БАЛТИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ВОЕНМЕХ» им. Устинова Д.Ф.
Кафедра Систем обработки информации и управления
МЕЛЬНИК ВИТАЛИЙ ИВАНОВИЧ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И УПРАВ-
ЛЕНИЯ
Конспект лекций
Санкт-Петербург
2008 г.
1
Введение.................................................................................................................................... |
3 |
Структуры построения вычислительных систем обработки данных (СОД).......................... |
5 |
Одномашинные СОД............................................................................................................ |
5 |
Многомашинные СОД.......................................................................................................... |
5 |
Многопроцессорные СОД .................................................................................................... |
6 |
Специализированные СОД................................................................................................... |
7 |
Технические средства вычислительных систем.................................................................. |
9 |
Интерфейсы..................................................................................................................... |
11 |
Программное обеспечение вычислительных систем ........................................................ |
12 |
Способы организации параллельной обработки информации.......................................... |
15 |
Мультипрограммная обработка...................................................................................... |
16 |
Классификация вычислительных систем параллельной обработки................................. |
24 |
Системы класса ОКОД ................................................................................................... |
24 |
Системы класса МКОД................................................................................................... |
25 |
Системы класса ОКМД................................................................................................... |
26 |
Системы класса МКМД .................................................................................................. |
26 |
Многомашинные вычислительные системы ..................................................................... |
27 |
Прямосвязанные вычислительные системы .................................................................. |
29 |
Саттелитные вычислительные системы......................................................................... |
29 |
Многопроцессорные вычислительные системы................................................................ |
30 |
Вычислительные системы с общей шиной.................................................................... |
30 |
Вычислительные системы с перекрестной коммутацией.............................................. |
32 |
Вычислительные системы с многовходовыми ОЗУ...................................................... |
33 |
Особенности организации вычислительных процессов в классе систем МКМД ........ |
34 |
Вычислительные системы на основе микропроцессоров и микро-ЭВМ ......................... |
36 |
Первая группа разработок .............................................................................................. |
36 |
Вторая группа разработок............................................................................................... |
37 |
Третья группа разработок............................................................................................... |
38 |
Однородные системы и среды............................................................................................ |
39 |
Примеры реализации рассмотренных методов создания вычислительных систем......... |
40 |
Вычислительные системы с конвейерной обработкой.................................................. |
40 |
информации..................................................................................................................... |
40 |
Матричные вычислительные системы........................................................................... |
42 |
Вычислительная система ILLIAC-IV ............................................................................. |
43 |
Вычислительная система ПС-2000................................................................................. |
44 |
Ассоциативные вычислительные системы .................................................................... |
45 |
Считывание данных из ЗМ............................................................................................. |
46 |
Запись данных в ЗМ........................................................................................................ |
47 |
Функционально распределенные вычислительные системы........................................ |
48 |
Некоторые детали структурной организации вычислительных систем с |
|
перестраиваемой структурой.......................................................................................... |
49 |
Учебно-методическое обеспечение дисциплины.................................................................. |
51 |
Литература основная: ......................................................................................................... |
51 |
Литература дополнительная:.............................................................................................. |
51 |
2
Введение
Автоматизированные системы обработки информации используют в своей основе очень мощные вычислительные средства, обладающие сверх- высокой производительностью и огромной памятью.
Эти средства в совокупности с сетями ЭВМ образуют управления лю- быми по сложности и ответственности техническими объектами, группиров- ками таких объектов и подразделениями людей.
При этом вычислительные средства, которые используются АСОИУ, могут быть представлены:
-разнообразными вычислительными системами, как унифицирован- ными, так и специализированными;
-совокупностью главных ЭВМ глобальных и локальных сетей. Учитывая, что второе направление формирования вычислительных
средств рассматривается в курсе лекций «Сети ЭВМ и телекоммуникации»,
данный курс предлагает способы проектирования мощных вычислительных систем и их математического обеспечения.
Развитие электронной вычислительной техники началось с 50-х годов XX века и интенсивно продолжается с учетом двух следующих общих тен- денции:
1.Стремление к модульной конструкции
2.Стремление к организации параллельной работы многих ЭВМ, про- цессоров и других вычислительных устройств.
Первая тенденция связана с повышением физической надежности и гибкости вычислительной техники, а вторая тенденция – с повышением ее производительности. Улучшение характеристик надежности – это достаточно понятное стремление и поэтому не требует дополнительных пояснений.
Что касается гибкости, то любое вычислительное устройство обязано быть достаточно гибким, т.к. условие его функционирования непрерывно из- меняется. Особенно это касается перечня решаемых задач, их содержания и объема перерабатываемой информации.
Что касается производительности вычислительной техники, то ее почти всегда не хватает, т.к. возможности промышленности, как правило, отстают от потребностей науки и практики. Следует, однако, оговориться, что эта не- хватка ощущается, в основном, при решении схожих научных и технических проблем, которые требуют производительности в сотни миллионов и милли- арды операций в секунду. В качестве примера можно привести проблемы создания систем противоракетной обороны, которые обязаны обрабатывать одновременно тысячи целей и принимать оперативные (за минуты) решения, какими средствами, где и когда каждую из этих целей уничтожить.
Если при этом не существует серийных вычислительных средств, спо- собных реализовать подобные системы, то во всем мире используют способы параллельной обработки информации.
Этим вопросам и посвящается данный курс лекций, который касается изучения как теоретических аспектов таких работ, так и практической их реализации в образцах отечественной и зарубежной техники.
4
Структуры построения вычислительных систем
обработки данных (СОД)
Одномашинные СОД
Это исторически первые и до сих пор широко распространенные сис- темы обработки данных с традиционной однопроцессорной структурой. К
настоящему времени накоплен достаточно большой опыт проектирования и эксплуатации таких систем. Поэтому их создание, включая разработку про- граммного обеспечения, уже не вызывает принципиальных трудностей. Од- нако, характеристики производительности и надежности существующего парка таких СОД оказываются, как правило, удовлетворительными лишь для ограниченного направления их применения. По крайней мере, это можно с уверенностью утверждать в начале XXI века, когда производительность от- дельных однопроцессорных ЭВМ не превышает десятков миллионов опера- ций в секунду, а их надежностные характеристики не гарантируют безотказ- ную работу системы. Поэтому в очень ответственных СОД для обеспечения безотказного функционирования, требуется дублирование ЭВМ или процес- соров. Этот процесс необходимо осуществлять не только в интересах повы- шения характеристик надежности, но и повышения характеристик произво- дительности, т.е. комплексно, реализуя в конечном итоге мощную вычисли- тельную систему – многомашинную или многопроцессорную.
Многомашинные СОД
Вычислительные системы для таких СОД строятся на основе ряда ЭВМ общего применения, а их ориентация обеспечивается за счет прикладных программ и возможной доработки операционной системы.
Связь между ЭВМ в таких вычислительных системах обеспечивается: а) Через общие внешние запоминающие устройства (ВЗУ) – рис. 1.
Рис. 1
То есть за счет доступа всех ЭВМ к общей памяти такие системы назы- ваются вычислительными системами с косвенной связью. Они находят наи- большее применение тогда, когда ЭВМ взаимодействуют друг с другом дос-
5
таточно редко, например (рис. 1). При отказе одной из ЭВМ или в моменты начала и окончания обработки данных.
б) Через адаптер канал – канал (рис. 2).
Рис. 2
Связь ЭВМ через адаптер канал-канал обеспечивает более оперативное взаимодействие, чем предыдущая. Такие системы называются прямосвязан- ными вычислительными системами. Они создают хорошие условия для ко- ординации процессов обработки данных, позволяют вести параллельную об- работку информации, повышая этим производительность системы и т.п.
Многопроцессорные СОД
Существенно лучшие условия для взаимодействия процессов обработ- ки могут возникнуть тогда, когда вместо самостоятельных ЭВМ используют процессорные элементы (ПЭ), имеющие доступ ко всем периферийным уст- ройствам и памятям вычислительной системы. Такие системы называются многопроцессорными и используют структуру построения, приведенную на рис. 3.
Рис. 3
Процессорные элементы (ПЭ), модули оперативной памяти (МП) и ка- налы ввода-вывода (КВВ), к которым подключены периферийные устройства
6