152. Основные понятия информационно-вычислительных систем, классификация по критерию потоков информации

Понятие вычислительная машина обычно применяют к вычислительному устройству, имеющему небольшие габариты и единую конструкцию. Обычно это устройство включает минимально необходимые функциональные узлы. Система относится к более сложным устройствам и объединяет функциональные блоки территориально разнесенные, чаще однотипные. В составе системы может быть несколько функциональных однотипных блоков. Понятие комплекс выше системы, его применяют к устройствам занимающим определенное пространство, т.е. разнесенные, имеющие каналы связи и разнотипные повторяющиеся функциональные блоки. Поскольку между комплексом и системой граница размыта, обычно их разделяют по конструктивному признаку. Комплекс — это множество самостоятельных конструктивно устройств. Сети — территориально разнесенные вычислительные устройства, использующие стандартные способы связи между собой. Обычно система — вычислительная, сегодня информационно-вычислительная система (ИВС). Как правило информационно-вычислительная система или информационно-вычислительный комплекс имеют прикладное назначение. Те или иные конфигурации предназначены для сбора и обработки информации, управления, диагностирования, автоматизированных рабочих мест. В этих приложениях непосредственно вычислительные процедуры занимают не основную роль. Основным становится передача, хранение информации. В зависимости от состава системы изменяется конфигурация, динамические характеристики, надежность устройств. В процессе эволюции системы прошли длинный путь, поэтому появились различные конфигурации вычислительных систем.

Среди множества возможных классификаций параллельных структур различают несколько.

Классификация по потокам данных \ команд

Традиционная архитектура вычислителей (последовательных) может быть представлена в этом делении следующей структурой. Общая память данных \ команд оперирует с потоками данных и команд. Поток — это направленный перенос информации источник-приемник по шинам. Как данные, так и команды в произвольный временной интервал существуют независимо друг от друга и каждый в одном виде. Это последовательная структура, в которой данные связаны с одной конкретной командой. Если необходимы новые данные, формируется новая команда или повторяется.

Общий поток команд \ множественный поток данных. Отображение этих потоков на структуру вычислителя можно представить в следующем виде.

Главное отличие этой структуры: множество пар процессор-память данных, работающих под управлением единой команды из памяти команд. Эта структура наиболее близка к термину параллельная обработка, поскольку в каждый момент времени множество операндов преобразуются под управлением одинаковых команд. Неким подобием этой структуры является секционированный арифметический блок, в котором одна микрокоманда поступает на все секции, а операнды различны, но это лишь частный случай. Реально операнды должны быть независимы. Такая структура иногда именуется матричной многопроцессорной системой, но матрица подразумевает наличие матрицы процессоров — регулярной структуры, в узлах которой находятся процессоры. Основное для данной структуры — необходимость и возможность распараллеливания, т.е. разработки таких алгоритмов, когда входные сигналы независимы и вместе с этим преобразуются по однотипным командам. Конечно, в реальных условиях некоторые процессоры пропускают ту или иную команду, но система эффективно работает, если таких пропусков немного. Параллельные системы с такой структурой применяют для обработки многомерной графики, сигналов от реальных датчиков, работающих в реальном времени.

Вторым вариантом распараллеливания является конвейеризация. В конвейере множество команд работает над одиночным потоком данных. Процессоры соединены в цепочку по шинам данных, при этом шины команд у каждого самостоятельные. В каждый момент времени выполняются разные команды в процессорах над одним потоком данных. Поток данных в этом случае — последовательность операндов несущих информацию о какой-то величине. При этом каждое значение операнда последовательно преобразуется согласно поступающим командам. Если в цепочке 5 процессоров, то преобразование выполняется за 5 тактов и результат на выходе формируется через время t=5t. Выигрыша в задержке здесь нет, но пока операнд находится в цепочке, синхронно с ним преобразуются еще 4 операнда в остальных процессорах, поэтому общая производительность повышается. Эти структуры применяют для преобразования в реальном времени, когда информация как бы задерживается в цепочке. Первый результат формируется через 5t, все последующие за t. В данных структурах общий алгоритм разбивается на составляющие части независимо одна от другой, поэтому сложностей в разбиении нет, и конвейерная структура может применяться значительно шире в параллельной обработке. Конвейерный подход к обработке информации распространяется не только на межпроцессорные связи, но и используется внутри процессора. Несколько АЛУ последовательно прообразуют входной сигнал, повышая тем самым производительность (RISC). Совмещение двух рассмотренных подходов: параллельной и конвейерной обработки выразилось в применении множественного потока команд и множественного потока данных.

Структура с множественным потоком команд и данных — чисто матричная, регулярная структура, где матрица процессоров в одном слое использует параллельную обработку, а последовательно по слоям конвейер. Это направление известно как однородные вычислительные системы. Применяются в сверхбыстродействующих специализированных системах работы с реальными сигналами. Уровень сложности подчеркивается тем, что в качестве устройства управления памятью команд применяют процессор типа СМ (СМ1420).