Підхід Фліна до класифікації архітектур комп’ютерних систем. Доповнення Ванга та Бріггса до класифікації Фліна. Класифікація MIMD-архітектур Джонсона. Особливості способів компонування комп’ютерних систем Хендлера, Фенга, Шора, Базу та Шнайдера.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Класифікація комп'ютерних систем

Обґрунтування використання класифікації

Довільна схема класифікації повинна володіти наступними якостями: « можливістю класифікації всіх, як існуючих, так перспективних обчислювальних архітектур;

* диференціювання істотно відмінних обчислювальних архітектур;

* однозначність трактування довільних ЗОТ (засобів обчислювальної техніки) та їх архітектур.

Назви, що характеризують лише загальні принципи функціонування ЗОТ:

* векторно-конвеєрні;

* масивні-рівнобіжні (паралельні);

* комп'ютери із широким командним словом;

* систолічні масиви;

* гіперкуби;

* спецпроцесори і мультипроцесори;

* ієрархічні і кластерні комп'ютери;

* матричні ЕОМ,

Параметри ЗОТ, як, наприклад:

* організація пам'яті;

* топологія зв'язку між процесорами;

* синхронність роботи окремих процесорів чи пристроїв;

* спосіб виконання арифметичних операцій,

то число різних архітектур стане і зовсім неозорим.

Основа класифікації вирішується у залежності від того, на вирішення якої задачі вона спрямована.

Класифікація повинна допомогти користувачу (оператору, програмісту) розібратися

* що являє собою кожна архітектура;

* взаємозалежність її складових між собою;

* що необхідно враховувати для написання ефективних програм;

* на який клас архітектур варто орієнтуватися для рішення необхідного класу задач.

Вдала класифікація в стані підказати розробнику можливі шляхи удосконалювання комп'ютерів і в цьому змісті вона повинна бути досить змістовною. Тому слід вибрати класифікації, у яких в якості критеріїв диференційовані принципи функціонування чи параметри ЗОТ або ж введені нові істотні поняття.

Класифікація Фліна

У 1966 році М. Фліном (Flynn) був запропонований надзвичайно зручний підхід до класифікації архітектур комп'ютерних систем. В його основу було покладено поняття потоку, під яким мають на увазі послідовність елементів, команд або даних, що обробляються процесором.

Відповідна система класифікації базується на розгляді числа потоків інструкцій і потоків даних і описує чотири архітектурних класи:

§ SISD - Single Instruction Single Data

§ MISD - Multiple Instruction Single Data

§ SIMD - Single Instruction Multiple Data

§ MIMD - Multiple Instruction Multiple Data

SISD(Single Instruction stream / Single Data stream) - одиничний потік команд і одиничний потік даних. До цього класу відносяться послідовні комп'ютерні системи, які мають один центральний процесор, здатний обробляти тільки один потік послідовно виконуваних інструкцій. На сьогоднішній день практично всі високопродуктивні системи мають більше одного центрального процесора, однак кожний із них виконує незв'язані потоки інструкцій, що робить такі системи комплексами SISD-систем, що діють на різних просторах даних.

Для збільшення швидкості обробки команд і швидкості виконання арифметичних операцій може застосовуватись конвеєрна обробка. У випадку векторних систем векторний потік даних слід розглядати як потік із одиничних неподільних векторів. Прикладом комп'ютерів з архітектурою SISD можуть служити більшість робочих станцій Compaq, Hewlett-Packard і Sun Microsystem.

MISD(Multiple Instruction stream / Single Data stream) - множинний потік команд і одиничний потік даних. Теоретично в цьому типі машин багато інструкцій повинно виконуватись над одиничним потоком даних.

До цих пір жодної реальної машини, яка б потрапляла в цей клас, не створено. Аналогом роботи такої системи, можна розглядати роботу банку. З любого терміналу можна подати команду і дещо зробити з наявними даними. Оскільки база даних одна, а команд багато, то ми маємо справу з множинним потоком команд і одиничним потоком даних.

SIMD(Single Instruction stream / Multiple Data stream) - одиничний потік команд і множинний потік даних. Ці системи зазвичай мають велику кількість процесорів, від 1024 до 16384, які можуть виконувати одну і ту ж інструкцію відносно різних даних в жорсткій конфігурації. Єдина інструкція паралельно виконується над багатьма елементами даних.

Прикладами SIMD- машин є системи CPP DAP, Gamma II і Quadrics Apemille.

Іншим підкласом SIMD- систем є векторні комп'ютери. Векторні комп'ютери маніпулюють масивами схожих даних подібно тому, як скалярні машини обробляють окремі елементи таких масивів. Це робиться за рахунок використання спеціально сконструйованих векторних центральних процесорів.

При роботі у векторному режимі векторні процесори обробляють дані практично паралельно, що робить їх в кілька разів швидшими, ніж при роботі в скалярному режимі.

Прикладом таких систем є Hitachi S2600.

MIMD(Multiple Instruction stream / Multiple Data stream) - множинний потік команд і множинний потік даних. Такі машини виконують кілька потоків інструкцій над різними потоками даних. На відміну від згаданих вище багатопроцесорних SISD-систем, команди і дані зв'язані, тому що вони представляють собою різні частини однієї і тієї ж задачі. Наприклад, MIMD-системи, можуть паралельно виконувати багато підзадач з метою скорочення часу виконання основної задачі. Велика різновидність систем, які потрапляють в даний клас, роблять класифікацію Фліна не повністю адекватною.

Так 4 процесорні SX-5 компанії NEC, і багато тисячі процесорні Cray T3E потрапляють в цей один клас. Це вимушує використовувати інший підхід до класифікації систем.

Будемо вважати, що множинний потік команд може бути утворений двома способами:

§ або одним конвеєрним пристроєм обробки, який працює в режимі розділення часу для окремих потоків,

§ або кожний потік обробляється своїм власним пристроєм.

Перший варіант використовується в MIMD- комп'ютерах, які зазвичай називаються конвеєрними або векторними. Другий - в паралельних комп'ютерах.

В основі конвеєрних комп'ютерів лежить концепція конвейеризації, тобто явного сигментування арифметичного пристрою на окремі частини, кожна з яких виконує свою під задачу для пари операндів.

В основі паралельних комп'ютерів лежить ідея використання для розв'язання одної задачі кількох процесорів, які працюють разом, прчому процесори можуть бути як скалярними, так і векторинми.

ДОПОВНЕННЯ ВАНГА І БРІГГСА ДО КЛАСИФІКАЦІЇ ФЛІННА

комп'ютерна система класифікація

Базові класи (SISD, SIMD, MIMD) доповнюються згідно наступних ознак:

Клас SISD розбивається на два підкласи (рис.2.1):

· архітектури з єдиним функціональним пристроєм, наприклад, PDP-11;

· архітектури, що мають у своєму складі кілька функціональних пристроїв - CDC 6600, CRAY-1, FPS AP-120B, CDC Cyber 205, FACOM VP-200.

Рис. 2.1 Клас SISD

У клас SIMD уводяться два підкласи (рис.2.2):

· архітектури з послівно-послідовною обробкою інформації -ILLIAC IV, РЕРЕ, BSP;

· архітектури з розрядно-послідовною обробкою - STARAN, ICL DAP.



Рис. 2.2 Клас SIMD

У класі MIMD розрізняють (рис.2.3):

· обчислювальні системи зі слабким зв'язком між процесорами (з розподіленою пам'яттю), наприклад, Cosmic Cube,

· обчислювальні системи із сильним зв'язком (з загальною пам'яттю) C.mmp, BBN Butterfly, CRAY Y-MP, Denelcor HEP

У класі MIMD розрізняють

· обчислювальні системи зі слабким зв'язком між процесорами (з розподіленою пам'яттю), наприклад, Cosmic Cube,

· обчислювальні системи із сильним зв'язком (з загальною пам'яттю) C.mmp, BBN Butterfly, CRAY Y-MP, Denelcor HEP

Рис. 2.3 Клас MIMD

КЛАСИФІКАЦІЯ ХОКНИ (доповнення МКМД Флінна)

Множинний потік команд може бути оброблений двома способами(рис.1.4):

· одним конвеєрним пристроєм обробки, що працює в режимі поділу часу для окремих потоків;

· кожен потік обробляється окремо виділеним пристроєм.

Перша можливість використовується в MIMD комп'ютерах, визначених конвеєрними (наприклад, процесорні модулі в Denelcor HEP). Архітектури, що використовують другу можливість, поділяються на два класи:

· MIMD комп'ютери, у яких; можливі прямі зв'язки кожного процесора з кожним, що реалізовані за допомогою комутатора;

· MIMD комп'ютери, у яких прямий зв'язок кожного процесора можливий тільки з найближчими сусідами по мережі, а взаємодія віддалених процесорів підтримується спеціальною системою маршрутизації через процесори-посередники.

·

Рис. 2.4 Клас MIMD

Серед MIMD-систем з комутатором виділяються ті...