Классификация параллельных ВС

При построении параллельных вычислительных систем (ВС) разработчиками могут

ставиться различные цели, такие, например, как:

- повышение производительности;

- улучшение показателя производительность / стоимость;

- повышение надежности функционирования (системы высокой готовности) и т.д.

Параллельные вычислительные машины и системы могут классифицироваться по различным признакам. К наиболее распространенным можно отнести следующие классификации:

Данная классификация предложена американским ученым Флинном (Flinn) в начале 70-х годов и используется до настоящего времени. Он предложил подразделять все ВС на 4 группы :

- ОКОД - Одиночный поток команд / Одиночный поток данных ( SISD -Single Instruction / Single Data ). Это ВС и ЭВМ обычного последовательного типа (фон-Неймановкой архитектуры). Для данных ЭВМ параллельная обработка реализуется в виде многозадачной обработки (системы с разделением времени и др.). При этом в данный момент времени ЦП или ОУ занято выполнением какой-то одной задачи.

- ОКМД - Одиночный поток команд / Множество потоков данных (SIMD –Single Instruction / Multiple Data). Такая архитектура характерна для векторных и матричных ВС, выполняющих специальные векторные и матричные операции как параллельные операции для разных потоков данных. Под потоками данных подразумеваются последовательности элементов векторов (для векторных ВС) или строки матриц (для матричных ВС). В последние годы SIMD-расширения реализованы в системах команд процессоров общего назначения (MMX, SSE, SSE2 - Intel, 3DNow! - AMD, AltiVec - Motorola и др.)

- МКОД - Множество потоков команд / Одиночный поток данных ( MISD –Multiple Instruction / Single Data ). Данная архитектура соответствует ВС конвейерного типа, в которых один поток данных проходит разные ступени обработки в разных процессорных элементах (ПЭ).

Архитектуры типа ОКМД и МКМД используются при построении высокопроизводительных систем разного уровня, начиная от простых конвейерных ВС до супер-ЭВМ с векторными и параллельными процессорами.

МКМД - Множество потоков команд / Множество потоков данных ( MIMD – Multiple Instruction / Multiple Data ). Такая архитектура характерна для ВС сверхвысокой производительности, в которых множество ПЭ, выполняющих каждый свою вычислительную подзадачу (процесс), обмениваются потоками команд и данных в разных направлениях (транспьютерные системы, системы с массовым параллелизмом.

SMP- системы характеризуются следующими признаками:

Наличие двух или более одинаковых (или близких по характеристикам) процессоров.

Процессоры имеют доступ к общей памяти через подсистему взаимодействия, причем время доступа к памяти каждого процессора примерно одинаково.

Процессоры имеют доступ к общим средствам ввода/вывода.

Все процессоры способны выполнять одинаковый набор функций (отсюда и определение - симметричная система).

Весь комплекс управляется общей операционной системой, которая осуществляет распределение процессов или потоков задач между отдельными процессорами, взаимодействие между процессорами и программами на уровне заданий, файлов и элементов данных.

По сравнению с однопроцессорными системами SMP- системы имеют следующие преимущества:

Повышение производительности. Если отдельные части приложения могут выполняться параллельно, то система, имеющая множество процессов, будет работать быстрее.

Надежность. Все процессоры в SMP- системе однотипны и могут выполнять одни и те же задачи. В случае отказа одного из них, его задачу можно передать другому процессору и система не потеряет работоспособности.

Возможность наращивания. Пользователь может повысить производительность системы, включив в ее состав дополнительные процессоры.

Производство однотипных систем разной производительности. Изготовитель компьютеров может производить гамму систем с одинаковой архитектурой, но разной стоимостью и производительностью, отличающихся количеством процессоров.

Протокол MESI предусматривает, что каждая строка кэша может находиться в одном из следующих четырёх состояний, которые фиксируются в двух дополнительных битах:

· М (Modified – изменена). Строка изменена командой записи и это изменение не отражено в оперативной памяти и, тем более, в кэшах других процессоров. Эта строка достоверна только в том кэше, в котором произведено изменение строки.

· E (Exclusive – монопольно копированная). Эта строка содержит те же данные, что и соответствующий блок в оперативной памяти, причем они присутствуют только в данном кэше и отсутствуют во всех остальных.

· S (Shared – разделяемая). Эта строка содержит те же данные, что и соответствующий блок в оперативной памяти, причем они присутствуют не только в данном кэше, но и в каких-то других.

I (Invalid – недостоверная). Эта строка содержит недостоверные или не обновленные данные.