←предыдущая следующая→
1 2 3 4
Содержание.
Содержание……………………………………………………………. 1
Общие сведения о многопроцессорных системах. ………………….2
Перспективные многопроцессорные системы. ……………………...8
Систолические и волновые матрицы……………………………. 8
Матричные процессоры………………………………………… 10
Вычислительная поверхность Meiko. …………………………..11
Гиперкуб, или двоичный N-куб. ………………………………..15
Базовый элемент мультипроцессорных систем
с однотипными процессорами. ………..18
Достигаемая производительность. …………………………………21
Обоснованность применения многопроцессорных
систем в АСУ. ………………………….24
Список использованной литературы. ……………………………...28
Общие сведения о многопроцессорных системах.
Традиционные архитектурные принципы построения ЭВМ, сформулированные фон Нейманом, использовались в неизменном виде свыше 40 лет. Основные из этих принципов следующие:
• Наличие единого вычислительного устройства, включающего процессор, средства передачи информации и память;
• Линейная структура адресации памяти, состоящая из слов фиксированной длины;
• Низкий уровень машинного языка;
• Централизованное последовательное управление.
Возможности повышения скорости обработки в рамках фон-Неймановской архитектуры оказались исчерпанными из-за ограничений, определяемых последовательной выборкой команд и данных через общий интерфейс памяти. Для повышения производительности ЭВМ их архитектурные принципы должны будут претерпеть изменения, которые с наибольшей вероятностью выразятся во введении тех или иных видов параллелизма, имеющего целью преодоление узких мест фон-Неймановской архитектуры.
Известны четыре основных принципа реализации параллельной обработки, которые можно применить при проектировании новых систем.
• Потоковая архитектура, управляемая потоками данных, которые передаются от источников к потребителям, будучи обозначены маркерами данных. Обработка имеет место при наличии всех входных данных (в отличие от фон-Неймановской архитектуры, в которой последовательность управления обычно определяется командами программы). Потоковая архитектура ориентирована на распараллеливание обработки, особенно для машин баз данных, концепции построения которых соответствуют японскому проекту ЭВМ пятого поколения.
• Архитектура ОКМД, когда в ЭВМ одна и та же операция выполняется одновременно над различными данными. Большинство суперЭВМ представляют собой ОКМД-машины.
• Архитектура МКМД, в которой объединяется множество независимых ЭВМ, каждая со своей памятью, способных одновременно выполнять несколько различных операций.
• Архитектура МКМД, включающая множество подчиненных процессоров, которые могут быть по отдельности подключены к общей памяти с множественным доступом через коммутационную матрицу, управляемую ведущим процессором. Такая архитектура применена в экспериментальных мини-суперЭВМ.
Параллелизм может быть использован для повышения производительности ЭВМ на нескольких уровнях:
a) Между работами или фазами работы;
b) Между частями программы или в пределах циклов типа DO;
c) Между фазами выполнения команд;
d) Между элементами векторной операции или на уровне арифметических логических систем.
Категории a и b образуют рубрику, которая может быть названа классом параллельных ЭВМ, а разновидности c и d представляют собой более тонкие формы параллелизма, который иногда используется в блоках последовательной обработки и часто реализуется посредством конвейерных процессоров.
Основные архитектурные формы параллельных мультипроцессоров, которые используются в настоящее время, представлены ниже:
1. Архитектура с потоком управления, суть которой в том, что отдельный управляющий процессор служит для посылки команд множеству процессорных элементов, состоящих из процессора и связанной с ним памяти.
2. Архитектура с потоком данным, которая децентрализована в высокой степени и в которой параллельные команды посылаются вместе с данными во многие одинаковые процессорные элементы.
3. Архитектура с управлением по запросам, в которой задачи разбиваются на менее сложные подзадачи и результаты выполнения которых после обработки данных снова объединяются для формирования окончательного результата. Команда, которую следует выполнять, определяется, когда ее результат оказывается нужным для другой активной команды.
4. Архитектура с управлением наборами условий, в которой задачи разбиваются на менее сложные подзадачи, результаты решения которых снова соединяются и дают окончательный результат. Команда, которую следует выполнять, определяется, когда имеет место некоторый набор условий. Типичное применение такой архитектуры – распознавание изображений с использованием клеточных матриц процессорных элементов.
5. Архитектура, содержащая ЭВМ с общей памятью, в которой используется та или иная система межсоединений для объединения процессоров с памятью. Системы межсоединений могут быть конструктивно оформлены в виде шин, колей, кубов, кэшей (быстродействующих буферных ЗУ большой емкости) или матриц переключателей.
Архитектура с параллельными процессорами, в которой используется высокая степень параллелизма, допускающая возможность независимого выполнения нескольких процессов на нескольких процессорах. Широко используемой формой структур параллельной обработки являются гиперкубы или двоичные n-кубы, в которых между вычислительными узлами имеют место двухпунктовые связи для передачи сообщений между обрабатывающими узлами. В 16-вершинном кубе каждый узел соединен с четырьмя ближайшими соседями.
В мультипроцессорных системах используют несколько процессоров, каждый из которых работает под управлением своих собственных команд и которые обычно обмениваются информацией через общую память. Одним из способов классификации мультипроцессорных систем является проявляющаяся в них степень связности составных частей. На рисунке проиллюстрировано четыре уровня связности, которые могут иметь место между процессорами. В системах с сильными связями процессоры объединены посредством системной шины, накладывающей ограничения на производительность системы. Взаимодействие через общую память является менее сильным видом связности, а для уменьшения ограничений, вносимых общей шиной, могут быть применены многопортовые запоминающие устройства. В случае использования нескольких автономных ЭВМ, снабженных каждая собственной операционной системой, объединенных в так называемый кластер и взаимодействующих с помощью коммуникационного программного обеспечения через сеть межсоединений, имеет место наиболее слабый уровень связности.
По виду взаимоотношений процессоров мультипроцессоры могут быть, кроме того, подразделены на системы с аутократическим управлением, с одной стороны, и системы с равноправными процессорами – с другой. В системах первого типа между процессорами имеют место отношения ''хозяев'' и ''подчиненных''. В системах с равноправными процессорами все они имеют одинаковые возможности доступа к общей шине.
Среди мультипроцессорных систем, состоящих из отдельных процессорных и запоминающих устройств, можно выделить системы с конфигурацией типа ''танцевальный зал'', в которых процессоры размещены в одном ряду, а запоминающие устройства, обращенные в их сторону, - в другом; соединение `процессоров с запоминающими устройствами осуществляется при этом посредством коммутационной сети (см. рис). Другим крайним случаем организации мультипроцессоров является конфигурация типа ''будуар'', при которой каждый процессор тесно связан со своей собственной памятью, а коммутационная сеть служит для соединения между собой пар процессор-память (см. рис.).
Для описания способа организации параллельных вычислений используется также понятие одновременность, которое означает независимое, асинхронное функционирование параллельно работающих вычислительных устройств в противоположность их синхронному (или жесткому) взаимодействию в составе мультипроцессорной системы.
Перспективные многопроцессорные системы.
Систолические и волновые матрицы.
Для цифровой обработки сигналов используются матричные вычислительные структуры двух следующих видов.
Систолический процессор, представляющий собой регулярную матрицу процессорных элементов, каждый из которых обменивается информацией со своими ближайшими соседями, причем все процессоры работают синхронно под управлением общего источника синхронизации, частота которой ограничивается быстродействием самого медленного процессора матрицы. Происхождением термина систолический является аналогия между ритмическими сокращениями сердечной мышцы и синхронной прокачкой данных через матрицу процессорных элементов.
Волновой процессор, также представляющий собой матрицу процессорных элементов, которые обмениваются информацией с ближайшими соседями, но функционирует в условиях отсутствия единого источника синхронизации. В таком процессоре имеют место одновременность работы элементов и управление данными. Управление каждым процессорным элементом осуществляется локально, причем выполнение операции инициируется поступлением входных данных после того, как результат предыдущей операции выведен в соответствующий соседний процессор. ''Волны'' обработки распространяются по матрице по мере того, как процессорные элементы передают выходные данные своим соседям.
При различии времени обработки в разных элементах волновые матричные процессоры оказываются более эффективными, чем систолические.
←предыдущая следующая→
1 2 3 4