Вычислительные системы.

Под вычислительными системами будем понимать, сложные вычислительные устройства с разнесенными в пространстве компонентами и выполняющие, как правило параллельную обработку информации.

1.1. Признаки и схема классификации. В качестве основных признаков (классификации), характеризующих организацию структуры и функционирования вычислительных систем, с точки зрения, главным образом. параллельности работы, выберем следующие:

1) тип потока команд в центральной части вычислительной системы;

2) тип потока данных в нейтральной части вычислительной системы;

3) способ обработки данных в центральных устройствах обработки;

4) степень связанности компонент вычислительной системы;

5) степень однородности основных компонент вычислительной системы;

6) тип внутренних связей в вычислительной системе.

Эти шесть признаков определяют базовую схему классификации, которая содержыт семь уровней иерархии. Переход от каждого i-го уровня к следующему более низкому Н-1-му уровню определяется соответствующим i-М признаком (рис. 1). В этой схеме используются следующие условные обозначения:

а) ВС —вычислительные системы;

б) ОК, МК — одиночный и множественный потоки команд соответственно;

в) ОД, МД — одиночный и множественный потоки данных соответственно;

г) С, Р—пословная и поразрядная обработка данных в центральных обрабатывающих устройствах соответственно;

д) Нc, Вс—низкая и высокая степень связанности вычислительной системы соответственно;

е) Ор, Нр—однородная и неоднородная вычислительная система соответственно;

ж) Кн, Пм, Пр — системы со связями «канал-канал», через общую внешнюю память и непосредственно между процессорами соответственно;

з) Ош, Мш, Пк — системы со связями через одну общую шину с разделением ее времени или со связями через множество шин при использовании многовходовых модулей оперативной памяти и с перекрестными связями при помощи матричного коммутатора соответственно.

1.2. Описание классов вычислительных систем.

Первые три признака классификации характеризуют организацию и функционирование вычислительных систем и определяют, в общих чертах, их структуру. Эти признаки являются двузначными и поэтому образуют, в совокупности, 8 уровней классов систем.

Переход от первого ко второму уровню соответствует разделению систем по типу потока команд - одиночный или множественный - между модулями оперативной памяти и устройствами управления или процессорами.

При переходе к третьему уровню, системы разделяются по типу потока данных -одиночный или множественный - между центральными обрабатывающими устройствами и модулями памяти.

Далее при переходе к четвертому уровню иерархии, системы разделяются по способу обработки данных в центральных устройствах обработки - пословная или поразрядная обработка.

Системы с одиночными потоками команд и данных и с пословной обработкой данных -ОКОДС представляют собой обычные процессоры, а с поразрядной обработкой данных ОКОДР - одноразрядные процессоры.

Системы с одиночным потоком команд и множественным потоком данных имеют в качестве характерных представителей, для случая пословной обработки - данных ОКМДС, матричные системы и ансамбли процессоров, а для случая поразрядной обработки ОКМДР -ассоциативные системы.

Типичными представителями класса систем с множественным потоком команд и одиночным потоком данных, при пословной обработке информации, МКОДС являются

магистральные (конвейерные) системы. В качестве систем с поразрядной обработкой МКОДР можно представить системы с конвейером одноразрядных обрабатывающих устройств.

Многомашинные и многопроцессорные системы образуют класс систем с множественными потоками команд и данных, и с пословной обработкой МКМДС. В качестве систем с поразрядной обработкой МКМДР можно представить системы однобитовых процессоров, связанных между собой.

Последние три признака схемы классификации (рис. 1) определяют классы систем со сложной структурой. На схеме показаны классы пятого, шестого и седьмого уровней для реально существующих вычислительных систем.

При перехода к пятому уровню схемы происходит разделение на системы с низкой и высокой степенью связанности.

К шестому уровню - разделение на однородные и неоднородные системы.

И, наконец, при переходе к седьмому уровню, системы разделяются по типу связей между устройствами их центральной части.

Низкая степень связанности для систем типа ОКМДС означает, что обрабатывающие устройства имеют индивидуальные блоки оперативной памяти и связаны с устройством управления, но не имеют непосредственных связей между собой. Высокая степень связанности для систем такого класса означает, что обрабатывающие устройства имеют индивидуальные блоки оперативной памяти и, по меньшей мере, связаны линиями с соседними обрабатывающими устройствами. Типичные представители первых систем -ансамбли процессоров, а вторых матричные системы (а также системы с векторным потоком данных, имеющие общую оперативную память).

Наиболее сложную структуру имеют многомашинные и многопроцессорные системы. Первые из них характеризуются низкой степенью связанности, а вторые - высокой степенью связанности, поскольку многопроцессорные системы, в отличие от многомашинных, имеют общую оперативную память. Многомашинные системы содержат обычно конструктивно законченные выделительные машины и могут состоять как из машин одного типа, так и из машин различных типов. В состав многопроцессорных систем могут входить как однотипные так и разнотипные процессоры. Поэтому предусмотрены классы однородных и неоднородных, многомашинных и многопроцессорных систем (МКМДС/НсОр и Нр, МКМДС/ВсОр и Нр). соответственно.

Характерными типами связи в (однородных и неоднородных) многомашинных системах являются связи типа канал-канал (Кн) которые осуществляются при помощи адаптера, через внешнюю память (Пм), а т.ж. непосредственно между процессорами для обмена сигналами о состоянии друг друга, прерывания работы и для прямого управления (Пр). Многомашинные системы могут иметь различные комбинации этих типов связей, что условно показано на рис. 1 путем плотного расположения друг к другу узлов схемы Кн, Пм и

Характерными типами связей в (однородных и неоднородных) многопроцессорных системах между их процессорными модулями и модулями оперативной памяти являются связи, которые осуществляются при помощи одной шины (с разделением времени обмена информацией при помощи этой шины (Ош)), многошинные связи осуществляются, с применением многовходовых модулей оперативной памяти (Мш) и перекрестные связи осуществляются при помощи сосредоточенного/распределенного перекрестного (матричного) коммутатора (Пк). Отметим, что шины и матричный коммутатор используются и для присоединения внешних устройств.

Ряд параллельных вычислительных систем обладает признаками более чем одного класса. Так, например, ортогональные системы являются комбинацией систем типа ОКОДС и ОКМДР. Такого рода системы, с признаками отличающихся друг от друга классов, естественно считать системами с комбинированной структурой. Некоторые системы в процессе работы могут так изменять режим функционирования, что «переходят» из одного

класса в другой.? Такие системы естественно считать системами с перестраиваемой структурой.