Вычислительные системы
Вычислительная система (ВС)– совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих ЦП или ЭВМ, ВУ и ПО, предназначенная для сбора, хранения, обработки и распределения иформации.
Создание ВС преследует такие цели:
Повышение производительности системы за счёт ускорения процесса обработки данных
Повышение надёжности и достоверности вычислений
Предоставление пользователям дополнительного сервиса
Основная идея, реализованная в ВС – наличие нескольких вычислителей, обеспечивающих параллельную обработку данных. Это повышает быстродействие, надёжность и достоверность функционирования системы. Однако при этом усложняется управление вычислительным процессом, использование ТС и ПО. Эти функции выполняет ОС.
ВС можно разделять на многомашинные и многопроцессорные.
При многомашинной архитектуренесколько процессоров, входящих в ВС, не имеют общей ОП, а каждый имеет свою локальную память. Каждая входящая в ВС ЭВМ имеет классическую архитектуру. Но эффект от такой архитектуры м.б. получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру – они должны разбиваться на столько подзадач, сколько ЭВМ в системе.
Многопроцессорная архитектура означает, что в ВС несколько процессоров, и поэтому возможно организовать несколько параллельных потоков данных и потоков команд. Т.о. параллельно может выполняться несколько фрагментов одной задачи. Все процессоры работают с одной общей памятью.
Архитектура с параллельными процессорами предполагает, что несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Поэтому множество данных может обрабатываться по одной программе, т.е. по одному потоку команд. Большое быстродействие можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных массивах данных.
Уровни и средства комплексирования
При создании ВС стараются обеспечить несколько путей передачи данных, что позволяет достичь надежности, гибкости функционирования ВС. Эффективность обмена информацией определяется скоростью передачи и возможными объёмами данных, передаваемых по каналам взаимодействия. Это зависит от средств, обеспечивающих взаимодействие отдельных элементов, и уровня управления процессами, на котором это взаимодействие осуществляется. Сочетание различных уровней обмена данными между элементами наиболее полно используется в суперЭВМ. Там предусмотрены такие уровни комплексирования:
Прямого управления (процессор – процессор)
Общей ОП
Комплексируемых каналов ввода-вывода
Устройств управления внешними устройствами
Общих внешних устройств
На каждом уровне используются специальные ТС и ПС, обеспечивающие обмен информацией.
Уровень прямого управленияслужит для передачи коротких однобайтовых приказов-сообщений. Процессор-инициатор обмена по интерфейсу прямого управления передаёт в блок прямого управления байт-сообщение и выдаёт команду «прямая запись». В другом процессоре эта команда вызывает прерывание типа «внешнее». В ответ он выдаёт команду «прямое чтение» и записывает передаваемый байт в свою память. Затем принятая информация расшифровывается и по ней принимается решение.когда передача завершится, прерывания снимаются, и оба процессора продолжают выполнять свои программы. Очевидно, что этот уровень не может использоваться для передачи больших массивов данных, но удобен для оперативного взаимодействия сигналами. У ПК этот уровень соответствует комплексированию процессоров, подключаемых к системной шине.
Уровень общей ОПявляется самым предпочтительным для оперативного взаимодействия процессоров. Этот метод эффективен при небольшом числе обслуживаемых абонентов.
Уровень комплексируемых каналов ввода-выводапредназначен для передачи больших объёмов информации между блоками ОП сопрягаемых ЭВМ. Обмен данными между ЭВМ выполняется с помощью адаптера «канал-канал» (АКК) и команд «чтении» и «запись». Адаптер согласует скорости работы сопрягаемых каналов. Скорость обмена данными определяется скоростью самого медленного канала. Скорость передачи данных на этом уровне составляет несколько мегабит в секунду. В ПК этому уровню взаимодействия соответствует подключение периферийной аппаратуры через контроллеры и адаптеры.
Уровень устройств управления внешними устройствами(УВУ) предполагает использование встроенного в УВУ двухканального переключателя и команд «зарезервировать» и «освободить». Двухканальный переключатель позволяет подключать УВУ одной ЭВМ к каналам других ЭВМ. По команде «зарезервировать» канал-инициатор обмена получает доступ через УВУ к любым устройствам внешней памяти. Обмен канала с накопителями продолжается до полного завершения и получения команды «освободить». Только после этого УВУ может подключиться к другому каналу.
На четвёртом уровнекомплексирования с помощью аппаратуры передачи данных (АПД) (мультиплексоры, сетевые адаптеры, модемы и т.д.) обеспечивается возможность сопряжения с каналами связи. Эта аппаратура позволяет создавать сети ЭВМ.
Пятый уровеньпредполагает использование общих внешних устройств. Для подключения отдельных устройств используется автономный двухканальный переключатель.
Пять уровней комплексирования являются логическими, т.к. они объединяют на каждом уровне разнотипную аппаратуру, имеющую похожие методы управления. Каждое из устройств может иметь логическое имя, используемое в прикладных программах. Этим достигается независимость программ пользователей от конкретной физической конфигурации системы. Связь логической структуры программы и конкретной физической структуры ВС обеспечивается ОСом различными средствами: директивами пользователя, при генерации ОС, командами оператора ЭВМ. Разные уровни комплексирования позволяют создавать разные структуры ВС.
Второй логический уровень позволяет создавать многопроцессорные ВС. Обычно он дополняется первым уровнем, что повышает оперативность взаимодействия процессоров. ВС сверхвысокой производительности должны строиться как многопроцессорные. Центральный блок такой системы – быстродействующий коммутатор, обеспечивающий необходимые подключения процессоров и каналов к общей ОП.
Уровни 1, 3, 4, 5 обеспечивают построение различных многомашинных комплексов. Чаще всего используется комбинация 3 и 4. целесообразно дополнять их первым уровнем.
Пятый уровень комплексирования используется в редких специальных случаях, когда в качестве внешнего объекта используется какое-то дорогое уникальное устройство. В других случаях этот уровень малоэффективен. Любое ВУ является недостаточно надёжным, а, значит, если можно управлять не одним, а несколькими ВУ, выгоднее использовать 4-й уровень комплексирования.