Векторные и векторно-конвейерные вс
Векторный процессор может быть реализован в двух вариантах:
Как дополнительный блок в универсальной вычислительной машине;
Как векторный процессор, являющийся основой самостоятельной ВС.
Два варианта реализации векторной обработки:
Конвейерное АЛУ
Предполагается, что операции над числами (компонентами вектора) достаточно сложны и поддаются разбиению на отдельные фазы. Например, операция сложения над числами с плавающей точкой предполагает наличие следующих фаз: выравнивание порядков, сдвиг мантиссы, сложение мантисс, нормализация.
Массив АЛУ
Одновременные операции над элементами векторов проводятся с помощью нескольких используемых параллельно АЛУ.
Матричные вс
Назначение матричных ВС – обработка больших массивов данных. В основе матричных систем лежит процессорный элемент, регулярно соединенный со своими соседями. В таких системах имеется общее УУ (контроллер), генерирующее поток команд, которые реализуют массив процессоров. Характер связей между процессорными элементами определяют свойства системы. Массив процессоров производит параллельную обработку множественных элементов данных (единый поток множественных элементов данных). Единый поток команд, управляющий обработкой данных, генерируется контроллером массива процессоров. Команды выполняются процессорами в режиме жесткой синхронизации. Сигналы управления используются как для синхронизации команд и пересылок, так и для управления процессом вычислений. Команды, данные, сигналы управления передаются из контролера в массив процессоров по широковещательной шине.
Массив процессоров помимо множества самих процессоров должен включать в себя множество модулей памяти. Таким образом, под термином «массив процессоров» следует понимать блок, состоящий из процессоров, модулей памяти и сети соединений.
Наиболее употребимы матричные ВС для решения матричных задач.
Пример: ВС DAP. Эта ВС включает в себя обрабатывающую матрицу 32×32 (каждый элемент – процессор). Эта матрица перемножает две матрицы 32×32 за 32 шага. Каждый элемент результирующей матрицы содержит 32 операции умножения и 32 – сложения, т.е. каждый элемент содержит 64 действия. Таких элементов приблизительно 1000. ВМ последовательного действия выполняла бы такое перемножение матриц за 64*103 действия, матричная ВМ выполняет умножение за 32 шага, т.е. матричная машина быстрее в 2000 раз; но при этом работает 1000 процессоров.
ВС класса MIMD
MIMD (МКМД) – обладают большой гибкостью и разнообразием, они могут функционировать и как высокопроизводительные однопользовательские системы, так и как многопрограммные ВС, выполняющие задачи параллельно. MIMD состоят из процессорных элементов, каждый из которых выполняет свою программу, причем достаточно независимо от других процессорных элементов. По варианту взаимодействия между процессорными элементами системы MIMD разделяются на:
систему с общей памятью, которая характеризуется, как сильно связанные системы, в которых имеется общая память, доступная для всех процессоров;
система с распределенной памятью, которая называется слабосвязанными системами, в которых память разделена между процессорами, и каждый блок памяти доступен только своему процессору.
Рассмотрим отдельных представителей, населяющих данный класс.
Симметричная мультипроцессорная ВС
(SMP – symmetric multy processing)
Отличительные черты:
Имеется два и более процессоров, сопоставимые по производительности;
Процессоры используют совместно ОП (основную память) и работают в едином виртуальном и физическом адресных пространствах;
Все процессоры связаны между собой так, что время доступа к памяти любого из них одинаково, привилегий ни у кого нет;
Все процессоры разделяют доступ к устройствам ввода-вывода либо через одни и те же каналы, либо через разные каналы, обеспечивающие доступ к одному и тому же устройству ввода/вывода;
Все процессоры способны выполнять одинаковые функции;
Любой процессор может обслуживать внешние прерывания;
ВС управляется интегрированной (общей) ОС, которая организует и координирует взаимодействие между процессорами на уровне заданий, задач, файлов и элементов данных.
Процессоры одновременно работают с данными, хранящимися в основной памяти, именно поэтому в SMP-системах важнейшее значение приобретает вопрос обеспечения когерентности данных. Когерентность означает, что в любой момент времени для каждого элемента данных в любом модуле (в данном случае – КЭШ-памяти) существует только одно его значение, несмотря на возможное одновременное существование нескольких копий этого элемента данных, расположенных в разных видах памяти и разных процессорах. В современных SMP-системах когерентность данных обеспечивается чаще всего аппаратно. В типовых SMP-системах существует специальная шина слежения за когерентностью, которая используется для своевременного внесения обновления данных.
Недостатки:
Необходимость организации канала процесса в память с очень высокой пропускной способностью;
Наличие общих ресурсов, а именно ОП и системы ввода-вывода, при обращении к которым возникают конфликты, а значит и потери времени.
ВС NUMA (Non-Uniform Memory Access) – ВС с неоднородным доступом к памяти.
Отличительные черты:
Отдельные модули объединяются между собой с помощью высокоскоростной коммуникационной системы;
Общей основной памяти нет, она, память, распределена, разделена между отдельными модулями. Хотя основная память разделена, тем не менее, она сохраняет общее единое адресное пространство. Это значит, что любая ячейка основной памяти в любом из модулей имеет уникальный адрес;
Доступ к локальной ОП значительно быстрее, чем к общей ОП;
Если процессор инициирует доступ к памяти, и нужная ему ячейка не представлена ни в его КЭШ-памяти, ни в его ОП, то тогда формируется запрос к памяти другого узла (модуля). При этом каждый узел содержит справочник, который указывает, у какого процессора находится какое адресное пространство;
Обеспечение когерентности также представляет собой серьезнейшую проблему для NUMO-систем. Когерентность КЭШ также обеспечивается, как правило, аппаратным путем.
ВС с массовой параллельной обработкой
Отсутствует общая память. Это заметно снижает скорость межпроцессорного обмена, поскольку нет общей среды для хранения данных, предназначенных для обмена между процессорами.
Требуется специальная техника программирования для реализации обмена сообщениями между процессорами.
Каждый процессор может использовать только ограниченный объем локального банка памяти.
Кластерные ВС
Кластер — группа компьютеров, объединённых высокоскоростными каналами связи и представляющая с точки зрения пользователя единый аппаратный ресурс.
Кластеризация – технология, с помощью которой несколько серверов, сами являющиеся вычислительными системами, объединяются в единую систему более высокого ранга для повышения эффективности функционирования системы в целом.
Кластер компьютеров представляет собой несколько объединенных компьютеров, управляемых и используемых как единое целое. Они называются узлами и могут быть одно- или мультипроцессорными. В классической схеме при работе с приложениями все узлы разделяют внешнюю память на массиве жестких дисков, используя внутренние дисковые накопители для специальных функций (например, системных).
Обычно различают следующие основные виды кластеров:
Кластеры высокой доступности (High-availability clusters, HA);
Кластеры распределения нагрузки (Load balancing clusters);
Кластеры повышенной производительности(High-performance clusters, HPC);
grid-системы.
Кластеры высокой доступности:
Обозначаются аббревиатурой HA (High Availability — высокая доступность). Создаются для обеспечения высокой доступности сервиса, предоставляемого кластером. Избыточное число узлов, входящих в кластер, гарантирует предоставление сервиса в случае отказа одного или нескольких серверов. Типичное число узлов — два, это минимальное количество, приводящее к повышению доступности. Создано множество программных решений для построения такого рода кластеров. В частности, для GNU/Linux, FreeBSD и Solaris существует проект бесплатного ПО Linux-HA.
Кластеры распределения нагрузки:
Принцип их действия строится на распределении запросов через один или несколько входных узлов, которые перенаправляют их на обработку в остальные, вычислительные узлы. Первоначальная цель такого кластера — производительность, однако, в них часто используются также и методы, повышающие надежность. Подобные конструкции называются серверными фермами. Программное обеспечение (ПО) может быть как коммерческим (OpenVMS Cluster, Platform LSF HPC, Sun Grid Engine, Moab Cluster Suite, Maui Cluster Scheduler), так и бесплатным (Linux Virtual Server, Mosix).
Кластеры повышенной производительности: Обозначаются аббревиатурой HPC (High performance cluster). Позволяют увеличить скорость расчетов, разбивая задание на параллельно выполняющиеся потоки. Используются в научных исследованиях. Одна из типичных конфигураций — набор серверов с установленной на них операционной системой Linux, такую схему принято называть кластером Beowulf. Для HPC создается специальное ПО, способное эффективно распределять задачу между узлами. Эффективные связи между серверами в кластере позволяют им поддерживать связь и оперативно обмениваться данными, поэтому такие кластеры хорошо приспособлены для выполнения процессов, использующих общие данные.
Системы распределенных вычислений (grid): Такие системы не принято считать кластерами, но их принципы в значительной степени сходны с кластерной технологией. Их также называют grid-системами. Главное отличие — низкая доступность каждого узла, то есть невозможность гарантировать его работу в заданный момент времени (узлы подключаются и отключаются в процессе работы), поэтому задача должна быть разбита на ряд независимых друг от друга процессов. Такая система, в отличие от кластеров, не похожа на единый компьютер, а служит упрощенным средством распределения вычислений. Нестабильность конфигурации, в таком случае, компенсируется большим числом узлов.
В отличие от "мэйнфреймов" - суперкомпьютеров с традиционной архитектурой - кластер строится на базе массово выпускаемых компонентов и состоит из стандартных серверов - вычислительных узлов, объединенных высокопроизводительной системной сетью - интерконнектом. Кластерная архитектура решений предоставляет пользователям вычислительных систем с суперкомпьютерным уровнем производительности ряд существенных преимуществ:
наиболее выгодное соотношение "цена/производительность";
прекрасные возможности расширения: производительность кластера можно увеличить путем простого добавления стандартных вычислительных узлов;
высокая отказоустойчивость: при выходе из строя вычислительного узла его легко заменить без остановки системы;
простота обслуживания;
низкая стоимость владения.
Недостатки: задержки разработки и принятия общих стандартов; большая доля нестандартных и закрытых разработок различных фирм, затрудняющих их совместное использование; трудности управления одновременным доступом к файлам; сложности с управлением конфигурацией, настройкой, развёртыванием, оповещениями серверов о сбоях и т.п.
Компьютерные сети. Принципы построения компьютерных сетей
I Основные понятия и определения
II Модель взаимодействия открытых систем
III Семиуровневая система протоколов
IV Классификация компьютерных сетей
V Коммутация в сетях
VI Проблема защиты информации в компьютерных сетях
Основные понятия и определения
Компьютерная сеть – сеть обмена распределенной обработки информации, образуемая множеством взаимосвязанных абонентских систем и средствами связи.
Так же компьютерная сеть ‒ средство передачи и обработки информации, которое ориентировано в сети на коллективное использование общих системных ресурсов: программных, аппаратных, информационных.
Абонентская система (АС) – система оборудования конечного пользователя сети, включающая:
Сетевой компьютер с периферийными устройствами ввода-вывода;
Средства связи с коммуникационной подсетью компьютерной сети, которые выполняют прикладные процессы.
АС – рабочая станция сети.
Коммуникационная подсеть – совокупность физической среды передачи информации, программных и аппаратных средств, обеспечивающих взаимодействие абонентских систем.
Схема взаимодействия элементов компьютерной сети
Сообщение – цифровые данные, предназначенные для распространения (биты, байты).
Станция – преобразует сообщение в сигнал.
Сигнал – переносчик сообщения, реализуемый в виде физического процесса (боды).
Боды – количество импульсов в единицу времени; высчитываются исходя из последовательности передачи.
Сигнал, передаваемый из АС в коммуникационную подсеть, содержит достаточно много контрольной информации, которая позволяет обнаруживать и исправлять возникающие ошибки.
При передаче импульсного сигнала по радиоканалу искажения составляют 10-3, а по проводному - 10-6.
Пользователи запускают свои прикладные задачи, реализуя, таким образом свои информационные запросы.
Между абонентами сети должно существовать два вида связи:
Физическое соединение через коммуникационную подсеть;
Логическая связь между процессами.
В случае если компьютер используется только для ввода-вывода команд или данных, его называют терминалом. Принято считать, что назначение компьютерных сетей определяется двумя функциями:
Терминал – удаленный процесс;
Терминал – доступ к удаленному файлу;
Терминал – удаленный доступ к базе данных;
Терминал – терминал;
Удаленная почта.
Терминал – удаленный процесс
В этом случае устанавливается логическая связь с процессом на другой абонентской ВМ и производится сеанс работы с этим процессом. Это означает, что реализуется обработка данных на удаленном компьютере.
Терминал – доступ к удаленному файлу
Открывается удаленный файл, файл модифицируется и транспортируется на внешнее устройство для работы, использования в локальном режиме.
Терминал – удаленный доступ к базе данных
Производится работа базой данных в ее полном объеме с правами пользователя.
Терминал – терминал
Обмен сообщениями между абонентами в диалоговом режиме. Сообщения могут посещаться как отдельным абонентом, так и группами абонентов.
Удаленная почта
Форма взаимодействия, когда каждый абонент имеет на ВМ почтовый ящик, который является специальным файлом, в котором записываются поступающие сообщения.
Модель взаимодействия открытых систем
При построении такой модели используется следующий многоуровневый подход:
Все множество модулей системы разбивается на уровни;
Уровни образуют иерархичность;
Множество модулей, составляющих каждый уровень, формируется таким образом, что для выполнения своих задач они обращаются с запросами или сообщениями только к смежным уровням;
Предполагается четкое определение функций каждого уровня и интерфейсов между уровнями;
Достигается определенная независимость уровней.
Протокол и интерфейс выражают одно и то же понятие, но в сетях за ними закреплены разные области действия:
протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня, находящихся в разных узлах;
интерфейс определяет правила взаимодействия соседних уровней в одном узле.
Очевидно, что основной задачей, решаемой при создании компьютерных сетей, является обеспечение совместимости оборудования по электрическим характеристикам и обеспечение совместимости информационного обеспечения, т.е. программ и данных по системе кодирования форматов данных и т.д. По своему характеру это задача стандартизации.