khor32

7.2. Архитектурные особенности ВС c программируемой структурой

него диаметра d (7.2) и, следовательно, минимумы задержек при передаче информации между ЭМ в BC.

Таблица 7.1

303

7. Вычислительные системы c программх руемой структурой

Графы Л(N, v, g) можно описать в виде матриц смежности. Пусть запись i. j, k, ... , l представляет элементы i-й ,троки матрицы смежности

Л(N, v, g)-графа, которые равны 1. B качестве при мера оптимальных Л(N, v, g)

Для наглядности на рис. 7.5 представлен граф для последней матрицы cмeжнocтeй.

304

7.2. Архитектурные особенности ВС c программируемой структурой

Рис. 7.5. Оптимальный Л(32, 4, 6) -граф: d = 4; d = 2,36

Очевидно, что в рассматриваемых графах c 32 вершинами увеличение степени вершины v от 3 до 4 приводит к уменьшению диаметра d от 5 до 4, a

среднего диаметра d — от 2,94 до 2,38. При фиксации степени вершины увеличение обхвата в графе приводит к некоторому уменьшениюv=4

среднего диаметра от d = 2,38 до d = 2,36.

Как уже отмечалось (см. paзд. 3.1.2), rипepкyбы весьма популярны при формировании сетей мeжмaшинньnc связей в бoльшeмacштaбньпc BC

(см. § 5.4). Представляет интерес сравнить структурные показатели rипepкyбoв, оптимальных Dn и n(N, v, g)-графов. B табл. 7.2 отражены peзyльтa-

ты сравнения названных структур по степени v, диаметру d (7.1) и среднему

диаметру d (7.2) для одинаковых чисел N = 2° вершин графов. При этом следует заметить, что степень вершины Dn rpaфa (циpкyлянтa) равна cтeпe-

ни rипepкyбa или (в случае нечетной степени) меньше на единицу. Ha

рис. 7.6 представлены графики зависимости диаметров гиперкубов D- и n(N, v, g)-графов от количества вершин N.

Заметим, что диаметры D„- и n(N, v, g)-графов значительно меньше диаметров гиперкубов даже при одинаковых (или меньших на единицу) cтe-

пeнsи их вepшин. Более того, D- и n(N, v, g)-графы обладают и меньшими

305

7. Вычислительные системы c программ"руемой структурой

средними диаметрами по сравнению c гиперi<убами. Рассматриваемые показатели для Л(N, v, g)-графов при g > 4 явюются самыми лучшими: так,

диаметры для оптимальных Л(N, v, g)-граОов оцениваются величиной 0,21 log2 N, в то время как в гиперкубах 1 g 2 N. Кроме того, Л(N, v, g)- гpафы характеризуются логарифмической за исимостью диаметров от ко-

Рис. 7.б. Зависимость диаметра структуры L C от количества вершин:

♦ - гиперкуб; • - D - граф; • - Л(N, v, g) - гpаф

306

7.2. Архитектурные особенности ВС c программируемой структурой

личества N вершин при фиксированной степени вершин. Из сказанного сле-

дует, что в ВС, структура которых является D- и Л(N, v, g)-графами, время

межмашинных обменов информацией значительно меньше по сравнению c временем гиперкубических ВС.

Таким образом, D- и Л(N, v, g)-графы более перспективны для формирования сетей межмашинных (межпроцессорных) связей в ВС, чем ги ;

перкубы.

Численный анализ показал, что ВС c программируемой строй при существующей физико-технологической базе могут обладать высокой

структурной живучестью. Учет топологии межмашинных связей и надежно-

., ., ,.

сти линий связи не приводит к существенной разнице между реальной и по-

тенциaльно возможной живучестью ВС. Потенциальная живучесть ВС оце-

ниваeтся в предположении, что структура сети связей идеальна (т. e. она абсолютно надежна и обеспечивает связность любых подмножеств элементарных машин). Высокая живучесть ВС c программируемой строй объясняется тем, что в них достигается близкая к 1 вероятность существования связной подсистемы исправных машин, включающей 80...90 % их общего числа, уже при четырех межмашинных связях в каждой ЭМ.

7.2.2.Режимы функционирования вычислительной системы

испособы обработки информации

B зависимости от сложности задач и характера их поступления можно

выделить следующие основные режимы работы ВС c программируемой структурой:

•решение одной сложной задачи;

•обработка набора задач;

•обслуживание потока задач.

Первый режим монопрограммный, т. e. для решения задачи используются все ресурсы ВС. Задача представляется в виде параллельной программы, число ветвей в которой либо фиксировано, либо допускает варьирование в заданном диапазоне. B качестве единицы ресурса выступает элементарная машина ВС. Все машины используются для решения задачи. Если максимальное количество ветвей в параллельной программе менее общего количества ЭМ в системе, то избыточные машины используются для повышения надежности функционирования ВС.

* Монахов О.Г Монахова Э.A. Исследование топологических свойств регулярных параметрически описываемых структур вычислительных систем // А.вто-

метрия, 2000. N г. С. 70-82.

307

7. Вычислительные системы c программаруемой структурой

Второй и третий режимы функционирования ВС относятся к мультипрограммным. При работе ВС в этих режимах одновременно решается не-

сколько задач, следовательно, ресурсы системь. делятся между несколькими

задачами.

При организации функционирования ВС в случае набора задач учитывается не только количество задач, но их параметры: число ветвей в программе (точнее, число машин, на которых он а будет выполняться), время решения или вероятностный закон распредел^;ния времени решения и др. Алгоритмы организации функционирования В(; задают распределение задач по машинам и последовательность выполнения задач на каждой машине. B результате становится известным, в какой пр эмежуток времени и на каких машинах (или на какой подсистеме) будет ре латься любая задача набора. Этот режим, безусловно, является обобщение: i мультипрограммных режимов для ЭВМ, и он более сложный. B самом д^ еле, при мультипрограммировании ресурсы ЭВМ (прежде всего процессор делятся между несколькими последовательными программами. При обработке наборов параллельных задач ресурсы ВС (множество элементарных гашин) также распределяются между задачами, однако в любой момент врем жи задачи решаются на непересекающихся подмножествах машин. Следовательно, мультипрограммные режимы работы ЭВМ реализуются путем раздления времени процессора, в то время как обработка наборов задач на ВС осуществляется посредством разделения «пространства» машин.

Третий режим обслуживание потока задач на ВС принципиально отличается от обработки задач набора: задачи поступают в случайные моменты времени, их параметры случайны, следовательно, детерминированный выбор подсистем для решения тех или иных задач исключен. Для режима потока задач созданы методы и алгоритмы [5], обеспечивающие

стохастически оптимальное функционирование ВС.

Следует подчеркнуть, что при работе ВС в любом из мультипро-

граммных режимов система представляется виде композиции подсистем различных рангов. По мере решения задач эта композиция «автоматически» (c помощью ОС) реконфигурируется так, чтоЕ ъы обеспечить ее адекватность текущей мультипрограммной ситуации. Любая подсистема обладает всеми

архитектурными свойствами системы, поэтому ее организация при решении выделенной ей задачи может осуществляться геми же методами, что и организация работы всей ВС в первом режиме.

Технология решения произвольной задачи на ВС (или на ее части подсистеме) предусматривает следующие этат:ы:

•выбор способа обработки данных;

•разработку параллельного алгоритма (в общем случае отказоустойчивого, способного адаптироваться на количество работоспособных ЭМ как на

308

7.2. Архитектурные особенности ВС c программируемой структурой

параметр), который эффективно реaлизуется на ВС при заданной ее структуре и выбранном способе обработки данных;

•запись (параллельного) алгоритма решения задачи на языке (высокого

уровня);

•получение объектной программы решения задачи на системе.

Различают распределенный, матричный и конвейерный способы обра-

ботки информации. Последние два способа обработки информации получили наибольшее распространение в виде высокопроизводительных (порядка 108...1012 опер./c) промьппленных матричиых и конвейерныx ВС (см. гл. 4 и 5). Принципы, положенные в основу ВС c програмляруемой

гл. 3), позволяют реализовать в них любой из названных выше способов обработки данных.

При распределенной обработке парaллельные программы и данные рассредотачиваются по элементарным машинам ВС (рис. 7.7, a). допустимо построение адаптирующихся параллельных программ, число ветвей в которых в процессе их реализации соответствует числу (работоспособных) ЭМ в системе. Способ распределенной обработки данных был теоретически и экспериментально исследован в широком диапазоне классов сложных задач.

Опыт применения методики крупноблочного распарaллеливания при решении сложных задач на действующих ВС показал высокую эффективность параллельных программ для распределенной обработки информации

ипозволил сделать выводы, приведенные в разд. 3.3.6.

вслучае матричной обработки данных (рис. 7.7, б) программа вычислений содержится в одной (управляющей) ЭМ, a данные однородно рас-

пределяются по всем машинам ВС (или подсистемы). Процесс решения задачи состоит из чередующихся процедур: рассылки команд из управляющей ЭМ остальным машинам и исполнения этих команд всеми машинами, но каждой над своими операндами.

Матричный способ в сравнении c распределенным дает экономию в использовании (распределенной по ЭМ) памяти ВС. Однако данному способу присущ недостаток, заключающийся в неоднородном использовании машин и, в частности, в неоднородной нагрузке на их память. Этого недостатка лишен обобщенный матричный способ обработки информации (рис. 7.7, в).

При этом способе программа не целиком помещается в одной ЭМ, a предварительно сегментируется (не распараллеливается, a сегментируется!) и затем посегментно размещается в памяти машин. Последовательность сегментов, составляющих программу, может быть размещена в памяти машин, например так, что номер распределенного в машину сегмента будет равен ее номеру. И для распределенного, и для матричного способов обработки информации характерно то, что в процессе решения задачи имеют место обмены данными между ЭМ системы.

309

7. Вычислительные системы c программе"руемой структурой

Параллельная программа

тттТ

Сегментированнaя программа

Рис. 7.7. Способы обработки информации:

a— распределенный; б — матричный; в — обобщен ый матричный; г — конвейерный;

—направление потоков данных

При конвейерном способе обработки дан уных (pис. 7.7, г) структура ВС

предварительно настраивается так, что машины образуют конвейер (или «линейку», или «кольцо»). Затем осуществляются егментирование программы и размещение в машинах ВС последовательности полученных сегментов в соответствии со структурой конвейера. Размещен сие данных может быть сосредоточенным (например, на внешней памяти одной ЭМ) или распределенным (по памятям всех машин конвейера). B процессе решения задачи данные проходят через последовательность машин, составляющих конвейер.

Рассмотренные способы обработки информации на ВС иллюстрирует рис. 7.7. Номер j Е {1, 2, ..., N}, приписанный к блокам данных и программ

(к ветви или сегменту), соответствует номеру ЭМ, в памяти которой они размещены. Штриховой линией изображены недостающие части програм-

310

7.2. Архитектурные особенности ВС c программируемой структурой

мы, которые будут получены машиной в процессе решения задачи от ЭМ, хранящих программы или ее сегменты.

Таким образом, при распределенном способе обработки информации

полностью используются возможности ВС c архитектурой MIMD. Матрич-

ный и конвейерный способы обработки информации обеспечивают

частичное использование возможностей архитектуры ВС. Архитектура MIMD при первом способе трансформируется в архитектуру SIND, a при втором в архитектуру MISD (см. § 3.4).

7.2.3. Арxитектypные аспекты

при создании операционных систем ВС

Отметим те из архитекгурньх особенностей ВС c программяруемой

структурой, которые оказывают определяющее влияние на ОС комплекс

средств для управления работой ВС. Архитектура ВС должна удовлетворять

главнейшемy требованию реализации в системе параллельных вычислен во всех режимах. Рассмотренная в § 3.3 методика крутшоблочного распараллеливания позволяет для сложны задач представить вычисления в виде совокуп-

ноcти большого числа слабо связных ветвей. Анализ показал, что круг задач,

допускающих такое представление, достаточно широк. Более того, методика,

как правило, обеспечивает построение идентичныхветвей и таких, что каждая из них состоит в основном из операторов-преобразователей данных, находя-

щихся в памяти выделенной для этой ветви ЭМ, и относительно редко требует

обращен к памяти других ЭМ. данное свойство снижает влияние структуры ВС сети межмашипх связей и, в частности, системного устройства на

время обращения к общей рассредоточенной по ЭМ памяти системы.

Опыт распарaллеливания сложных задач, составления параллельных

программ и их вложения в структуры ВС показал, что около 90 % всех об-

ращений ЭМ к памяти других машин составляют групповые и регулярные схемы обмена информацией, a именно: трансляционная схема («одна всем», т. e. когда информация передается из одной ЭМ всем остальным машинам, участвующим в реализации параллельной программы), трансляци- онно-циклическая схема («каждая всем») и конвейерно-парaллельнaя («каждая своим соседям»). Групповые схемы обмена информацией выдвигают требование простоты их реализации в структуре ВС (достаточной приспособленности системных устройств к их выполнению), a также предопределяют наличие в ОС средств организации этих обменов.

B основе организации параллельных вычислений в ВС лежит представление вычислении в виде совокупности совместно протекающих асинхронных взаимодействующих процессов. Под процессом здесь понимается совокупность последовательных действий (операций) при реализации в ре-

311

7. Вычислительные системы c программ руемой структурой

aльном времени некоторого алгоритма, использующего часть ресурсов системы. Совместность процессов означает не только обычную для мультипрограммных систем (в частности, систем рЕ зделения времени) одновременность реализации алгоритмически независимых процессов (разделение ресурсов ВС), но и существование связи между отдельными процессами,

которая обусловлена тем, что они представляя от собой части одного сложного алгоритма (объединение ресурсов ВС).

B общем случае для ВС характерен мулi типрограммный режим работы даже при решении задач, представленных ц; параллельной форме. Муль-

типрограммирование является следствием разд мления ресурсов ВС между:

•процессами, относящимися к различны) л параллельным программам пользователей;

•процессами пользовательских программ и процессами операционной системы;

•отдельными процессами, относящимися к одной программе решения задачи.

Управление работой ВС в мультипрогра] ►lмном режиме возлагается на ядро (резидентную часть) ОС и непосредствeнно осуществляется c помо-

щью операции управления процессами.

Базовый набор средств, обеспечивающий управление процессами (как процессами пользователей, так и процессами самой ОС) каждой ЭМ ВС, составляют средства для порождения и уничтожения процессов и для реализации взаимодействий между ними. На основе базового набора строятся все процессы ОС элементарной машины ВС : уп давление распределением ресурсов, связь c внешними устройствами и c по гiьзователями, связь c ОС дру-

гих ЭМ. Последние обеспечивают слияние идентичных операционных систем ЭМ в операционную систему ВС. Ясно, что такой способ построения для ВС операционной системы делает ее расп ределенной, приводит к высокой живучести ВС как единого аппаратypно-п зограммного комплекса, дела- ет ВС приспособленной к развитию и сокращeнию, следовательно, позволяет просто подобрать конфигурацию ВС, ко горая будет адекватна сфере применения.

Временное и пространственное распред ление аппаратурно-программ-

ных ресурсов системы (процессоров, оперативной памяти, внешних устройств,

системных устройств, линий связи, программ, ,анных) между совместно про-

текающими процессами обеспечивается благодаря полноте реализации в ВС трех канонических принципов модели коллеi:тива вычислителей. Так, программируемость структуры позволяет уже на этапе программирования сложной задачи не только указывать послед овательность реализации процессов (подчиненность процессов по данным и по управлению), но и задавать размещение этих процессов в пространстве ресурсов ВС. Это размеще-

312