4. Вычислительные системы

4.1. Классификация вычислительных систем

Создание вычислительных систем (ВС) способствует разрешению противоречия между непрерывно растущими потребностями в быстродействующих и надежных средствах вычислений и пределом технических возможностей ЭВМ на данном этапе развития.

Вычислительная система представляет собой сложный комплекс, состоящий из разнообразных технических средств и соответствующего программного обеспечения. Как технические, так и программные средства имеют модульную структуру построения, позволяющую наращивать ее в зависимости от назначения и условий эксплуатации системы.

Первыми ВС были однопроцессорные мультипрограммные ЭВМ, высокая производительность которых была достигнута за счет распределения во времени основных устройств системы между программами.

Дальнейшее повышение производительности ЭВМ было достигнуто за счет мультиобработки программ (задач), т. е. за счет разбиения программ на отдельные блоки и параллельной обработки этих блоков на нескольких обрабатывающих устройствах, входящих в состав ВС. Мультиобработка позволяет не только повысить производительность, но и сократить время выполнения отдельных программ, которые могут разбиваться на части и распределяться между различными обрабатывающими устройствами.

Первым типом ВС с мультиобработкой был многомашинный комплекс (МК) - многомашинная ВС. В состав МК объединялись различные ЭВМ с классической структурой, имеющие возможность обмениваться информацией.

На рис. 4.1 представлена структура двухмашинной ВС. Каждая ЭВМ имеет оперативную память (ОП), внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), периферийные устройства (ПфУ), подключаемые к центральной части ЭВМ - процессору (ПР) с помощью каналов ввода-вывода (КВВ), и работает под управлением своей операционной системы (ОС). Обмен информацией между ЭВМ1 и ЭВМ2 осуществляется через системные средства обмена (ССО) в результате взаимодействия ОС машин между собой.

Основной недостаток многомашинной ВС - недостаточно эффективно используется оборудование комплекса. Достаточно, в ВС в каждой ЭВМ выйти из строя по одному устройству (даже разных типов), как вся ВС становится неработоспособной.

Рис. 4.1. Структура многомашинной ВС

Следующим шагом в направлении дальнейшего увеличения производительности ВС явилось создание многопроцессорных ВС с мультиобработкой, в составе которых содержится два или несколько процессоров (ПР), работающих с единой ОП, общий набор КВВ и ВЗУ (рис. 4.2). Наличие единой ОС делает возможным автоматическое распределение ресурсов системы на различных этапах ее работы. В результате достигается высокая «живучесть» ВС, позволяющая в случае отказа отдельных. модулей перераспределить нагрузку между работоспособными, обеспечив тем самым выполнение наиболее важных для ВС функций.

К недостаткам многопроцессорных ВС относят трудности, возникающие при реализации общего поля ОП, ВЗУ, а также при разработке специальной ОС.

Дальнейшее развитие идей мультиобработки привело к созданию крупных многопроцессорных систем высокой производительности, получивших назначение высокопараллельных ВС. Такие ВС в зависимости от ее структуры могут одновременно обрабатывать множественный поток данных или команд. Под потоком команд понимается последовательность команд, выполняемых ВС, а потоком данных - последовательность данных, обрабатываемых под управлением потока команд.

Рис. 4.2. Структура многопроцессорной ВС

Высокопараллельные ВС структуры типа ОКМД (одиночный поток команд и множественный поток данных) получили название матричных ВС (рис. 4.3). Они содержат которое количество одинаковых сравнительно простых быстродействующих процессоров (ПР), соединенных друг с другом так, что образуется сетка (матрица), в узлах которых размещаются ПР. Все ПР выполняют одну и ту же команду, но над разными операндами, доставляемыми процессорам из памяти несколькими потоками данных.

Рис. 4.3. Многопроцессорная ВС структуры типа ОКМД

Высокопараллельные ВС структуры типа МКОД (множественный поток команд и одиночный поток данных) получили название конвейерных. ВС. Такие ВС (рис. 4.4) содержат цепочку последовательно соединенных ПР, так что информация на выходе одного ПР является входной информацией для другого ПР. Каждый ПР обрабатывает соответствующую часть задачи, передавая результаты соседнему ПР, который использует их в качестве исходных данных.

Рис. 4.4. Многопроцессорная ВС структуры типа МКОД

Так, например, операция сложения чисел с плавающей запятой может быть разделена на 4 этапа: сравнение порядков; выравнивание порядков; сложение мантисс; нормализация результата. В конвейерной ВС все эти этапы вычислений будут выполняться отдельными процессорами, образующими конвейер.

Высокопараллельные ВС по сравнению с многопроцессорными ВС обеспечивают более высокую производительность, надежность, и "живучесть". Однако при этом усиливаются недостатки: усложнение управления системой, трудность программирования и малая загрузка системы.

Первые два недостатка компенсируются благодаря применению специальных языков программирования. Третий недостаток приводит к тому, что большинство высокопараллельных ВС ориентируется на специализированное применение.

Реализация идей мультипрограммной работы потребовала пересмотра способов взаимодействия оператора с программой. Возникла необходимость в большом количестве абонентских пунктов, позволяющих нескольким пользователям одновременно взаимодействовать с ЭМВ по своим программам. Часто такие пульты находятся на значительном расстоянии от ЭВМ и связаны с ней телефонными или телеграфными каналами. В качестве оконечных устройств (терминалов) обычно используют дисплеи. Такая связь ЭВМ со многими дистанционно расположенными пультами получила название мпогопультовой.

Многопультовый режим работы, обеспечивающий одновременный доступ к ЭВМ многих пользователей, вызвал соответствующую организацию их обслуживания. Обычно такое обслуживание осуществляется в режиме разделения времени между пользователями.

ВС с разделением времени последовательно и циклически опрашивает терминалы всех пользователей (абонентов), записывает информацию обратившихся абонентов и обслуживает их в той же последовательности. Каждому абоненту выделяется определенный, строго ограниченный квант машинного времени. В течение таких циклически повторяющихся квантов времени осуществляется выполнение каждой программы. В идеальном случае интервал времени между включениями в работу одной и той же программы не должен превышать обычное время реакции человека. Тогда программист, управляющий своей программой, не будет ощущать прерывистого характера ее выполнения и у него создастся иллюзия индивидуального общения с ВС.

ВС с разделением времени являются основой сети вычислительных центров коллективного пользования.

Чтобы удовлетворять предъявляемым требованиям к ВС, они должны иметь:

• развитую ОС, обеспечивающую одновременное выполнение различных программ и организующую доступ пользователя к стандартным программам;

• трансляторы с языков программирования, облегчающих работу программистов по подготовке программ;

• средства, обеспечивающие динамическое распределение памяти между программами, а также свободное перемещение программ в процессе вычислений;

• средства защиты памяти и программ от вмешательства других программ;

• датчик времени (таймер), позволяющий в соответствии с запросами пользователей выделять им необходимое время для работы, по истечении которого ВС автоматически переключается на выполнение других программ;

• как аппаратурные, так и программные средства с целью организации приоритетов для одновременно ждущих программ.

Многопроцессорные и многомашинные ВС классифицируют по различным признакам. Рассмотрим некоторые из них.

По назначению ВС делятся на:

- универсальные ВС - предназначены для решения широкого круга задач, специализированные

- специализированные - для решения определенного круга задач. Специализированные ВС, как правило, должны иметь аппаратурные и программные средства, предназначенные специально для этой системы.

По типу оборудования ВС подразделяются на:

- однородные системы - содержат несколько однотипных ЭВМ (или процессоров). Основной недостаток однородных ВС – неполная загруженность отдельных ЭВМ (процессоров) во время ее работы.

- неоднородные системы - разнотипные ЭВМ (или процессоры). Используются в целях повышения эффективности использования ЭВМ (процессоров). Например, более производительная центральная ЭВМ системы выполняет обработку информации, а менее производительные ЭВМ1, ЭВМ2 и ЭВМ3 осуществляют ввод и вывод информации, ее предварительную обработку и передачу в центральную ЭВМ. Коммутатор при передаче информации в центральную ЭВМ и выдаче из нее результатов настраивается на выбор соответствующей ЭВМ 2-го уровня (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Иерархическая структура многомашинной ВС

Вычислительные системы с иерархической структурой могут иметь и более двух уровней иерархии. ЭВМ, выполняющие предварительную обработку информации, часто, называют машинами-сателлитами.

По типу структуры (под структурой ВС понимают состав системы и схемы функциональных и управляющих связей между ее элементами) ВС разделяются:

- с постоянной структурой - в процессе функционирования системы не изменяется состав функциональных и управляющих связей между ее элементами.

- с переменной структурой – такую структуру имеют адаптивные системы, т. е. такие, у которых структура изменяется на основе анализа текущей информации. Подобные системы позволяют достичь оптимального состояния в любых изменяющихся условиях функционирования.

По степени централизации управления ВС разделяются на:

- централизованные ВС - все функции управления сосредоточены в одном элементе, в качестве которого используется одна из ЭВМ, называемая машиной-директором, или центральный процессор.

- децентрализованные ВС - каждый процессор или ЭВМ действуют автономно, решая свои задачи.

- со смешанным управлением - ВС разбивается на группы взаимодействующих ЭВМ (или процессоров), в каждой из которых осуществляется централизированное управление, а между группами - децентрализированное.