ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ

А.А.Дерюгин

(Москва, Московский энергетический институт (технический университет), Россия)

Классификация определяется набором признаков, которые характеризуют внутренние параметры объектов классификации. При этом выбираются наиболее важные признаки, определяющие внешние параметры этих объектов.

В том случае, когда объектами классификации являются вычислительные системы (ВС), задача классификации усложняется из-за многообразия областей применения ВС и, следовательно, многообразия видов ВС, поскольку ВС являются специализированными в соответствии с классом решаемых задач.

Однако есть два фактора, которые надо принимать во внимание какие бы виды ВС не рассматривались. Это

- какие задачи должны решаться с помощью ВС,

- какие понадобятся вычислительные средства и как они должны быть взаимосвязаны, чтобы требуемые задачи можно было решить за заданное время (или в другой постановке – определяется время, необходимое для решения требуемых задач на выбранных вычислительных средствах).

Решаемые задачи весьма условно можно разделить по характеру взаимодействия между частями задачи (вычислительными процессами) на: сильно связанные и с ослабленными связями.

Вычислительные средства, предназначенные для решения отмеченных выше задач, назовем соответственно:

- многопроцессорными вычислительными системами (МПВС),

- многомашинными вычислительными системами (ММВС).

Состав вычислительных средств и связи между этими средствами – это основные классификационные признаки, характеризующие любую техническую структуру, в том числе и ВС, поскольку вычислительная система является технической структурой.

Отметим, что здесь рассматриваются ВС, которые по классификации М. Дж. Флинна относятся к группе «много команд, много данных».

Что касается используемых далее терминов, то среди возможных синонимов выбираются, во-первых, русские, если они есть (например, многомашинные, а не мультикомпьютерные), во-вторых, наиболее простые (например, коммутатор, а не средства коммутации или коммуникационная сеть). Рекомендуемые термины далее выделяются курсивом [1].

Классификация ВС по основным признакам, характеризующим структуру этих технических объектов, приведена в таблице 1. В таблицу включены дополнительные признаки, отражающие особенности организации памяти, передачи данных, управления и конструктивной реализации ВС.

Таблица 1 – Классификация ВС

Признак классификации
	Многопроцессорная ВС	Многомашинная ВС
Состав структуры	CP*, PM, BM, EM, I/O, SW	ВМ (ЭВМ, МПВС), EM, I/O, SW
Вид связи между элементами структуры (вид коммутатора)	Матричный SW, многоступенчатый SW, общая шина	Шинные (многошинный SW и др.) или линковые ( SW с регулярными связями и др. )
Организация памяти	Общая память	Распределенная память
Способ передачи данных	Параллельный (сильная связь)	Параллельно-последовательный (ослабленная связь)
Приемник передаваемых данных	–	Кэш-память или оперативная память
Инициатор передачи данных	–	Процесс-последователь или процесс-предшественник
Операционная система (ОС), управление	Общая, централизованное	Копии ОС и общая надстройка, смешанное
Пространственное размещение элементов структуры	На одной плате или в одном блоке	В одном блоке, в одной стойке и т.д. (в одном помещении)

* CP – центральный процессор (не содержит кэш-памяти СМ); PM – процессорный модуль, т.е. CP+СМ, при этом СМ может быть двухуровневой; BM – оперативная память, которая может состоять из одного или нескольких модулей ММ (2, 4, 8 …);
ММ – модуль оперативной памяти, который представляет собой секционированную память с числом секций, равным числу слов в блоке СМ (обычно 4), ЕМ – внешняя память на магнитных или оптических носителях информации; I/O – устройства ввода/вывода; SW – коммутатор, т.е. совокупность средств, обеспечивающих взаимодействие между элементами структуры. В состав SW помимо ключевых элементов входит устройство управления, выполняющее функции маршрутизации, арбитража и т.п., ВМ – вычислительный модуль (это ЭВМ или МПВС).

Образ единой ВС поддерживается совокупностью как аппаратных, так и программных средств (операционной системой). Однако приводимая классификация ориентирована главным образом на организацию аппаратных средств.

Схема классификации ВС приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема классификации ВС

Рассмотрим каждый вид ВС более подробно.

Многопроцессорные ВС характеризуются сильными связями и общей памятью.

Особенностью МПВС является то, что время обращения любого процессора к памяти одинаковое. В зарубежной литературе такие МПВС называют UMA (Uniform Memory Access) – ВС с однородным доступом к памяти. Работа МПВС характеризуется также аббревиатурой SMP (Symmetrical Multiprocessor Processing) – однородная (симметричная) многопроцессорная обработка, которая достигается за счет циклического изменения приоритетов процессоров.

Многопроцессорные ВС с различными коммутаторами показаны на рисунке 2.

а)

б)

в)

Рисунок 2 – Многопроцессорные ВС с различными коммутаторами

а – МПВС с матричным коммутатором; б – двухступенчатый коммутатор 16х4;
в – МПВС с общей шиной (коммутатор «размазан» по РМ).

Многомашинные ВС (ММВС) характеризуются ослабленными связями и распределенной памятью (рисунок 3).

Связи в ММВС могут быть в виде шин или в виде линков, т.е. двух групп линий, по которым сигналы могут передаваться независимо в двух противоположных направлениях (рисунок 4).

Рисунок 3 – Многомашинная вычислительная система (ММВС).

COM – вычислительный узел, SW – коммутатор.

Рисунок 4 – Коммутационный узел (4 × 4) со связями

в виде шин(а) и в виде линков (б)

На рисунках 5 –7 показаны ММВС с шинными связями.

COM 1

COM 2

COM N

. . .

Рисунок 5 – ММВС с общей шиной.

COM – вычислительный модуль

COM N

COM 1

COM 2

Рисунок 6 – Схема многошинной ММВС (а) и узел ключевых элементов,

входящих в состав каждого ВМ (б)

COM 1

COM 8

Рисунок 2 – ММВС с шинными связями иерархического типа.

COM – вычислительный модуль первого уровня,

МРМ – вычислительный модуль второго уровня,

Некоторые ММВС со связями в виде линков могут быть названы регулярными: кольцевые, матричные (решетка, тор, витой тор), трехмерные, гиперкуб. Коммутационные узлы, используемые для построения таких связей, имеют особый вход/выход для подключения к ВМ и несколько линков для соединения с соседними узлами (рисунок 8).

к ВМ

SC 1 SC 2

Линки Линки

Рисунок 8 – Коммутационный модуль для регулярной ММВС в виде кольца, , L = 2.

Бывают с L = 4, 6 и др. SC – коммутационные (ключевые) элементы

На рисунке 9 показаны ММВС в виде кольца и матрицы (в виде тора).

ЭВМ 4

ЭВМ 1

а)

` б)

Рисунок 8 – Регулярные ММВС в виде кольца (а) и в виде тора (б)

Коммутационные узлы, используемые для полносвязных и составных (в том числе древовидных) ММВС, имеют одинаковые (линковые) входы/выходы (рисунок 10). Все связи однотипные (линки) и могут использоваться как для подключения ВМ, так и для подключения других коммутационных узлов.

Рисунок 10 – Узел ключевых элементов 4×4 для составных ММВС.

Бывают 8×8, 16×16, 22×22, 64×64, 128×128 и др.

Составные коммутационные модули 16×16, собранные из коммутационных узлов 4×4 показаны на рисунке 11.На рисунке 12 показан коммутационные модули 16×16, собранные из коммутационных узлов 4×4.

SD

SD

SD

SD

SD

SD

SD

SD

1 1

16 16 16

а) б)

Рисунок 11 – Двухступенчатый коммутатор 16×16,

построенный из коммутационных узлов 4×4. Слева – входные линки, справа – соответствующие выходные линки. Слева блокируемый SW (а).

Неблокируемый SW (б) может быть получен добавлением еще одного

столбца из коммутационных узлов 4×4 (коммутатор Клоза)

SD

SD

6

16 16

5 5

5 5

16 16

6

Рисунок 12 – Составной коммутатор 64×64

из 4-х коммутационных узлов 32×32.

Здесь каждая линия – это пара линков (входной и выходной)

На рисунке 13 показана полносвязная ММВС с матричным коммутатором N×N. Для ясности рисунка цепи входных линков вычислительных узлов не соединены (точки 1… N соответственно). Коммутатор может быть выполнен так как показано на рисунках 11 (N = 16) или 12 (N = 64).

1

2

N

1 2 N

Рисунок 13 – ММВС с матричным коммутатором

Во всех рассмотренных выше структурах ММВС оперативная память распределена по ВМ, причем время обращения процессора к оперативной памяти «своего» ВМ существенно меньше, времени обращения к памяти «чужого» (удаленного) ВМ. В зарубежной литературе такие ММВС называют NUMA (Non-Uniform Memory Access) – системы с неоднородным доступом к памяти, а саму память – распределенной (distributed memory).

Поскольку число ВМ в ММВС обычно велико (≥64), то работа ММВС характеризуется также аббревиатурой MPP (Massively Parallel Processing) – ВС с массовой параллельной обработкой.

По способу организации передачи данных, т.е. способу обращения процессора одного ВМ к памяти другого (удаленного или «чужого») ВМ можно выделить ММВС с организацией CCNUMA, COMA и RMA .

CCNUMA (Cache Coherent NUMA) – организация [архитектура] ММВС, в которой передача строки данных производится по инициативе процесса-последователя. Данные передаются из оперативной памяти ВМ, в котором они были получены, в кэш-память ВМ, на котором будет выполняться процесс-последователь. Передача производится тогда, когда эти данные потребуются.

COMA (Cache Only Memory Architecture) – организация [архитектура] ММВС, в которой передача страницы данных производится по инициативе процесса-последователя. Данные передаются из оперативной памяти ВМ, в котором они были получены, в оперативную память ВМ, на котором будет выполняться процесс-последователь. Передача производится тогда, когда эти данные потребуются. Память ВМ называется притягивающей (AM – Attraction Memory), поскольку данные при необходимости как бы притягиваются в эту память.

RMA (Reflector Memory Architecture) – организация [архитектура] ММВС, в которой передача страницы данных производится по инициативе процесса-предшественника. Данные передаются из оперативной памяти того ВМ, в котором они были получены, в оперативные памяти тех ВМ, на которых будут выполняться процессы-последователи (при статическом распределении) или в оперативной памяти всех ВМ (при динамическом распределении процессов по процессорам). Память ВМ называется отражающей (RM – Reflector Memory), поскольку данные после их получения отображаются в памятях других ВМ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дерюгин А. А. Электронные вычислительные машины и системы. Основные термины, определения и обозначения. – Статья в настоящем журнале.

2. Дерюгин А. А. Коммутаторы вычислительных систем. – Статья в настоящем журнале.