Организация мультипроцессоров с динамической архитектурой

Содержание

 

 

Введение

1. Динамические автоматные сети
2. Процессоры и МДА
3. Языковые средства и функции ОС МДА

Заключение

Список литературы

 

Введение

 

Лаборатория распределенных вычислительных структур под руководством д.т.н., проф. В.А.Торгашева более 20 лет занимается разработкой вычислительных устройств, архитектура которых может динамически изменяться в процессе решения задачи, подстраиваясь под логическую структуру конкретной задачи. Основной разработкой лаборатории, которая определяет на протяжении многих лет направление работ лаборатории, является мультипроцессор с динамической архитектурой (МДА), первая из версий которого, ЕС-2704, была реализована в конце 80-х годов XX века.. Архитектура этого мультипроцессора основана на принципиально новом подходе к программированию и представлении задач не в виде алгоритма, а в виде сети, которая может изменяться в процессе решения. Дальнейшие разработки привели к появлению нового типа компонента вычислительной системы - процессора с динамической архитектурой (ПДА), который может быть как элементом (модулем) МДА, так и самостоятельным устройством, которое может использоваться для самых различных приложений. Устройства, разработанные в лаборатории, используются как процессоры сигналов в радиолокационных станциях, как коммутационные станции для различных типов сигналов и коммутируемых линий (от коммутации низкочастотных телеграфных и телефонных каналов до высокоскоростных систем коммутации, включая и оптоволоконные линии, для кластерных суперкомпьютеров, коммутаторов,  маршрутизаторов Интернет и других).

 

Динамические автоматные сети

 

Определение ДАС осуществляется на трех основных уровнях - первичном,

примитивном и базовом. Первые два  уровня используются для теоретического, формального представления вычислительной модели, а базовый уровень может использоваться для практического программирования.

На первичном уровне определяются два основных типа первичных автоматов  — первичный объект и первичное  отношение. Автоматы имеют конечное число полюсов, посредством которых  они могут соединяться друг с  другом, причем связи между автоматами могут быть иерархическими и линейными, что соответствует отношениям принадлежности и предшествования. Меж автоматные связи реализуются с помощью коммутационной среды, которая будет рассмотрена ниже. Любой автомат, воздействуя на коммутационную среду, может выполнять ряд простейших операций, таких как соединение со свободным первичным автоматом (свободным считается автомат, не связанный ни с каким другим автоматом), за счет чего обеспечивается рост сети, соединение с заданным автоматом, входящим в сеть, удаление связей, соединение с автоматом другой сети. Эти операции достаточны для того, чтобы обеспечить любые структурные преобразования.

На следующем уровне ДАС определяются примитивные объекты и отношения, каждому из которых соответствует  некоторая ДАС (или, иными словами, макро автомат), состоящая из первичных автоматов. В любой структуре выделяется первичный автомат (объект или отношение), с которым ассоциируется структура в целом. Поэтому все, что далее говорится о структуре как таковой, относится к соответствующему первичному автомату.

Примитивными отношениями, с одной  стороны, являются общезначимые отношения, семантика которых определяется их названием (например, эквивалентность, имя, аргумент, значение), а с другой — ряд отношений, специфичных для рассматриваемой модели (например, состояние, метка или кратность, которые поясняются ниже). К примитивным объектам относится натуральное число и несколько примитивных операций, таких как слияние

структур, поиск в структуре подструктур, совпадающих с образцом, и выделение этих подструктур с помощью меток (одно из примитивных специфичных отношений), извлечение из структуры отмеченных подструктур.

В процессе своего развития ДАС может  формировать из некоторых

 

своих частей отдельные независимые сети. В то же время рассмотренные выше функции связей не позволяют выполнить обратное действие, то есть объединить несколько различных ДАС в одну сеть. Однако существуют ситуации, когда такое объединение является необходимым, например в случае если разделение некоторой ДАС произошло в из-за ошибки. Учитывая тот факт, что рассматриваемые автоматы являются конечными, а множество автоматов может быть бесконечным, скорее всего решение данной задачи может быть лишь вероятностным.

Основой «идеальной» реализации ДАС  является некоторое множество абстрактных процессоров, каждый из которых предназначен для выполнения некоторой определенной функции, соответствующей узлу программной сети, и существует только во время ее выполнения, и мощной коммутационной сети, которая позволяет осуществлять связь между динамически порождаемыми процессорами, передавать обрабатываемую и управляющую информацию между объектами ДАС. Генерация новых объектов, уничтожение объектов, выполнивших свою функцию, либо изменение связей между объектами программной сети, т.е. формирование очередного состояния ДАС, также определяются функциями и свойствами коммутационной сети.

Теория ДАС не накладывает никаких  ограничений на способы реализации программной сети. Поэтому можно предложить множество вариантов реализации МДА, основанных на совершенно различных технологиях. Наиболее логичными методами реализации могли бы быть:

- биологические (реализация процессоров,  представляющих объекты

программной сети в виде биологических  структур, находящихся в некотором «коммутационном бульоне», позволяющем произвольным образом динамически порождать и уничтожать требуемые структуры процессоров и динамически связывать их между собой);

- оптические (порождение структур  процессоров в нелинейной оптической среде в виде голограмм, определяющих функции некоторых логических оптических ячеек или элементарных процессоров и структуры связей между ними);

- электронные, основанные на  нанотехнологиях или квантовых компьютерах, т.е. электронные реализации, использующие возможность динамически создавать различные структуры процессоров и связей между ними на уровне микроскопических электронных структур. К сожалению, в настоящее время все вышеупомянутые технологии находятся в стадии исследований и пока не готовы к практическому использованию в реализациях МДА.

 

Процессоры и мультипроцессоры с динамической архитектурой.

 

Мультипроцессор — это компьютерная система, которая содержит несколько процессоров и одно адресное пространство, видимое для всех процессоров. Он запускает одну копию ОС с одним набором таблиц, в том числе тех, которые следят какие страницы памяти свободны.

Под виртуальной машиной с динамической архитектурой будем понимать

такую конструктивную вычислительную модель, ориентированную на определенную элементную базу (в данном случае микроэлектронную), которая отражает все существенные черты ДАС, но не связана с конкретной реализацией. В самом общем виде МДА представляет собой произвольную коммутационную сеть неограниченных размеров, к которой подключены устройства, реализующие динамические автоматы. Поэтому структурно МДА не отличается от любой вычислительной сети. Отличия появляются на уровне структуры устройств, обеспечивающих вычисления и в большей степени на уровне организации управления вычислениями.

Наиболее естественным способом создания МДА является реализация

множества базовых ДА на основе единой интегральной схемы (ИС), которую

назовем вычислительным модулем (ВМ). Современная технология позволяет

разместить на одном кристалле  несколько тысяч ДА. Учитывая высокий  уровень повторяемости элементов  ИС и возможность нормальной работы даже

при наличии определенного числа  дефектных ДА, стоимость такой ИС может

быть достаточно низкой. Соответственно вполне реальной является МДА, со-

держащая десятки миллионов ДА и отличающаяся как сверхвысокой вычислительной мощностью, так и сверхвысокой надежностью при полностью децентрализованном управлении.

Следует заметить, что полноценная  проверка эффективности такой МДА  для задач различных классов  может быть выполнена лишь на машине достаточно большого объема, что требует  больших первоначальных затрат, включающих разработку нескольких типов ИС и  изготовление большого их числа. Поэтому  целесообразно рассмотреть возможности  создания МДА на базе более традиционных вычислительных средств, таких как  обычные процессоры.

Рассмотрим ситуацию, когда вычислительный модуль, состоящий из множества ДА, реализован в виде процессора, имеющего память и несколько коммуникационных каналов. В каждом ДА можно выделить три основных компонента: описание, состояние и связи. Описание определяет функционирование автомата и включает в свой состав функции переходов, выходов и функции связей. Состояние и связи не требуют дополнительных пояснений. Если зафиксировать в некоторый момент времени все три компонента автомата и разместить их в определенной области памяти некоторого процессора, то можно говорить о размещении самого ДА в памяти. Без существенного ограничения общности можно считать, что все ДА требуют для своего размещения одинакового объема памяти, поскольку, если какому-либо компоненту ДА недостаточно от веденного для нее места, часть этого компонента может быть представлена в виде самостоятельного ДА, связанного с исходным и используемого только для хранения указанной части компонента. Таким образом, память процессора разбивается на одинаковые участки (ячейки), каждый из которых соответствует одному ДА.

Важной особенностью архитектуры  МДА является отсутствие таких

критических ресурсов как общая  память мультипроцессора или общие  шины

между модулями или кластерами. Общая  память используется только внутри

одного ВМ.

Мультипроцессор испытывали на ряде задач и он подтвердил все свои основные преимущества архитектуры МДА, такие как высокая производительность, легкость распараллеливания программ, независимость параллельной программы от количества процессоров (модулей) и крайне высокую надежность, позволяющую продолжать выполнение программы при выходе из строя (или отключении) значительной части модулей в процессе решения задачи, что позволяет сохранить работоспособность системы в условиях постепенной деградации аппаратуры.

Задачи, на которых исследовались  возможности МДА, относятся к  различным классам, таким как  цифровая фильтрация изображений, матричные  операции, решение больших систем алгебраических или дифференциальных уравнений, обработка гидроакустических  сигналов и телеметрической информации в реальном масштабе времени и  другие.

 

Языковые средства и функции  ОС мультипроцессоров с динамической архитектурой

 

В любых вычислениях, выполняемых  в различных типах компьютеров, в том

числе и мультипроцессорных, обычно присутствуют следующие взаимодействующие между собой компоненты:

- процессоры и другая аппаратура, выполняющие определенный набор команд

или функций и обеспечивающие некоторый набор ресурсов;

- операционные системы, обеспечивающие управление ресурсами, в том числе и распределение ресурсов между программами, взаимодействие программ с аппаратурой, а также взаимодействие между программами и пользователями (программистами, операторами);

- прикладные программы, решающие некоторые конкретные задачи, сформули-

рованные в виде алгоритмов и реализованные в виде последовательностей

команд соответствующих процессоров;

- языковые средства, включающие языки программирования и различные

компиляторы и интерпретаторы, обеспечивающие перевод (трансляцию)

программ с языков программирования в машинные языки, понятные

процессорам, а также в функции, выполняемые операционными системами.

Как правило, все эти компоненты вычислительного процесса слабо  связаны

между собой: процессоры выполняют  некоторый универсальный набор  операций, как правило, не ориентированный на конкретные задачи, языковые средства в

большей степени ориентированы  на использование процессоров традиционной (фон-неймановской) архитектуры, т.е. опять же не на структуру задачи, а на аппаратную архитектуру; операционная система лишь частично разрешает эти противоречия, предоставляя программно-языковым средствам некоторый набор функций, лишь слегка упрощающих взаимодействие прикладных программ с аппаратурой, при этом значительная часть процессорных ресурсов тратится на обеспечение этого взаимодействия. Подобное противоречие между структурой программно-аппаратных средств вычислительных систем и структурой решаемых на этих средствах задач уже давно известно под названием «семантический разрыв», однако до сих пор в большинстве вычислительных систем это противоречие разрешается только средствами языков программирования и операционных систем, а также за счет труда высококвалифицированных программистов, а не за счёт структурного подхода к решению задач.

Ещё более ярко это противоречие выявляется при решении задач  на параллельных мультипроцессорных структурах. Здесь семантический разрыв