ОБЗОР ОСОБЕННОСТЕЙ АРХИТЕКТУРЫ МНОГОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

Любая ЭВМ имеет определенную архитектуру, которая позволяет ей наиболее полноценно реализовывать свои возможности. История развития компьютеров наглядно показывает, что размер не главное. Первые ЭВМ имели гигантские размеры и наиболее малые вычислительные возможности. Но с течением времени принципы построения компьютеров изменялись, габариты все уменьшались, а примитивные составляющие компьютера заменялись на более совершенные, что позволило ЭВМ многократно повысить свои характеристики.

С ростом своих возможностей, компьютеры расширили и сферу своей эксплуатации. Они стали применяться в различных образовательных, здравоохранительных учреждениях, научно-исследовательских институтах, и, конечно, возросла их роль в военной сфере. 

Современный компьютер – это техническое устройство, которое может автоматически осуществить вычислительный процесс, который задается программой, и выдать готовые решения задачи в виде, которое удобно для восприятия человека. Главные особенности архитектуры компьютеров сводятся к выбранному набору системных аппаратных средств.

На сегодняшний день компьютеры, в различных их проявлениях, прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Без них мы уже не можем представить себе свою жизнь.

Существует много способов систематизации, исходя из которых классифицируют вычислительные системы. Одной из основных считается систематика Флинна. Эта классификация распределяется по способам взаимодействия потоков выполняемых команд и обрабатываемой информацией. Всего существует 4 способа: SISD, SIMD, MISD, MIMD (S – Single, I – Instruction, M – Multiple, D – Data) [3, c. 405]. Теперь расскажем поподробнее о каждом из этих типов.

Архитектура SISD – общепринятый компьютер, основанный на принципах построения ЭВМ Фон-Неймана, у которого есть процессор, выполняющий последовательные инструкции поочерёдно и работает с одиночным потоком данных. Представителями этого класса являются конвейерные и суперскалярные процессоры.

Архитектура следующего типа – SIMD подразделяется на:

1) системы с общей памятью;

2) системы с распределённой памятью.

К первой категории относятся процессоры, построенные по векторному принципу. Действие осуществляется над каждым элементом информации, которые функционируют самостоятельно. Здесь же присутствует параллельность данных.

Ко второй категории относятся процессоры, построенные по матричному принципу. Это набор процессоров контролирующихся управляющим процессором, а также исходя из него команды выполняют одну операцию над своим личным объемом данных. К тому же не взаимодействуют между собой, а значит отпадает потребность в синхронизации. Это позволяет достичь высоких вычислительных способностей и легко расширять системы, увеличив количество процессоров [5, c. 305].

  К MISD относятся некоторые конвейерные ЭВМ, которые не нашли области своего применения, исходя из этого предполагают, что их не нет.

MIMD также, как и предшествующий класс SIMD подразделяются на:

1) системы с общей памятью;

2) системы с распределённой памятью.

К этой группе относятся машины, которые имеют в своей архитектуре огромное количество процессоров и эти процессоры должны состоять из множества ядер с общей памятью. Наиболее известный – мультипроцессор. Память в ЭВМ доступна любому из процессоров как общий адресный диапазон, они обмениваются данными по обще шине через кэш. Любой процессор имеет свободный доступ к памяти [4, c. 317].  

Также хотим рассмотреть классификацию Роджера Хокни.

По его систематике машины MIMD архитектуры делятся на:

1. Переключаемые;
2. Конвейерные;
3. Сети.

В данном классе применяются одно конвейерное устройство обработки, работающее в режиме разделения времени для потока данных. Если этот поток обрабатывается своим собственным устройством, то эти машинам дали название переключаемые. Также не стоит забывать, что в этом классе есть машины, в которых имеется связь между процессорами и эта связь реализуется с помощью переключателей. Если память имеет разделяемый ресурс, то эта машина с общей памятью.

Для систематики мультипроцессоров учитывается построение памяти. Первый вариант для реализации - использование единой общей памяти, что обеспечивает однородность доступа к памяти и она служит основой для построения таких процессоров, как:

1) векторных параллельных  

2) симметричных мультипроцессоров

К первой группе можно отнести – суперкомпьютер Gray T90, а ко второй – IBM eServer.

Также доступ к данным обеспечивается не только при общей памяти, но и при физически распределенной памяти. Такому подходу дали название – неоднородный доступ. К системам с таким подходом можно отнести:

1) системы, использующие только локальную память процессора для представления данных (DDM);

2) cистемы, обеспечивающие когерентность локальных кэшей разных процессоров (SGI Origin).

Теперь остановимся на мультикомпьютерах – системах с распределенной памятью. Такие компьютеры на данный момент, да и всегда, не имели общего доступа ко всей системной памяти. При всей схожести архитектуры с процессорами с распределённой общей памятью, мультикомпьютеры имеют одно главное и заметное отличие: каждый из действующих процессоров системы может использовать только свою память и для доступа к данным, находящихся на остальных процессорах, нужно выполнить операцию передачи сообщений [1, c. 120]. Это применяется для построения двух типов многопроцесорных систем:

1) массивно-параллельных;

2) кластеров.

Под кластером привыкли понимать множество отдельных друг от друга компьютеров, которые объединяются в одну сеть. И при помощи каких-либо специальных программных средств можно обеспечить возможность надёжного функционирования и очень продуктивного использования кластеров. Стоит заметить, что их применение также может в некоторой степени устранять проблемы с разработкой алгоритмов и программ, что тоже является немаловажным фактором [2, c. 234].

Сегодня, область применения МВС стремительно растет и внедряется в самые разные области науки, производства и бизнеса. Быстро совершенствуется система кластеров и предоставляет условия для применения МВС в экономической сфере. Обычно МВС использовались в секторе науки и решали вычислительные задачи, для которых были необходимы мощные ресурсы, то в настоящее время из-за стремительного развития бизнеса, значительно увеличилось число компаний, которые отводят ведущую роль применению компьютерных технологий и электронного документооборота. В следствии, постоянно увеличивается необходимость в создании централизованных ВС для самых важных приложений, которые связаны с транзакцией, управлением и обслуживанием баз данных и телекоммуникаций. Такая тенденция, вероятнее всего, будет только развиваться. Наряду, с увеличением отраслей использования, по мере улучшения МВС, число задач в различных сферах, которые используют высокопроизводительную технику, вырастает и они становятся более трудными. Для эффективного решения таких задач необходимо использовать очень серьезные вычислительные ресурсы.

Список литературы

1. Бабаян Б. А., Бочаров А. В., Волин В. С. и др. Перспективы развития вычислительной техники. В 11 кн. Справ. пособие / Под ред. Смирнова Ю. М. Кн.4. Многопроцессорные ЭВМ и методы их проектирования / М.: Высшая школа, 1990. - 143 с.
2. Воеводин В. В. Легко ли получить обещанный гигафлоп? // Программирование. - 1995. - N 4. - С. 13-23.
3. Воеводин Вл. В., Воеводин В. В. Параллельные вычисления. - СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 600 с.
4. Гэри М., Джонсон Д. Вычислительные машины и труднорешаемые задачи. - М.: Мир, 1982. - 416 с.
5.  Супер-ЭВМ. Аппаратная и программная реализация Под ред. Фернбаха С.: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1991. - 320 с.