Класифікація багатопроцесорних обчислювальних систем. Апаратні засоби високопродуктивних обчислень

Класифікація КС по Флінну

Одним з найбільш поширених способів класифікації ЕОМ є систематика Флінна (Flynn), в рамках якої основна увага при аналізі архітектури обчислювальних систем приділяється способам взаємодії послідовностей (потоків) виконуваних команд і оброблюваних даних. В результаті такого підходу розрізняють наступні основні типи систем:

SISD (Single Instruction, Single Data) – системи, в яких існує одиночний потік команд і одиночний потік даних. У таких машинах є тільки один потік команд, всі команди обробляються послідовно один за одним і кожна команда ініціює одну операцію з одним потоком даних. До даного типу систем можна віднести звичайні послідовні ЕОМ;

SIMD (Single Instruction, Multiple Data) – системи з одиночним потоком команд і множинним потоком даних. У архітектурі подібного роду зберігається один потік команд, що включає, на відміну від попереднього класу, векторні команди. Це дозволяє виконувати одну арифметичну операцію відразу над багатьма даними - елементами вектора. Подібною архітектурою володіють, наприклад, багатопроцесорні системи з єдиним пристроєм керування; даний підхід широко використовувався в попередні роки (системи ILLIAC IV, ICL DAP, Goodyear Aerospace MPP, Connection Machine), останнім часом його застосування обмежене, в основному, створенням спеціалізованих систем;

MISD (Multiple Instruction, Single Data) – системи, в яких існує множинний потік команд і одиночний потік даних; Визначення має на увазі наявність в архітектурі багатьох процесорів, що обробляють один і той же потік даних. Проте ні Флінн, ні інші фахівці в області архітектури комп'ютерів до цих пір не змогли представити переконливий приклад реально існуючої обчислювальної системи, побудованої на даному принципі. Вважатимемо, що даний класс порожній;

MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data) – системи з множинним потоком команд і множинним потоком даних; до 14 подібного класу систем відносяться більшість паралельних багатопроцесорних обчислювальних систем.

Слід зазначити, що хоча систематика Флінна широко використовується при конкретизації типів комп'ютерних систем, така класифікація приводить до того, що практично всі види паралельних систем (не дивлячись на їх істотну різнорідність) відносяться до однієї групи MIMD. Як результат, багатьма дослідниками робилися неодноразові спроби деталізації систематики Флінна.

Інший більш загальний спосіб класифікації комп’ютерних систем передбачає поділ архітектур по способу звернення процесорів до пам’яті.

Перший клас – це комп'ютери із загальною пам'яттю. Системи, побудовані за таким принципом, іноді називають мультипроцесорними системами або просто мультипроцесорами. В системі присутні декілька рівноправних процесорів, що мають однаковий доступ до єдиної пам'яті. Всі процесори "розділяють" між собою загальну пам'ять, звідси ще одна назва комп'ютерів цього класу – комп'ютери з пам'яттю, що розділяється. Всі процесори працюють з єдиним адресним простором: якщо один процессор записав значення 79 в слово за адресою 1024, то інший процесор, прочитавши слово, розташоване за адресою 1024, отримає значення 79.

Другий клас – це комп'ютери з розподіленою пам'яттю, які по аналогії з попереднім класом іноді називатимемо мультикомп’ютерними системами. По суті справи, кожний обчислювальний вузол є повноцінним комп'ютером з своїм процесором, пам'яттю, підсистемою введення-виведення, операційною системою. В такій ситуації, якщо один процесор запише значення 79 за адресою 1024, то це ніяк не вплине на те, що 15 за тією ж адресою прочитає інший, оскільки кожний з них працює в своєму адресному просторі.

До комп'ютерів із загальною пам'яттю відносяться всі системи классу Symmetric Multi Processors (SMP). В SMP все, окрім декількох процесорів, в одному екземплярі: одна пам'ять, одна операційна система, одна підсистема введення-виведення. Слово "симетричний" в назві архітектури означає, що кожний процесор може робити все те, що і будь-хто інший. До речі, в даний час SMP часто розглядають як альтернативна назва для комп'ютерів із загальною пам'яттю, чому додатково сприяють два можливі варіанти розшифровки даної абревіатури: Symmetric Multi Processors і Shared Memory Processors.