Главная

Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Типы архитектур компьютерных систем


Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки информации называютвычислительной техникой.

Конкретный набор, связанных между собою устройств, называютвычислительной (компьютерной) системой.

Центральным устройством большинства вычислительных систем является электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер.

Архитектура компьютерной системы – совокупность характеристик и параметров, которые определяют основные функциональные возможности системы, сферу применения, режим работы, ее параметры (быстродействие, набор и объем памяти, набор периферийных устройств и т.д.), особенности структуры (одно-, многопроцессорная).

 

Понятие архитектуры ЭВМ отражает многие ее параметры:

• структурную схему ЭВМ;

• средства и способы доступа к элементам структурной схемы;

• организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ;

• набор и доступность регистров;

• организацию и способы адресации памяти;

• способы представления и форматы данных ЭВМ;

• набор и форматы машинных команд ЭВМ;

• обработку нештатных (нестандартных) ситуаций (прерываний).

Архитектура постоянно развивается и совершенствуется с целью повышения производительности и надежности функционирования ЭВМ. Одним из путей ее совершенствования является принцип параллельной обработки, который предполагает совмещение выполнения отдельных операций, а также одновременное выполнение целых программ.

В 1966 г. американским специалистом М. Флинном была предложена классификация архитектур по параллельности работы, в основу которой было положено понятие потока – последовательности команд (инструкций) или данных, обрабатываемого процессором. Система классификации описывает четыре архитектурных класса:

· SISD (single instruction stream / single data stream) – одиночный поток команд и одиночный поток данных.

· MISD (multiple instruction stream / single data stream) –множественный поток команд и одиночный поток данных.

· SIMD (single instruction stream / multiple data stream) – одиночный поток команд и множественный поток данных.

· MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) – множественный поток команд и множественный поток данных.

Различные виды компьютерных систем отличаются друг от друга производительностью.

Классификация архитектур по типу взаимодействия память-процессор в основном коррелирует с приведенной выше классификацией.

Архитектура Джона фон Неймана – однопроцессорнаявычислительная система – включает одно арифметико-логическое устройство, обрабатывающее один поток данных, и одно устройство управления, через которое проходит один поток команд.

Остальные виды архитектур нацелены на поиск возможности ускорения выполнения программ путем распараллеливания потоков команд.

SMP-архитектура (symmetric multiprocessing) – симметричная многопроцессорная архитектура. Главной особенностью систем с архитектурой SMP является наличие общей физической памяти, разделяемой всеми процессорами (рис. 1), коллективное использованием общих ресурсов и управление одной операционной системой, общей для всех процессоров. Конструктивно все процессоры размещаются в пределах одной ЭВМ. Связь между ними происходит по высокоскоростным магистралям.

Рисунок 1 – Симметричнаямногопроцессорная архитектура SMP

 

Память служит, в частности, для передачи сообщений между процессорами, при этом все вычислительные устройства при обращении к ней имеют равные права и одну и ту же адресацию для всех ячеек памяти. Поэтому SMP-архитектура называется симметричной. Последнее обстоятельство позволяет очень эффективно обмениваться данными с другими вычислительными устройствами.

Основные преимущества SMP-систем:

· высокая скорость межпроцессорного обмена;

· простота и универсальность для программирования;

· простота эксплуатации.

Недостаток – плохая масштабируемость. Т.е. количество процессоров в данной системе ограничено, так как чем больше процессоров, тем больше нагрузка на общую шину, тем дольше должен ждать каждый процессор, пока освободится шина, чтобы обратиться к памяти. Поэтому обычно в таких системах количество процессоров не превышает 2-4.

MPP-архитектура (massive parallel processing) – массивно-параллельная архитектура многомашиннаявычислительная система. Главная особенность такой архитектуры состоит в том, что память физически разделена (рис.2). В этом случае система строится из отдельных модулей (компьютеров), содержащих процессор, локальный банк операционной памяти (ОП), иногда – жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода. Каждый компьютер имеет собственную (локальную) память и классическую архитектуру.

Рисунок 2 – массивно-параллельная архитектура MPP

 

Главным преимуществом таких систем с раздельной памятью является хорошая масштабируемость.

Недостатком является низкая скорость межпроцессорного обмена, поскольку отсутствует общая память и нет общей среды для хранения данных, предназначенных для обмена между процессорами. Требуется специальная техника программирования для реализации обмена сообщениями между процессорами;

Гибридная архитектура NUMA (non uniform memory access). Главная особенность гибридной архитектуры NUMA – неоднородный доступ к памяти – гибридная архитектура совмещает достоинства систем с общей памятью и относительную дешевизну систем с раздельной памятью. Суть этой архитектуры – в особой организации памяти, а именно: память физически распределена по различным частям системы, но логически она является общей, так что пользователь видит единое адресное пространство (рис. 3). Система построена из однородных базовых модулей (плат), состоящих из небольшого числа процессоров и блока памяти. Модули объединены с помощью высокоскоростного коммутатора. Поддерживается единое адресное пространство, аппаратно поддерживается доступ к удаленной памяти, т.е. к памяти других модулей. При этом доступ к локальной памяти осуществляется в несколько раз быстрее, чем к удаленной. По существу, архитектура NUMA является MPP (массивно-параллельной) архитектурой, где в качестве отдельных вычислительных элементов берутся SMP (симметричная многопроцессорная архитектура) узлы.

Рисунок 3 – Гибридная архитектура NUMA

 




Последнее изменение этой страницы: 2016-06-09

headinsider.info. Все права принадлежат авторам данных материалов.