Cуперскалярные и суперконвейерные процессоры. (Лекция 4а)

1.

• Cуперскалярные и суперконвейерные процессоры.
Примеры реализации.
• Развитие архитектур микропроцессоров.
Параллельные компьютеры и супер-ЭВМ
Пример , дающих достаточно красноречивую характеристику машин этого
класса. Компьютер ASCI WHITE, занимающий первое место в списке пятисот
самых мощных компьютеров мира, объединяет 8192 процессора Power 3 с
общей оперативной памятью в 4 Терабайта и производительностью более 12
триллионов операций в секунду.

2. Параллельная обработка.

Параллельная обработка данных, воплощая идею одновременного выполнения
нескольких действий, имеет две разновидности: конвейерность и
собственно параллельность.
Параллельная обработка. Если некое устройство выполняет одну операцию за
единицу времени, то тысячу операций оно выполнит за тысячу единиц. Если
предположить, что есть пять таких же независимых устройств, способных
работать одновременно, то ту же тысячу операций система из пяти устройств
может выполнить уже не за тысячу, а за двести единиц времени. Аналогично
система из N устройств ту же работу выполнит за 1000/N единиц времени.

3. Конвейерная обработка.

Идея конвейерной обработки заключается в выделении отдельных этапов
выполнения общей операции, причем каждый этап, выполнив свою работу,
передавал бы результат следующему, одновременно принимая новую порцию
входных данных. Получаем очевидный выигрыш в скорости обработки за счет
совмещения прежде разнесенных во времени операций. Предположим, что в
операции можно выделить пять микроопераций, каждая из которых
выполняется за одну единицу времени. Если есть одно неделимое
последовательное устройство, то 100 пар аргументов оно обработает за 500
единиц. Если каждую микрооперацию выделить в отдельный этап (или иначе
говорят - ступень) конвейерного устройства, то на пятой единице времени на
разной стадии обработки такого устройства будут находится первые пять пар
аргументов, а весь набор из ста пар будет обработан за 5+99=104 единицы
времени - ускорение по сравнению с последовательным устройством почти в
пять раз (по числу ступеней конвейера).

4. Направления развития высокопроизводительной вычислительной техники.

1.Векторно-конвейерные компьютеры. Конвейерные функциональные
устройства и набор векторных команд - это две особенности таких машин. В
отличие от традиционного подхода, векторные команды оперируют целыми
массивами независимых данных, что позволяет эффективно загружать доступные
конвейеры, т.е. команда вида A=B+C может означать сложение двух массивов, а не
двух чисел. Характерным представителем данного направления является
семейство векторно-конвейерных компьютеров CRAY куда входят, например, CRAY
EL, CRAY J90, CRAY T90 (в марте 2000 года американская компания TERA
перекупила подразделение CRAY у компании Silicon Graphics, Inc.).

5. Направления развития высокопроизводительной вычислительной техники.

2. Массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью. SIMD
-(Single Instruction Multiple Data - с одним потоком команд при множественном
потоке данных). Термин "матричный процессор" часто применяется к
машинам типа SIMD. Состоит из множества однотипных серийные
микропроцессоры, каждый из которых снабжен своей локальной памятью и
соединен посредством некоторой коммуникационной среды. Однако
межпроцессорное взаимодействие в компьютерах этого класса идет намного
медленнее, чем происходит локальная обработка данных самими
процессорами. Поэтому написать эффективную программу для таких
компьютеров очень сложно, а для некоторых алгоритмов иногда просто
невозможно. К данному классу можно отнести компьютеры Intel Paragon, IBM
SP1, Parsytec, в какой-то степени IBM SP2 и CRAY T3D/T3E. К этому же классу
можно отнести и сети компьютеров, которые все чаще рассматривают как
дешевую альтернативу крайне дорогим суперкомпьютерам.

6. Направления развития высокопроизводительной вычислительной техники.

3.Параллельные компьютеры с общей памятью. MIMD (Multiple Instruction
Multiple Data - с множественным потоком команд при множественном потоке
данных). Термин "мультипроцессор" покрывает большинство машин типа MIMD
и часто используется в качестве синонима для машин типа MIMD. В
мультипроцессорной системе каждый процессорный элемент (ПЭ) выполняет
свою программу достаточно независимо от других процессорных элементов.
Процессорные элементы, конечно, должны как-то связываться друг с другом,
что делает необходимым более подробную классификацию машин типа MIMD.
В мультипроцессорах с общей памятью (сильносвязанных
мультипроцессорах) имеется память данных и команд, доступная всем ПЭ. С
общей памятью ПЭ связываются с помощью общей шины или сети обмена. В
противоположность этому варианту в слабосвязанных многопроцессорных
системах (машинах с локальной памятью) вся память делится между
процессорными элементами и каждый блок памяти доступен только
связанному с ним процессору. Сеть обмена связывает процессорные элементы
друг с другом. Проблема - число процессоров, имеющих доступ к общей
памяти нельзя сделать большим. В направление входят многие современные
многопроцессорные SMP-компьютеры или отдельные узлы компьютеров HP
Exemplar и Sun StarFire.

7. Направления развития высокопроизводительной вычислительной техники.

4. Компьютеры с кластерной архитектурой. MSIMD (Multiple SIMD).
Направление представляет собой комбинацию предыдущих трех. Из нескольких
процессоров (традиционных или векторно-конвейерных) и общей для них
памяти сформируем вычислительный узел. Если полученной вычислительной
мощности не достаточно, то объединим несколько узлов высокоскоростными
каналами. По такому принципу построены CRAY SV1, HP Exemplar, Sun StarFire,
NEC SX-5, последние модели IBM SP2 и др. Именно это направление является
в настоящее время наиболее перспективным для конструирования
компьютеров с рекордными показателями производительности.
Для работы вычислительной системы с максимальной эффективностью
необходимо тщательное согласование структуры программ и алгоритмов
с особенностями архитектуры параллельных вычислительных систем.

8. Типовая архитектура мультипроцессорной системы с общей памятью.

9. Типовая архитектура машины с распределенной памятью

10. Модель взаимодействия «Клиент-Сервер»

– С объединением ПК в сети связано появление модели взаимодействия типа
«клиент-сервер»
– Сервер-это машина или программный продукт, обладающий и
предоставляющий другим для использования свои ресурсы по запросам
клиентов. Это понятие включает в себя совокупность как технических, так и
программных средств.
– Клиент-это потенциальный потребитель этих ресурсов. Ресурсами может
быть файловая система (файл-сервер), базы данных (сервер БД),
печатающие устройства (сервер-печати), программы (сервер приложений) и
т.д.

11. 3. Модель взаимодействия «Клиент-Сервер»

• Функции системы «клиент»:
Предоставление пользовательского интерфейса;
Формирование запросов или команд;
Клиентское ПО в идеале должно полностью скрывать от пользователя способ
общения с сервером;
Клиентское ПО может выполнять анализ результатов, полученных от сервера по
запросу и демонстрировать эти результаты пользователю.
• Функции системы «сервер»:
Выполнять специфические действия, суть которых определяется запросом
клиента и только по инициативе клиента;
Сервер должен полностью скрывать пути, по которым он удовлетворяет запрос
клиента.

12. 3. Модель взаимодействия «Клиент-Сервер»

Один из основных принципов технологии «клиент-сервер»
заключается в разделении функций информационной системы
на три группы:
Функции ввода и отображения информации - компонент
представления;
Специфические функции, характерные для данной предметной
области - прикладной компонент;
Функции хранения и управления данными - компонент доступа к
ресурсам;
В зависимости от того, как эти логические компоненты распределены между
компьютерами в сети, возможны несколько вариантов реализации технологии
«клиент-сервер».

13. 3. Модель взаимодействия «Клиент-Сервер»

Можно выделить следующие модели реализации технологии
«Клиент-Сервер»:
• Модель файлового сервера (File Server - FS-модель).
• Модель доступа к удаленным данным (Remote Data Access RDA-модель).
• Модель сервера баз данных (Data Base Server - DBS -модель).
• Модель сервера приложений (Application Server - AS-модель).

14. Модель файлового сервера (FS-модель).

Файл-сервер работает под управлением сетевой ОС и играет роль компонента
доступа к информационным ресурсам.
Клиент
Компонент
представления
Запросы
Прикладной
компонент
Сервер
Компонент
доступа к ресурсам
Файлы

15. Модель файлового сервера (FS-модель).

• Недостатки:
– высокий сетевой трафик;
– узкий спектр манипуляций с данными;
– трудности с администрированием.
В сетях под управлением OC Novell Netware реализуется
именно FS-модель. Сложно построить сеть крупного
предприятия.

16. Модель доступа к удаленным данным.

Модель - RDA более технологична, т.к. запросы к серверу формируются и
направляются с помощью унифицированного языка (например SQL-вызовы).
Structured Query Language - непроцедурный язык структурированных
запросов.
Клиент
Сервер
SQL-запросы
Компонент
представления
Прикладной
компонент
Компонент
доступа к ресурсам
Данные

17. Модель доступа к удаленным данным.

Преимущества:
– большой выбор инструментальных средств разработки приложений,
позволяет работать с различными БД, снабженных механизмом
автоматической генерации кода при работе с SQL - ориентированными
СУБД;
– данные средства поддерживают графический интерфейс пользователя
(GIU-Grafic User Interfase) в MS Windows, стандарт взаимодействия с БД
(ODBS - Open DataBase Conntctivity), позволяющий работать с
различными БД.
Недостатки:
– все еще большая загрузка сети;
– сложность администрирования.

18. Модель сервера баз данных.

Основу составляет механизм вызова хранимых процедур - средство
программирования SQL сервера;
Хранимые процедуры разделяются несколькими клиентами и выполняются на
том же компьютере , где функционирует ядро СУБД;
В данной модели прикладной компонент интегрируется в компонент
доступа к информационным ресурсам.
Клиент
Сервер
вызов
Компонент
представления
Прикладной
компонент
Компонент
доступа
к ресурсам
результат
SQL-запрос

19. Модель сервера баз данных.

Достоинства:
–
–
–
–
возможность централизованного администрирования;
снижение сетевого трафика;
возможность разделения хранимых процедур многими пользователями;
экономия времени и ресурсов при использовании однажды сделанных
процедур.
Недостатки:
– специфичность средств создания хранимых процедур для данной СУБД;
– ограниченность средств создания хранимых процедур;
– в большинстве СУБД отсутствуют возможности отладки и тестирования
хранимых процедур, что может привести к краху информации в БД.

20. Модель сервера приложений.

В данной модели процесс, выполняемый на компьютере - клиенте, отвечает
только за интерфейс пользователя, обращаясь за выполнением услуг к серверу
приложений;
Прикладной компонент реализован как группа программ, выполняемых по
запросу клиента (пользователя) на сервере (или серверах).
Доступ к информационным ресурсам осуществляет менеджер ресурсов
(например, SQL-сервер). Теперь сервер приложений сам является клиентом
серверов ресурсов (БД, файлов, почтовых служб и т.д.).
Серверов приложений может быть несколько, и каждый из них предоставляет
определенный набор услуг.

21. Модель сервера приложений.

В этой модели реализуется трехзвенная схема разделения функций. Возникает
понятие «тонкого клиента».
Взаимодействие между клиентской и серверными частями осуществляется
через унифицированный API - Aphlication Programming Inerface -интерфейс
прикладного программирования.
Сервер
Клиент
API
Компонент
представления
Сервер
Прикладной
компонент
SQL
Компонент
доступа к
ресурсам
SQL
Компонент
доступа к
ресурсам

22. Модель сервера приложений.

Преимущества:
– универсальный и стандартизированный интерфейс;
– максимальная аппаратная и программная независимость клиентской и
серверной частей.