Глава вторая. Организация математического обеспечения мвс с программируемой архитектурой
2.1. Основы математического обеспечения многопроцессорных вычислительных систем с программируемой архитектурой
Математическое обеспечение (МО) в значительной степени влияет на производительность и сложность эксплуатации MBС с программируемой архитектурой [88]. Основными особенностями, отличающими математическое обеспечение MBС с программируемой архитектурой от МО других вычислительных систем, являются: программирование архитектуры системы в процессе решения задач; организация параллельного функционирования вычислительных процессов, процессов управления и процессов жизнеобеспечения; адаптация машинного языка, реализующего крупные математические операции к специфике задач; организация динамического контроля и диагностики параллельно работающих устройств системы; осуществление статической и динамической реконфигурации при сбоях и отказах отдельных устройств.
Процесс функционирования МВС с ПА можно разделить на три этапа: подготовку задач к решению с формированием загрузочных модулей, непосредственную реализацию вычислений и организацию процесса жизнеобеспечения системы.
Подготовка задач к решению и организация загрузочных модулей реализуются в режиме диалога человека с системой и требуют развитого интерфейса ввода-вывода. Для этой цели целесообразно использовать однопроцессорные ЭВМ, обладающие необходимыми средствами обмена информацией между человеком и системой. В процессе подготовки задач осуществляется трансляция, редактирование связей, компоновка, организация проблемных библиотек, формирование загрузочных модулей, обеспечивающих максимальное распараллеливание математических операций и операций ввода-вывода.
Вычислительный процесс в комплексе МВС-ЭВМ реализуется двумя способами. В первом случае МВС с ПА используется как высокоскоростная приставка к универсальной ЭВМ, обеспечивающая быстрое выполнение большого числа математических операций, необходимых при решении таких задач, как уравнения в частных производных, задач моделирования сложных систем и процессов и т.д. На универсальную ЭВМ возлагается в этом случае подготовка задач к решению на МВС с ПА, обработка глобальных параметров, получаемых в процессе вычислений, и управление процессом функционирования системы в целом. Многопроцессорная вычислительная система с ПА находится в режиме ожидания заданий от ЭВМ и включается в работу после поступления от ЭВМ программ и исходных данных. В случае использования комплекса в контуре управления данные могут поступать непосредственно от объекта по сигналам управляющей ЭВМ.
Указанная реализация процессов обработки информации существенно повышает производительность средств вычислительной техники при решении определенных классов задач, однако из-за низкой скорости работы управляющей ЭВМ и ограниченной производительности каналов связи достоинства МВС с ПА проявляются недостаточно полно.
С целью достижения максимальной производительности и универсальности многопроцессорных систем управление процессом и реализацию вычислений целесообразно осуществлять непосредственно в МВС с ПА, а универсальные ЭВМ использовать в качестве периферийных устройств, обеспечивающих подготовку задач к решению, а также ввод программной и числовой информации в память МВС с ПА. Такая организация позволяет достичь максимальной производительности, так как исключает простои высокоскоростного оборудования из-за сокращения времени ожидания заданий и наличия необходимого объема вычислительных работ, поступающих от нескольких периферийных ЭВМ, которые организуют подготовку загрузочных модулей, передачу программ в МВС с ПА и глобальные управляющие воздействия, а также осуществляют ввод и вывод информации.
Укрупненный состав математического обеспечения МВС с ПА представлен на рис. 2.1.
Рис. 2.1 Состав математического обеспечения МВС ПА
Максимальная производительность МВС с ПА достигается только в случае применения метода обработки информации типа SIMD для каждого из процессоров системы и соответственно метода MIMD для системы в целом. Данное обстоятельство предъявляет специфические требования к операционной системе, которая, кроме общеизвестных функций, должна организовать процесс динамического формирования архитектуры в зависимости от реализуемых программ, выполнение крупных МО в поле процессоров, организацию динамического контроля и реконфигурацию системы, а также управление организацией памяти. Последнее является весьма важным моментом организации вычислительных процессов в МВС с ПА, так как метод MIMD требует наличия памяти со многими входами и выходами, а реализация крупных МО требует неодинаковой скорости потоков информации. Необходимость согласования скоростей записи и считывания потоков информации предъявляет специфические требования к организации процессов функционирования памяти, что приводит к необходимости реализации памяти с программируемой структурой. В этом случае к каждому входу и выходу может подключаться от одного до нескольких секторов памяти с последовательной организацией записи и считывания в зависимости от выбранного способа размещения информации и типа реализуемых операций в параллельных процессорах. Произвольные соединения должны осуществляться с помощью пространственного коммутатора и управляться программно в процессе решения задач.
Система математического обеспечения МВС с программируемой архитектурой отличается параллельными входными языками высокого уровня непроцедурного и смешанного типов, близкими к естественной математической нотации; возможностью использования существующих процедурных языков типа FORTRAN и PL-1; параллельными аппаратурно-независимыми машинными языками высокого уровня, реализующими крупные МО (типа интегрирования, БПФ, перемножения матриц и т.д.) в виде одного машинного оператора, что существенно упрощает процесс трансляции; возможностью программного формирования машинного языка с целью проблемной ориентации; программно формируемыми параллельными трансляторами, адаптирующимися к конкретному машинному языку; библиотекой подпрограмм архитектурной реализации крупных унифицированных МО, обеспечивающей процесс проблемной адаптации машинного языка; проблемными библиотеками, обеспечивающими накопление и многократное использование программ для решения задач большой сложности; управляющими программами, реализующими загрузку МО, генерацию ОС, формирование машинных языков и трансляторов, подготовку параллельных загрузочных модулей; программами, управляющими вычислительным процессом и организующими динамическое формирование архитектуры, реализацию крупных операций, архитектурное формирование памяти, управление внешними связями; программами управления, системой тестирования и жизнеобеспечения, производящими управление динамическим контролем и реконфигурацией системы; программами управления защитой памяти аппаратуры и математического обеспечения; системой тестирования, содержащей поверочные, диагностические и испытательные тесты; системой жизнеобеспечения, содержащей программы динамического контроля и диагностики, а также программы статической и динамической реконфигураций.
В состав математического обеспечения MBС с ПА входят отдельные элементы (библиотеки, редакторы связей и др.), реализация которых идентична реализации в однопроцессорных ЭВМ. Однако организация и практическая реализация большинства других элементов (даже с идентичными названиями) имеют принципиально новую основу, присущую только многопроцессорным системам с программируемой архитектурой.
На рис. 2.2 приведена графическая процедура реализации параллельных процессов в МС ПА.