Понятие вычислительной системы.

Понятие вычислительной системы. Классификация и архитектура вычислительных систем.

Понятие вычислительной системы

В связи с кризисом классической структуры ЭВМ дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники.

Термин вычислительная система появился в начале – середине 60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения.

Следствием этого явилось появление новых технических решений: разделение процессов обработки информации и ее ввода-вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка.

Под вычислительной системой (ВС) понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Параллелизм в вычислениях усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система .

предпосылками появления и развития вычислительных систем служат экономические факторы. Построение же вычислительных систем позволяет существенно сократить затраты.

Классификация вычислительных систем

Признаки

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач.

По типу вычислительные системы различаются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Основные отличия ММС заключаются в организации связей и обмена информацией между ЭВМ комплекса. Каждая из них сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС. Любая другая подключаемая к ней ЭВМ рассматривается как периферийное специальное устройство.

Многопроцессорные системы (МПС) строятся при комплексировании нескольких процессоров. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров с ООП обеспечивается под управлением единой общей операционной системы. достигается наивысшая оперативность взаимодействия процессоров-вычислителей. Многие исследователи считают, что использование МПС является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений.

Однако МПС имеют и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, в которых несколько процессоров обращаются с операциями типа ”чтение” и ”запись” к одним и тем же ячейкам памяти. Помимо процессоров к ООП подключаются все процессоры ввода-вывода, средства измерения времени и т.д.

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные - разнотипных. В однородных системах значительно упрощается разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного (разобщенного) типов. Обычно такое деление касается только ММС.

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия.

Централизованные системы имеют более простые ОС. В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами

между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ, интерес к децентрализованным системам постоянно растет.

В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций.

По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах., используют режим реального масштаба времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных.

Архитектура вычислительных систем

Классификация архитектур была предложена Флинном (M.Flynn) в начале 60-х годов. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. существует четыре основных архитектуры ВС:

а) одиночный поток команд - одиночный поток данных (ОКОД), в английской аббревиатуре Single Instruction Single Data (SISD);

б) одиночный поток команд - множественный поток данных (ОКМД) или Single Instruction Multiple Data (SIMD);

в) множественный поток команд - одиночный поток данных (МКОД) или Multiple Instruction Single Data (MISD);

г) множественный поток команд - множественный поток данных (МКМД) или Multiple Instruction Multiple Data (MIMD).

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, то есть с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельная работа устройств ввода-вывода информации и процессора.

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, то есть 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.

Архитектура МКОД предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке

Архитектура МКМД 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 для увеличения пропускной способности центра.

МКМД−структуры, в которых каждый вычислитель (ЭВМ или процессор) выполняет часть общей задачи. Не случайно, что после разочарований в структурах суперЭВМ, основанных на различном сочетании векторной и конвейерной обработки, усилия теоретиков и практиков обращены в этом направлении.

Уже из названия МКМД структур видно, что в данных системах можно найти все перечисленные виды параллелизма. Этот класс дает большое разнообразие структур, сильно отличающихся друг от друга своими характеристиками.

Важную роль здесь играют способы взаимодействия ЭВМ или процессоров в системе.

На общей шине оперативной памяти можно комплексировать от четырех до десяти микропроцессоров.

Слабосвязанные МКМД - системы могут строиться как многомашинные комплексы или использовать в качестве средств передачи информации общее поле внешней памяти на дисковых накопителях большой емкости.

Успехи микроинтегральной технологии и появление БИС и СБИС позволяют расширить границы и этого направления. Возможно построение систем с десятками, сотнями и даже тысячами процессорных элементов, с размещением

Передача данных в МРР – системах предполагает обмен не отдельными данными под централизованным управлением, а подготовленными процессами (программами вместе с данными).

Кластеры

Вычислительные системы, как мощные средства обработки заданий пользователей, широко используются не только автономно, но и в сетях ЭВМ в качестве серверов.

Одним из перспективных направлений здесь является кластеризация, то есть технология, с помощью которой несколько серверов, сами являющиеся вычислительными системами, объединяются в единую систему более высокого ранга для повышения эффективности функционирования системы в целом.

Целями построения кластеров могут служить:

• улучшение масштабируемости (способность к наращиванию мощности);

• повышение надежности и готовности системы в целом;

• увеличение суммарной производительности;

• эффективное перераспределение нагрузок между компьютерами кластера;

• эффективное управление и контроль работы системы и т.п.

Улучшение масштабируемости или способности к наращиванию мощности предусматривает, что все элементы кластера имеют аппаратную, программную и информационную совместимость

Масштабируемость SMP- и MPP-структур достаточна ограничена.

При большом числе процессоров в SMP-структурах возрастает число конфликтов при обращении к общей памяти, а в MPP-структурах плохо решаются задачи преобразования и разбиения приложений на отдельные задания процессорам. В кластерах же администраторы сетей получают возможность увеличивать пропускную способность сети за счет включения в него дополнительных серверов, даже уже из числа работающих, с учетом того, что балансировка и оптимизация нагрузки будут выполняться автоматически.

Следующей важной целью создания кластера является повышение надежности и готовности системы в целом. Основой этого служит возможность каждого сервера кластера работать автономно, но в любой момент он может переключиться на выполнение работ другого сервера в случае его отказа.