Уровни и средства комплексирования. Логические и физические уровни

В создаваемых ВС стараются обеспечить несколько путей пере­дачи данных, что позволяет достичь необходимой надежности функционирования, гибкости и адаптируемости к конкретным ус­ловиям работы. Эффективность обмена информацией определяется скоростью передачи и возможными объемами данных, передавае­мыми по каналу взаимодействия. Эти характеристики зависят от средств, обеспечивающих взаимодействие модулей, и уровня управ­ления процессами, на котором это взаимодействие осуществляется. Сочетание различных уровней и методов обмена данными между модулями ВС наиболее полно представлено в универсальных супер­ЭВМ и больших ЭВМ, в которых сбалансированно использовались основные методы достижения высокой производительности. В этих машинах предусматривались следующие уровни комплексирования (рис. 3.3):

1) прямого управления (процессор — процессор);

2) общей оперативной памяти;

3) комплексируемых каналов ввода-вывода;

4) устройств управления внешними устройствами (УВУ);

5) общих внешних устройств.

На каждом из этих уровней используются специальные техни­ческие и программные средства, обеспечивающие обмен информа­цией.

Уровень прямого управления служит для передачи коротких одно­байтовых приказов-сообщений. Последовательность взаимодействия процессоров сводится к следующему. Процессор-инициатор обмена по интерфейсу прямого управления передает в блок прямого управ­ления байт - сообшение и подает команду «прямая запись». У другого процессора эта команда вызывает прерывание, относящееся к классу внешних. В ответ он вырабатывает команду «прямое чтение» и запи­сывает передаваемый байт в свою память. Затем принятая информация расшифровывается и по ней принимается решение. После за­вершения передачи прерывания снимаются, и оба процессора про­должают вычисления по собственным программам. Видно, что уровень прямого управления не может использоваться для передачи больших массивов данных, однако оперативное взаимодействие от­дельными сигналами широко используется в управлении вычисле­ниями. У ПЭВМ типа IBM PC этому уровню соответствует комплек-сирование процессоров, подключаемых к системной шине.

Уровень общей оперативной памяти (ООП) является наиболее предпочтительным для оперативного взаимодействия процессоров. В этом случае ООП эффективно работает при небольшом числе об­служиваемых абонентов.

Уровень комплексируемых каналов ввода-вывода предназначается для передачи больших объемов информации между блоками опера­тивной памяти, сопрягаемых в ВС. Обмен данными между ЭВМ осушестааяется с помощью адаптера «канал—канал» (АКК) и ко­манд «чтение» и «запись». Адаптер — это устройство, согласующее скорости работы сопрягаемых каналов. Обычно сопрягаются селек­торные каналы (СК) машин как наиболее быстродействующие. Скорость обмена данными определяется скоростью самого медлен­ного канала. Скорость передачи данных по этому уровню составляет несколько мегабайт в секунду. В ПЭВМ данному уровню взаимо­действия соответствует подключение периферийной аппаратуры че­рез контроллеры и адаптеры.

Уровень устройств управления внешними устройствами (УВУ) предполагает использование встроенного в УВУ двухканального пе­реключателя и команд «зарезервировать» и «освободить». Двухканальный переключатель позволяет подключать УВУ одной машины к селекторным каналам различных ЭВМ. По команде «зарезервиро­вать» канал — инициатор обмена имеет доступ через УВУ к любым накопителям на дисках НМД или на магнитных лентах НМЛ. На самом деле УВУ магнитных дисков и лент — совершенно различные устройства. Обмен канала с накопителями продолжается до полного завершения работ и получения команды «освободить». Только после этого УВУ может подключиться к конкурирующему каналу. Только такая дисциплина обслуживания требований позволяет избежать конфликтных ситуаций.

На четвертом уровне с помощью аппаратуры передачи данных (АПД) (мультиплексоры, сетевые адаптеры, модемы и др.) имеется возможность сопряжения с каналами связи. Эта аппаратура позво­ляет создавать сети ЭВМ.

Пятый уровень предполагает использование общих внешних уст­ройств. Для подключения отдельных устройств используется авто­номный двухканальный переключатель.

Пять уровней комплексирования получили название логических потому, что они объединяют на каждом уровне разнотипную аппа­ратуру, имеющую сходные методы управления. Каждое из устройств может иметь логическое имя, используемое в прикладных програм­мах. Этим достигается независимость программ пользователей от конкретной физической конфигурации системы. Связь логической структуры программы и конкретной физической структуры ВС обеспечивается операционной системой по указаниям — директи­вам пользователя, при генерации ОС и по указаниям диспетче­ра-оператора вычислительного центра. Различные уровни комплек­сирования позволяют создавать самые различные структуры ВС.

Второй логический уровень позволяет создавать многопроцес­сорные ВС. Обычно он дополняется и первым уровнем, что позво­ляет повышать оперативность взаимодействия процессоров. Вычис­лительные системы сверхвысокой производительности должны строиться как многопроцессорные. Центральным блоком такой сис­темы является быстродействующий коммутатор, обеспечивающий необходимые подключения абонентов (процессоров и каналов) к общей оперативной памяти.

Уровни 1, 3, 4, 5 обеспечивают построение разнообразных ма­шинных комплексов. Особенно часто используется третий в комби­нации с четвертым. Целесообразно их дополнять и первым уровнем.

Пятый уровень комплексирования используется в редких спе­циальных случаях, когда в качестве внешнего объекта используется какое-то дорогое уникальное устройство. В противном случае этот уровень малоэффективен. Любое внешнее устройство — это недо­статочно надежное устройство точной механики, а значит, выгоднее использовать четвертый уровень комплексирования, когда можно сразу управлять не одним, а несколькими внешними устройствами, включая и резервные.

Чтобы дать более полное представление о многопроцессорных вычислительных системах, помимо высокой производительности необходимо назвать и другие отличительные особенности. Прежде всего это необычные архитектурные решения, направленные на по­вышение производительности (работа с векторными операциями, организация быстрого обмена сообщениями между процессорами или организация глобальной памяти в многопроцессорных систе­мах и др.).

Классификация архитектуры вычислительных систем с параллельной обработкой данных (М. Флинн, 1966 г.)

Цели, которым должна служить хорошо построенная классифи­кация архитектур:

• облегчать понимание того, что достигнуто на сегодняшний день в области архитектур вычислительных систем, и какие архитектуры имеют лучшие перспективы в будущем;

• подсказывать новые пути организации архитектур — речь идет о тех классах, которые в настоящее время по разным причи­нам пусты;

• показывать, за счет каких структурных особенностей достига­ется увеличение производительности различных вычислитель­ных систем; с этой точки зрения классификация может слу­жить моделью для анализа производительности.

В 1966 г. М. Флинном (Flynn) был предложен следующий под­ход к классификации архитектур вычислительных систем. В основу было положено понятие потока, под которым понимается последо­вательность элементов, команд или данных, обрабатываемая про­цессором. Соответствующая система классификации основана на рассмотрении числа потоков инструкций и потоков данных и опи­сывает четыре базовых класса (табл. 3.1, рис. 3.4).

Коротко рассмотрим отличительные особенности каждой из ар­хитектур.

Таблица 3. 1. Классификация Флинна

Поток данных	Поток команд
	одиночный	множественный
Одиночный	SISD - Single Instruction stream / Single Data stream (Одиночный поток Команд и Одиночный поток Данных - ОКОД)	MISD - Multiple Instruction stream / Single Data stream (Множественный поток Команд и Одиночный поток Данных - МКОД)
Множественный	SIMD - Single Instruction stream / Multiple Data stream (Одиночный поток Команд и Множественный поток Данных - ОКМД)	MIMD - Multiple Instruction stream / Multiple Data stream (Множественный поток Команд и Множественный поток Данных - МКМД)

Рис. 3.4. Классификация Флинна: а - SISD; б - MISD; в - SIMD; г – MIMD

 

Архитектура ОКОД (SISD) охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, т. е. с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь паралле­лизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работойустройств ввода-вывода информации и процессора. Закономерности организации вычислительного процесса в этих структурах достаточ­но хорошо изучены.

Архитектура ОКМД (SIMD) предполагает создание структур век­торной или матричной обработки. Системы этого типа обычно стро­ятся как однородные, т. е. 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. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними. По данной схеме строились системы: первая су­перЭВМ — ILLIAC-IV, отечественные параллельные системы — ПС-2000, ПС-3000. Идея векторной обработки широко использова­лась в таких известных суперЭВМ, как Cyber-205 и Gray-I, II, III. Узким местом подобных систем является необходимость изменения коммутации между процессорами, когда связь между ними отличает­ся от матричной. Кроме того, класс задач, допускающих широкий матричный параллелизм, весьма узок. Структуры ВС этого типа, по существу, являются структурами специализированных суперЭВМ.

Элементы технологии SIMD реализованы в процессорах Intel начиная с Pentium MMX (1997 г.).

Третий тип архитектуры — МКОД (MISD) предполагает по­строение своеобразного процессорного конвейера, в котором ре­зультаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Прототипом та­ких вычислений может служить схема любого производственного конвейера. В современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, в которой параллельно работают раз­личные функциональные блоки, и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки команды. В ВС этого типа конвейеры должны образовывать группы процессоров. Однако при переходе на системный уровень очень трудно выявить подобный регулярный ха­рактер в универсальных вычислениях. Кроме того, на практике нельзя обеспечить и «большую длину» такого конвейера, при кото­рой достигается наивысший эффект. Вместе с тем конвейерная схе­ма нашла применение в так называемых скалярных процессорах суперЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.

Архитектура МКМД (MIMD) 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 часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной спо­собности центра. Большой интерес представляет возможность со­гласованной работы ЭВМ (процессоров), когда каждый элемент де­лает часть общей задачи. Общая теоретическая база такого вида ра­бот практически отсутствует. Но можно привести примеры большой эффективности этой модели вычислений. Подобные системы могут быть многомашинными и многопроцессорными. Например, отече­ственный проект машины динамической архитектуры (МДА) — ЕС-2704, ЕС-2727 — предполагал одновременное использование сотни процессоров.