Классификация параллельных вычислительных систем

Под архитектурой вычислительной системы понимаются абстрактное представление ЭВМ с точки зрения программиста. Полное описание архитектуры системы включает в себя:

· основные форматы представления данных;

· способы адресации данных в программе;

· состав аппаратных средств вычислительной машины, характеристики этих средств, принципы организации вычислительного процесса.

В курсе рассматриваются только последние аспекты архитектуры вычислительной системы.

Структуру вычислительной системы можно определить как совокупность аппаратных средств ЭВМ с указанием основных связей между ними.

Имеется много различных классификаций вычислительных систем. Рассмотрим наиболее часто используемые классификации.

Классификация Флина.

Наибольшее распространение получила классификация вычислительных систем, предложенная в 1966 г. профессором Стенфордского университета М.Д.Флином (M.J.Flynn) - классификация Флина. Эта классификация охватывает только два классификационных признака – тип потока команд и тип потока данных (см. Рис.1, 2).

Рис. 1. К классификации Флина. Классификация по типу потока команд.

В одиночном потоке команд в один момент времени может выполняться только одна команда. В этом случае эта единственная команда определяет в данный момент времени работу всех или, по крайней мере, многих устройств вычислительной системы.

Во множественном потоке команд в один момент времени может выполняться много команд. В этом случае каждая из таких команд определяет в данный момент времени работу только одного или лишь нескольких (но не всех) устройств вычислительной системы.

В одиночном потоке последовательно выполняются отдельные команды, во множественном потоке – группы команд.

Рис. 2. К классификации Флина. Классификация по типу потока данных.

Одиночный поток данных обязательно предполагает наличие в вычислительной системе только одного устройства оперативной памяти и одного процессора. Однако при этом процессор может быть как угодно сложным, так что процесс обработки каждой единицы информации в потоке может требовать выполнения многих команд.

Множественный поток данных состоит из многих зависимых или независимых одиночных потоков данных.

В соответствии со сказанным, все вычислительные системы делятся на четыре типа:

· SISD (ОКОД);

· MISD (МКОД);

· SIMD (ОКМД);

· MIMD (МКМД).

 

Одним из наиболее распространенных способов классификации ЭВМ является систематика Флинна (Flynn), в рамках которой основное внимание при анализе архитектуры вычислительных систем уделяется способам взаимодействия последовательностей (потоков) выполняемых команд и обрабатываемых данных. В результате такого подхода различают следующие основные типы систем:

• SISD (Single Instruction, Single Data) – системы, в которых существует одиночный поток команд и одиночный поток данных; к данному типу систем можно отнести обычные последовательные ЭВМ;
• SIMD (Single Instruction, Multiple Data) – системы c одиночным потоком команд и множественным потоком данных; подобный класс составляют многопроцессорные вычислительные системы, в которых в каждый момент времени может выполняться одна и та же команда для обработки нескольких информационных элементов; подобной архитектурой обладают, например, многопроцессорные системы с единым устройством управления; данный подход широко использовался в предшествующие годы (системы ILLIAC IV или CM-1 компании Thinking Machines), в последнее время его применение ограничено, в основном, созданием специализированных систем;
• MISD (Multiple Instruction, Single Data) – системы, в которых существует множественный поток команд и одиночный поток данных; относительно данного типа систем нет единого мнения – ряд специалистов говорят, что примеров конкретных ЭВМ, соответствующих данному типу вычислительных систем, не существует, и введение подобного класса предпринимается для полноты системы классификации; другие же относят к данному типу, например, систолические вычислительные системы (см. Kung (1982), Kumar et al. (1994)) или системы с конвейерной обработкой данных;
• MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data) – системы c множественным потоком команд и множественным потоком данных; к подобному классу систем относится большинство параллельных многопроцессорных вычислительных систем.

Следует отметить, что хотя систематика Флинна широко используется при конкретизации типов компьютерных систем, такая классификация приводит к тому, что практически все виды параллельных систем (несмотря на их существенную разнородность) относятся к одной группе MIMD. Как результат, многими исследователями предпринимались неоднократные попытки детализации систематики Флинна. Так, например, для класса MIMD предложена практически общепризнанная структурная схема, в которой дальнейшее разделение типов многопроцессорных систем основывается на используемых способах организации оперативной памяти в этих системах.

 

Вычислительная система SISD представляет собой классическую однопроцессорную ЭВМ фон-неймановской архитектуры.

На вычислительную системы MISD существуют различные точки зрения. По одно них – за всю историю развития вычислительной техники системы MISD не были созданы. По другой точке зрения (менее распространенной, чем первая) к MISD-системам относятся векторно-конвейерные вычислительные системы. Мы будем придерживаться первой точки зрения.

Вычислительная система SIMD содержит много процессоров, которые синхронно (как правило) выполняют одну и ту же команду над разными данными. Системы SIMD делятся на два больших класса:

· векторно-конвейерные вычислительные системы;

· векторно-параллельные вычислительные системы или матричные вычислительные системы.

Вычислительная система MIMD содержит много процессоров, которые (как правило, асинхронно) выполняют разные команды над разными данными. Подавляющее большинство современных суперЭВМ имеют архитектуру MIMD (по крайней мере, на верхнем уровне иерархии). Системы MIMD часто называют многопроцессорными системами. Детально классификация этих систем рассмотрена в параграфе 3.

Рассмотренная классификации Флина позволяет по принадлежности компьютера к классу SIMD или MIMD сделать сразу понятным базовый принцип его работы. Часто этого бывает достаточно. Недостатком классификации Флина является "переполненность" класс MIMD.