Класифікація архітектури обчислювальних систем за Флінном

Поняття архітектури високопродуктивної системи є достатньо широким, оскільки під архітектурою можна розуміти і спосіб паралельної обробки даних, використовуваний в системі, і організацію пам'яті, і топологію зв'язку між процесорами, і спосіб виконання системою арифметичних операцій. Спроби систематизувати всю безліч архітектури вперше були зроблені в кінці 60-х років і продовжуються до цього дня.

У 1966 р. М.Флінном (Flynn) був запропонований надзвичайно зручний підхід до класифікації архітектури обчислювальних систем. У його основу належало поняття потоку, під яким розуміється послідовність елементів, команд або даних, оброблювана процесором. Відповідна система класифікації заснована на розгляді числа потоків інструкцій і потоків даних і описує чотири архітектурні класи:

SISD = Single Instruction Single Data

MISD = Multiple Instruction Single Data

SIMD = Single Instruction Multiple Data

MIMD = Multiple Instruction Multiple Data

SISD (single instruction stream / single data stream) – одиночний потік команд і одиночний потік даних. До цього класу відносяться послідовні комп'ютерні системи, які мають один центральний процесор, здатний обробляти тільки один потік послідовно виконуваних інструкцій. В даний час практично всі високопродуктивні системи мають більш за один центральний процесор, проте кожен з них виконує незв'язані потоки інструкцій, що робить такі системи комплексами SISD-систем, що діють на різних просторах даних. Для збільшення швидкості обробки команд і швидкості виконання арифметичних операцій може застосовуватися конвеєрна обробка. У разі векторних систем векторний потік даних слід розглядати як потік з одиночних неподільних векторів. Прикладами комп'ютерів з архітектурою SISD можуть служити більшість робочих станцій Compaq, Hewlett-Packard і Sun Microsystems.

MISD (multiple instruction stream / single data stream) – множинний потік команд і одиночний потік даних. Теоретично в цьому типі машин безліч інструкцій повинна виконуватися над єдиним потоком даних. До цих пір жодної реальної машини, що потрапляє в даний клас, створено не було. Як аналог роботи такої системи, мабуть, можна розглядати роботу банку. З будь-якого терміналу можна подати команду і щось зробити з наявним банком даних. Оскільки база даних одна, а команд багато, ми маємо справу з множинним потоком команд і одиночним потоком даних.

SIMD (single instruction stream / multiple data stream) – одиночний потік команд і множинний потік даних. Ці системи зазвичай мають велику кількість процесорів, від 1024 до 16384, які можуть виконувати одну і ту ж інструкцію відносно різних даних в жорсткій конфігурації. Єдина інструкція паралельно виконується над багатьма елементами даних. Прикладами SIMD-машин є системи CPP DAP, Gamma II і Quadrics Apemille. Іншим підкласом SIMD-систем є векторні комп'ютери. Векторні комп'ютери маніпулюють масивами схожих даних подібно до того, як скалярні машини обробляють окремі елементи таких масивів. Це робиться за рахунок використання спеціально сконструйованих векторних центральних процесорів. Коли дані обробляються за допомогою векторних модулів, результати можуть бути видані на один, два або три такти частотогенератора (такт частотогенератора є основним тимчасовим параметром системи). При роботі у векторному режимі векторні процесори обробляють дані практично паралельно, що робить їх у декілька разів швидшими, ніж при роботі в скалярному режимі. Прикладами систем подібного типу є, наприклад, комп'ютери Hitachi S3600.

MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) – множинний потік команд і множинний потік даних. Ці машини паралельно виконують декілька потоків інструкцій над різними потоками даних. На відміну від згаданих вище багатопроцесорних SISD-машин, команди і дані зв'язані, тому що вони представляють різні частини одного і того ж завдання. Наприклад, MIMD-системы можуть паралельно виконувати безліч підзадач з метою скорочення часу виконання основного завдання. Велика різноманітність систем, що потрапляють в даний клас, робить класифікацію Флінна не повністю адекватною. Дійсно, і чотирипроцесорний SX-5 компанії NEC, і тисячипроцесорний Cray T3E потрапляють в цей клас. Це примушує використовувати інший підхід до класифікації, інакше що описує класи комп'ютерних систем. Основна ідея такого підходу може полягати, наприклад, в наступному. Вважатимемо, що множинний потік команд може бути оброблений двома способами: або одним конвеєрним пристроєм обробки, часі, що працює в режимі розділення, для окремих потоків, або кожен потік обробляється своїм власним пристроєм. Перша можливість використовується в MIMD-компьютерах, які зазвичай називають конвеєрними або векторними, друга – в паралельних комп'ютерах. У основі векторних комп'ютерів лежить концепція конвеєризації, тобто явної сегментації арифметичного пристрою на окремі частини, кожна з яких виконує свою підзадачу для пари операндів. У основі паралельного комп'ютера лежить ідея використання для вирішення одного завдання декількох процесорів, що працюють спільно, причому процесори можуть бути як скалярними, так і векторними.

Класифікація архітектури обчислювальних систем потрібна для того, щоб зрозуміти особливості роботи тієї або іншої архітектури, але вона не є достатньо детальною, щоб на неї можна було спиратися при створенні БОС, тому слід вводити детальнішу класифікацію, яка пов'язана з різною архітектурою ЕОМ і з використовуваним обладнанням.

SMP- і MPP-архітектури

SMP-архитектура|

Рисунок. 3.1. Схематичний вид SMP-архитектуры|

Основні переваги SMP-систем|:

· простота експлуатації. Як правило, SMP-системы| використовують систему кондиціонування, засновану на повітряному охолоджуванні, що полегшує їх технічне обслуговування;

· відносно невисока ціна.

Недоліки|нестачі|:

· системи із|із| загальною|спільною| пам'яттю погано масштабуються.

MPP-архитектура|