Векторная алгебра
Пределы
Практикум

Основы вычислительных комплексов

2.4. Однородные системы и среды

 

В предыдущих параграфах был рассмотрен ряд вычислительных систем, при построении которых используются различные возможности по организации параллельной обработки. Во всех этих системах не ставится никаких условии или ограничений относительно состава и функций устройств, а также связей между ними.

В начале 00-х годов Э. В. Евреинов и Ю. Г. Косарев предложили несколько другой подход к построению систем, в основе которого три принципа: параллельность операций; переменность логической структуры; конструктивная однородность элементов и связей между ними.

Первый принцип базируется на аксиоме параллельности задач и алгоритмов: всякая сложная задача может быть представлена в виде связанных между собой простых подзадач и для любой сложной задачи может быть предложен параллельный алгоритм, допускающий ее эффективное решение. Аксиома параллельности, таким образом, обеспечивает достижение высокой производительности за счет параллельной работы большого числа обрабатывающих устройств или элементов.

Второй принцип базируется на аксиоме переменности логической структуры: процесс решения сложной задачи может быть представлен некоторой структурной моделью, включающей в себя подзадачи и связи между ними. Это означает, что для каждой сложной задачи можно предложить соответствующую структуру из обрабатывающих элементов, связанных между собой определенным образом.

Трети принцип базируется на аксиоме конструктивной однородности элементов и связей: все простые задачи получаются путем деления сложной задачи на части, а поэтому все эти простые задачи примерно одинаковы по объему вычислении и связаны между собой одинаковыми схемами обмена. Это означает, что система для решения сложной задачи может быть построена из одинаковых обрабатывающих элементов, связанных между собой одинаковым образом.

Таким образом, при соблюдении трех принципов вычислительная система может быть представлена как совокупность неограниченного числа одинаковых обрабатывающих устройств, однотипно связанных между собой. Эта совокупность перед решением задачи настраивается соответствующим образом. Такая однородная вычислительная система должна решать задачи неограниченной сложности и объема при высокой надежности и готовности, что обеспечивается избыточностью обрабатывающих устройств, унифицированностью связей между ними и легкостью перестройки системы.

В рассмотренных выше комплексах и системах в той или иной степени используются указанные выше три принципа: почти везде возможна параллельная обработка задач; во многих случаях, и первую очередь в МПВК, возможна реконфигурация и иногда прямая настройка системы на решение определенной задачи; наблюдается стремление унифицировать обрабатывающие средства, т. е. создавать по возможности однородные системы.

Описываемый подход к созданию вычислительных систем в виде однородных перестраиваемых структур отличается тем, что используются все три принципа, что, по мнению авторов, и должно обеспечить максимальный эффект.

 

Хотя эти идеи были выдвинуты более двадцати лет назад, достаточно активная их реализация началась сравнительно недавно. Это и понято, так как создание однородных систем из большого числа ЭВМ или процессоров второго и даже третьего поколения было вовсе не простой задачей: слишком громоздкими получались такие системы. Ясно, что эффективная реализация возможна лишь при весьма эффективной элементной базе. С развитием микропроцессоров и микро-ЭВМ на их остове такая база создана, и стала возможной реализация этих идей. В качестве иллюстрации можно рассмотреть систему МИНИМАКС [5].

Эта система относится к классу однородных и имеет программируемую макроструктуру. Число элементарных машин (ЭМ) в системе не фиксировано и может определиться классом решаемых задач. Структурную единицу системы составляет ЭМ, которая включает в себя вычислительный модуль (ВМ) и модуль межмашинной связи (ММС). Состав каждой ЭМ также достаточно произвольный – может выбираться из числа типовых спецификаций семейств АСВТ или СМ ЭВМ. В качестве ВМ используются ЭВМ, построенные на основе процессоров M-6000, М-7000, СМ ЭВМ. Модули МС, предназначенные для организации взаимодействия ЭМ, выполнены как автономные устройства, обеспечивают передачу дачных, адресов и управляющей информации между соседними ВМ.

Рис. 2.10. Связи между ЭМ в системе МИНИМАКС

 

Из рис. 2.10 видно, что каждая элементарная машина связана с четырьмя соседними и взаимодействуют они с помощью двух типов связи: 1 и 2, обеспечивающих полудуплексную работу. Связи типа 1 используются для пересылки данных между ОЗУ передающего ВM и одного или нескольких принимающих ВМ, передачи адресов между передающими и принимающими ВM и обмена логическими переменными между элементарными машинами. Связи типа 2 являются вспомогательными: они используются для программирования соединений между элементарными машинами по линиям связи типа 1, а также для передачи управляющей информации, обеспечивающей использование общих ресурсов – периферийных устройств, файлов, программ и др. Связь типа 3 между вычислительным модулем и модулем машинной связи в пределах одной элементарной машины – дуплексные и используются для обмена информацией с периферийными устройствами.

Важным аспектом работы однородной системы является программирование ее структуры – настройка, которая осуществляйся с помощью специальных регистров настройки, входящих в состав модулей машинной связи. Содержимое этих регистров может быть изменено либо собственным вычислительным модулем, либо вычислительным модулем любой другой элементарной машины.

Система МИНИМАКС – общего назначения и может работать в автоматизированных системах управления технологическими процессами.

Развитием однородных вычислительных систем являются однородные вычислительные среды, которые представляют собой и общем случае n-мерную решетчатую структуру. В частом случае это двухмерная структура из квадратных клеток, заполняющих плоскость. Каждая клетка в двухмерной структуре соединяется с четырьмя соседними. Между двумя соседними клетками проходят два канала настройки и один канал передачи рабочей информации (рис. З.11). Каждый элемент однородной вычислительной среды состоит из коммутационных и функциональных компонентов. Функциональный компонент реализует полную систему логических функций, например: ИЛИ – НЕ –   или ИЛИ – НЕ – , Коммутационные и функциональные компоненты позволяют путем соответствующей настройки при достаточном их числе реализовать любую структуру.

Рис. 2.11. Однородная вычислительная среда

 

Пока еще нет достаточного опыта, который позволил бы оцепить перспективность этих идей, однако можно отметить, что реализация однородных систем – непростая проблема, а эффективность таких систем не является безусловной. Надо иметь в виду, что связи между отдельными элементами достаточно сложны, аппаратные затраты на реализацию связей велики, причем чем элементарнее функции вычислительного модуля, тем больший удельный вес приобретают затраты па связи. Кроме того, программирование связей для настройки системы является достаточно сложной задачей. Вместе с тем не вызывает сомнения, что однородные вычислительные системы представляют значительный интерес и, по-видимому, будут активно развиваться.

Вернуться на главную