Особенности организации вычислительных процессов.

Как правило, ОС в ММВК мало отличаются от ОС одиночных машин, работающих в мультипрограммном режиме. Обычно ОС в ММВК содержит дополнительные модули: обеспечение данными между ЭВМ, модули взаимного контроля состояния ЭВМ, модели проведения регламентных работ, модули взаимодействия с оператором. С другой стороны МПВК имеют большие возможности по сравнению с ММВК. Организация работы может быть различной в зависимости от цели, которую преследует МПВК. МПВК может делать всё, что делает ММВК, то есть решать независимые задачи и сильно связанные задачи или одной с участием всех процессоров, при этом используется общая память. ОС МПВК очень сложна, однако можно отказаться от ряда возможностей. Известны три типа организации вычислительного процесса в МПВК, соответственно 3 типа функционирования: ведущий-ведомый, раздельное выполнение заданий в каждом процессоре, симметричное или однородная обработка информации всеми процессорами.

Ведущий-ведомый. Один из процессоров управляет работой всех остальных, то есть берет функции распределения задач, ресурсов, организует передачи данных, организует переназначение задач в случае выхода из строя других процессоров, отключает неисправные устройства. Все остальные процессоры выполняют только функции обработки, то есть являются исполнительными. ОС получается достаточно простой, так как супервизорные функции выполняет 1 процессор. Ведущий процессор может ничем не отличаться от остальных, просто его функции выполняет любой назначенный оператором процессор. В случае отказа ведущего процессора оператора обязан произвести переназначение. Такие процессоры стараются делать специализированными, для того чтобы увеличить производительность этого процессора. При большом потоке коротких задач ведущий процессор может не справляться с распределением задач, следовательно, возникают простои некоторых из них. По той же причине не очень эффективно работает комплекс при решении одной сильно связанной задачи на нескольких процессорах. Более универсальная схема – с раздельным выполнением заданий. Здесь все процессоры равноправны, то есть каждый выполняет исполнительные и супервизорные функции. Процессоры не свободны в выборе задач. Каждому процессору необходим набор задач. Выполняемая задача отказавшего процессора может быть выполнена только оператором. Супервизорные программы должны обладать повторной входимостью. Для каждого процессора подготавливают копию ОС. В МПВК с раздельным выполнением заданий конфликты возникают не очень интенсивно, из-за того, что ресурсы необходимо распределять заранее. При таком подходе трудно поддерживать загруженность процессоров. Простои части оборудования являются неизбежными.

Симметричная обработка – каждый процессор выбирает задание из очереди. Все процессоры могут участвовать в решении одной задачи. Отказ в МПВС довольно длительный. У МПВК эффективность гораздо выше, чем у ММВК. Недостаток – большое число конфликтов из-за сложности ОС. Одновременная работа нескольких процессоров по одной программе и автоматическая реконфигурация.

Микропроцессорная техника: низкая стоимость, малые габариты, высокая надежность, малая масса.

Способы построения ВК на основе микроЭВМ:

1. по классическим схемам создания ММВК и МПВК. ММВК на базе микроЭВМ первоначально создавались по классическим схемам, однако эти схемы не давали должного эффекта при большом числе микроЭВМ. Получались комплексы надежные, высокопроизводительные, но при решении большого числа никак не связанных задач.
2. ММВК с включением некоторых особенностей МПВК - микроЭВМ, память которых доступна для всех ЭВМ комплекса.
3. комплексы, характеризующиеся наличием общего поля памяти. Идея комплекса с общедоступной памятью: очень интересная система адресации, которая воспринимала бы все подключившиеся устройства как единое целое.

Кластерные системы.

Кластеры могут соединяться между собой – появляется кластерная система. С точки зрения сетевых технологий кластерная система – это узкая сеть для решения подходящей топологии сети задачи.

Сравнение ММВК и МПВК.

Оцениваемые характеристики:

1. надежность
2. производительность
3. гибкость
4. сложность ПО
5. экономическая эффективность.

Дать точную качественную оценку каждой характеристике невозможно. Надежность – набор показателей, причем МПВК имеют лучшие характеристики. С этой позиции МПВК обеспечивает более высокую надежность на том же оборудовании. Производительность – сложная характеристика из-за того, что есть различие задач по характеру вычислений, то есть числу операций, обращений к аппаратуре, объему передаваемой информации. Могут быть существенные различия при построении ВК. Емкость памяти, способы связи, параметры используемых устройств сюда входят. Обычно рассматривают 2 варианта нагрузки: в ВК поступает большой поток различных, не связанных друг с другом задач с небольшим объемом вычислений; загружается крупноразмерными задачами, число которых невелико, но решение связано с большой вычислительной работой. Схема обработки в ММВК и МПВК – МКМД (много команд и данных).

Работа ЭВМ в ММВК мало отличается от работы в автономном режиме. Обычно общий поток задач разделяется между машинами, каждая машина работает независимо, существующие связи используются только для обеспечения надежности. Производительность вычислительного комплекса – это сумма всех процессоров комплекса, производительность растет линейно с ростом числа машин. Организация вычислений ничем не отличается от организации ММВК. В МПВК конфликты неизбежны. Чем больше процессоров, тем выше вероятность конфликтов, что приводит к снижению производительности. В ММВК на работу ОС требуются определенные затраты времени. В МПВК требуются затраты на обеспечение взаимодействия всех элементов, которые растут нелинейно с увеличением числа процессоров. Эксперименты показывают, что подключение второго процессора ведет к увеличению производительности на 60-80 %.

Задачи с большим объемом вычислений. Обычно эти задачи могут быть разделены на части, которые можно выполнять параллельно. Однако продолжение расчетов идет совместное. То есть их нельзя рассматривать как совершенно независимые. Потому решать их в ММВК очень сложно, так как каждая ЭВМ работает под управлением своей ОС, а нужна некая управляющая ОС, так как требуется совместная работа разрозненных ЭВМ. Надстройка принадлежит одной ЭВМ, которая называется управляющей.

Для МПВК затраты времени на обработку сложных задач мало отличаются от затрат времени для решения мелких задач.

Берталанфи предложил 19 характеристик:

1. система – сложная иерархическая структура
2. многофункциональность
3. иерархичность
4. связность, целостность
5. распределенность
6. переменность структур
7. адаптируемость
8. надежность
9. живучесть
10. контроль и диагностика
11. параллельность
12. наращиваемость
13. системность
14. автоматизированность
15. сложность анализа/синтеза и организации функционирования системы
16. большие сроки создания
17. затраты
18. множественность целей, которые могут не совпадать с целями отдельных подсистем
19. динамичность.

Открытые и замкнутые системы. Замкнутая полностью изолированная. Подходы к созданию ВС:

1. построение ВС, моделирующей процесс выполнения алгоритма одиночным человеком – вычислителем.
2. создание ВС, моделирующей выполнение алгоритма коллективно.

Первый подход – архитектура фон Неймана, которая легла в основу огромного количества систем. Фиксированные структуры, неоднородность связей и неоднородность функциональных элементов. Модель коллективных вычислений сформулирована в работах Евреинова. Под коллективом вычислителей понимается совокупность вычислительных машин, программно-аппаратным способом настроенных на выполнение задачи. При этом не исключается возможность выполнения нескольких задач. Были выработаны несколько принципов решения задач: параллельность выполнения большого числа операций, переменность структуры, конструктивная однородность. Переменность структуры конфигурации является революционным деянием, то есть коллектив вычислителей была заложена возможность адекватного выполнения задачи или наиболее эффективны в конкретных условиях выполнения. Следовательно, в коллективе должна быть заложена возможность хранения и модификации структуры.

Многопроцессорная асинхронная система состоит из нескольких процессоров различного назначения. Если данные существуют, то процессор их обрабатывает. В параллельных машинах, кроме слежения метода вычислений приходится заниматься синхронизацией вычислительных процессов.

Процессорная матрица. Это понятие подчеркивает факт, что параллельные операции выполняются группой одинаковых элементов, объединенных коммуникационной сетью и управляемых единым центром. Этот центр обычно реализует единую программу. Процессорная матрица может быть присоединена к большой машине в качестве сопроцессора. Каждый элемент матрицы может иметь собственную локальную память. Оказывается, что больше половины обращений происходит к локальной памяти. Обычно центральное устройство управления является полноценным процессором для выполнения единой программы. Используются команды 2 типов: скалярные и векторные.

В многопроцессорных системах вычислительный процесс организуется 2 способами: асинхронным и синхронным. Асинхронный позволяет инициализировать начало нового процесса после конца предыдущего. Форма запуска по готовности данных в большей степени соответствует управлению от потока данных. Основным видом используемых процессоров являются синхронные, связанные с выполнением задач типа матричных систем уравнений и всевозможными режимами работы цифровых устройств. Матричные процессоры наилучшим образом ориентированы на реализацию алгоритмов упорядоченных массивов данных.

Обработка данных реализуется в виде систолических или волновых матриц. Систолическая матрица состоит из отдельных элементов, каждый из которых соединен с соседними посредством упорядоченной решетки. Большая часть элементов обладает одинаковым набором операций. Процессоры работают синхронно, то есть используют тактовый генератор. В волновой матрице происходит распределение функций между процессорными элементами, только отсутствует общая синхронизация от задающего генератора. Управление организуется локального в соответствии с поступающими данными. Результирующая волна распространяется по матрице по мере того, как обрабатываются данные.

Ассоциативные системы, как и матричные, характеризуются большим числом устройств, способных одновременно обеспечивать обработку нескольких потоков данных. Основное отличие – организация потоков. В матричных системах данные поступают на обработку от общих или раздельных ЗУ с адресной выработкой информации или непосредственно. В ассоциативных системах информация поступает от ассоциативных ЗУ, информация из них выбирается не по определенному адресу, а по содержанию. Выборка информации по ассоциативному признаку зависит от разряда признака и скорости опроса разрядов. Это главное преимущество перед адресными устройствами.

Однородные системы и среды. Во всех ранее рассмотренных не ставились ограничения на состав и связи устройств. В данном случае действуют принципы:

1. параллельность операций – всякая сложная задача может быть представлена как совокупность подзадач и для любой сложной задачи может быть предложен алгоритм, именно таким образом достигается более высокая производительность за счет параллельной работы числа устройств.
2. переменность логической структуры – процесс решения сложной задачи может быть представлен некоторой структурой со связями, следовательно для каждой сложной задачей можно предложить структуру и обрабатывающие элементы.
3. конструктивная однородность элементов и связей между ними – все простые задачи из сложной примерно одинаковы по объему вычислений и обычно связываются одинаковыми схемами обмена. Это означает, что система из сложной задачи может быть построена из одинаковых элементов с одинаковыми связями.

При соблюдении условий задача может быть представлена как совокупность. Подобные системы должны бы решать сколь угодно объемные задачи.

Функционально–распределенные системы (ФРВС). Подобные системы отличаются друг от друга характеристиками, например, работа с целыми или любыми числами. Они создаются на основе МПВК, использование однотипных процессоров неэкономично. ФРВС строятся как проблемно–ориентированные системы. Состав процессоров зависит от класса решаемых задач. Специализация процессоров может осуществляться на разных уровнях: структуры, микропрограмм, программ.

На уровне структуры: достигается за счет использования в операционной части процессора специальных регистровых структур и микроопераций, реализующий заданный набор операций.

На уровне микропрограмм: создание с помощью микропрограмм специализированного набора операций, ориентированного на реализацию набора функций. Обычно это динамическое программирование.

На уровне программ: загрузка процессора соответствующим набором программ.

Системы с перестраиваемой структурой – универсальный способ создания систем.

Микропроцессорный модуль реализует функции обработки, управления и соединений между модулями. Эти модули объединяются в матричные, пирамидальные, кубические структуры. Коммуникационные процессоры и каналы связи образует в результате коммуникационное поле, которое осуществляет соединение и передачу данных. Основные проблемы – обеспечение параллелизма и управление вычислениями.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: