Основы построения и функционирования вычислительных систем. Лекция №23

1.

ВОЕННО-КОСМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ А.Ф. МОЖАЙСКОГО
Кафедра информационно-вычислительных систем и сетей
РАЗДЕЛ 3. Вычислительные системы
Тема 7. Основы построения и функционирования
вычислительных систем
Доктор технических наук профессор,
БАСЫРОВ А.Г.

2.

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ
Лекция №23
Общие сведения о вычислительных системах
Цель: сформировать у обучающихся знания о назначении,
характеристиках и классификации вычислительных систем
Учебные вопросы:
1.Назначение и характеристики вычислительных систем
2.Классификация вычислительных систем
2

3.

Учебный вопрос № 1
Назначение и характеристики
вычислительных систем
3

4.

Назначение и характеристики вычислительных систем
4
Вычислительная система – совокупность взаимосвязанных и
взаимодействующих
процессоров
или
ЭВМ,
программного
обеспечения и периферийного оборудования, организованная для
совместной реализации информационных процессов.
Отличительной особенностью вычислительных систем по отношению к
ЭВМ является наличие в них средств, реализующих параллельную
обработку информации
CRAY SV-2
Fujitsu-VPP5000

5.

История развития вычислительных систем
IBM 701 (1953), IBM 704 (1955)
разрядно-параллельная память, разрядно-параллельная арифметика
IBM 709 (1958)
независимые процессоры ввода/вывода
IBM STRETCH (1961)
опережающий просмотр вперед, расслоение памяти
ATLAS (1963)
конвейер команд
CDC 6600 (1964)
независимые функциональные устройства
.
CDC 7600 (1969)
конвейерные независимые функциональные устройства
ILLIAC IV (1974)
матричные процессоры
CRAY-1 (1976)
векторно-конвейерный процессор
5

6.

Соотношение понятий «ЭВМ» и «ВС»
ЭВМ1
ЭВМ2
+
ЭВМ3
+
6
?
=
ВС
НОВЫЕ КАЧЕСТВА СИСТЕМЫ
информационный обмен между отдельными ЭВМ
Возможность
резервирования
аппаратуры
↑ надежность
Возможность
параллельной
обработки информации
↑ производительность
общие
периферийные
устройства
↓ стоимость

7.

Состав вычислительной системы
Вычислительная система
Аппаратная
часть
Программная
часть
ввод, хранение, преобразование
и вывод информации
реализации возложенных на
систему функций
отдельные ЭВМ, процессоры,
порты ввода-вывода,
запоминающие устройства,
периферийные устройства и
их контроллеры и т.д
прикладные и системные
программы (ОС, средства
разработки программ,
прикладное ПО)
7

8.

Основные характеристики вычислительных систем
Основные характеристики ВC
быстродействие
производительность
емкость запоминающих устройств
надежность
точность
достоверность
стоимость
8

9.

Характеристики вычислительных систем
Быстродействие характеризуется числом
определенного типа команд, выполняемых ВС за одну
секунду
MIPS (Million Instructions Per Second) – миллион операций в
секунду над числами с фиксированной точкой
FLOPS (FLoating-point Operations Per Second) – операций с
плавающей точкой в секунду
Производительность – это объем работ (например, число
стандартных программ), выполняемый ВС в единицу времени
9

10.

Характеристики вычислительных систем
Емкость запоминающих устройств – количество
структурных единиц информации, которые одновременно
можно разместить в памяти.
Наименьшей структурной
единицей информации
является бит — одна
двоичная цифра.
Как правило, емкость памяти
оценивается в более крупных
единицах измерения —
байтах (1байт = 8бит).
10

11.

Характеристики вычислительных систем
Надежность – способность ВС при
определенных условиях выполнять требуемые
функции в течение заданного времени
(стандарт ISO (Международная организация
стандартов) -2382/14-78)
Точность – возможность различать почти
равные значения (стандарт ISO – 2382/2-76)
Достоверность – свойство информации быть
правильно воспринятой
11

12.

Принципы реализации вычислительных систем
ПРИНЦИПЫ РЕАЛИЗАЦИИ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
МОДУЛЬНОСТЬ
БЛИЗКОДЕЙСТВИЕ
АСИНХРОННОСТЬ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОСТЬ
УПРАВЛЕНИЯ
РАСПРЕДЕЛЕННОСТЬ РЕСУРСОВ
12

13.

Архитектурные свойства вычислительных систем
АРХИТЕКТУРНЫЕ СВОЙСТВА
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
МАСШТАБИРУЕМОСТЬ
УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
РЕКОНФИГУРИРУЕМОСТЬ
НАДЕЖНОСТЬ И ЖИВУЧЕСТЬ
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ
СОВМЕСТИМОСТЬ И МОБИЛЬНОСТЬ
ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
13

14.

Масштабируемость вычислительной системы
МАСШТАБИРУЕМОСТЬ
Вертикальная
Наращивание вычислительной
мощности одного компьютера
Горизонтальная
Наращивание количества
компьютеров
14

15.

Понятие «архитектуры» ВС
15
ОРГАНИЗАЦИЯ ВС
с точки зрения пользователя
с точки зрения разработчика
структурная
организация
функциональная
организация
архитектура ВС
логическая структура и
функциональные
характеристики ВМ, включая
взаимосвязи между ее
аппаратными и
программными компонентами
(ISO/IEC 2382/1-93 )
концептуальная структура ВС,
определяющая проведение обработки
информации и включающая методы
преобразования информации в
данные и принципы взаимодействия
технических средств и программного
обеспечения (ГОСТ15971-90 )

16.

Учебный вопрос № 2
Классификация вычислительных
систем
16

17.

Классификационные признаки вычислительных систем
по назначению
по способу организации памяти
(типу ВС)
по типу ЭВМ или процессоров
по степени территориальной
разобщенности
по методам управления
элементами ВС
по принципу закрепления
вычислительных функций
по режиму работы
17

18.

Классификация вычислительных систем
по назначению
Универсальные
Специализированные
по способу организации памяти (типу ВС)
Многомашинные
Многопроцессорные
по типу ЭВМ или процессоров
Однородные
Неоднородные
18

19.

Классификация вычислительных систем
19
по методам управления
элементами ВС
централизованные
децентрализованные
смешанные
по степени территориальной
разобщенности
совмещенные
(сосредоточенные)
Вычислительные
комплексы
распределенные
(разобщенные)
Распределенные
вычислительные
системы

20.

Классификация вычислительных систем
Классификация вычислительных систем по степени
территориальной разобщенности
20

21.

Классификация вычислительных систем
по принципу закрепления
вычислительных функций
с жестким закреплением
функций
с плавающим закреплением
функций
по режиму работы
работающие в оперативном
временном режиме
работающие в неоперативном
временном режиме
21

22.

Классификация Флинна
22
Классификация ВС по воздействию определённой
последовательности команд программы (потока
команд) на соответствующую последовательность
данных (поток данных)
Системы с одиночным потоком команд и одиночным
потоком данных (ОКОД, SISD)
Системы с множественным потоком команд и одиночным
потоком данных (МКОД, MISD)
Системы с одиночным потоком команд и множественным
потоком данных (ОКМД, SIMD)
Системы с множественным потоком команд и
множественным потоком данных (MКМД, MIMD)

23.

Классификация Флинна. ВС типа ОКОД
Системы класса ОКОД - обычные однопроцессорные ЭВМ,
включающие в себя запоминающее устройство (ЗУ) для команд и
данных и один процессор, содержащий арифметико-логическое (АЛУ)
и устройство управления (УУ)
В современных системах этого класса наиболее широко
используется совмещение во времени различных этапов решения
разных задач (конвейеризация), при котором в системе
одновременно работают различные устройства: ввода, вывода и
собственно обработки информации.
Структура ВС класса ОКОД
Оперативная память
Память
команд
Команды
УУ
Управляющие
сигналы
Память
данных
Данные
АЛУ
Результат
SISD
23

24.

Классификация Флинна. ВС типа ОКМД
Системы класса ОКМД (векторный способ обработки
данных) ориентированы на использование параллелизма
данных
В этой системе по одной и той же программе обрабатывается несколько
потоков данных, каждый из этих потоков обрабатывается своим
исполнительным устройством, работающим, под общим управлением
Структура ВС класса ОКМД
(Векторная обработка)
Оперативная память
Память
команд
Команды
Данные 1
Результат 1
Память
данных
Данные 2
Результат 2
Данные 3
Результат 3
УУ
АЛУ
АЛУ
АЛУ
SIMD
24

25.

Классификация Флинна. ВС типа МКОД
25
Структуру систем класса МКОД можно представить в виде
схемы, когда несколько потоков команд воздействуют на
единственный поток данных
Не существует такого класса задач, в которых одна и та же
последовательность данных подвергалась бы обработке по нескольким
разным программам.
По этой причине в чистом виде такая схема до сих пор не реализована.
Структура ВС класса МКОД
(Конвейерная обработка)
Оперативная
память
Команда 3
Память
команд
Команда 2
Команда 1
Память
данных
УУ
Данные
УУ
УУ
АЛУ
АЛУ
Результат
АЛУ
MISD

26.

Классификация Флинна. ВС типа МКМД
Два способа построения систем класса МКМД:
1) в виде совокупности элементарных систем ОКОД, т.е.
множества независимых машин или
2) по схеме, когда несколько процессоров подключены к
одной памяти
MIMD
26

27.

Классификация вычислительных систем
Основные типы современных
параллельных вычислительных систем
МКМД
МКМД
ОКМД
МКМД
МКМД
Массивно-параллельные системы
с распределенной памятью
(MPP - massive parallel processing)
Параллельные системы с общей (разделяемой)
памятью (SMP - symmetric multiprocessing)
Векторно-конвейерные системы (PVP)
Системы с неоднородным доступом к памяти
(NUMA)
Кластеры
27

28.

Массивно-параллельные системы (МРР)
28
Архитектура системы – однородные вычислительные узлы, включающие:
• один или несколько центральных процессоров (обычно RISC),
• локальную память (прямой доступ к памяти других узлов
невозможен),
• коммуникационный процессор или сетевой адаптер,
• иногда - жесткие диски и/или другие устройства ввода-вывода.
Главное преимущество:
хорошая масштабируемость
Недостатки системы:
• отсутствие общей памяти заметно снижает скорость межпроцессорного
обмена, поскольку нет общей среды для хранения данных,
предназначенных для обмена между процессорами;
• каждый процессор может использовать только ограниченный объем
локального банка памяти.

29.

Массивно-параллельные системы (МРР)
архитектура с раздельной памятью
МВС-1000,
IBM RS/6000 SP,
SGI/CRAY T3E,
системы ASCI,
Hitachi SR8000,
Parsytec,
CRAY T3E
29

30.

Системы с общей памятью (SМР)
30
Архитектура системы: нескольких однородных процессоров
и массив общей памяти, причем все процессоры имеют доступ к любой
точке памяти с одинаковой скоростью
Основные преимущества:
•простота и универсальность для
программирования;
•легкость в эксплуатации;
•относительно невысокая цена
Главный недостаток:
низкая масштабируемость

31.

Системы с общей памятью (SМР)
SMP-архитектура
IBM, HP, Compaq, Dell, ALR,
Unisys, DG, Fujitsu и др.
31

32.

Системы с неоднородным доступом к памяти (NUMA)
Системы с неоднородным доступом к памяти
(NUMA - nonuniform memory access) являются
разновидностью масштабируемых SMP-систем
Суть этой архитектуры в особой организации памяти:
память является физически распределенной по различным частям
системы, но логически разделяемой, так что пользователь видит
единое адресное пространство
32

33.

Системы с неоднородным доступом к памяти (NUMA)
NUMA-система
Exemplar
Origin
33

34.

Векторно-конвейерные системы (PVP)
34
Архитектура PVP-систем содержит специальные векторноконвейерные процессоры, в которых предусмотрены команды
однотипной обработки векторов независимых данных, эффективно
выполняющиеся на конвейерных функциональных устройствах
Две особенности PVP-систем - набор векторных команд и
конвейерные функциональные устройства.
Векторные команды оперируют целыми массивами независимых
данных
ВЕКТОРНЫЙ ПРОЦЕССОР
УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЧТ. И ЗАП.
ЛОКАЛЬНАЯ
ПАМЯТЬ
ВЕКТОРОВ
И АДРЕСНЫЙ ГЕНЕРАТОР
Память
программ
и
данных
параметры, задающие
тип адресации
УСТРОЙСТВО
УПРАВЛЕНИЯ
ВЕКТОРНЫМИ
ОПЕРАЦИЯМИ
СКАЛЯРНЫЙ
ПРОЦЕССОР
ПРОЦЕССОР
ОБРАБОТКИ КОМАНД
ВЗУ
АРИФМЕТИЧЕСКОЕ
КОНВЕЙЕРНОЕ УСТРОЙСТВО
параметры, задающие
операцию и режим ее
выполнения

35.

Кластеры
35
Кластер - два или более типовых компьютеров (узлов),
объединяемых при помощи сетевых технологий на базе
шинной архитектуры или коммутатора и предстающие
перед пользователями в качестве единого информационновычислительного ресурса.
Особенности кластеров
В качестве узлов кластера могут быть выбраны серверы, рабочие
станции и обычные персональные компьютеры.
На узле работает единственная копия операционной системы.
Возможности
масштабируемости
кластеров
позволяют
многократно увеличивать производительность приложений для
большего числа пользователей.
Суперкомпьютерные системы на базе кластеров являются самыми
дешевыми,
поскольку
собираются
на
базе
стандартных
комплектующих элементов: процессоров, коммутаторов, дисков и
внешних устройств.

36.

Типы кластеров
36
системы высокой
надежности
резервирование
вычислительных узлов
высокопроизводительные
системы
распараллеливание
вычислений
многопоточные
системы
распределение входного
потока заявок между узлами
в реальном времени

37.

Кластеры
37
Общие требования, предъявляемые к кластерным системам:
1. Высокая готовность
3. Высокое быстродействие
5. Общий доступ к ресурсам
2. Высокое быстродействие
4. Масштабирование
6. Удобство обслуживания

38.

Примеры ВС для АС военного назначения
«Эльбрус – 90 микро»
двухмашинный вычислительный комплекс
«Эльбрус-90микро» в конструктиве «Евромеханика»,
стандарт cPCI, встраиваемое исполнение
38

39.

Примеры ВС для АС военного назначения
АРМ Эльбрус 401-PC
Носимый терминал
НТ-ЭльбрусS
39

40.

Примеры ВС для АС военного назначения
Сервер Эльбрус-4.4
ВК «Сивуч»
40

41.

Примеры ВС для АС военного назначения
ВС серии «Багет»
41

42.

Задание на самостоятельную работу
Задание:
1.
Классифицировать
современный
персональный
компьютер как вычислительную систему.
2. В чем отличие «быстродействия» от «производительности»
ВС?
3. Чем отличается кластер от классической МРР-системы?
Рекомендуемая литература:
[1, с.10-23],
[3, с.463-465],
[7, с.121-126, 142-148].
42