khor32

7.5. Вычислительная система СУМMА

Первая подсистема осуществляла:

•анализ и обработку заявок от внешних устройств и от объектов управ-

ления;

•режим мультипрограммирования в реальном масштабе времени;

•накопление запросов на системные межмашинные взаимодействия;

•разрешение коллизии при системных взаимодействиях. Вторая подсистема выполняла:

•реализацию системных взаимодействии;

•контроль правильности выполнения системных взаимодействии в ми- ни-ВС.

Сyпервизор не зависел от конкретного применения системы СУММА.

Система P-прогрaммирования мини-ВС СУММА включала в себя комплекс модифицированных средств программирования мини-ЭВМ «Элек- троника-100 И»:

•загрузчик для ввода объектных программ в оперативную память ми- ни-ВС:

•редактор для приготовления (c клавиатуры пишущей машинки) сим-

волических Р-программ (в частности, P-прогpамм на системном макроас-

семблере МАСRО-8Р);

• транслятор MACRO-8Р для трансляции исходной P-прогpаммы в объ-

ектнyю, готовую для реализации на мини-ВС;

•средства отладки объектных программ;

•библиотеку стандартных параллельных программ, включавшую про-

граммы для реализации сложных системных взаимодействий (например, обобщенных условного и безусловного переходов, конвейерной обработки и др.) и P-прогpаммы для научно-технических расчетов.

Управляющие системы для АСУТП определяли конкретные примене-

ния мини-ВС СУММА. Каждая такая система подразделялась на подсистему управления технологическим процессом и банк управляющих про-

гpамм.

Подсистема управления технологическим процессом обеспечивала следующие виды взаимодействии:

•информационное (реализация всех необходимых видов и способов ввода и вывода информации);

•обрабатывающее (выполнение требуемых видов переработки информации: интерполирования, расчета геометрии детали и т. п.);

•управляющее (реализация организационны, технологических и обслуживающих функций по управлению процессом).

Банк управляющих программ включал:

a)архив программ управления технологическим процессом (на маг-

нитных лентах);

7. Вычислительные системы c программируемой структурой

б) оперативную библиотеку программ управления технологическим процессом (на магнитных дисках).

Комплекс программ технического обсл 'живания мини-ВС СУММА обеспечивал выполнение работ по наладке, контролю и диагностике технических средств. B комплекс входили наладочн ^iе, контрольные и диагностические программы.

7.5.5. Области применения мини-ВС СУММА

Система СУММА в 1970-x годах была перспективным вычислительным средством для АСУТП. Для АСУТП, построенных на ее основе, были характерны:

•простота компоновки и настройки на заданный парк оборудования и объектов управления;

•модульная и адекватная наращиваемосл •ь вычислительной мощности при развитии производства;

•высокая надежность и живучесть;

•высокая технико-экономическая эффекти вность;

•длительный срок эффективной эксплуатации (медленное моральное

старение).

Применение мини-ВС СУММА было эффективно и при решении широкого класса задач, представленных параллЕ.льными программами. Кроме того, она могла быть использована в качест^е вычислительного ядра «интегpированных» АСУТП. B таких АСУТП - )еализовывались функции не только собственно управления, но и планирования производства, и «проектирования» процесса (например, расчета техн злогии обработки или расчета поверхностей деталей, если система предназн, мчалась для работ со станками c числовым программным управлением).

Систему СУММА можно было использовать и как автономное сред-

.,

ство для решения задач повышенной сложнос' и, a также для моделирования архитектур ВС и параллельных вычислительных технологий.

Функциональная организация СУ позволяла просто адаптировать систему СУММА к конкретным областям ее применения.

7.6. Вычислительные системы сЕьмейства МИКРОС

Прогресс в ВТ неразрывно связан c достижениями в области элементной базы и в интегральной технологии. B конце 197 0-х годов мини-процессоры вытесняются микропроцессорами, на смену миниЭВМ пришли микроЭВМ; создаются параллельные ВС как коллективы мим ропроцессоров (см., например,

354

7. б. Вычислительные системы семейства МИКРОС

систему Ст*; § 6.б). Параллельные средства, построенные из микропроцессоров, первоначально назывались л икроВС. Использовать этот термин сейчас нет необходимости: все современные ЭВМ и ВС м-псропроцессорные.

B начале 1980-x годов в качестве базы для построения распределен-

ных ВС c программируемой структурой стали использовать аппаратурнопрогpаммные средства микроЭВМ. B Отделе вычислительных систем Сибирского отделения АН СССР проводились работы по научно-исследова- тельскому проекту МИКРОС *, целью которых было создание МИКРОпроцессорных Систем c программируемой структурой (МИКРОС). Результатом работ явилось семейство МИКРОС, включающее модели МИКРОС-1 (1986); МИКРОС-2 (1992); МИKPОС-Т (1996). Разработка моделей семейства МИКРОС осуществлялась 0тделом вычислительных систем СО АН

СССР (СО РАН) в содружестве c подразделениями Наyчно-производственного объединения «Алмаз» и Наyчно-исследоватeльского институга «Квант» Ми-

нистерства радиопромышленности СССР (г. Москва).

Архитектура систем семейства МИКРОС:

•МIМД-архитектура;

•распределенность средств управления, обработки и памяти;

•массовый параллелизм (при обработке данных и управлениипроцессами);

•программируемость структуры сети межмашинных связен;

•возможность программной трансформации MIMD-архитектypы в

SIMD и MISD;

•децентрализация ресурсов;

•асинхронность и близкодействие;

•масштабируемость, модyльность и однородность.

7.6.1. Функциональная структура вычислительной системы МКРОС

Возможности функциональных структур систем семейства МИКРОС

определяются количеством ЭМ, входящих в их состав, конфигурациями ЭМ и топологией сетей межмашинных связей. Количество ЭМ в любой из моделей (МИКРОС-1, МИКРОС-2, МИКРОС-Т) не фиксировано. Каждая ЭМ это многополюсник, число полюсов v в первых моделях систем составляло от 2 до 8, a в модели МИКРОС-Т v = 4.

Каждая генерация ВС семейства МИКРОС адекватно учитывала текущие возможности ВТ и интегральной технологии. Для формирования конфигураций ЭМ моделей МИКРОС -1 и МИКРОС-2 использовались средства микроЭВМ отечественного семейства «Электроника». Элементарная

* Хорошевский В.Г Вычислительная система МИКРОС// Препринт. Новосибиpск: ИМ СО АН СССР, 1981. N2 З8 (ОВС-19).

7. Вычислительные системы c програмл сируемой структурой

Мехоиашинные связ]

Рис. 7.21. Функциональная структура ЭМ систем М (ИКРОС-1 и МИКРОС -2:

МСУ — модуль системного устройства; ЦП — центральный процессор; ОП — оперативная

память; СП — специальный процессор; ВУ — внешнее у стройство

машина представлялась композицией из мик; )0ЭВМ (вычислительного модуля) и системного устройства (которое, в свс ► ю очередь, формировалось из модулей) (рис. 7.21).

Свойством масштабируемости обладали не только модели семейства МИКРОС, но и их ЭМ. Простейшая конфиг) рация ЭМ состоит из модуля системного устройства (МСУ), центрального процессора (ЦП) и оперативной памяти (ОП). Модуль СУ обеспечивал реi лизацию системных операций в ВС и непосредственную связь данной ЭМ двумя соседними машинами через полудуплексные каналы. Модуль СУ пс зволял использовать в качестве каналов различные средства, в частности, экранированные провода (при расстоянии между ЭМ до 30 м), либо радиочастотные кабели (если расстояние между ЭМ не превышало 300 м), либо коммутируемые или выделенные телефонные каналы связи (c использованием аппаратуры передачи данных независимо от расстояния между ЭМ). ЗаложЕ:нная в модуль СУ схема обеспечения связности машин была равно пригож дна для формирования как сосредоточенных, так и пространственно распре деленных ВС.

B моделях ВС МИКРОС-1 и МИКРОС -2 в качестве базовых машин были использованы микроЭВМ «Электроник 60М» и «Электроника 60-1» соответственно. Технические характеристик" микроЭВМ, точнее их ЦП, отражены в табл. 7.9.

Расширенные конфигурации ЭМ (см. р ас. 7.21) систем МИКРОС-1 и

М'ОС-2 могли иметь до четырех модулей СУ, специальный процессор (СП), дополнительные модули оперативной памяти, набор внешних устройств (ВУ).

Специальные процессоры «Электроника МТ '70» или «Электроника 1603» расширяли вычислительные возможности ЦII при решении научно-техни- ческих задач, связанных c обработкой значительных массивов данных и c выполнением больших объемов однородных F ычислений (табл. 7.10).

356

7.6. Вычислительные системы семейства МИКРОС

Функциональная организация спецпроцессора семейства «Электроника» основана на микропрогpаммировании. Спецпроцессор был способен реализовать 32 стандартных операции над массивами (векторами) данных. Ал оритмы этих 32-x операм интерпретировались 12-ю микропрограммами, заложенными в память микропрограмм. Спецiтроцессор «Электроника МТ-70» был ориентирован на выполнение большого числа итеративных операций, широко используемых в задачах статистического анализа, численного моделирования, цифровой обработки сигналов и матричной арифмeтики.

Процессор достигал максимального быстродействия 7,5 мшн опер./c при регистровом способе адресации и при выполнении последовательных операций сложения и умножения 16-разрядных чисел c фиксированной запятой.

Набор стандартных операций спецпроцессора «Электроника МТ70»

1. Логические операции над массивами из 10 элементов:

сложение двух массивов,

сложение массива c константой,

357

7. Вычислительные системы c програмл!ируемой структурой

исключающее ИЛИ для двух массивов, исключающее ИЛИ для массива и константы, умножение двух массивов, умножение массива на константу.

2. Арифметические операции:

сложение двух массивов из 20 элементов, сложение массива из 20 элементов c константой,

вычитание массива из 20 элементов из массива из 20 элементов, вычитание константы из 20-элементного массива, умножение двух массивов из 38 элементов, умножение массива из 38 элеменов на кс нстанту,

умножение c двойной точностью двух массивов из 19 элементов, умножение c двойной точностью массива из 19 элементов на константу. 3. Комплексное умножение:

двух массивов из 20 элементов, массива из 20 элеменов на сопряженный (два элемента представляют

одно комплексное число).

4.Вычисление спектральных амплитуд л массива из 20 элементов.

5.Операции :

свертки оператора из четырех элементов c операндом из 12 элементов, корреляции оператора из четырех элем нтов c операндом из 12 эле-

ментов.

б. Операции, связанные c быстрым преобразованием Фурье (БПФ): прямое БПФ для массива из 64-x элемен тов,

обратное БПФ для массива из 64-х элемЕ ,нтов, упаковка двух массивов из 18 элементов для прямого БПФ,

упаковка двух массивов из 18 элементов для обратного БПФ, распаковка массива из 34-х элементов для прямого БПФ, распаковка массива из 34-х элементов для обратного БПФ.

7.Сканирование массива из 38 элементов : по максимуму, по минимуму.

8.Операции преобразования массивов:

сдвиг массива из 18 элементов вправо н^ i три разряда, сдвиг массива из 18 элементов влево на три разряда, двоичная инверсия массива из 64-х элементов, перемещение двух массивов из 16 элементов, очистка массива из 20 элементов.

Спецпроцессор «Электроника МС 16о3л обладал улучшенными характеристиками по сравнению c процессором «Эг. ектроника МТ-70».

Характерные особенности СП «Электро: -ика МС 1603»:

358

7. б. Вычислительные системы семейства МИКРОС

системе МИКРОС-1. Их аппаратура, в частности, позволяла осуществлять: обработку входных/выход ных запросов для межмацишиых связей (линков); анализ семафоров; формирование пакетов выходных сообщений; управление входными и выходными портами при вьшолиеиии системных команд; мультиадресные передачи информация; совмещение межи пх обменов информат иеи c вычислениями.

Система МИКРОС-Т базируется на транспьютерных технологиях*. Такие технологии позволяют формировать двумерные ВС c массовым паралле-

лизмом. двумерные структуры ВС формируются путем отождествления по- щосов-линков (Link связь).

Простейшая конфигурация ЭМ представляется тpанспьютером (на-

пример, Inmos Т 805) c памятью, развитые конфигурации ЭМ могут вклю-

чать в себя: высокопроизводительные микропроцессоры Intel 860 (ком-

пания Intel), PowerPC (альянс компаний IВМ, Аррlе и Motorola), Alpha (ком-

пании DEC и Сотраq) и др. Для формирования ЭМ системы МИКРОС-Т могут быть использованы стандартные решения зарубежных и отечественных фирм-производителей транспьютерных модулей.

На рис. 7.22 представлена одна из возможны фyнкционaльных структур ЭМ системы МИКРОС-T, включающая в себя коммуникационный про-

цессор (KП, например тpанспьютер Inmos Т805), высокопроизводительный

вычислительный микропроцессор (ВП), коммуникационную память (КОП)

359

7. Вычислительные системы c программируемой структурой

Рис. 7.23. Оптимальная структура 24-машинной ВС семейства МИКРОС в виде D2-графа { 24; 3, 4}:

ЭМ — элементарная машина

и главную оперативную память (ГОП). Производительность такой ЭМ составляет 102 MFLOPS...10 GFLOPS, a емкость памяти —10$...10 10 байт.

Путем отождествления полюсов (или линкoв) ЭМ достигается связность последних. достаточные мacштaбиpyeмocть paзмepнocти и живучесть структур BC достигаются при числе связей (.ггинкoв) v = 2-8. Peкoмeндyeмыe виды структур сетей мeжмaшинньпc cвязeй BC семейства МИКРОС — оптимальные D- и L(N, v, g)-графы (см. paзд. 7.2.1), могут быть иcпoльзoвaны произвольные (нерегулярные) графы. Ha рис. 7.23 показана оптимальная структура 24-машинной BC семейства МИР РОС, являющаяся D2-графом

Эта структура обладает минимальным средним диаметром —{24;3,4}.

2, 21 среди D2-графов, имеющих 24 вершины. Следовательно, в системе c

такой структурой обеспечивается минимум задержек при передаче инфopмaции между ЭМ.

Таким образом, в BC семейства МИКРОС заложена возможность статической peкoнфиrypaции структуры путем:

1) изменения вида графа, представляющего сеть связи между ЭМ (от

простейших однородных до произвольных);

2)варьирования числа вершин в cтpyктypнoм графе (или числа ма-

шин) системы;

3) изменения степени вершины в структурном графе (или числа соседних машин для каждой) от 2 до 8;

360

7.6.Вычислительные системы семейства МИКРОС

4)подбора состава ЭМ в широком диапазоне;

5)формирования как сосредоточенных, так и пространственно распределенных звеньев системы.

Отмеченные возможности позволяют на стадии компоновки адапти-

ровать системы семейства МИКРОС к областям применения, классам и

сложности решаемых задач.

7.6.2. Программное обеспечение MHEPOC

Эффективная работа ВС и ее пользователей немыслима без ОС и средств параллельного программирования. Любая система семейства МИКРОС, как и ее ПО, открыты к совершенствованию. Ряд моделей семейства ВС МИКРОС-1, МИКРОС-2 и МИКРОС-Т породил и соответствующий ряд генераций ПО. Рассмотрим ПО ВС МИКРОС-T.

Период разработки ПО ВС семейства МИКРОС пересекается c

промежутком времени, в течение которого осуществлялось создание программных средств для западных тpанспьютерных ВС. Широкое распро-

стpанение получили ОС Helios и средства параллельного программиро- вания 3L. Одним из недостатков средств Helios и 3С является необходи-

мость предварительного описания конфигурации тpанспьютерной системы и структуры параллельной программы. При конфигурировании параллельной программы процессам и информационным связям между

ними ставятся в однозначное соответствие их физические носители:

транспьютеры и линки. Подобный статический подход к конфигурированию исключает возможность оперативной автоматической перенастроики системы в случае отказов ее элементов, следовательно, снижает живучесть ВС.

B основу операционной системы МИКРОС положены следующие

принципы:

•независимость от структуры ВС и числа машин в ней;

•модульность построения;

•распределенность и децентрализованность модулей по машинам ВС;

•локальность связен между модулями;

•асинхронность взаимодействии модулей;

•развиваемость (изменяемость и пополняемость состава модулей, в ча-

стности возможность замены программных модулей на аппаратypные);

• иерархичность построения: стратификация системы на уровни, каждыи из которых строится на основе предыдущих и освобождает пользователя от специфических для уровня операций по погружению задачи в систему;

361

7.Вычислительные системы c программируемой структурой

•преемственность c ОС базовых микро процессорных средств (либо микроЭВМ «Электроника», либо транспьютер ов, в зависимости от моделей

семейства ВС МИКРОС).

Все созданные генерации ОС (МИКРОс-1, МИКРОС-2, МИКРОС-Т) являются распределенными и децентрализов нными. децентрализованная

распределенная ОС МИКРОС способна функционировать в ВС произвольной конфигурации; ОС создает в каждой ЭМ «окружение», позволяющее осуществлять динамическую настройку адаптпрующеися параллельной прогpаммы на существующую конфигурацию ВС (или подсистемы). децентрализованные процедуры маршрyтизации обеспечивают передачу сообщений между любыми ЭМ системы. Указанные свойства ОС МИКРОС являются основой для поддержки живучести ВС (и, слдовательно, для организации откaзоустойчивых вычислений). Следует подо меркнуть, что ОС МИКРОС-т имеет иерархическую структуру (рис. 7.24). Каждый уровень ОС строится на основе предыдущих.

Нижний (нулевой) уровень ос МИКР0С-т включает средства инициирования работы ВС, приводящие, в частп:ости, все ЭМ в исходное состояние, и драйвер СУ, используемый для орд 'анизации обменов данными и командами между соседними ЭМ (т. e. маши: iами, непосредственно соединенными линком). Следующий уровень 1 (яд o ОС) интерпретирует примитивы ОС, предназначенные для динамического распределения памяти ЭМ, a также для порождения, уничтожения процессов и организации их взаимодействия (синхронизации и обмена данным) в пределах одной машины. B совокупности c драйвером СУ ядро ОС пс►зволяет порождать и уничтожать процессы в соседней машине и выполнять взаимодействия процессов, протекающих в этих машинах.

Рис. 7.24. Операционная система МИКРОС-Т

362