Классификация вычислительных систем

     Вычислительная  система – это совокупность взаимосвязанных и взаимосоединенных  процессоров или вычислительных  машин,  периферийного оборудования  и   программного обеспечения для решения задач пользователя.

     Основной  отличительной  чертой  вычислительных  систем  является  наличие в них средств,  реализующих параллельную  обработку за  счет  построения  параллельных  ветвей  вычисления,  что как правило  не  предусматривается в вычислительных  машинах. 

     Классификация  вычислительных  систем. 

     1. По назначению (универсальные и специализированные)

А) Универсальные  ВС предназначаются для решения самых различных задач.

Б) Специализированные системы ориентированы на решение  узкого класса задач. 

     Специализация ВС может устанавливаться различными средствами:

     1) структурой системы (количеством  параллельно работающих элементов,  связи между ними и т.д.). Структура  может быть ориентирована на  определенные виды обработки  информации: матричные вычисления, решение алгебраических, дифференциальных  и интегральных уравнений и  т.п. (Из практики разработки ВС: чем выше производительность, тем уже класс эффективно решаемых ВС задач);

     2) включением в состав ВС специального оборудования и специальных пакетов обслуживания техники.  

     2. По типу (многомашинные и многопроцессорные)

     Многомашинные ВС используются для повышения производительности, надежности и достоверности вычислений. Исторически они появились перед многопроцессорными.   

     Положения 1 и 3 электронного ключа (ЭК) обеспечивали режим повышенной надежности. При этом одна из машин выполняла вычисления, а другая находилась в «горячем» или «холодном» резерве, т.е. в готовности заменить основную ЭВМ. Положение 2 электронного ключа соответствовало случаю, когда обе машины обеспечивали параллельный режим вычислений. Здесь возможны две ситуации:  

     а) обе машины решают одну и ту же задачу и периодически сверяют результаты решения. Тем самым обеспечивался режим повышенной достоверности, уменьшалась вероятность появления ошибок в результатах вычислений. Примерно по такой же схеме построены управляющие бортовые вычислительные комплексы космических аппаратов, ракет, кораблей. Например, американская космическая система «Шатл» содержала пять вычислительных машин, работающих по такой схеме;  

     б) обе машины работают параллельно, но обрабатывают собственные потоки заданий. Возможность обмена информацией между машинами сохраняется. Этот вид работы относится к режиму повышенной производительности. Она широко используется в практике организации работ на крупных вычислительных центрах, оснащенных несколькими ЭВМ высокой производительности.  

     Схема, представленная выше, была неоднократно повторена в различных модификациях при проектировании разнообразных  специализированных ММС. Основные различия ММС заключаются, как правило, в  организации связи и обмена информацией  между ЭВМ комплекса. Каждая из них  сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной  ОС. Любая другая подключаемая ЭВМ  комплекса рассматривается как  специальное периферийное оборудование. В зависимости от территориальной  разобщенности ЭВМ и используемых средств сопряжения обеспечивается различная оперативность их информационного  взаимодействия.  

     В создаваемых ВС стараются обеспечить несколько путей передачи данных, что позволяет достичь необходимой надежности функционирования, гибкости и адаптируемости к конкретным условиям работы. Эффективность обмена информацией определяется скоростью передачи и возможными объемами данных, передаваемыми по каналу взаимодействия. Эти характеристики зависят от средств, обеспечивающих взаимодействие модулей и уровня управления процессами, на котором это взаимодействие осуществляется. Сочетание различных уровней и методов обмена данными между модулями ВС в наиболее полной форме нашло свое выражение в универсальных суперЭВМ и больших ЭВМ, в которых сбалансировано использовались все методы достижения высокой производительности.  

     Многопроцессорные системы (МПС) строятся при комплексировании нескольких процессоров. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечивается под управлением единой операционной системы. По сравнению с ММС здесь достигается наивысшая оперативность взаимодействия вычислителей процессоров. Многие исследователи считают, что использование МПС является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений.   

     Однако  МПС имеет 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 аппаратно-программными средствами. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС.   

     Накопленный опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом  числе комплексируемых процессоров (от 2—4 до 10). В отечественных системах «Эльбрус» обеспечивалась возможность работы до 10 процессоров, до 32 модулей памяти, до 4 процессоров ввода-вывода и до 16 процессоров связи.

     Создание  подобных коммутаторов представляет сложную  техническую задачу, тем более, что они должны быть дополнены буферами для организации очередей запросов. Для разрешения конфликтных ситуаций необходимы схемы приоритетного обслуживания. До настоящего времени в номенклатуре технических средств ЭВТ отсутствуют высокоэффективные коммутаторы общей памяти. 

     3. По типу ЭВМ  или процессоров  (однородные и  неоднородные)  

     Однородные  системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров),

     неоднородные  — разнотипных. В однородных системах значительно упрощается 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, облегчается 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 связные, коммуникационные машины и машины обработки данных. В таких системах коммуникационные ЭВМ выполняют функции связи, контроля получаемой и передаваемой информации, формирование 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 МПС. Многие ЭВМ, в том числе и ПЭВМ, могут использовать сопроцессоры: десятичной арифметики, матричные и т.п.

     4. По степени территориальной  разобщенности (сосредоточенные и распределенные)  

     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 СБИС появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.

     В совмещенных и распределенных ММС  сильно различается оперативность  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.  

     5. По методам управления  элементами (централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением).  

     Помимо  параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизованных ВС за это отвечает главная, или диспетчерская, ЭВМ (процессор). Ее задачей является 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 системах 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.   

     6. По режиму работы  ВС (оперативные и неоперативные)  

     Оперативные, 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. Структурные признаки, в свою очередь, отличаются многообразием: топология управляющих и информационных связей между элементами системы, способность системы к перестройке и перераспределению функций, иерархия уровней взаимодействия элементов. В наибольшей степени структурные характеристики определяются архитектурой системы.