ОСНОВЫ МЕТРИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ВС, СИСТЕМАТИКА ФЛИННА И ДРУГИЕ КЛАССИФИКАЦИИ. Нургазинова Асель Инфб 14 1 р 5 В - презентация

1 ОСНОВЫ МЕТРИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ВС, СИСТЕМАТИКА ФЛИННА И ДРУГИЕ КЛАССИФИКАЦИИ. Нургазинова Асель Инфб_14_1 р 5В060200

2 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА (ВС) - ЭТО ВЗАИМОСВЯЗАННАЯ СОВОКУПНОСТЬ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННАЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ.

3

4 занимается количественной оценкой показателей, которые характеризуют качество структурной и функциональной организации системы. В рамках метрической теории исследуется влияние организации системы и режимов ее функционирования на производительность, надежность, стоимость и другие ее характеристики, а также решаются задачи обоснования выбора варианта структурной и функциональной организации системы и оптимальных параметров и внешних характеристик входящих в ее состав устройств ЭВМ, т.е. выполняется структурная и параметрическая оптимизация ВС Метрическая теория ВС занимается количественной оценкой показателей, которые характеризуют качество структурной и функциональной организации системы. В рамках метрической теории исследуется влияние организации системы и режимов ее функционирования на производительность, надежность, стоимость и другие ее характеристики, а также решаются задачи обоснования выбора варианта структурной и функциональной организации системы и оптимальных параметров и внешних характеристик входящих в ее состав устройств ЭВМ, т.е. выполняется структурная и параметрическая оптимизация ВС.

5 Классификация Флинна SISD SIMD MISD MIMD Архитектуры параллельных систем SMP UMA ( Uniform Memory Access ) COMA ( Cache-Only Memory Access ) ccNUMA ( Cache-Coherent Non-Uniform Memory Access ) NUMA ( Non-Uniform Memory Access ); MPP

6 КЛАССИФИКАЦИЯ ФЛИННА По-видимому, самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году Майклом Флинном. Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.

7 КЛАССИФИКАЦИЯ ФЛИННА

8 SISD SISD (Single Instruction Single Data) : или ОКОД ( Одиночный поток Команд, Одиночный поток Данных ) - архитектура компьютера, в которой один процессор выполняет один поток команд, оперируя одним потоком данных. Относится к фон-Неймановской архитектуре. SISD компьютеры это обычные, «традиционные» последовательные компьютеры, в которых в каждый момент времени выполняется лишь одна операция над одним элементом данных (числовым или каким-либо другим значением). Большинство персональных ЭВМ до последнего времени, например, попадает именно в эту категорию.фон-Неймановской архитектуре

9 SISD

10 MISD MISD (Multiple Instruction Single Data) : Множественный поток Команд, одиночный поток Данных, МКОД ) тип архитектуры параллельных вычислений, где несколько функциональных модулей выполняют различные операции над одними данными. К этому типу относят конвейерную архитектуру. Было создано немного ЭВМ с MISD-архитектурой, поскольку MIMD и SIMD чаще всего являются более подходящими для общих методик параллельных данных.параллельных вычисленийMIMDSIMD

11 MISD Считается, что впервые конвейерные вычисления были использованы в проекте ILLIAC IIILLIAC II

12 SIMD SIMD (Single Instruction Multiple Data) : Одиночный поток Команд, Множественный поток Данных, ОКМД ) принцип компьютерных вычислений, позволяющий обеспечить параллелизм на уровне данных.параллелизм SIMD-компьютеры состоят из одного командного процессора (управляющего модуля), называемого контроллером, и нескольких модулей обработки данных, называемых процессорными элементами. Управляющий модуль принимает, анализирует и выполняет команды. Если в команде встречаются данные, контроллер рассылает на все процессорные элементы команду, и эта команда выполняется на нескольких или на всех процессорных элементах. В SIMD компьютере управление выполняется контроллером, а «арифметика» отдана процессорным элементам. SIMD-процессоры называются также векторными.векторными

13 SIMD

14 MIMD 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). Кроме того, существуют системы с неоднородным доступом к памяти (NUMA) в которых доступ к памяти других вычислителей существует, но он значительно медленнее, чем доступ к «своей» памяти.

15 MIMD

16 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.

17 MIMD Данный поход позволяет различать два важных типа многопроцессорных систем – multiprocessors (мультипроцессоры или системы с общей разделяемой памятью) и multicomputers (мультикомпьютеры или системы с распределенной памятью).multiprocessorsmulticomputers

18 Дополнения Ванга и Бриггса к классификации Флинна Класс SISD разбивается на два подкласса: архитектуры с единственным функциональным устройством, например, PDP-11; архитектуры, имеющие в своем составе несколько функциональных устройств - CDC 6600, CRAY-1, FPS AP-120B, CDC Cyber 205, FACOM VP-200.

19 Дополнения Ванга и Бриггса к классификации Флинна В класс SIMD также вводится два подкласса: архитектуры с пословно-последовательной обработкой информации - ILLIAC IV, PEPE, BSP; архитектуры с разрядно-последовательной обработкой - STARAN, ICL DAP.

20 Дополнения Ванга и Бриггса к классификации Флинна В классе MIMD авторы различают вычислительные системы со слабой связью между процессорами, к которым они относят все системы с распределенной памятью, например, Cosmic Cube, и вычислительные системы с сильной связью (системы с общей памятью), куда попадают такие компьютеры, как C.mmp, BBN Butterfly, CRAY Y-MP, Denelcor HEP.

21 Классификация Хокни

22 Множественный поток команд может быть обработан двумя способами: либо одним конвейерным устройством обработки, работающем в режиме разделения времени для отдельных потоков, либо каждый поток обрабатывается своим собственным устройством. Первая возможность используется в MIMD компьютерах, которые автор называет конвейерными (например, процессорные модули в Denelcor HEP). Архитектуры, использующие вторую возможность, в свою очередь опять делятся на два класса: MIMD компьютеры, в которых возможна прямая связь каждого процессора с каждым, реализуемая с помощью переключателя; MIMD компьютеры, в которых прямая связь каждого процессора возможна только с ближайшими соседями по сети, а взаимодействие удаленных процессоров поддерживается специальной системой маршрутизации через процессоры- посредники.

23 Классификация Скилликорнa, 1989 DP - Data ProcessorIP - Instruction Processor DM - Data MemoryIM - Instruction Memory

24 Предлагается рассматривать архитектуру любого компьютера, как абстрактную структуру, состоящую из четырех компонент: процессор команд (IP - Instruction Processor) - функциональное устройство, работающее, как интерпретатор команд; в системе, вообще говоря, может отсутствовать; процессор данных (DP - Data Processor) - функциональное устройство, работающее как преобразователь данных, в соответствии с арифметическими операциями; иерархия памяти (IM - Instruction Memory, DM - Data Memory) - запоминающее устройство, в котором хранятся данные и команды, пересылаемые между процессорами; переключатель - абстрактное устройство, обеспечивающее связь между процессорами и памятью. Классификация Скилликорнa, 1989

25 Классификация Дункана

26 Классификация Базу

27 Классификация Шора Машина I - это вычислительная система, которая содержит устройство управления, арифметико- логическое устройство, память команд и память данных с пословной выборкой. Считывание данных осуществляется выборкой всех разрядов некоторого слова для их параллельной обработки в арифметико-логическом устройстве. Состав АЛУ специально не оговаривается, что допускает наличие нескольких функциональных устройств, быть может конвейерного типа. По этим соображениям в данный класс попадают как классические последовательные машины (IBM 701, PDP-11, VAX 11/780), так и конвейерные скалярные (CDC 7600) и векторно-конвейерные (CRAY-1).

28 Классификация Фенга В 1972 году Т.Фенг предложил классифицировать вычислительные системы на основе двух простых характеристик [8]. Первая - число бит n в машинном слове, обрабатываемых параллельно при выполнении машинных инструкций. Практически во всех современных компьютерах это число совпадает с длиной машинного слова. Вторая характеристика равна числу слов m, обрабатываемых одновременно данной вычислительной системой. Если рассмотреть предельные верхние значения данных характеристик, то каждую вычислительную систему C можно описать парой чисел (n,m) и представить точкой на плоскости в системе координат длина слова - ширина битового слоя. Площадь прямоугольника со сторонами n и m определяет интегральную характеристику потенциала параллельности P архитектуры и носит название максимальной степени параллелизма вычислительной системы: P(C)=mn. По существу, данное значение есть ничто иное, как пиковая производительность, выраженная в других единицах.

29 Мультипроцессоры с использованием единой общей памяти ( shared memory )… – Обеспечивается однородный доступ к памяти ( uniform memory access or UMA ), – Являются основой для построения: векторных параллельных процессоров ( parallel vector processor or PVP ). Примеры: Cray T90, симметричных мультипроцессоров ( symmetric multiprocessor or SMP ). Примеры: IBM eServer, Sun StarFire, HP Superdome, SGI Origin.

30 SMP-АРХИТЕКТУРА SMP (symmetric multiprocessing) – симметричная многопроцессорная архитектура. Главной особенностью систем с архитектурой SMP является наличие общей физической памяти, разделяемой всеми процессорами. Наиболее известными SMP-системами являются SMP-cерверы и рабочие станции на базе процессоров Intel (IBM, HP, Compaq, Dell, ALR, Unisys, DG, Fujitsu и др.) Вся система работает под управлением единой ОС (обычно UNIX-подобной, но для Intel-платформ поддерживается Windows NT). ОС автоматически (в процессе работы) распределяет процессы по процессорам, но иногда возможна и явная привязка.

31 Мультипроцессоры с использованием единой общей памяти… Согласованность кэшей

32 32

33 Мультипроцессоры с использованием физически распределенной памяти…

34 Мультипроцессоры с использованием физически распределенной памяти ( distributed shared memory or DSM ): – Неоднородный доступ к памяти ( non-uniform memory access or NUMA ), – Среди систем такого типа выделяют: cache-only memory architecture or COMA (системы KSR-1 и DDM), cache-coherent NUMA or CC-NUMA (системы SGI Origin 2000, Sun HPC 10000, IBM/Sequent NUMA-Q 2000), non-cache coherent NUMA or NCC-NUMA (система Cray T3E).

35 SMP-АРХИТЕКТУРА UMA а) UMA с локальной сach-памятью

36 NUMA Общий доступ к данным обеспечен при физически распределенной памяти (при этом, длительность доступа уже не будет одинаковой для всех элементов памяти)

37 COMA системы, в которых для представления данных используется только локальная кэш-память имеющихся процессоров ( cache-only memory architecture или COMA )

38 CC-NUMA системы, в которых обеспечивается когерентность локальных кэшей разных процессоров ( cache-coherent NUMA или CC-NUMA )

39 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!!!