Лекция " многопроцессорные вычислительные системы"

тема 1 вопрос 34 многопроцессорные вычислительные системы Многопроцессорная вычислительная система (МПВС) – это система (комплекс), включающий в себя  два или более процессоров, имеющих общую ОП, общие периферийные устройства и работающих под  управлением единой ОС, которая, в свою очередь, осуществляет общее управление техническими и  программными средствами комплекса. При этом каждый из процессоров может иметь  индивидуальные, доступные только ему ОЗУ и периферийные устройства. Следует отметить, что МПВС в аппаратном плане значительно более сложны чем ММВС. При этом  основная функция по организации вычислительного процесса возлагается на ОС, что значительно  осложняет ее построение. Однако, несмотря на все трудности, связанные с аппаратной и программной реализацией, МПВС  получают все большее распространение, так как обладают рядом достоинств, основные из которых: ∙ высокая надежность и готовность за счет резервирования и возможности реконфигурации; ∙ высокая производительность за счет возможности гибкой организации параллельной обработки  информации и более полной загрузки всего оборудования; ∙ высокая экономическая эффективность за счет повышения коэффициента использования  оборудования комплекса. Существует три типа структурной организации МПВС: с общей шиной; с перекрестной коммутацией;  с многовходовыми ОЗУ. В МПВС с общей шиной проблема связей всех устройств между собой решается крайне просто: все  они соединяются общей шиной, по которым передаются информация, адреса и сигналы управления  (рис. 3.2). Интерфейс является односвязным, т. е. обмен информацией в любой момент времени может происходить только между двумя устройствами. Если потребность в обмене существует более чем у  двух устройств, то возникает конфликтная ситуация, которая разрешается с помощью системы  приоритетов и организации очередей в соответствии с этим. Обычно функции арбитра выполняет либо процессор, либо специальное устройство, которое регистрирует все обращения к общей шине и  распределяет шину во времени между всеми устройствами комплекса. Рис. 20. МПВС с общей шиной Достоинством такой структуры является простота, в том числе изменения комплекса, а также  доступность модулей ОЗУ для всех остальных устройств. Недостатками является невысокое быстродействие (одновременный обмен информацией возможен  между двумя устройствами, не более), относительно низкая надежность системы из­за наличия общего элемента – шины. МПВС с перекрестной коммутацией лишены недостатков, присущих МПВС с общей шиной. В таких  МПВС все связи между устройствами осуществляются с помощью коммутационной матрицы (рис.  21.). Коммутационная матрица (КМ) позволяет связывать друг с другом любую пару устройств,  причем таких пар может быть сколько угодно: связи не зависят друг от друга. Многопроцессорные вычислительные системы, состоящие из взаимосвязанных процессоров с общей  оперативной памятью, в этом смысле выглядят, пусть в упрощенной качественной оценке,  потенциально предпочтительнее: обмен информацией между фрагментами задачи может быть  осуществлен с помощью внутрисистемного интерфейса непосредственно между процессорами или  через общую область оперативной памяти. Разумеется, и здесь возникают дополнительные временные  затраты на организацию параллельных процессов и их координацию, являющиеся накладными  расходами по отношению к времени собственно полезного счета задачи. Уменьшение этих затрат  путем минимизации участия операционной системы МВС при взаимодействии фрагментов одной и той же задачи является одним их важнейших резервов для уменьшения времени счета задачи в целом. В  книге рассматривается один из путей решения этой проблемы ­ организация вычислительного  процесса на уровне параллельно­последовательных фрагментов задачи, получивших название  ветвей. [1] Использование многопроцессорных вычислительных систем тера­флопной производительности  позволяет реализовать новые, более точные ( а следовательно, и более трудоемкие) физико­ математические модели описания поведения плазмы в широких диапазонах современных приложений,  в том числе в задачах управляемого термоядерного синтеза. Изучение свойств высокотемпературной  неравновесной плазмы, уточнение моделей взаимодействия с видами излучений и электромагнитными  полями составляют важный раздел современных вычислительных приложений. Одним из таких  приложений являются течения плазмы в каналах при наличии магнитных полей. Это сложные  многомерные ( зачастую нестационарные) задачи, решение которых требует больших вычислительных  ресурсов. [2] Описанные архитектуры многопроцессорных вычислительных систем могут реализоваться в помощью  нескольких однопроцессорных ЭВМ. В этом случае получаются многомашинные вычислительные  системы. Но при этом следует помнить, что для соединения двух и более ЭВМ требуются  специальные согласующие средства ­ адаптеры, что усложняет задачу. [3] Создание и применение многопроцессорных вычислительных систем, предназначенных для решения  актуальных фундаментальных и прикладных задач, открывает новые возможности для проведения  комплексного вычислительного моделирования в ведущих направлениях механики. [4] Для повышения производительности многопроцессорной вычислительной системы ( ВС) с массовым  параллелизмом необходимо иметь возможность программировать в структуре универсальной  многопроцессорной ВС архитектуру виртуальной проблемно­ориентированной ВС, соответствующей  решаемой задаче. [5] Применение БИС позволяет строить многопроцессорные вычислительные системы. [6] С какой целью создаются многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы и  комплексы. [7] Эксперименты проводились на фрагменте многопроцессорной вычислительной системы, в состав  которого входят 3 микропроцессора Alpha 21164 / 600 МГц, связанных высокоскоростной  коммутационной сетью Myrinet с пропускной способностью до 320 Мбайт / сек. [8] При решении задач на многопроцессорных вычислительных системах несколько процессов могут  одновременно потребовать одного и того же ресурса ( процессора, канала, таблицы), который  предоставляется только одному из них. Такая ситуация называется конфликтом, а ресурс­ неделимым. [9] Электронные машины Единой системы и многопроцессорные вычислительные системы станут  основной технической базой вычислительных центров всех уровней на текущую и последующие  пятилетки. В области периферийных устройств на это время намечается значительно расширить их  номенклатуру и повысить их качественные показатели. Планируется выпуск магнитных дисков  большой емкости ( 100 Мбайта выше), серийное производство буквенно­цифровых и графических  дисплеев. Будет значительно расширена комплектация ЭВМ пакетами дисков, лентопротяжными  устройствами, устройствами быстрой печати, дисплеями, что позволит увеличить загрузку ЭВМ. [10] Следует подчеркнуть, что применение многопроцессорных вычислительных систем требует учета и  освоения специфики параллельной обработки, в том числе и в самих вычислительных алгоритмах и в  прикладном программировании. Хотя на сегодня уже имеется значительный положительный опыт в  решении сложных задач на этих системах, однако существуют и объективные трудности в  переосмыслении традиционных вычислительных подходов при построении параллельных алгоритмов.  На это необходимо обратить внимание в соответствующих образовательных программах. [11] Напомним, что суперкомпьютер ­ это многопроцессорная вычислительная система,  производительность которой получена за счет глубочайшего распараллеливания процесса вычислений  по всем процессорам системы. Реализовать такое распараллеливание помогает искусство  программиста, от которого зависит производительность суперкомпьютера при решении той или иной  задачи. Создание программы для суперкомпьютера требует не только искусства, но и больших  временных затрат. Именно поэтому при решении специальных задач иногда приходится отказываться  от услуг универсального суперкомпьютера, а создавать специальные компьютеры, моделирующие  интересующие процессы. Например, для расчета орбит взаимодействующих планет Солнечной  системы был создан специализированный компьютер Digital Orrery. [12] Кроме названных ЭВМ, предусматривается разработать многопроцессорные вычислительные системы  с быстродействием на многие десятки миллионов операций в секунду. Указанные вычислительные  системы будут использованы при решении сложных научно­технических задач, а также при создании  территориальных вычислительных центров коллективного пользования с обслуживанием ими  нескольких тысяч предприятий и организаций. [13] В рамках машин четвертого поколения создаются многопроцессорные вычислительные системы с  быстродействием в несколько десятков или сотен миллионов операций в секунду и  многопроцессорные управляющие комплексы повышенной надежности. [14] К четвертому поколению также относится и многопроцессорная вычислительная система ПС­2000,  содержащая до 64 процессоров, управляемых общим потоком команд, в которой при  распараллеливании процесса выполнения программ может быть достигнуто суммарное  быстродействие до 200 млн. операций / с ( см. гл. [15]