Типы вычислительных систем и их архитектурные особенности

1. Типы вычислительных систем и их архитектурные особенности

Классификация Флинна

2. Классификация Флинна

• В её основу положено понятие потока, под которым
понимается последовательность элементов, команд
или данных, обрабатываемых процессором. В
зависимости от количества потоков команд и
потоков данных, Флинн выделяет четыре класса
архитектуры:
• SISD = Single Instruction Stream/Single Data Stream;
• MISD = Multiple Instruction Stream/Single Data
Stream;
• SIMD = Single Instruction Stream/Multiple Data
Stream;
• MIMD = Multiple Instruction Stream/Multiple
Data Stream.

3. Классификация Флинна

• SISD– одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому
классу относятся все однопроцессорные и одномашинные варианты
ВС, т.е. последовательные компьютерные системы, которые имеют
один центральный процессор, способный обрабатывать только один
поток последовательно исполняемых инструкций. В настоящее время
практически все высокопроизводительные системы имеют более
одного центрального процессора, однако каждый из них выполняет
несвязанные потоки инструкций, что делает такие системы
комплексами SISD-систем, действующих на разных пространствах
данных.

4.

Классификация Флинна
• MISD- множественный поток команд и одиночный поток данных. Из
определения следует, что в архитектуре ВС присутствует множество
процессоров, обрабатывающих один поток данных. Примером могла
бы служить ВС, на процессоры которой подаётся искажённый сигнал,
а каждый из процессоров обрабатывает этот сигнал с помощью своего
алгоритма фильтрации.
• Ни Флинн, ни другие специалисты в области архитектуры компьютера
до сих пор не смогли представить убедительный пример реально
существующей вычислительной системы, построенной на данном
принципе. Ряд исследователей относят к данному классу конвейерные
системы, однако это не нашло окончательного признания. Отсюда
принято считать, что пока данный класс пуст.

5. Классификация Флинна

• SIMD – одиночный поток команд и множественный поток данных. Эти системы
обычно имеют большое количество процессоров, от 1024 до 16384, которые могут
выполнять одну и ту же инструкцию относительно разных данных в жесткой
конфигурации. Единое управляющее устройство контролирует множество
процессорных элементов. Каждый процессорный элемент получает от устройства
управления в каждый фиксированный момент времени одинаковую команду и
выполняет ее над своими локальными данными. Используются для решения научных
и технических задач с векторами и массивами.
• ВМ данной архитектуры позволяют выполнять одну арифметическую операцию сразу
над многими данными – элементами вектора. Бесспорными представителями класса
SIMD считаются матрицы процессоров, где единое управляющее устройство
контролирует множество процессорных элементов.

6. SIMD

• В машинах данного класса реализуется параллелизм на уровне процессоров.
Над одной задачей работают одновременно несколько процессоров,
производительность удается улучшить в 50, 100 и более раз.
• Матричный процессор состоит из большого числа сходных процессоров,
которые выполняют одну и ту же последовательность команд применительно
к разным наборам данных. Количество суммирующих устройств равно
количеству элементов в массиве. Процессоры логически скомпонованы в
матрицу и работают синхронно, то есть присутствует только один поток
команд для всех. Матрица процессорных элементов конструктивно
реализована на едином кристалле или на нескольких. Назначение матричных
вычислительных систем - обработка больших массивов данных (во многом
схоже с назначением векторных ВС). В основе матричных систем лежит
матричный процессор (array processor), состоящий из регулярного массива
процессорных элементов (ПЭ).

7. Классификация Флинна

• MIMD - множественный поток команд и множественный поток данных. Класс
предполагает наличие в вычислительной системе множества устройств обработки
команд, объединённых в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком
команд и данных. Команды и данные связаны, потому что они представляют различные
части одной и той же задачи. Например, MIMD-системы могут параллельно выполнять
множество подзадач с целью сокращения времени выполнения основной задачи.
• Класс MIMD чрезвычайно широк, поскольку включает в себя всевозможные
мультипроцессорные системы. Кроме того, приобщение к классу MIMD зависит от
трактовки. Так, векторно-конвейерные ВС можно вполне отнести к классу MIMD, если
конвейерную обработку рассматривать как выполнение множества команд (операций
ступеней конвейера) над множественным скалярным потоком.

8.

9. MIMD

• Существует три типа мультипроцессоров. Они
отличаются друг от друга по способу реализации
доступа к памяти совместного использования.
• UMA (Uniform Memory Access — архитектура с
однородным доступом к памяти),
• NUMA (NonUniform Memory Access — архитектура с
неоднородным доступом к памяти) . Доступ к
локальным модулям памяти происходит быстрее,
чем к удаленным модулям памяти
• СОМА (Cache Only Memory Access — архитектура с
доступом только к кэш-памяти).

10. мультикомпьютеры

• в отличие от мультипроцессоров не имеют памяти
совместного использования на архитектурном
уровне.
• В мультикомпьютере для взаимодействия между
процессорами часто используются примитивы send
и receive. Поэтому программное обеспечение
мультикомпьютера имеет более сложную структуру,
чем программное обеспечение мультипроцессора.
При этом основной проблемой становится
правильное разделение данных и разумное их
размещение. В мультипроцессоре размещение
частей не влияет на правильность выполнения
задачи, хотя может повлиять на
производительность.

11.

• Мультикомпьютеры можно разделить на две
категории. Первая категория содержит
процессоры МРР (Massively Parallel Processors
— процессоры с массовым параллелизмом) —
дорогостоящие суперкомпьютеры, которые
состоят из большого количества процессоров,
связанных высокоскоростной
коммуникационной сетью.

12.

• Вторая категория мультикомпьютеров
включает рабочие станции, которые
связываются с помощью уже имеющейся
технологии соединения. Эти примитивные
машины называются NOW (Network of
Workstations — сеть рабочих станций) и COW
(ClusterofWorkstattions — кластер рабочих
станций).