Вычислительные системы (ВС). Уровни параллелизма. Классификация ВС Флинна. Закон Амдала.

ВС (вычислительная система, суперкомпьютер) – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей. Формально, отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислителей. Множественность вычислителей позволяет реализовать в ВС параллельную обработку. Распараллеливание операций – перспективный путь повышения производительности вычислений.

Существуют следующие уровни параллелизма:

1) Микроуровневый параллелизм – основан на конвейеризации (увеличения числа инструкций, выполняемых в единицу времени путем создания конвейера команд) вычислений. Обеспечивается самим CPU.

2) Параллелизм уровня команд – реализуется посредством размещения в CPU сразу нескольких конвейеров. Обеспечивается самим CPU, и частично программистом. При этом для распараллеливания исполнения команд используются такие методики, как предсказатель переходов, обработка сразу 2-х веток условного оператора, развертка циклов и др.

3) Параллелизм уровня потоков и уровня заданий - применяется в процессорах класса MIMD. Параллелизм уровня потоков частично обеспечивается программистом частично ОС. Параллелизм уровня заданий обеспечивается ОС.

Классификация Флинна. Среди всех систем классификации ВС наибольшее признание получила классификация, предложенная в 1966 году М. Флинном. В ее основу положено понятие потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. В зависимости от количества потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD, MISD, SIMD, MIMD.

1) SISD (Single Instruction Stream/Single Data Stream) – одиночный поток команд и одиночный поток данных. Имеется только один поток команд, команды обрабатываются последовательно и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных;

2) MISD (Multiple Instruction Stream/Single Data Stream) – множественный поток команд и одиночный поток данных. Из определения следует, что в архитектуре ВС присутствует множество процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных;

3) SIMD (Single Instruction Stream/Multiple Data Stream) - одиночный поток команд и множественный поток данных. ВМ данной архитектуры позволяют выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными — элементами вектора (например, сложение векторов);

4) MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) - множественный поток команд и множественный поток данных. 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.

Закон Амдала — иллюстрирует ограничение роста производительности вычислительной системы с увеличением количества вычислителей. Согласно этому закону, ускорение выполнения программы за счет распараллеливания её инструкций на множестве вычислителей ограничено временем, необходимым для выполнения её последовательных инструкций.

Дата добавления: 2015-09-01