Тема 6: Многопроцессорные архитектуры

Тема лекции: Классификация архитектур вычислительных систем

План лекции:

6.3 Классификация по М.Флинну

6.4 Другие методы классификации

Классификация архитектуры вычислительных систем с параллельной обработкой данных

Цели, которым должна служить хорошо построенная классифи­кация архитектур:

• облегчать понимание того, что достигнуто на 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.

6.3 Классификация м. Флинном

В 1966 г. М. Флинном (Flynn) был предложен следующий под­ход к классификации архитектур вычислительных систем. В основу было положено понятие потока, под которым понимается последо­вательность элементов, команд или данных, обрабатываемая про­цессором.

Соответствующая система классификации основана на рассмотрении числа потоков инструкций и потоков данных и опи­сывает четыре базовых класса (табл. 6.1, рис. 6.4 и 6.5).

Коротко рассмотрим отличительные особенности каждой из ар­хитектур.

Таблица 6.1. Классификация Флинна
Поток данных	Поток команд
	одиночный	множественный
Одиночный	SISD - Single Instruction stream / Single Data stream (Одиночный поток Команд и Одиночный поток Данных - ОКОД)	MISD - Multiple Instruction stream / Single Data stream (Множественный поток Команд и Одиночный поток Данных - МКОД)
Множественный	SIMD - Single Instruction stream / Multiple Data stream (Одиночный поток Команд и Множественный поток Данных - ОКМД)	MIMD - Multiple Instruction stream / Multiple Data stream (Множественный поток Команд и Множественный поток Данных - МКМД)

Рисунок 6.4- Архитектура ОКОД (SISD) (а) и архитектура МКОД (MISD) (б)

Архитектура ОКОД (SISD) охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, т. е. с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь паралле­лизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода информации и процессора. Закономерности организации вычислительного процесса в этих структурах достаточ­но хорошо изучены.

Рисунок 6.5- Архитектура МКОД (МISD) (в) и архитектура МКМД (MISD)(г)

Архитектура ОКМД (SIMD) предполагает создание структур век­торной или матричной обработки. Системы этого типа обычно стро­ятся как однородные, т. е. процессорные элементы, входящие в сис­тему, идентичны, и все они управляются одной и той же последова­тельностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, за­дачи теории поля и др. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними.

По данной схеме строились системы: первая су­перЭВМ — ILLIAC-1V, отечественные параллельные системы — ПС-2000, ПС-3000. Структуры ВС этого типа, по существу, являются структурами специализированных суперЭВМ.

Элементы технологии SIMD реализованы в процессорах Intel начиная с Pentium MMX (1997 г.).

Архитектура МКОД (MISD) предполагает по­строение своеобразного процессорного конвейера, в котором ре­зультаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Прототипом та­ких вычислений может служить схема любого производственного конвейера.

Конвейерная схе­ма нашла применение в так называемых скалярных процессорах суперЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.

Архитектура МКМД (MIMD) предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и незави­симы. Такая схема использования ВС часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной спо­собности центра. Большой интерес представляет возможность со­гласованной работы ЭВМ (процессоров), когда каждый элемент де­лает часть общей задачи. Общая теоретическая база такого вида ра­бот практически отсутствует.

Подобные системы могут быть многомашинными и многопроцессорными. Например, отече­ственный проект машины динамической архитектуры (МДА) — ЕС-2704, ЕС-2727 — предполагал одновременное использование сотни процессоров.