс проектирования представить в виде дерева

Систолические деревья, введенные Кунгом для вычисления арифметических выражений могут быть описаны как OCP S либо IBM 360/91, Amdahl 470/6

OCP A

и многиеa современные RISC процессоры, разбивающие исполнение всех инструкций на несколько этапов, в данной

классификации имеют Data-flow компьютеры, в обозначение OPP S зависимости от i

особенностей реализации, могут быть описаны либо как OPPiA,

либо OPPaA.

		Классификация		а
		Классификация		нал	ог Баз
			Векторно-конвейерные		у
			компьютеры:
для	классификации параллельных вычислительных
для		Кришнамарфи•гранулярность - на уровне
	предлагает использовать четыре
1.системпень гранулярности;			данных;
характе ист ки			данных;
2.способ реализации			•
параллелизма;			реализация параллелизма -
параллелизма;			аппаратная;
3.топология и природа связи			аппаратная;
3.топология и природа связи			•
процессоров;			связь процессоров - простая
процессоров;			топология со средней
4. способ управления			топология со средней
4. способ управления			связностью;
процессорами.			связностью;
процессорами.			• способ управления -
Несмотря на то, что			• способ управления -
Несмотря на то, что			синхроннй.
классификация Е. Кришнамарфи			синхроннй.
классификация Е. Кришнамарфи
построена лишь на четырех
признаках, она позволяет
выделить и описать такие
"нетрадиционные"
параллельные системы, как
систолические массивы, машины
типа dataflow		wavefront.

	Можно расширить
	классификацию если
	Дополнить ее размещением
	задач по процессорам, способом
	маршрутизации сообщений,
	возможностью реконфигурации,	Гиперкубы и ассоциативные процессо
	аппаратной поддержки языков	Гиперкубы и ассоциативные процессо
	аппаратной поддержки языков	Определяются неоднозначно
	программирования	Определяются неоднозначно
	программирования

Классификация Скилликорна

сиф аяп

Классификация состоит из двух уровней. На первом

ка

Фл

уровне она проводится на основе восьми

1.тип переключателя между DP и DM;

характеристик:

2.количество процессоров команд (IP);

3.число запоминающих устройств (модулей памяти)

Рассмотрим компьютер

команд (IM);

4.тип переключателя между IP и IM;

Connection Machine 2

его можно описать

	5.количество процессоров данных (DP);	как:
	6.число запоминающих устройств (модулей памяти)
		(1, 1, 1-1, n, n, n-n, 1-
	данных (DM);
		n, nxn)
	7.тип переключателя между IP и DP;

	8.тип переключателя между DP и DP.

На втором уровне классификации Д.Скилликорн просто уточняет описание, сделанное на первом уровне, добавляя возможность конвейерной обработки в

процессорах команд и данных. , Основа - абстрактная структура

состоящая из четырех компонент : ·процессор команд (IP) - интерипретатор команд

·процессор данных (DP) - преобразователь данных, в соответствии с арифметическими операциями; ·иерархия памяти (IM,DM) - запоминающее устройство

·переключатель - связь между

1 / 21 2 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке Презентации (2009)_2

#
28.06.2014498.74 Кб115GRID-технологии.pptx
#
28.06.2014164.78 Кб35NUMA-системы.pptx
#
28.06.2014145.83 Кб32Архитектура современного компьютера.ppt
#
28.06.2014693.76 Кб74Ассоциативные и потоковые процессоры.ppt
#
28.06.2014655.36 Кб123История развития оперативной памяти ЭВМ.ppt
#
28.06.2014203.19 Кб42Классификация архитектур вычислительных систем.pptx
#
28.06.20141.95 Mб80Кластерные архитектуры.ppt
#
28.06.20141.81 Mб31Локальные вычислительные сети.ppt
#
28.06.2014384.83 Кб35Массивно-параллельные системы.pptx
#
28.06.2014954.4 Кб27Оптические компьютеры.pptx
#
28.06.2014949.53 Кб30Отечественные суперкомпьютеры МВС.pptx

Классификация

Общие принципы функционирования

Классификация

Патч для архитектуры Флинна

Классификация

Классификация

Классификация Шора

Классификация Шора