Классификация архитектур вычислительных систем

МИНОБРНАУКИ  РОССИИ

 

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(РГГУ)

 

ИНСТИТУТ  ИНФОРМАЦИОННЫХ НАУК И ТЕХНОЛОГИЙ БЕЗОПАСНОСТИ

 

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ

 

 

 

 

Реферат

«Классификация архитектур вычислительных систем»

Специальность 230401 «Прикладная математика»

реферат студентки 4-го курса очной формы обучения

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2012

 

 

Оглавление

 

Список сокращений 3

Классификации архитектур вычислительных систем 4

Классификация вычислительных систем по Флинну 5

Дополнения  Ванга и Бриггса к классификации  Флинна 7

Классификация Фенга 8

Классификация Шора 9

Классификация Хендлера 11

Классификация Хокни 14

Классификация Шнайдера 15

Классификация Джонсона 18

Классификация Базу 18

Классификация Кришнамарфи 20

Классификация Скилликорна 23

Классификация Дазгупты 25

Классификация Дункана 29

Список использованной литературы 32

 

 

Список сокращений

ВС – вычислительная система;

ОКОД – одиночный поток  команд одиночный поток данных;

ОКМД – одиночный поток  команд множество потоков данных;

МКОД – множество потоков  команд одиночный поток данных;

МКМД – множество потоков  команд множество потоков данных;

ПД – поток данных;

УУ – устройство управления;

ПР – программа;

АЛУ – арифметико-логическое устройство;

ЭЛС – элементарная логическая схема;

СБИС – сверхбольшая интегральная схема.

 

 

Классификации архитектур вычислительных систем

Вычислительная система (ВС) - это взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации.

Иногда под ВС понимают совокупность технических средств  ЭВМ, в которую входит не менее  двух процессоров, связанных общностью  управления и использования общесистемных  ресурсов (память, периферийные устройства, программное обеспечение и т.п.).

 

Архитектура ВС – совокупность характеристик  и параметров, определяющих функционально-логичную и структурно-организованную систему  и затрагивающих в основном уровень  параллельно работающих вычислителей. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования, наиболее существенные для пользователя, которых больше интересуют возможности систем, а не детали их технического исполнения. Поскольку ВС появились как параллельные системы, то и рассмотрим классификацию архитектур под этой точкой зрения.

 

Существует множество  классификаций архитектур ВС:

1. Классификация Флинна: единственность или множественность потоков данных и команд.
• Дополнения Ванга и Бриггса: конкретизация классов SISD, SIMD, MIMD.
2. Классификация Фенга: две простые численные характеристики параллелизма (пословный и поразрядный параллелизм).
3. Классификация Шора: шесть "типичных архитектур" вычислительных систем.
4. Классификация Хендлера: количественное описание параллелизма на трех различных уровнях обработки данных (выполнение программы, выполнение команд, обработка битов).
5. Классификация Хокни: конкретизация класса MIMD.
6. Классификация Шнайдера: конкретизация класса SIMD (основная идея - выделение этапов выборки и непосредственно исполнения в потоках команд и данных).
7. Классификация Джонсона: четыре класса MIMD-компьютеров (компьютеры с общей или распределенной памятью, программируемые с помощью передачи сообщений или разделяемых переменных).
8. Классификация Базу: последовательность решений, принятых на этапе проектирования архитектуры.
9. Классификация Кришнамарфи: четыре качественные характеристики параллелизма (степень гранулярности параллелизма, способ реализации, топология и природа связи процесоров, способ управления процессорами).
10. Классификация Скилликорна: описание архитектуры компьютера как абстрактной структуры, состоящей из компонент 4 типов (процессор команд, процессор данных, иерархия памяти, коммутатор).
11. Классификация Дазгупты: построение схем архитектур из семи базовых понятий.
12. Классификация Дункана.

 

 

 

 

 

 

Классификация вычислительных систем по Флинну

По-видимому, самой ранней и наиболее известной является классификация  архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году Майклом Флинном. Классификация основана на том, как в машине увязываются команды с обрабатываемыми данными.

Флинн ввел понятия потока команд и потока данных, определяя их как последовательность элементов (команд или данных), выполняемую или обрабатываемую процессором. Соответствующая система классификации основана на рассмотрении числа потоков инструкций и потоков данных и описывает четыре архитектурных класса:

SISD = Single Instruction Single Data 

MISD = Multiple Instruction Single Data 

SIMD = Single Instruction Multiple Data 

MIMD = Multiple Instruction Multiple Data

 

	Одиночный поток команд  (Single Instruction)	Множество потоков команд  (Multiple Instruction)
Одиночный поток данных  (Single Data)	SISD  (ОКОД)	MISD  (МКОД)
Множество потоков данных  (Multiple Data)	SIMD  (ОКМД)	MIMD  (МКМД)

Табл.1 Классификация архитектурных  вычислительных систем.

 

SISD (single instruction stream / single data stream) - одиночный поток команд и одиночный поток данных (ОКОД). К этому классу относятся последовательные компьютерные системы, в которых есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных (ПД). Не имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка.

• Конвейерная обработка - способ выполнения команд процессором, при котором выполнение следующей команды начинается до полного окончания выполнения предыдущей команды (в предположении отсутствия ветвления). Возможность конвейерной обработки связана с разделением процесса выполнения команд на последовательные этапы: выборки команды, дешифровки, выборки операндов, выполнения команды, запись результата в память.

 

SIMD (single instruction stream / multiple data stream) - одиночный поток команд и множественный поток данных (ОКМД). В архитектурах подобного рода сохраняется один поток команд, включающий, в отличие от предыдущего класса, векторные команды. Это позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными - элементами вектора. Способ выполнения векторных операций не оговаривается, поэтому обработка элементов вектора может производится либо процессорной матрице, либо с помощью конвейера.

• Процессорная матрица - группа одинаковых процессорных элементов,  объединенных единой коммутационной сетью, как правило, управляемая единым устройством управления (УУ) и выполняющая единую программу (ПР).

 

MISD (multiple instruction stream / single data stream) - множественный поток команд и одиночный поток данных (МКОД). Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Однако ни Флинн, ни другие специалисты в области архитектуры компьютеров до сих пор не смогли представить убедительный пример реально существующей вычислительной системы, построенной на данном принципе. Ряд исследователей относят конвейерные машины к данному классу, однако это не нашло окончательного признания в научном сообществе. Будем считать, что пока данный класс пуст.

 

MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) - множественный поток команд и множественный поток данных (МКМД). Этот класс предполагает, что в вычислительной системе есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком команд и данных.

 

В SISD входят однопроцессорные последовательные компьютеры типа VAX 11/780. Однако, в этот класс можно включить и векторно-конвейерные машины, если рассматривать вектор как одно неделимое данное для соответствующей команды. В таком случае в этот класс попадут и такие системы, как CRAY-1, CYBER 205, машины семейства FACOM VP и многие другие.

Бесспорными представителями  класса SIMD считаются матрицы процессоров: ILLIAC IV, ICL DAP, Goodyear Aerospace MPP, Connection Machine 1 и т.п. В таких системах единое управляющее устройство контролирует множество процессорных элементов. Каждый процессорный элемент получает от устройства управления в каждый фиксированный момент времени одинаковую команду и выполняет ее над своими локальными данными. Для классических процессорных матриц никаких вопросов не возникает, однако в этот же класс можно включить и векторно-конвейерные машины, например, CRAY-1. В этом случае каждый элемент вектора надо рассматривать как отдельный элемент потока данных.

Класс SIMD содержит, не различая, многие существенно разнотипные по архитектуре вычислительные системы. В него попадают следующие параллельные системы с общим управлением:

• матричные с одноразрядными процессорными элементами (SO-LOMON I, ICL DAP, Goodyear MPP, CLIP, Thinking Connechtion Machine) и с многоразрядными процессорными элементами (SO-LOMON II, ILLAC IV, Burroughs BSP, ПС-2000);
• ассоциативные(Goodyear STARAN и ASPRO);
• ортогональные (OMEN 60);
• ансамбль (PEPE), а также обычно и принципиально отличающиеся от них по архитектуре однопроцессорные векторно-конвейерные ЭВМ:

- с одним или несколькими  взаимно параллельными функциональными  конвейерами(TI ASC, CDC STAR 100, CDC Cyber 205);

- с конвейерами такого  же типа, но способными еще  и к зацеплению(Cray-1, Cray X-MP/1, BKM), а также дополнительно и к параллельной обработке вектора(Fujitsu VP, Hitachi S-810, NEC SX-1 и 2, EC 1191).

Таким образом, в данном классе не различаются даже ЭВМ на базе матриц процессорных элементов и  векторных конвейеров.

 

Класс MIMD чрезвычайно широк, поскольку включает в себя всевозможные мультипроцессорные системы: Cm*, C.mmp, CRAY Y-MP, Denelcor HEP, BBN Butterfly, Intel Paragon, CRAY T3D и многие другие. Интересно то, что если конвейерную обработку рассматривать как выполнение множества команд (операций ступеней конвейера) не над одиночным векторным потоком данных, а над множественным скалярным потоком, то все рассмотренные выше векторно-конвейерные компьютеры можно расположить и в данном классе.

В класс MIMD входят любые системы с двумя и более центральными процессорами:

• двух- и многопроцессорные конфигурации обычных ЭВМ типа машин общего назначения семейств IBM и EC;
• двухпроцессорные конфигурации (CDC 6700 и CDC 7700) скалярных ЭВМ с функциональными устройствами и конвейерами (CDC 6600 и CDC 7600 соответственно);
• системы с относительно небольшим числом разнообразных по архитектуре мощных скалярных процессоров (MKB Эльбрус-2 и 3б ЭВМ Denelcor HEP) и векторно-конвейерных процессоров (Cray X-MP и Y-MP, Crat-2 и 3, ETA-10, NEC SX-3);
• системы с несколькими управляющими (скалярными) процессорами и векторно-параллельными процессорами (ПС-3000);
• системы с большим числом микропроцессоров (Meiko Computing, Surface, BBN, Butterfly, NGube/10, FPS T-Series, Ametek System 14 и Series 2010, Intel iPSC).

Если несколько ЭВМ  с матрицами процессорных элементов  в каждой объединить в систему, то она также будет представителем класса МКМД.

Предложенная схема классификации  вплоть до настоящего времени является самой применяемой при начальной  характеристике того или иного компьютера. Если говорится, что компьютер принадлежит  классу SIMD или MIMD, то сразу становится понятным базовый принцип его  работы, и в некоторых случаях  этого бывает достаточно. Однако видны  и явные недостатки. В частности, некоторые заслуживающие внимания архитектуры, например dataflow и векторно-конвейерные машины, четко не вписываются в данную классификацию. Другой недостаток - это чрезмерная заполненность класса MIMD. Необходимо средство, более избирательно систематизирующее архитектуры, которые по Флинну попадают в один класс, но совершенно различны по числу процессоров, природе и топологии связи между ними, по способу организации памяти и, конечно же, по технологии программирования.

Наличие пустого класса (MISD) не стоит считать недостатком  схемы. Такие классы, по мнению некоторых  исследователей в области классификации  архитектур, могут стать чрезвычайно  полезными для разработки принципиально  новых концепций в теории и  практике построения вычислительных систем.

Дополнения  Ванга и Бриггса к классификации Флинна

В книге К.Ванга и Ф.Бриггса сделаны некоторые дополнения к классификации Флинна. Оставляя четыре ранее введенных базовых класса (SISD, SIMD, MISD, MIMD), авторы внесли следующие изменения.

Класс SISD разбивается на два подкласса:

• архитектуры с единственным функциональным устройством, например, PDP-11;
• архитектуры, имеющие в своем составе несколько функциональных устройств - CDC 6600, CRAY-1, FPS AP-120B, CDC Cyber 205, FACOM VP-200.