Вычислительные Системы. Общие принципы понятия и определения. Классификация и архитектура вычислительных сетей

Введение

Рост производительности вычислительной техники впечатляет, а повышение плотности компоновки интегральных микросхем позволяет увеличивать объем памяти и разрядность процессоров. Но какой совершенной не была бы технология, существует естественный способ увеличения производительности без изменения элементной базы — параллельной обработки данных, — в которой задействовано множество однотипных обрабатывающих устройств. Известно множество архитектурных решений параллельных вычислительных систем и множество названий таких архитектур, обозначающих общие принципы обработки — массивно-параллельные, симметрично-многопроцессорные, кластерные, векторные и многие другие.
Но создание более «быстрых» компьютеров не всегда позволяет пропорционально уменьшить время, затрачиваемое на решение задачи. Это связано с тем, что различные архитектурные особенности, такие как способ доступа к памяти, разделение команд и данных, организация межпроцессорной связности, приводят к специализированности параллельных вычислительных систем, и эта специализация заключается в адекватности архитектуры какому-то классу алгоритмов. Другими словами, для уменьшения времени счета конкретного алгоритма необходимо исполнять его на максимально «подходящей» архитектуре. Широко известны лишь некоторые частные правила, например, использование векторных систем для матричных операций или высокая эффективность кластерных вычислительных систем на алгоритмах с большим временем счета отдельных гранул и малым объемом межпроцессных пересылок.
Современные алгоритмы могут включать фрагменты различного кода — обработки общих данных, операций над векторами, передачу сообщений. Такое многообразие делает определение адекватности алгоритма сложной задачей, требующей детализации как алгоритма, так и архитектуры вычислительной системы.
Описание архитектуры, включающее количественные параметры, очень важно для адекватного представления алгоритма, подготовленного к исполнению на данной архитектуре. Но только достаточно простые алгоритмы можно представить в виде одноуровневой схемы. Как правило, в кодированном алгоритме (программе) можно выделить несколько уровней вложенности. Программа состоит из подпрограмм (гранул), гранулы могут включать в себя другие гранулы, и такое включение может быть многоуровневым. Самые маленькие гранулы состоят из отдельных команд языка программирования, которые преобразуются транслятором в команды процессора. Команды процессора тоже раскладываются на микрокоманды, которые и исполняются соответствующими функциональными блоками процессора. Адекватность сложного многоуровневого алгоритма архитектуре может быть только в том случае, если вычислительная система является многоуровневой. Так, к примеру, архитектуру известного суперкомпьютера Earth Simulator можно представить как кластер из 640 узлов, в котором каждый узел есть SMP-система, состоящая из 8 процессорных модулей. В каждом процессорном модуле есть суперскалярный процессор и векторный процессор, обрабатывающий векторы до 256 элементов.
Целью данной работы стало последовательное изучение истории создания вычислительных систем, для выявления перспектив их будущего развития. В первой части мы рассмотрим основные понятия, используемые при изучении вычислительных систем, а также их классификацию. Во второй части будут рассмотрены наиболее известные классификации архитектур вычислительных систем, общие требования, которые сейчас предъявляются к современным компьютерам. Третья глава нацелена на изучение дальнейших перспектив развития вычислительных систем.

Глава 1. История создания вычислительных систем.

Вычислительные машины за свою полувековую историю прошли стремительный и впечатляющий путь, отмеченный частыми сменами поколений ЭВМ. Стремительное развитие науки и проникновение человеческой мысли во все новые области вместе с решением поставленных прежде проблем постоянно порождает поток вопросов и ставит новые, как правило более сложные, задачи. Во времена первых компьютеров казалось, что увеличение их быстродействия в 100 раз позволит решить большинство проблем, однако гигафлопная производительность современных суперЭВМ сегодня является явно недостаточной для многих ученых. Электро и гидродинамика, сейсморазведка и прогноз погоды, моделирование химических соединений, исследование виртуальной реальности - вот далеко не полный список областей науки, исследователи которых используют каждую возможность ускорить выполнение своих программ.
Основным направлением совершенствования ЭВМ является неуклонный рост производительности (быстродействия) и интеллектуальности вычислительных средств. Наиболее перспективным и динамичным направлением увеличения скорости решения прикладных задач является широкое внедрение идей параллелизма в работу вычислительных систем (ВС).
Дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и ЭВМ.
Термин вычислительная система появился в начале 60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых технических решений: разделение процессов обработки информации и ее ввода-вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка. Отражая эти новшества, и появился термин “вычислительная система”, т.е. возможность построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ.
Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.
Наличие нескольких вычислителей в системе позволяет совершенно по-новому решать проблемы надежности, достоверности результатов обработки, резервирования, централизации хранения и обработки данных, децентрализации управления и т.д.
К настоящему времени спроектированы и опробованы сотни различных компьютеров, использующих в своей архитектуре тот или иной вид параллельной обработки данных. В научной литературе и технической документации можно найти более десятка различных названий, характеризующих лишь общие принципы функционирования параллельных машин: векторно-конвейерные, массивно-параллельные, компьютеры с широким командным словом, систолические массивы, гиперкубы, спецпроцессоры и мультипроцессоры, иерархические и кластерные компьютеры, dataflow, матричные ЭВМ и многие другие. Если же к подобным названиям для полноты описания добавить еще и данные о таких важных параметрах, как, например, организация памяти, топология связи между процессорами, синхронность работы отдельных устройств или способ исполнения арифметических операций, то число различных архитектур станет и вовсе необозримым.
Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС: возможность работы в разных режимах; модульность структуры технических и программных средств, что позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительные системы без коренных их переделок; унификация и стандартизация технических и программных решений; иерархия в организации управления процессами; способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации; обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений.
1.1 Основные понятия, используемые при изучении вычислительных систем.
Вычислительная система - это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. потоковый параллельный вычислитель
Структура ВС - это совокупность комплексируемых элементов и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные ЭВМ и процессоры. В ВС, относящихся к классу больших систем, можно рассматривать структуры технических, программных средств, структуры управления и т.д.
Основные понятия, используемые в ВС, - это ЭВМ, центральный процессор (ЦП), программное обеспечение (ПО), канал ввода-вывода, устройство управления внешними устройствами (УУВУ) и периферийные устройства.
В настоящее время под словом ЭВМ обычно понимают цифровые электронные машины, предназначенные для автоматизации процесса обработки информации. ЭВМ часто называют компьютером. Термин компьютер означает вычислитель, т.е. устройство для вычислений. Это связано с тем, что первые ЭВМ создавались только для вычислений, т.е. должны были заменить механические вычислительные устройства (арифмометры). Современные ЭВМ делятся на основные классы: суперЭВМ, миниЭВМ, микроЭВМ.
ЦП обеспечивает непосредственное преобразование данных по заданной программе и осуществляет управление взаимодействием всех устройств ЭВМ. В состав ЦП входит центральное устройство управления, арифметико-логическое (операционное) устройство (АЛУ), внутренняя память процессора (регистровая, сверхоперативная, кэш-память).
ПО - совокупность программ, процедур и правил вместе со связанной с этими компонентами документацией, позволяющей использовать ЭВМ для решения различных задач. ПО позволяет усовершенствовать организацию работы ВС с целью максимального использования ее возможностей; повысить производительность и качество труда пользователя; адаптировать программы пользователя к ресурсам конкретной ВС; расширить ПО ВС.
Каналы ввода-вывода предназначены для выполнения операций ввода-вывода и обеспечивают все двусторонние связи между оперативной памятью и процессором, с одной стороны, и множеством различных периферийных устройств, с другой.
УУВУ обеспечивает управление периферийными устройствами через селекторные (быстрые) и мультиплексные (медленные) каналы ввода-вывода. УУВУ бывают одиночные (управляющие работой одного внешнего устройства) и групповые (обсуживающие несколько однотипных внешних устройств, причем в каждый момент времени они обслуживают лишь одно внешнее устройство).
Периферийные устройства, такие как внешние запоминающие устройства (ВЗУ), обеспечивают хранение больших массивов информации. Наиболее широкое распространение получили ВЗУ на магнитных носителях (лентах и дисках).
1.2. Классификация вычислительных систем.
В настоящее время накоплен большой практический опыт в разработке и использовании ВС самого разнообразного применения. Эти системы очень сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками. Существует большое количество признаков, по которым классифицируют ВС: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов ВС и др. Однако основными из них являются признаки структурной и функциональной организации ВС.
По назначению ВС делят на универсальные, проблемно-ориентированные и специализированные. Универсальные предназначаются для решения широкого класса задач. Проблемно-ориентированные используются для решения определенного круга задач в сравнительно узкой сфере. Специализированныеориентированы на решение узкого класса задач. Специализация ВС может устанавливаться различными средствами: во-первых, сама структура системы (количество параллельно работающих элементов, связи между ними и т.д.) может быть ориентирована на определенные виды обработки информации: матричные вычисления, решение алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений и т.п. Практика разработки ВС типа суперЭВМ показала, чем выше их производительность, тем уже класс эффективно решаемых ими задач; во-вторых, специализация ВС может закладываться включением в их состав специального оборудования и специальных пакетов обслуживания техники.
По типу ВС различаются на многомашинные и многопроцессорные

. Многомашинные (ММС) появились исторически первыми. Уже при использовании ЭВМ первых поколений возникали задачи повышения производительности, надежности и достоверности вычислений.
Многопроцессорные (МПС) строятся при комплексировании нескольких процессоров. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечиваются под управлением единой общей операционной системы. По сравнению с ММС здесь достигается наивысшая оперативность взаимодейственные комплексы; б - многопроцессорные системы вычислителей-процессоров. Многие исследователи считают, что использование МПС является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений. Однако МПС имеют и существенные недостатки. Они в первую очередь связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров обращаются с операциями типа “чтение” и “запись” к одним и тем же областям памяти. Помимо процессоров к ООП подключаются все каналы (процессоры ввода-вывода), средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП. От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения МПС. Это решение обеспечивается аппаратурно-программными средствами. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС. Накопленный опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе комплексируемых процессоров (2, 4 до 10).
По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородные предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные - разнотипных. В однородных системах значительно упрощаются разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств. В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы. Упрощается обслуживание систем, облегчаются модернизация и их развитие. Вместе с тем существуют и неоднородные ВС, в которых комплексируемые элементы очень сильно отличаются по своим техническим и функциональным характеристикам. Обычно это связано с необходимостью параллельного выполнения многофункциональной обработки. Так, при построении ММС, обслуживающих каналы связи, целесообразно объединять в комплекс связанные, коммуникационные машины и машины обработки данных. В таких системах коммуникационные ЭВМ выполняют функции связи, контроля получаемой и передаваемой информации, формирования пакетов задач и т.д. ЭВМ обработки данных не занимаются не свойственными им работами по обеспечению взаимодействия в сети, а все их ресурсы переключаются на обработку данных. Неоднородные системы находят применение и в МПС. Многие ЭВМ, в том числе и ПЭВМ, могут использовать сопроцессоры: десятичной арифметики, матричные и т.п.
По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного (разобщенного) типов. Обычно такое деление касается только ММС. Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа. Более того, учитывая успехи микроэлектроники, это совмещение может быть очень глубоким. При появлении новых сверхбольших интегральных схем (СБИС) появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.
Совмещенные и распределенные ММС сильно различаются оперативностью взаимодействия в зависимости от удаленности ЭВМ. Время передачи информации между соседними ЭВМ, соединенными простым кабелем, может быть много меньше времени передачи данных по каналам связи. Как правило, все выпускаемые в мире ЭВМ имеют средства прямого взаимодействия и средства подключения к сетям ЭВМ. Для ПЭВМ такими средствами являются нуль модемы, модемы и сетевые карты как элементы техники связи.
По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизованных за это отвечает главная, или диспетчерская, ЭВМ (процессор). Ее задачей являются распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован или эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС. В децентрализованных функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ интерес к децентрализованным системам постоянно растет. В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса исходя из сложившейся ситуации.
По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.
По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые, как правило, используют режим реального масштаба времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных. Наибольший интерес у исследователей всех рангов (проектировщиков, аналитиков и пользователей) вызывают структурные признаки ВС. От того, насколько структура ВС соответствует структуре решаемых на этой системе задач, зависит эффективность применения ЭВМ в целом.


Глава 2. Обзор и архитектура вычислительных сетей сегодня
Рассмотрим классификации компьютерных сетей, в основе которых лежат критерии: область действия; способы администрирования; сетевые операционные системы; топология; архитектура.
Первый критерий область действия учитывает географический район, охваченный сетью. Различают локальные (Local Area Network – LAN) и глобальные (Wide Area Network – WAN). Локальная вычислительная сеть (ЛВС) охватывает ограниченную площадь, однако, по количеству компьютеров может находиться в широких пределах. Количество компьютеров локальной сети ограничивается архитектурой сети и типом кабеля. Глобальные вычислительные сети (ГВС) охватывают большое географическое пространство. Примером такой сети выступает Интернет. Существуют и другие ГВС. Эти сети всегда состоят из многих соединенных вместе ЛВС.
Несколько сетей, соединенных друг с другом называют сетевым комплексом (internet work или internet). Строчная буква в термине internet означает, что речь идет о сетях, соединенных в одну сеть. Прописная буква в термине Internet– обозначение глобальной сети. Термином Intranet обозначают частные локальные сети, которые используют технологию Internet.
Скорость передачи информации в глобальных сетях чаще всего ниже, чем в локальных (ГВС от 1 до 6 Мбит/c, а в самой медленной ЛВС 10 Мбит/c).
По способу администрирования различают одно ранговые сети и сети клиент/сервер.
Одноранговая рабочая группа. В ней каждый компьютер выполняет функции, как сервера, так и клиента, причем каждый пользователь самостоятельно управляет ресурсами своего компьютера. Хорошо подходит для небольших сетей, у которых требования к безопасности не очень высокие. Рекомендуют включать в одно ранговую сеть не более 10 компьютеров. Стоимость небольшой одно ранговой сети невелика. Ее несложно реализовать на основе таких ОС как Windows 95/98, WindowsNT, Windows 2000Professionalи различных версий Linux.
В сети клиент/сервер функции администрирования сосредоточены на центральном компьютере со специальной сетевой операционной системой, при этом на центральном ПК выполняется аутентификация пользователей, паролей, и другой регистрационной информации для регистрации пользователей и предоставления им доступа к ресурсам (сервер предоставляет, а клиент получает доступ к ресурсам Интернет).
Характерной особенностью сети клиент/сервер является централизованное управление сетью. На сервере устанавливаются учетные записи пользователей, и администратор сети может управлять ими из одного центра. Сети клиент/сервер обладают большей безопасностью, чем одноранговые.
Выбор типа сети зависит от количества компьютеров и пользователей, от требований к безопасности, оборудованию, персоналу и от финансовых возможностей.
Иногда сети классифицируют по установленным на серверах сетевым ОС. Например, Windows−WindowsNTиWindows2000 (компании Microsoft); Net Ware (компании Novell), Unix (компании Bell).
Классификация сетей по протоколам
Сетевой протоколэто набор правил, которых придерживаются компьютеры при работе в сети. В локальных сетях распространены такие протоколы как: IPX/SPX(в сетях с ОС Novell), Net BEUI(используется в небольших ЛВС на базе операционных систем Microsoft). Широкое распространение получил протокол TCP/IP, который поддерживается практически во всех операционных системах и на всех платформах, является базовым протоколом сети Интернет.
Классификация сетей по топологии
Топология сети– стандартный термин, который используется при описании базовой схемы сети.
Классифицируют сети по их физической или логической топологии. Физическая означает форму сети, т.е. путь прокладки кабеля. Логическая означает путь, по которому сигналы проходят из одной точки сети в другую. Физическая и логическая топологии могут совпадать и не совпадать. Например, физическая топология может представлять собой звезду, а логическая – кольцо, за счет определенным образом организованной связи внутри концентратора.
Наиболее распространенные топологии: шинная, кольцевая, звездообразная, полносвязная, ячеистая. Типовые топологии сетей приведены на рис.1.
Шинная топология, представляет собой сеть, проложенную по линии. Так как у каждой линии есть начало и конец, на каждом конце шины должен быть терминатор(оконечное устройство), в противном случае происходит отражение сигнала, что нарушает нормальную работу сети. В сетях с шинной топологией используются как толстый, так и тонкий коаксиальный кабель. 199644028575000Соответственно архитектура 10 Base2 и 10 Base5.
Рис.1 Типовые топологии сетей (а-полносвязная, b-общая шина, с-звезда, d-кольцо)
Принцип действия: посылаемые каждым компьютером сообщения поступают навсекомпьютеры, подключенные к шине. Каждый сетевой адаптер анализирует заголовки сообщений и таким образом, определяет предназначено ли сообщение для этого компьютера. Если да то сообщение обрабатывается, иначе – отбрасывается.Преимущество: сеть с топологией шина относительно дешевая, т.к. требует меньше кабелей, чем другие топологии.Недостатки: шинная топология называетсяпассивной, т.к. компьютеры не регенерируют сигналы, а просто передают их дальше. Поэтому сигналы в такой сети подвержены затуханию, т.е. интенсивность сигнала с расстоянием уменьшается. Эту проблему можно решить с помощью повторителей. Другой недостаток состоит в том, что если произойдет разрыв кабеля, то вся сеть разрывается.
Сети с кольцевой топологией. Если соединить последний в магистрали компьютер с первым, то получится кольцевая топология, при этом сигнал проходит по кругу. Так как кольцо не имеет конца, то терминаторы не нужны. Физически в кольцевой сети, как и в шинной, используется коаксиальный кабель. Принцип действия: сигнал проходит в одном направлении. Кольцевая топология называется активной, т.к. каждый компьютер, прежде чем передать сигнал дальше регенерирует его. Чаще всего кольцевая топология используется в архитектуре Token Ring