Вычислительные системы

вычислительные  системы

Вид деятельности, в котором  задействован человек как правило, обусловлен решением каких- либо задач. Вычислительные системы также как  и человек выполняет или решают задачи в разных областях. ВС могут  решать одну задачу, две задачи, либо группа объедененных ВС решает одну и ту же задачу.

 

Вычислительные  системы

Что же такое  система?

 

• Система - это совокупность элементов, которые находятся между собой в определенных отношениях и связях и которые образуют определенную целостность, единство какого-либо явления или предмета исследования (system от греч. - соединенная из частей). Основой этого направления явились труды Л. фон Бертоланфи в области биологии (1937 год).

  вычислительная  система - это рассматриваемый как единое целое комплекс, предназначенный решать определенные задачи, в котором задействованы центральный процессор, память и различные внешние устройства.

Иногда под ВС понимают совокупность технических средств  ЭВМ, в которую входит не менее  двух процессоров, связанных общностью  управления и использования общесистемных  ресурсов (память, периферийные устройства, программное обеспечение и т.п.)

Общая классификация  вычислительных систем

 

По 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:

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

2 - обе  машины работают параллельно,  но обрабатывают собственные  потоки заданий.

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

 

Многопроцессорная ВС.

 

Многомашинная ВС.

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 по М.Флинну.

 

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.

SISD (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).
•      По большому счету это классическая машина фон Неймана. К этому классу относятся все однопроцессорные системы.

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 данными см. рис. 9.
• 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.
• MIMD-системы, в свою очередь, принято разделять (классификация Джонсона) на системы с общей памятью (несколько вычислителей имеют общую память) и системы с распределенной памятью (каждый вычислитель имеет свою память; вычислители могут обмениваться данными).

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

 

SISD-архитектура.

 

MISD-архитектура.

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

 

SIMD-архитектура.

 

MIMD-архитектура.