30. Вычислительные системы.

Система - это совокупность элементов, которые находятся между собой в определенных отношениях и связях и которые образуют определенную целостность.

Вычислительная система (ВС) - это взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и ПО, предназначенная для обработки информации. ВС - совокупность технических средств ЭВМ, в которую входит не менее двух процессоров, связанных общностью управления и использ-ния общесистемных ресурсов (память, периферийные устройства, ПО).

Ресурсы ВС. Относят такие средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный квант времени. Основными ресурсами ВС являются процессоры, области оперативной памяти, наборы данных, периферийные устройства, программы. Виды ВС:

• однопрограммные и многопрограммные (в зависимости от кол-ва программ, одновременно находящихся в оперативн. памяти);

• индивидуального и коллективного пользования (в зависимости от числа пользователей, которые одновременно могут использовать ресурсы ВС);

• с пакетной обработкой и разделением времени (в зависимости от организации и обработки заданий);

• однопроцессорные, многопроцессорные и многомашинные (в зависимости от числа процессоров);

• сосредоточенные, распределенные (вычислительные сети) и ВС с теледоступом (в зависимости от территориального расположения и взаимодействия технических средств);

• работающие или не работающие в режиме реального времени (в зависимости от соотношения скоростей поступления задач в ВС и их решения);

• универсальные, специализированные и проблемно-ориентированные (в зависимости от назначения).

Режимы работы ВС. Мультипрограммирование - это режим обработки данных, при котором ресурсы ВС предоставляются каждому процессу из группы процессов (выполнение пассивных инструкций компьютерной программы на процессоре ЭВМ) обработки данных, находящихся в ВС, на интервалы времени, длительность и очередность предоставления которых определяется управляющей программой этой системы с целью обеспечения одновременной работы в интерактивном режиме.

Режим реального времени - режим обработки данных, при котором обеспечивается взаимодействие вычислительной системы с внешними по отношению к ней процессами в темпе, соизмеримом со скоростью протекания этих процессов. Этот режим обработки данных широко используется в системах управления и информационно-поисковых системах.

Однопрограммный режим работы ВС. Аппаратные средства ЭВМ совместно с ПО образуют ВС. В зависимости от класса ЭВМ и вида ОС ВС могут работать в режимах однопрограммном и мультипрограммном. В однопрограммном режиме работы в памяти ЭВМ находится и выполняется только одна программ. Такой режим обычно характерен для микроЭВМ и персональных ЭВМ, т.е. для ЭВМ индивидуального пользования.

Мультипрограммный (многопрограммнвй) режим работы ВС в памяти ЭВМ находится несколько программ, которые выполняются частично или полностью между переходами процессора от одной задачи к другой в зависимости от ситуации, складывающейся в системе. Здесь более эффективно используются машинное время и оперативная память, т.к. при возникновении каких-либо ситуаций в выполняемой задаче, требующих перехода процессора в режим ожидания, процессор переключается на другую задачу и выполняет ее до тех пор, пока в ней не возникает подобная ситуация, и т.д.

Режим пакетной обработки. В зависимости от того, в каком порядке при мультипрограммном режиме выполняются программы пользователей, различают режимы пакетной обработки задач и коллективного доступа. В режиме пакетной обработки задачи выстраиваются в одну или несколько очередей и последовательно выбираются для их выполнения.

Р ежим коллективного доступа. Каждый пользователь ставит свою задачу на выполнение в любой момент времени, т.е. для каждого пользователя в такой ВС реализуется режим индивидуального пользования. Это осуществляется обычно с помощью квантования машинного времени, когда каждой задаче, находящейся в оперативной памяти ЭВМ, выделяется квант времени. После окончания кванта времени процессор переключается на другую задачу или продолжает выполнение прерванной в зависимости от ситуации в ВС. ВС, обеспечивающие коллективный доступ пользователей с квантованием машинного времени, называют ВС с разделением времени.

П о назначению. Универсальные предназначаются для решения широкого класса задач (от математических расчетов до обработки мультимедиа), т.е. такие ВС должны обслуживать программные приложения, разработанные для самых разных и далеко отстоящих друг от друга направлений научных исследований.  Специализированные ориентированы на решение узкого класса задач.

По типу. Многопроцессорные. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память. Параллельная работа процессоров и использование общей оперативной памяти обеспечиваются под управлением общей операционной системы. Это позволяет в случае отказа одного из процессора, перераспределить нагрузку между оставшимися процессорами.

Многомашинные. Возможны два варианта:

- обе машины решают одну и ту же задачу и периодически сверяют результаты решения;

- обе машины работают параллельно, но обрабатывают собственные потоки заданий см. рис. 6.

Основной недостаток многомашинной ВС - достаточно в ВС в каждой ЭВМ выйти из строя по одному устройству (даже разных типов), как вся система становится неработоспособной.

По характеру устройств. Однородные системы содержат несколько однотипных ЭВМ (или процессоров). Основной недостаток однородных ВС - неполная загруженность отдельных ЭВМ (процессоров) во время её работы. В связи с этим недостатком применяются неоднородные ВС Неоднородные. Неоднородные системы содержат разнотипные ЭВМ (или процессоры).

По управлению. Централизованные. Функции управления сосредоточены  в главной ЭВМ (процессор). Ее задачей являются распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Децентрализованные. Функции управления распределены между ее элементами, т.е.  каждый процессор или ЭВМ действуют автономно, решая свои задачи. Смешенные. Совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления.  Т.е. ВС разбивается на группы взаимодействующих ЭВМ (или процессоров), где в каждой группе осуществляется централизованное управление, а между группами - децентрализованное.

Классификация систем параллельной обработки данных.

Классификация базируется на понятиях двух потоков: команд и данных. На основе числа этих потоков выделяется четыре класса архитектур:

SISD архитектура; SIMD архитектура; MISD архитектура; MIMD архитектура.        

S ISD (Single Instruction Single Data).  Программа принимает один поток данных и выполняет один поток инструкций по обработке этих данных. Иными словами, инструкции выполняются последовательно, и каждая инструкция оперирует минимальным количеством данных (например, сложение двух чисел.

MISD (Multiple Instruction Single Data). Разные потоки инструкций выполняются с одними и теми же данными.. Обычно такие системы не приводят к ускорению вычислений, так как разные инструкции оперируют одними и теми же данными, в результате на выходе системы получается один поток данных.

К таким системам относят различные системы дублирования и защиты от сбоев, когда, например, несколько процессоров дублируют вычисления друг друга для надёжности, а также матричные компьютеры, в которых все элементы процессора выполняют одну и ту же программу. Иногда к этой категории относят  конвейерные архитектуры.

SIMD (Single Instruction Multiple Data). Один поток инструкций выполняет вычисления одновременно с разными даннымию

Например, выполняется сложение одновременно восьми пар чисел. Такие компьютеры называются векторными, так как подобные операции выполняются аналогично операциям с векторами (когда, например, сложение двух векторов означает одновременное сложение всех их компонентов). Зачастую векторные инструкции присутствуют в дополнение к обычным «скалярным» инструкциям, и называются SIMD-расширением (или векторным расширением). Примеры популярных SIMD-расширений: MMX, 3DNow!, SSE и др. Также к таким системам можно отнести так называемые матричные компьютеры, в которых все элементы процессора выполняют одну и ту же программу.

MIMD (Multiple Instruction Multiple Data). Разные потоки инструкций оперируют различными данными. Это системы наиболее общего вида, поэтому их проще всего использовать для решения различных параллельных задач.

Где УУ – управляющее устройство (организует поток команд), ПР – процессор, ПД – поток данных.

В верней части блок-схемы показано ОЗУ, разделенное на отдельные блоки. Каждый блок имеет свое местное устройство управления оперативной памяти. Обмен между ОЗУ и быстрой ВЗУ происходит сравнительно большими объемами информации достаточно быстро и оперативно. Программирование упрощается, так как пользователю дают весь объем памяти (ОЗУ+ВЗУ) для прямой поячеечной адресации. Такие адреса носят названия виртуальных. Физическими адресами данных являются только адреса ОЗУ. В первом блоке ОЗУ размещена резидентная часть ОС (часть блоков ОС которые часто используются). Под системой коммутации располагаются процессоры: центральный процессор (ЦП) и периферийные процессоры ввода-вывода (ППВВ), выполняющие функции обмена между ОЗУ и периферийными устройствами. Простейшие ППВВ, по терминологии для отечественных ЭВМ, также называют каналами.

Левый канал подключен к ВЗУ. Поскольку скорость передачи данных высокая и, следовательно, время обмена короткое канал поддерживает связь ОЗУ с выбранным ВЗУ все время, пока не закончится обмен. Поэтому этот канал называется селекторным, то есть канал выбирает устройство на все время обмена. К правому каналу подключены более медленные периферийные устройства ввода вывода (УВВ). Чтобы полностью использовать пропускную способность канала, его снабжают своим быстродействующим ЗУ и системой переключения с одного УВВ на другое. Этот канал работает в 2 такта: во-первых, он накапливает данные из УВВ в ячейках памяти, закрепленных за этим УВВ, переключаясь, по мере готовности передать или принять данные, с одного УВВ на другое, а во-вторых, обменивается более крупными порциями данных между своим буферным ЗУ и ОЗУ. Этот тип канала за способность к быстрому переключению получил название мультиплексного.