34.Архитектуры вычислительных систем. Сильносвязанные и слабосвязанные многопроцессорные системы. Архитектуры вычислительных систем

Многопроцессорные системы могут быть представлены двумя базовыми типами архитектур в зависимости от параллелизма данных:

• MISD (Multiple Instruction Single Data) – множество потоков команд – один поток данных;

• MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) – множество потоков команд – множество потоков данных.

Для MISD нашлась адекватная организация вычислительной системы – распределённая мультипроцессорная система с общими данными. Наиболее простая и самая распространённая система этого класса – обычная локальная сеть персональных компьютеров, работающая с единой базой данных, когда много процессоров обрабатывают один поток данных. Но как только в такой сети все пользователи переключаются на обработку собственных данных, недоступных для других абонентов сети, MISD-система превращается в систему с множеством потоков команд и множеством потоков данных, соответствующую MIMD-архитектуре.

Если многопроцессорный комплекс выполняет одну единственную программу без каких-либо признаков векторного параллелизма данных, то в этом конкретном случае он функционирует как обычный SISD-компьютер, и весь его потенциал остается невостребованным. Таким образом, употребляя термин «MIMD», надо иметь в виду не только много процессоров, но и множество вычислительных процессов, одновременно выполняемых в системе.

Другая классификация многопроцессорных вычислительных систем (МВС), основана на разделении МВС по двум критериям: способу построения памяти (общая или распределенная) и способу передачи информации. Здесь приняты следующие обозначения: Р – элементарный процессор, М – элемент памяти, К – коммутатор, С – кэш-память.

Параллельная вычислительная система с общей памятью и шинной организацией обмена (машина 1) позволяет каждому процессору системы «видеть», как решается задача в целом, а не только те части, над которыми он работает. Общая шина, связанная с памятью, вызывает серьёзные проблемы для обеспечения высокой пропускной способности каналов обмена. Одним из способов обойти эту ситуацию является использование кэш-памяти (машина 2). В этом случае возникает проблема когерентности (адекватности) содержимого кэш-памяти и основной памяти. Другим способом повышения производительности систем является отказ от общей памяти (машина 3).

Идеальной машиной является вычислительная система, у которой каждый процессор имеет прямые каналы связи с другими процессорами, но в этом случае требуется чрезвычайно большой объём оборудования для организации межпроцессорных обменов. Определенный компромисс представляет сеть с фиксированной топологией, в которой каждый процессор соединен с некоторым подмножеством процессоров системы (машины 4, 5, 6).Наиболее интересным вариантом для перспективных параллельных вычислительных комплексов является сочетание достоинства архитектур с распределенной памятью и каналами межпроцессорного обмена. Один из возможных методов построения таких комбинированных архитектур – конфигурация с коммутацией, когда процессор имеет локальную память, а соединяются процессоры между собой с помощью коммутатора (машина 9). Коммутатор может оказаться весьма полезным для группы процессоров с распределяемой памятью (машина 8). Данная конфигурация похожа на машину с общей памятью (машина 7), но здесь исключены проблемы пропускной способности шины.

MIMD-системы по способу взаимодействия процессоров делятся на системы с сильной и слабой связью.

Системы с сильной связью основаны на объединении процессоров на общем поле оперативной памяти.

Системы со слабой связью представляются многопроцессорными и многомашинными системами с распределенной памятью. Разница проявляется при обработке приложений, отличающихся интенсивностью обменов между процессами.