Классификация параллельных ВС

Потоки команд и потоки данных. Общепринята удачная классификация ВС, которую предложил в 1966 г. М.Флинн (США). Основным определяющим архитектурным параметром он выбрал взаимодействие потока команд и потока данных (операндов и результатов).

В ЭВМ классической архитектуры ведется последовательная обработка команд и данных. Команды поступают одна за другой (за исключением точек ветвления программы), и для них из ОЗУ или регистров так же последовательно поступают операнды. Одной команде (операции) соответствует один необходимый ей набор операндов (как правило, два для бинарных операций). Этот тип архитектуры — " один поток команд — один поток данных", ОКОД (SISD - "Single Instruction, Single Data") условно изображен на рис. 1.1.

Рис. 2.3. ВС типа ОКОД (SISD)

Тип ОКМД — "один поток команд — много потоков данных" (SIMD — "Single Instruction — Multiplе Data") охватывает ВС, в которых одной командой обрабатывается набор данных, множество данных, вектор, и вырабатывается множество результатов. Это векторные и матричные системы, в которых по одной команде выполняется одна и та же операция над всеми элементами массива — вектора или матрицы, распределенными между процессорными (обрабатывающими) элементами ПЭ или процессорами. Принцип обработки показан на рис. 1.2.

Рис. 2.4. ВС типа ОКМД (SIMD)

Отечественные векторные ВС — ПС-2000, ПС-2100. Допускают организацию матричной обработки. Классический пример матричной архитектуры — ILLIAC-1V (США).

К типу МКОД — "много потоков команд — один поток данных" (MISD — "Multiple Instruction — Single Data") принято относить векторный конвейер (обычно в составе ВС, чтобы подчеркнуть основной используемый принцип вычислений), например, в составе ВС Crey -1, "Электроника ССБИС". На векторном конвейере производится последовательная обработка одного потока данных многими обрабатывающими устройствами (ступенями, станциями) конвейера.

К такому же типу относится ВС, реализующая макроконвейер (ВС "Украина"). В ней задача, решаемая циклически, "разрезается" на последовательные этапы, закрепляемые за отдельными процессорами. Запускается конвейер многократного выполнения цикла, составляющего задачу.

Принцип обработки показан на рис. 1.3.

Рис. 2.5. ВС типа МКОД (MISD)

Тип МКМД — "много потоков команд — много потоков данных" (MIMD — "Multiple Instruction — Multiple Data") cоответствует более полному и независимому распараллеливанию. К этому типу относятся, например, все многопроцессорные вычислительные комплексы (МВК) семейства "Эльбрус".

Основные архитектурно-функциональные принципы построения ЦВМ были разработаны и опубликованы в 1946 г. венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом и его коллегами Г.Голдстайном и А.Берксом в ставшем классическим отчете "Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства". Основополагающими принципами ЭВМ на основании этого отчета являются: 1) принцип программного управления выполнением программы, и 2) принцип хранимой в памяти программы. Они легли в основу понятия фон-Неймановской архитектуры, широко использующей счетчик команд .

Вернемся к настоящему. Счетчик команд отражает "узкое горло", которое ограничивает поток команд, поступающих на исполнение, их последовательным анализом.

Альтернативной архитектурой является "не-фон-Неймановская" архитектура, допускающая одновременный анализ более одной команды. Поиски ее обусловлены необходимостью распараллеливания выполнения программы между несколькими исполнительными устройствами — процессорами. Счетчик команд при этом не нужен. Порядок выполнения команд определяется наличием исходной информации для выполнения каждой из них. Если несколько команд готовы к выполнению, то принципиально возможно их назначение для выполнения таким же количеством свободных процессоров. Говорят, что такие ВС управляются потоком данных (data flow).

Общая схема потоковых ВС представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. "Идеальная" потоковая ВС

Программа или ее часть (сегмент) размещается в памяти команд ПК, состоящей из ячеек команд. Команды имеют структуру

{код операции, операнд 1, ..., операнд L,

адрес результата 1, ..., адрес результата M}

В командах проверки условия возможно альтернативное задание адреса результата (ИЛИ — ИЛИ). Адреса результатов являются адресами ПК, т.е. результаты выполнения одних команд в качестве операндов могут поступать в текст других команд. Команда не готова к выполнению, если в ее тексте отсутствует хотя бы один операнд. Ячейка, обладающая полным набором операндов, переходит в возбужденное состояние и передает в селекторную сеть информационный пакет (токен), содержащий код операции и необходимую числовую и связную информацию. Он поступает по сети на одно из исполнительных устройств. Там же операция выполняется, и в распределительную сеть выдается результирующий пакет, содержащий результат вычислений и адреса назначения в ПК (возможно, за счет выбора альтернативы, т.е. такой выбор — тоже результат). По этим адресам в ПК результат и поступает, создавая возможность активизации новых ячеек. После выдачи токена в селекторную сеть операнды в тексте команды уничтожаются, что обеспечивает повторное выполнение команды в цикле, если это необходимо.

Селекторная и распределительная сети образуют коммуникационную сеть ВС.

Ожидаемая сверхвысокая производительность такой системы может быть достигнута за счет одновременной и независимой активизации большого числа готовых команд, проблематичном допущении о бесконфликтной передаче пакетов по сетям и параллельной работы многих исполнительных устройств.

Существует ряд трудностей, в силу которых "не-фон-Неймановские" архитектуры не обрели технического воплощения для массового применения в "классическом", отраженном выше, исполнении. Однако многие устройства используют данный принцип, но чаще всего взаимодействие процессоров при совместном решении общей задачи и их синхронизация при использовании общих данных основаны на анализе готовности данных для их обработки. Это дает основание многим конструкторам заявлять, что в своих моделях они реализовали принцип data flow.

Системы с общей и распределенной памятью

Системы с общей (разделяемой) оперативной памятью образуют современный класс ВС — многопроцессорных супер-ЭВМ. Одинаковый доступ всех процессоров к программам и данным представляет широкие возможности организации параллельного вычислительного процесса (параллельных вычислений). Отсутствуют потери реальной производительности на межпроцессорный (между задачами, процессами и т.д.) обмен данными (рис. 2.7a).

Рис. 2.7. ВС с общей (а) и распределённой (б) памятью

Системы с распределенной памятью образуют вычислительные комплексы (ВК) — коллективы ЭВМ с межмашинным обменом для совместного решения задач (рис. 2.7б). В ВК объединяются вычислительные средства систем управления, решающие специальные наборы задач, взаимосвязанных по данным. Принято говорить, что такие ВК выполняют распределенные вычисления, а сами ВК называют распределенными ВК.

Другое, противоположное воплощение принципа МИМД — масспроцессорные или высокопараллельные архитектуры, объединяющие сотни — тысячи — десятки тысяч процессоров.

В современных супер-ЭВМ наметилась тенденция объединения двух принципов: общей (распределяемой) и распределенной (локальной) оперативной памяти (ЛОП). Такая структура используется в проекте МВК "Эльбрус-3" и "Эльбрус-3М" (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Схема ВС с модулями локальной памяти

Способы межмодульного соединения (комплексирования)

Различают два противоположных способа комплексирования: с общей шиной (шинная архитектура) и с перекрестной (матричной) коммутацией модулей ВС (процессоров, модулей памяти, периферии).

На рис. 2.9 представлена система с общей шиной. Шина состоит из линий, по которым передаются информационные и управляющие сигналы.

Рис. 2.9. Схема ВС с общей шиной

Шина используется в режиме разделения времени, при котором лишь один модуль в данный момент работает на передачу. Принимать принципиально могут все модули, хотя преимущественно информация при выдаче в нее адресуется. Применяется в микро- и мини-ЭВМ при сравнительно небольшом числе модулей. Практически производится разделение шины на управляющую, адресную и шину данных.

В высокопроизводительных ВС для возможности одновременного обмена многими парами абонентов используется перекрестная или матричная коммутация.

Матричный коммутатор можно представить (прямоугольной) сеткой шин. К одному концу каждой подсоединен источник-потребитель информации (рис.2.10). Точки пересечения — узлы этой сетки — представляют собой управляющие ключи, которые соединяют или разъединяют соответствующие шины, устанавливая или прекращая связь между модулями. Реализуется связь "каждый с каждым". Одновременно могут связываться многие (до n/2 ) пары модулей.

Рис. 2.10. Матричные коммутаторы: а) — перекрёстная коммутация процессоров, б) — коммутация процессоров и модулей памяти

На рис. 2.10а — перекрестная связь между процессорами в ВС с распределенной памятью, на рис. 2.10б — между n процессорами и m модулями ОП.

2.3. Информационно-вычислитель­ные сети

Информационно-вычислительная сеть (вычислительная сеть), представляет собой систему компьютеров, объединенных каналами передачи данных.

Основное назначение информационно-вычислительных сетей (ИВС) — обеспечение эффективного предоставления различных информационно-вычислительных услуг пользователям сети путем организации удобного и надежного доступа к ресурсам, распределенным в этой сети.

Информационные системы, построенные на базе ИВС, обеспечивают эффективное выполнение следующих задач:

хранение данных;

обработка данных;

организация доступа пользователей к данным;

передача данных и результатов обработки данных пользователям.

Основные показатели качества ИВС:

Полнота выполняемых функций. Сеть должна обеспечивать выполнение всех предусмотренных для нее функций и по доступу ко всем ресурсам, и по совместной работе узлов, и по реализации всех протоколов и стандартов работы.

Производительность — среднее количество запросов пользователей сети, исполняемых за единицу времени.

Пропускная способность определяется количеством данных, передаваемых через сеть (или ее звено — сегмент) за единицу времени.

Надежность сети — чаще всего характеризуется средним временем наработки на отказ.

Достоверность результатной информации

Безопасность— способность сети обеспечить защиту информации от несанкционированного доступа.

Прозрачность сети - означает невидимость особенностей внутренней архитектуры сети для пользователя: в оптимальном случае он должен обращаться к ресурсам сети как к локальным ресурсам своего собственного компьютера.

Масштабируемость — возможность расширения сети без заметного снижения ее производительности.

Универсальность сети — возможность подключения к сети разнообразного технического оборудования и программного обеспечения от разных производителей.

Классификация ИВС по размеру охватываемой территории, принципу передачи сигнала и топологии.

Информационно-вычислительные сети (ИВС), в зависимости от территории, ими охватываемой, подразделяются на:

· локальные (ЛВС или LAN — Local Area Network);

• региональные (РВС или MAN — Metropolitan Area Network);

• глобальные (ГВС или WAN — Wide Area Network).

Локальной называется сеть, абоненты которой находятся на небольшом (до 10-15 км) расстоянии друг от друга. ЛВС объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. Обычно такая сеть привязана к конкретному объекту. К классу ЛВС относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов, корпораций и т. д. Если такие ЛВС имеют абонентов, расположенных в разных помещения, то они часто используют инфраструктуру глобальной сети Интернет и их принято называть корпоративными сетями или сетями интранет (intranet).

Региональные сети связывают абонентов города, района, области или даже небольшой страны. Обычно расстояния между абонентами региональной ИВС составляют десятки — сотни километров.

Глобальные сети объединяют абонентов, удаленных друг от друга на значительное расстояние, часто расположенных в различных странах или на разных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, систем радиосвязи и даже спутниковой связи.

Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии. Они обеспечивают мощные, экономически целесообразные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам. Локальные вычислительные сети могут входить как компоненты в состав региональной сети, региональные сети — объединяться в составе глобальной сети, и, наконец, глобальные сети могут также образовывать сложные структуры. Именно такая структура принята в сети Интернет.

По принципу организации передачи данных сети можно разделить на две группы:

• последовательные;

• широковещательные.

В последовательных сетях передача данных выполняется последовательно от одного узла к другому и каждый узел ретранслирует принятые данные дальше. Практически все глобальные, региональные и многие локальные сети относятся к этому типу.

В широковещательных сетях в каждый момент времени передачу может вести только один узел, остальные узлы могут только принимать информацию. К такому типу сетей относится значительная часть ЛВС, использующая один общий канал связи (моноканал) или одно общее пассивное коммутирующее устройство.

По геометрии построения (топологии) ИВС могут быть:

шинные (линейные, bus);

кольцевые (петлевые, ring);

радиальные (звездообразные, star);

распределенные радиальные (сотовые, cellular);

иерархические (древовидные, hierarchy);

полносвязные (сетка, mesh);

смешанные (гибридные).

Сети с шинной топологией используют линейный моноканал передачи данных, к которому все узлы подсоединены через интерфейсные платы посредством относительно коротких соединительных линий. Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Промежуточные узлы не ретранслируют поступающих сообщений. Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот, которому оно адресовано.

Шинная топология — одна из наиболее простых топологий. Такую сеть легко наращивать и конфигурировать, а также адаптировать к различным системам; она устойчива к возможным неисправностям отдельных узлов.

Сеть шинной топологии применяет широко известная сеть Ethernet и организованная на ее базе Net Ware Novell.

В сети с кольцевой топологией все узлы соединены в единую замкнутую петлю (кольцо) каналами связи. Выход одного узла сети соединяется со входом другого.

Информация по кольцу передается от узла к узлу, и каждый узел ретранслирует посланное сообщение. В каждом узле для этого имеются своя интерфейсная и приемо-передающая аппаратура, позволяющая управлять прохождением данных в сети. Передача данных по кольцу с целью упрощения приемо-передающей аппаратуры выполняется только в одном направлении. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения.

Ввиду своей гибкости и надежности работы сети с кольцевой топологией получили также широкое распространение на практике (например, сеть Token Ring).

Основу последовательной сети с радиальной топологией составляет специальный компьютер — сервер, к которому подсоединяются рабочие станции, каждая по своей линии связи. Вся информация передается через центральный узел, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети.

В качестве недостатков такой сети можно отметить:

большую загруженность центральной аппаратуры;

полную потерю работоспособности сети при отказе центральной аппаратуры;

большую протяженность линий связи;

отсутствие гибкости в выборе пути передачи информации.

Последовательные радиальные сети используются в офисах с явно выраженным централизованным управлением.

Но используются и широковещательные радиальные сети с пассивным центром — вместо центрального сервера в таких сетях устанавливается коммутирующее устройство, обычно концентратор, обеспечивающий подключение одного передающего канала сразу ко всем остальным.

В зависимости от используемой коммуникационной среды сети делятся на:

· сети с моноканалом;

• иерархические;

• полносвязные сети и сети со смешанной топологией.

В сетях с моноканалом данные могут следовать только по одному и тому же пути. Все пакеты доступны всем пользователям сети, но «вскрыть» пакет может только тот абонент, чей адрес в пакете указан. Такие сети иногда называют сетями с селекцией информации.

Иерархические, полносвязные и сети со смешанной топологией в процессе передачи данных требуют маршрутизации последней, то есть выбора в каждом узле пути дальнейшего движения информации.