Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Архитектура вычислительных систем

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

7.6. Вычислительные системы семейства МИКРОС

Уровень 2 ОС образован средствами самоконтроля и самодиагностики ВС, которые обеспечивают проверку работоспособности компонентов ВС и локализацию неисправных ресурсов. Самоконтpоль и самодиагностика реализуются как параллельные процессы, выполняемые всеми ЭМ системы.

Средства формирования виртyaльных подсистем (уровень 3) используются в мультипрогpаммных режимах работы системы. Они выделяют ма-

шины, входящие в подсистему, посредством созданных в этих машинах «окружений». Окружение содержит информацию o принадлежности маши-

ны подсистеме и другие параметры, в частности задающие вид связности машин: «линейку», «кольцо», «дерево», «решетку» и др. Значения элементов окружения используются путевыми процедурами (уровень 4) при выполнении обменов между машинами подсистемы. Набор путевых процедур предназначается для реализации схем межмашинньх обменов в пределах

подсистем и всей системы в целом. Фактически путевые процедуры распростpаняют функции ядра ОС на всю систему.

После формирования окружений в машины подсистемы загружаются предназначенные им программы и данные. загрузка машин осуществляется c помощью специальных средств уровня 5.

Уровни 0-5 (за исключением программы инициирования) составляют

резидентную часть ОС, содержащуюся в каждой ЭМ вычислительной системы.

Средства динамического управления нагрузкой ЭМ (уровень 6) осуществляют перераспределение программ и данных между ЭМ подсистемы

перезапyском параллельных процессов вычислении c заданных точек возврата. Методы управления нагрузкой и восстановления вычислений могут

быть как универсальными, так и специализированными, определяемыми областью применения ВС. Следовательно, уровни 6 и 7 могут быть включе-

ны либо в резидентную часть ОС, либо в загрузочный модуль параллельной программы пользователя.

Интерпретатор языка управления параллельными вычислениями (ЯУПВ, уровень 8) по командам c терминaла порождает процессы, осуществляющие: генерацию подсистемы необходимого типа («дерево», «линейка», «кольцо» и т. п.) из требуемого числа работоспособных ЭМ; загрузку параллельной программы в сформированную подсистему и инициирование ее выполнения. Интерпретатор загружается в ЭМ, непосредственно связанную c терминaлом.

При разработке средств программирования соблюдались следующие

положения:

1) независимость от структуры и числа машин ВС;

363

7.Вычислительные системы c прогрaмм ируемой структурой

2)адекватность между языковыми сред .твами для задания параллелизма и синхронизации вычислений и структурной, и функциональной организацией ВС;

3)развиваемость (пополняемость как языковыми средствами, так и средствами отладки, анализа программ, расп, араллеливателями последовательных программ, диалоговыми системами обучения параллельному программированию, пакетами параллельных программ);

4)использование языков высокого уровня как для прикладного, так и для системного программирования;

5)преемственность со средствами последовательного программирования, обеспечение постепенного перехода программиста от привычной для него идеологии последовательного программирования к параллельному программированию.

B версии средств программирования М [4КРОС-Т имеются языки параллельного программирования P-ФОРТРАН и Р-С. Эти языки построены

путем расширения соответствующих традици энных языков FORTRAN и C

примитивами организации межмашинных вз< <имодеиствии и примитивами оценки параметров подсистем, на которых ис: юлняются параллельные программы. Первые позволяют организовать вз^ Lимодействия между любыми ветвями программы, вторые дают возможность использовать параметры подсистемы для адаптации программы к теку цей конфигурации последней. Это свойство существенно c двух точек зрен ая: простоты организации па-

тивов основывается на средствах распределен :ной децентрализованной операционной системы МИКРОС-Т.

7.6.3. Архитектурные свойства систег семейства МИКРОС

Опишем архитектурные свойства ВС сег хейства МИКРОС.

Класс архитектуры любой модели В С это MIMD; допустима трансформация архитектуры MIMD в архитектуру MISD или SIMD путем

программной перенастроики системы.

Класс ВС система c программируемой структурой и c распределенным управлением.

Характер пространственного размещен) тя вычислительных ресурсов

сосредоточенный или распределенный.

Основная функционально-структурная единица вычислительных ресурсов ЭМ .

Функции ЭМ традиционные для ЭВМ функции по переработке информации плюс функции, связанные c управл ением ВС в целом как коллектива (ансамбля) машин.

364

7.6. Вычислительные системы семейства МИКРОС

Масштабируемость ВС поддерживается аппаратурными средствами (систел ным устройством либо тpанспьютером) и программным обеспечением.

Количество N элементарных машин не фиксировано, что обеспечивает принципиально неограниченное наращивание производительности ВС.

• для сосредоточенных ВС: оптимальные Dn- и L(N, v, g)-графы, т. e. графы, в которых, в частности, обеспечивается минимум среднего диаметра (задержек при межмашинных передачах информации):

Дп-графы имеют параметpическое описание {N; о, 0i,

N порядок; п размерность графа, числа гвк таковы, что две вер-

шины c номерами i и j соединены ребром, если выполняется сравнение i — ] = тод N, i j Е {0 1, .. N —1 } k Е {0 1,... п — 1};

L(N, v, g) -графы неориентированные однородные графы, в кото-

рых N число вершин, v степень вершины (число межмашинных связей для каждой ЭМ), g обхват (длина кратчайшего ц п ла в графе);

• для пространственно распределенных ВС: в условиях отсутствия же - структуры, что и для со-сткихтехнико-экономическихограниченийтеже

средоточенных систем, в противном случае любые структуры реально су-

ществyющих сетей передачи информации или сетей, обеспечивающих при заданных ограничениях связность вычислительных ресурсов.

Наращиваемость (масштабируемость) рaзмерности структуры ВС v=1-в.

Тип оперативной памяти распределенная и общедоступная.

Аппаратурно-программная база системы:

•для моделей МИКРОС-1 и МИКРОС-2 средства микpомaшинной техники и спецпроцессоров семейства «Электроника»;

•для модели МИКРОС-Т тpанспьютерные средства семейства Inmos

Т800 (компании SGS-Thomson) и средства высокопроизводительных микропроцессоров.

Конфигурации ЭМ:

•для моделей МИКРОС-1 или МИКРОС -2 всевозможные допустимые комплексы на основе микроЭВМ «Электроника 60М» или «Электроника 60-1» (или совместимых c ними других микроЭВМ), которые могут иметь в своем составе, в частности, спецпроцессоры «Электроника МТ-70»

и«Электроника 1603»;

•для модели МИКРОС-Т либо один из тpанспьютеров Т805 или Т800 (простейшая конфигурация), либо тpанспьютер, один из высокопроиз-

365

7. Вычислительные системы c програмл еируемой структурой

водительных микропроцессоров : Intel 860, PowerPC , Alpha и дополнитель-

ная оперативная память (расширенная конфигурация).

Коммуникационные средства ЭМ для реализации функций управления системами:

•МИКРОС-1 или МИКРОС-2 модули СУ (СУ-1 или СУ-2), выполненные на полных платах конструктивов д. гiя микроЭВМ «Электроника 60М» или «Электроника 60-1»;

•МИКРОС-Т транспьютер Inmos Т805 (или Т800).

Число коммуникационных средств в одн^й ЭМ в системах:

•МИКРОС-1 или МИКРОС-2 одно СВ" в составе от одного до четырех модулей СУ;

•МИКРОС-Т один транспьютер Inmos Т805 (или Т800).

Программное обеспечение ВС:

•МИКРОС-1 или МИКРОС-2:

—распределенные децентрализованные t )С, являющиеся расширением

ОС микроЭВМ «Электроника 60М» или «Элей троника б0-1 »;

—языки параллельного программирования P-FORTRAN и P-PASCAL,

являющиеся языками семейства микроЭВМ «Электроника», дополненными средствами организации системных взаимодеi:ствии.

•МИКРОС-Т:

—распределенная децентрализованная О С МИКРОС-Т (см. рис. 7.24); —языки параллельного программирован)4я P-FORTRAN и P-C.

Режимы функционирования ВС:

•монопрограммный, обеспечивающий р цшение сложной задачи, при

котором все ресурсы ВС используются для р еализации параллельных прогpамм и обеспечения требуемого уровня надежности и живучести;

•мультипрограммные (обработка наборо:3 и обслуживание потоков параллельных задач, разделение «времени и/илу пространства» и др.), при которых для решения любой задачи или для с iбслуживания любого задания используется лишь часть ресурсов системы.

Способы обработки данных в ВС:

•распределенный (параллельный), когда о, инородно расчлененные данные

иветви параллельной программы их обработки зассредоточиваются по ЭМ;

•матричный, при котором программа вычислении размещается в одной или нескольких ЭМ, a данные (однородно) рас -пределяются по всем ЭМ;

•конвейерный, когда сегментированная программа распределяется по машинам предварительно настроенного коне йера (или «кольца» или «линейки») и обеспечивается последовательное «пропускание» данных через все ЭМ конвейера.

Рекомендуемая методика распарaллели 3ания сложных задач круп-

ноблочное распарaллеливание, позволяющее а счет минимизации затрат на

366

7.7. Вычислительные системы семейства МВС

межмашинные взаимодействия достичь линейной зависимости производительности ВС от числа ЭМ.

Требуемые уровни производительности, емкости памяти, надежности и живучести ВС достигаются путем подбора количества ЭМ и их со-

става, выбора структуры сети межмашиннык связей, использования широ-

ких возможностей системных аппаратypно-прогpаммных средств по стати-

ческой и динамической реконфигурации структуры и по варьированию

состава системы.

Области применения ВС:

•традиционные сферы применения ЭВМ и векторных процессов, в которых возросли требования по обеспечению производительности, емкости памяти, надежности и живучести и где целесообразно сохранить совместимость вычислительных средств;

•сферы применения, связанные c решением трудоемких задач, таких как сложные задачи физики, механики сплошной среды, аэродинамики, баллистики, метеорологии, обработки изображений и речевых данных, задачи организации баз знаний, искусственного интеллекта;

•сложные большемасштабные системы, среди которых системы управления энергетическими установками, системы управления динамическими объектами и другие системы, характеризуемые высокой эффективностью, безотказностью, живучестью, рaзвиваемостью, компактностью либо распределенностью своих ресурсов и т. п.

Таким образом, ВС семейства МИКРОС основываются на перспективных принципах обработки информации, строятся из аппаратурнопрограммных средств микропроцессорной техники, обладают гибкими возможностями по статической и динамической реконфигурации своих структyp, позволяют достичь высокой производительности, надежности и живу-

чести в широкой области применения.

Продолжением ряда ВС МИКРОС-1, М '! РОС-2 и МИКРОС-T являются высокопроизводительные ВС c массовым параллелизмом семейства МВС.

7.7. Вычислительные системы семейства МВС

Вычислительные системы семейства МВС (МВС-100 и МВС-1000) соз-

даны Hayчнo-иccлeдoвaтeльccким институтом «Квант» (Москва) в содружестве c институтами РАН; руководитель работ — B.К. Лeвин (1929; академик РАН c Они вобрали в себя отечественные и зарубежные достижения в oблac-

ти архитектуры BC минpoпpoцeccopншх ВИС.

Современная элeмeнтнaя база индустрии обработки инфopмaцин — это большие интегральные схемы, среди которых выдeлsпoтся: микропроцессоры

367

7.Вычислительные системы c программируемой структурой

имикросхемы памяти (статические и динамические). В 1980-x и 1990-x годах электронная промышленность освоила производство высокопроизводитель-

ных микропроцессоров и микросхем памяти б зльшой емкостью. Особенностью рынка БИС в те годы было огромное разнообразие универсальных микропроцессоров, a также сигнальных и медииных микропроцессоров.

Заметной вехой в вычислительной индутрии стала одна из разрабо-

ток фирмы Inmos (Великобритания), именно транспьютер (Transputer).

Под транспьютером понимается микропроцесс ор c собственной внутренней памятью и коммуникационными каналами (ли ками) для соединения c другими транспьютерами. Первый транспьютер Т414 был разработан фирмой Inmos в 1983 г.; он выпускался серийно c 1983 г. и имел следующие технические характеристики:

•разрядность 32 двоичных разряда;

•тактовая частота 20 МГц;

•быстродействие 10 MIPS;

•объем внутренней памяти 2 K байт;

•число линков 4;

•скорость передачи информации по липку 5, 10, 20 Мбит/c.

Как уже отмечалось, транспьютер являлся простейшим вариантом ЭМ (см. § 3.4. и разд. 7.6.1); он служил для реалш;ации не только вычислительных, но и коммуникационных функций. В 1980 -х годах транспьютер был эффективным функционально-конструктивны: v элементом для построения ВС c массовым параллелизмом. Однако в 1990 -х годах транспьютер использовaлся лишь только в качестве коммуникация энного элемента для построения ВС.

Среди универсальных высокопроизво^ цительных микропроцессоров перспективными для построения ВС были семейства:

•i 860 компании Intel;

•PowerPC альянса компаний IBM, Арр1е 1 - Motorola;

•Alpha корпораций DEC и Compaq.

Для микропроцессоров названных семейств диапазон производи-

тельности (c точностью до порядков) составляет от 100 MFLOPS до 10 GFLOPS.

B середине 1990-x годов промышленность стала выпускать сигнальные и медийные микропроцессоры, которые наряду c большими вычисли-

тельными возможностями обладали развитыN:и коммуникационными сред-

ствами. Примером служит семейство TMS З20С4х компании Texas Instru- ments, микропроцессоры которого обеспечi воют от четырех до шести коммуникационных портов c пропускной способностью каждого в несколько десятков Мбайт в секунду.

368

7.7. Вычислительные системы семейства МВС

Таким образом, в начале 1990-x годов элементнaя база ВТ (универсальные и коммуникационные микропроцессоры) была достаточно развита и позволяла приступить к созданию МIМД-систем c производительностью

109 ...1012 FLOPS.

Научно- исследовательский институт «Квант» (Москва) Министер-

ства радиопромышленности Советского Союза был одним из наиболее мощных отечественных коллективов по проектированию ВС c массовым

параллелизмом. Институт, пройдя путь от специализированных ЭВМ и ВС c архитектурой SIMD, в те же годы приступил к созданию ВС c MIMD-

архитектурой. B указанные годы к средствам обработки информации стали предъявляться требования по производительности, надежности и живyчести, которые никак не могли быть удовлетворены концепцией ЭВМ Дж. фон Неймана и SIMD-архитектурой. Именно к этому времени активизировaлось сотрудничество НИИ «Квант» c несколькими научными группами Сибирского отделения АН СССР; особенно плодотворным и многолетним оно было c Отделом вычислительных систем CO РАН.

Семейство МВС (многопроцессорных вычислительных систем) это, по сути, промышленное расширение ряда: МИКРОС-1, МИКРОС-2, МИКРОС-T. Данное семейство имеет несколько генераций, среди которых: МВС-100 (1992-1996), МВС-1000 (1997-2000) и МВС-15000ВМ (2003-2005).

Архитектура систем семейства МВС:

•МIМД-архитектypа;

•распределенность средств управления, обработки и памяти;

•массовый параллелизм при обработке информации;

•программируемость структуры сети межмашинньх связен;

•масштабируемость, модульность и однородность.

7.7.1. Функциональная структура систем семейства МВС

Рассмотрим архитектурные и функциональные особенности вычислительных систем семейства МВС (в сравнении c MИKPOC).

Элементарные машины. Генерации МВС-100 и МВС-1000 имеют

одну и ту же функциональную структуру ЭМ — структуру ЭМ системы (см. рис. 7.22). Однако технические peaлизaции ЭМ для МВС-100MИКPOC-T и МВС-1000 различны — каждая из ЭМ комплектуется из микpoпpoцecco-

poв, соответствующих времени разработки систем.

Для формирования ЭМ вычислительных систем МВС-100 использовались в качестве:

369

7.Вычислительные системы c программируемой структурой

•коммуникационньх процессоров транспbютеры Inmos Т425 или Т805;

ропроцессор PowerPC (PowerPC 601 и PowerPC 503).

Элементарная машина МВС-100 имела , ;ледующие технические характеристики:

•быстродействие порядка 102 MFLOPS;

•емкость главной памяти (ГОП) 8...32 Мбайт;

•емкость коммуникационной памяти (КОЛ) —2. . . 8 Мбайт;

•пропускную способность канала межмашинной связи (одного из четырех пинков) 2 Мбайт/с.

Для конфигурирования ЭМ систем МВС . 1000 используются мощные микропроцессоры:

• коммуникационный процессор либо транспьютероподобный микропроцессор ТМ 320С44, имеющий четыре липка c пропускной способностью каждого 20 Мбайт/с, либо связной микропг оцессор sНА^С ADSP 21060

фирмы Analog Devices, имеющий шесть пинков c пропускной способностью

каждого 40 Мбайт/с;

•вычислительный процессор микропроцессор Alpha 21164.

Элементарная машина МВС-1000 характеризуется следующими пара-

метрами:

•быстродействие 1...2 GFLOPS;

•емкость ГОП 0,1...2 Гбайт;

•пропускная способность канала межмашпнной связи (одного из четырех или шести линков) 20 Мбайт/с или 40 Мбайт/c.

Структурный модуль. Структура сети межмашинных связей в ВС семейства МВС подобна двyмерному тору (для 4-линковых ЭМ). Структур-

ный модуль ВС представляет собой «матpицy» и:3 4 x 4 связных ЭМ (рис. 7.25).

Граничные липки модуля используются следующим образом:

1) четыре линка угловых ЭМ матрицы -- для организации двух диагональных связен;

2) оставшиеся четыре линка угловых м iшин для подсоединения хост-компьютеров (Host ведущая машина) и внешних устройств (ВУ) и для связи c ЭМ других модулей;

3) восемь линков для соединений c п здобными структурными модулями.

Максимальная длина пути между ЭМ (ди аметр) в структурном модуле равна 3. Следует отметить, что этот параметр в гиперкубической структуре из 16 ЭМ равен 4. Следовательно, рассматриваемый 16-машинный структурныи модуль характеризуется меньшими задержками при передаче информации между ЭМ в сравнении c 4-мерным гиперкубом (см. рис. 3.2).

370