Неклассические типы архитектур вычислительных машин

В ЭВМ классической архитектуры, чтобы найти значение элемента данных мы указываем начальное значение адреса блока памяти, а затем смещение конкретно элемента относительно начального адреса. Эти два значения складываются и получается искомый адрес. Этот вид памяти называется адресуемым. При ассоциативной адресации данные выбираются не по адресу, а по содержимому полей. Вначале пытались отразить ассоциативную адресацию и параллельную обработку на ЭВМ классической архитектуры, в которой один процессор обращается к памяти по адресу. В этой архитектуре для обработки всей информации мы располагаем всего лишь одним процессором. При этом миллиарды символов информации находятся в состоянии ожидания передачи через канал и обработки. При этом затраты времени будут очень большими. При использовании вышеизложенных концепций на этом уровне требуется внести в архитектуру два изменения:

А) использовать параллельные процессоров, т.е. параллелизм обработки;

Б) приблизить процессоры к данным, чтобы устранить постоянную передачу данных, т.е. распределенную логику. Кроме того в ЭВМ классической архитектуры обращение к памяти происходит по адресу, что приемлимо при числовой обработке, однако для организации нечисловой обработки, где обращение происходит по содержание приходится вводить режим эмуляции ассоциативной адресации с помощью основного адресного доступа. При этом создаются специальные таблицы для перевода ассоциативного запроса в адрес. Учитывая, количество информации, легко представить с какими затратами связана обработка этих таблиц.

Современные же СУБД должны уметь эффективно работать и с системами нечисловой обработки. В общих чертах современные архитектуры должны удовлетворять следующим требованиям:

-параллелизм и использование процессоров в памяти;

-ассоциативная память с ориентацией на обработку наборов данных;

-специализированный набор команд с непосредственной аппаратной поддержкой;

-эффективная работа в режиме разделения времени.

В прошлом разработка новых архитектур ЭВМ шла в двух направлениях. Одно направление, целью которого было устранении ограничений традиционной архитектуры при числовой обработке, концентрировалось на вопросах параллелизма и векторных операциях. Другое было посвящено параллельным ассоциативным структурам – ассоциативным процессорам. Однако отсутствие четко сформулированных проблем и недостаточное развитие технологий не позволяло до последнего времени реализовать эти проекты.

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:

- магистральные (конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком дан­ных (МКОД или MISD – Multiple Instruction Single Data);

- векторные МПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различ­ными данными – однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD – Single Instruction Multiple Data);

- матричные МПВС, в которых МП одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных – многократный поток команд с много­кратным потоком данных (МКМД или МIМD – Multiple Instruction Multiple Data).

Условные структуры однопроцессорной (SISD – Single Instruction Single Data) и названных много­процессорных вычислительных систем показаны на рис. 1.7.

В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС:

- структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burroughs);

- параллельно-конвейерная модификация, или MMISD, т. е. многопроцессорная (Multiple) MISD-архитектура (например, в суперкомпьютере Эльбрус 3);

- параллельно-векторная модификация, или MMISD, т. е. многопроцессорная SIMD‑архитектура (например, в суперкомпьютере Cray 2).

Рис. 1.7 Условные структуры вычислительных систем: А – SISD (однопроцессорная); Б – MISD (конвейерная); В – SIMD (векторная); Г – MIMD (матричная)

Наибольшую эффективность показала MSIMD-архитектура.

Первая суперЭВМ была задумана в 1960 г. и создана в 1972 г. (машина ILLIAC IV с производи­тельностью 20 MFLOPS), а начиная с 1974 г. лидерство в разработке суперЭВМ захватила фирма Cray Research, выпустившая ЭВМ Cray 1 с производительностью 160 MFLOPS и объемом оператив­ной памяти 64 Мбайта, а в 1984 г. – ЭВМ Cray 2, в полной мере реализовавшую архитектуру MSIMD и ознаменовавшую появление нового поколения суперЭВМ. Производительность Cray 2 составляла 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти – 2 Гбайта. Классическое соотношение, так как критерий сбалансированности ресурсов ЭВМ – каждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайта оперативной памяти.

Виды сетей. Основные понятия

Простейшей «сетью» является речевой обмен, при котором слова передаются от одного человека к другому. Этой «технологией» люди овладевают сразу же, как только начинают говорить. Другим типом сетей, с которым люди знакомятся с детского возраста, является телефон. Два телефона отделяют друг от друга многие километры провода и разнообразное коммуникацион­ное оборудование. Телефонные линии, связывающие дома и города, легко увидеть вдоль улиц и дорог, в то время как сотовые телефоны могут взаимо­действовать через спутниковые сети.

По сути, компьютерные сети представляют собой более сложный вариант тех элементов, которые лежат в основе речевых и телефонных коммуникаций. Как и при речевом диалоге, компьютерная сеть передает информацию от одного человека (или группы людей) другому. Помимо этого, как и теле­фонные системы, для передачи информации от одного узла к другому компьютерные сети используют коммуникационный кабель и радиоволны, при этом специальное оборудование между узлами обеспечивает гарантирован­ную доставку каждого сообщения.

Рис. 1.8 Сетевые коммуникации с использованием кабеля, оптоволокна и радиоволн

Компьютерная сеть – это совокупность компьютеров, устройств печати, се­тевых устройств и компьютерных программ, связанных между собой кабе­лями или радиоволнами. Большинство первых сетей передавало данные по медному проводу, а сегодня они могут обеспечивать обмен данными, рече­выми и видеосигналами, используя провода, оптоволоконную среду, радио и УКВ‑волны (рис. 1.8). Компьютерные сети разви­ваются со скоростью света, если сравнивать их с другими коммуникацион­ными технологиями, такими как радио, телевидение и телефония.

Компьютерные сети, обычно классифицируемые по радиусу действия и сложности, делятся на три группы: локальные сети, региональные сети и глобальные сети (рис. 1.9). На одном конце этой классификации находятся локальные сети (local area network, LAN), состоящие из связанных между собой компьютеров, принтеров и другого компьютерного оборудования, причем все эти устройства совместно используют аппаратные и программные ресурсы, расположенные на небольшом удалении друг от друга. Радиус действия (область обслуживания) локальной сети может представлять небольшой офис, этаж здания или все здание целиком. Примером такой сети может служить химический факультет университета, в котором компьютеры, расположенные в офисах и лабораториях, соединены коммуникационным кабелем, как показано на рис. 1.10.

Рис. 1.9 Сравнение локальных, региональных и глобальных сетей

Рис. 1.10 Локальная сеть (LAN) в здании факультета

Региональная, или городская сеть (metropolitan area network, MAN) имеет большую область обслуживания, чем локальная сеть, и обычно в ней для обеспечения передачи данных на средние расстояния используется более сложное сетевое оборудование. Региональная сеть объединяет несколько локальных сетей, находящихся в большом городе или некотором регионе, и обычно простирается на расстояния не более 40-50 километров. Например, описанная выше локальная сеть химического факультета университета мо­жет быть связана с локальной сетью исследовательской клиники и сетью фармацевтической компании, расположенной в том же городе, что в сово­купности составляет региональную сеть, показанную на рис. 1.11. Отдельные локальные сети, образующие региональную сеть, могут принадлежать как одной организации, так и нескольким различным организациям. Высоко­скоростные каналы между локальными сетями в составе региональной сети обычно выполняются с использованием оптоволоконных соединений.

Рис. 1.11 Региональная (городская) сеть (MAN), соединяющая три задания в одном городе

Глобальная сеть (wide area network, WAN) представляет собой высший уровень в классификации сетей, поскольку она является крупномасштабной системой сетей, образующих единое целое со сложной структурой. Глобаль­ная сеть образуется из нескольких локальных (или региональных) сетей, ох­ватывающих расстояния свыше 40-50 километров. В состав крупных глобальных сетей может входить множество локальных и региональных сетей, находящихся на разных континентах.

Дата добавления: 2015-07-14