Классификация вычислительных систем

1. По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные.

Универсальные ВС предназначаются для ре­шения самых различных задач.

Специализированные системы ориен­тированы 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, что, 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.

2. По типу вычислительные системы можно разделить на многомашинные и

м ногопроцессорные ВС.

Исторически многомашинные вы­числительные системы (ММС) появились первыми. Уже при использо­вании ЭВМ первых поколений возникали задачи повышения произво­дительности, надежности и достоверности вычислений. Для этих целей использовали комплекс машин. При этом:

- одна из машин выполняла вычис­ления, а другая находилась в «горячем» или «холодном» резерве, т.е. в готовности заменить основную ЭВМ;

- 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.

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.

Основные различия ММС заключаются 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.

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.

Недостатки МПС. 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. 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).

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, используемых для построения ВС, различают однородные

и неоднородные системы.

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 комплексируемых элементы очень сильно отличаются по сво­им техническим и функциональным характеристикам. Обычно это свя­зано с необходимостью параллельного выполнения многофункциональ­ной обработки. 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. 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.

4. 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 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 ВС различают 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.

6. 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.

7. По режиму работы ВС различают системы, работающие в опера­тивном и неоперативном временных режимах. Первые 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.