НОУ ІНТУЇТ | лекція | Стан і перспективи розвитку обчислювальних систем і проектних технологій їх створення

1. 2.2. Класифікація та основні характеристики сучасних ЕОМ Обчислювальна техніка - одна з найбільш...
2. Класифікація Ванга і Бріггса
3. Класифікація Фенга

2.2. Класифікація та основні характеристики сучасних ЕОМ

Обчислювальна техніка - одна з найбільш швидко і динамічно розвиваються галузей науки і техніки. Її динаміка, з одного боку, пов'язана з широким проникненням обчислювальної техніки в усі сфери людської діяльності, з іншого боку - з бурхливим зростанням технічних характеристик обчислювальних машин і систем. З початку шістдесятих років минулого століття період подвоєння основних характеристик комп'ютерів не перевищує двох років. Таке стрімке зростання призводить до неоднозначності використовуваної термінології, до суб'єктивної оцінки сфер застосування конкретних ЕОМ.

Сучасна обчислювальна машина являє собою складну апаратно-програмну систему, що складається з великого числа взаємопов'язаних елементів. Кожен з цих елементів має свої характеристики, сукупність яких визначає техніко-експлуатаційні характеристики всієї обчислювальної машини.

До техніко-експлуатаційними характеристиками ЕОМ, що визначає їх функціональні можливості, відносять:

• швидкодія;
• розрядність;
• форми подання чисел;
• номенклатура і характеристики запам'ятовуючих пристроїв;
• номенклатура і характеристики пристроїв введення-виведення інформації;
• типи і характеристики внутрішніх і зовнішніх інтерфейсів;
• наявність багатокористувацьких режимів і підтримка многопро-граммності;
• типи і характеристики, які використовуються ОС;
• система команд і їх структура;
• функціональні можливості програмного забезпечення і його наявність;
• програмна сумісність з іншими типами ЕОМ;
• термін експлуатації;
• умови експлуатації;
• характеристики надійності;
• склад і обсяг профілактичних робіт;
• вартісні характеристики;
• сукупна вартість володіння.

Незважаючи на порівняно коротку історію сучасної обчислювальної техніки, до теперішнього часу було запропоновано досить багато підходів до систематизації усього розмаїття засобів обчислювальної техніки [ 40 ]. Роботи в цьому напрямку тривають.

Будь-яка класифікація відносна і відображає лише певну різноманіття властивостей класифікуються об'єктів або процесів. Але, як показав досвід, перебування вдалою класифікації може зумовити успіх розвитку цілих наукових і технічних напрямків. Характерний приклад - періодична таблиця елементів Менделєєва.

При розробці будь-якої класифікації важливо розуміти, для кого вона створюється і на вирішення яких завдань спрямована.

Використовуваний класифікаційний ознака повинен бути вимірюваним і дозволяти відносити классифицируемого об'єкта до єдиного класу.

На практиці ці вимоги часто задовольняються з припущеннями. Прикладом служать більшість застосовуваних класифікацій ЕОМ і обчислювальних систем.

Для класифікації комп'ютерів використовувалися наступні класифікаційні ознаки:

• принцип дії;
• використовувана елементна база;
• призначення;
• розміри і обчислювальна потужність;
• особливості архітектури.

1. За принципом дії обчислювальні машини діляться на цифрові, аналогові та гібридні.

   В основу класифікації за цією ознакою покладена форма подання інформації, з якою працюють обчислювальні машини.

2. Класифікація ЕОМ за етапами створення. ЕОМ умовно діляться на покоління з урахуванням використовуваної елементної бази.
3. Класифікація ЕОМ за призначенням.

   За цією ознакою обчислювальні машини можна розділити на три групи: спеціалізовані, універсальні і проблемно-орієнтовані.

   Універсальні ЕОМ дозволяють вирішувати завдання різних класів: математичних, інженерно-технічних, економічних, інформаційних та ін.

   Проблемно-орієнтовані ЕОМ призначені для вирішення кола завдань вужчого: управління технологічними процесами; виконання розрахунків по порівняно нескладним алгоритмам; реєстрація, накопичення та обробка не дуже великих обсягів невеликих даних. Вони мають більш скромні в порівнянні з універсальними ЕОМ програмні і апаратні ресурси. Прикладом проблемно-орієнтованим обчислювальних систем можуть служити і різні керуючі обчислювальні комплекси. Спеціалізовані обчислювальні машини призначені для вирішення вузького кола завдань.

   Характеристики та архітектура машин цього класу визначаються специфікою тих завдань, для вирішення яких вони використовуються. Це забезпечує їх більш високу ефективність у відповідному застосуванні в порівнянні з універсальними ЕОМ. До спеціалізованих ЕОМ відносяться контролери, що управляють нескладними технічними пристроями і процесами і мікропроцесори спеціального призначення.

4. Класифікація ЕОМ за розмірами і обчислювальної потужності.

   Відповідно до цієї класифікації обчислювальні машини діляться на суперЕОМ, великі, малі, надмалі. Ця класифікація втратила свою актуальність. Можна говорити тільки про існування класу суперЕОМ (суперкомп'ютерів).

5. Класифікація з урахуванням особливостей архітектури

В якості класифікаційних ознак використовуються: характеристики системи команд комп'ютера (кількість команд, структура адресної частини команд), розрядність машинних слів, організація обробки даних і команд процесором.

Класифікація Флінна

Класифікація М. Флінна [ 38 , 303 ] Є однією з найбільш ранніх і найбільш відомих класифікацією архітектур обчислювальних систем. В основу класифікації покладено поняття потоку. Потік - це послідовність, під якою розуміється послідовність даних або команд, оброблюваних процесором. Розглядаючи число потоків даних і потоків команд, М. Флінн запропонував розглядати такі класи архітектур: MIMD, SIMD, SISD, MISD.

Single Instruction Single Data [stream] - "один потік команд, один потік даних", архітектура SISD (ОКОД). Опис архітектури комп'ютерної системи, що припускає виконання одним процесором одного потоку команд, який обробляє дані, що зберігаються в одній пам'яті ( Мал. 2.1 а.).

Multiple Data stream processing - "один потік команд, багато потоків даних", архітектура SIMD (ОКМД). Опис архітектури паралельної комп'ютерної системи, що припускає виконання однієї поточної команди кількома процесорами. Ця команда вибирається з пам'яті центральним контролером SIMD-системи, але працює вона над різними елементами даних (найчастіше - елементами масиву). Для цього кожен процесор має асоційовану з ним пам'ять, де зберігаються масиви однорідних даних. У цю категорію потрапляють, зокрема, векторні процесори. ( Мал. 2.1 б.).

Multiple Instruction Single Data [stream] - "багато потоків команд, один потік даних", архітектура MISD (МКОД). Одна з чотирьох можливих архітектур паралельного комп'ютера в класифікації М. Флінна. У цій архітектурі дані подаються на набір процесорів, кожний з яких виконує свою програму їх обробки. Подібна архітектура ще ніколи не була реалізована ( Мал. 2.1 в.).

Multiple Instructions - Multiple Data [stream] - "багато потоків команд, багато потоків даних", архітектура MIMD (МКМД). Одна з чотирьох можливих архітектур паралельного комп'ютера. У цій архітектурі набір процесорів незалежно виконує різні набори команд, що обробляють різні набори даних. Системи в архітектурі MIMD діляться на системи з розподіленою пам'яттю (слабо пов'язані системи), до яких відносяться кластери, і системи з спільно використовуваної пам'яттю (shared-memory multiprocessors). До останніх відносяться симетричні мультипроцесорні системи.

В клас SISD входять однопроцесорні послідовні комп'ютери. Векторно-конвеєрні комп'ютери також можуть бути віднесені до цього класу, якщо розглядати вектор як одне неподільне дане для машинної команди. Це відзначають критики цієї класифікації.

Класифікація М. Флінна

До класу SIMD відносяться класичні процесорні матриці. У них безліч процесорних елементів контролюється загальним керуючим пристроєм. Всі процесорні елементи одночасно отримують від пристрою однакові команди і обробляють свої локальні дані. Якщо розглядати кожен елемент вектора як окремий елемент потоку даних, то до цього класу можна віднести і векторно-конвеєрні комп'ютери.

Клас MIMD включає в себе все різноманіття багатопроцесорних систем. Якщо розглядати конвеєрну обробку як виконання безлічі команд не над одиночним векторним потоком даних, а над

множинним скалярним потоком, то в цей клас можуть бути включені векторно-конвеєрні комп'ютери.

Класифікація Флінна широко використовується і сьогодні для початкового опису обчислювальних систем.

У цій класифікації є очевидні недоліки:

• в неї чітко не вписуються окремі знайшли застосування архітектури. Наприклад, векторно-конвеєрні комп'ютери і комп'ютери, керовані потоками даних;
• клас MIMD дуже перевантажений: в нього увійшли всі багатопроцесорні системи. При цьому вони істотно відрізняються за рядом ознак (числом процесорів, природі і топологією і видами зв'язків між ними, способами організації пам'яті і технологіями програмування).

Кілька класифікацій, запропонованих пізніше, розширюють класифікацію М. Флінна. Прикладом такої класифікації може бути класифікація Ванга і Брігса.

Класифікація Ванга і Бріггса

Ця класифікація по суті, є доповненням до класифікації Флінна. У ній збережені чотири базових класу (SISD, SIMD, MISD, MIMD), К. Ванг і Ф. Бріггс [ 42 , 303 ] Внесли такі зміни.

У класі MIMD виділяються:

• обчислювальні системи зі слабо пов'язаними процесорами,
• обчислювальні системи з сильною пов'язаними процесорами.

До першої групи належать системи з розподіленою пам'яттю, до другої - системи із загальною пам'яттю.

Клас SISD ділиться на два підкласу:

• архітектури, що мають одне функціональне пристрій;
• архітектури, до складу яких входить кілька функціональних пристроїв.

Клас SIMD з урахуванням способу обробки даних ділиться на два підкласу:

• архітектури з розрядно-послідовною обробкою даних;
• архітектури з пословно-послідовною обробкою даних.

Класифікація Фенга

Т. Фенг запропонував в основу класифікації обчислювальних систем покласти дві прості характеристики [ 42 , 303 ]:

Іcпользуя граничні верхні значення числа біт n і числа слів m, обчислювальну систему можна охарактеризувати двома числами ( ). величина визначає інтегральну характеристику потенціалу паралельності P архітектури. Ця характеристика називається максимальним ступенем паралелізму обчислювальної системи: . По суті, це значення характеризує пікову продуктивність. Розглядаючи в якості класифікаційної ознаки обчислювальних систем спосіб обробки інформації, закладений в їх архітектуру, введені поняття дозволяють розділити всі обчислювальні системи на наступні класи.

1. Розрядно-послідовні, пословно-послідовні ( ).
2. Розрядно-паралельні, пословно-послідовні ( ). До цього класу можна віднести більшість класичних послідовних комп'ютерів.
3. Розрядно-послідовні, пословно-паралельні ( ).
4. Розрядно-паралельні, пословно-паралельні ( ). До цього класу належить більшість сучасних паралельних обчислювальних систем.

Ця класифікація має обмеження. Вони пов'язані зі способом обчислення ширини бітового шару .

Відповідно до цієї класифікації відсутні відмінності між багатопроцесорними системами, векторно-конвеєрними комп'ютерами і процесорними матрицями.

Дана класифікація не дозволяє зрозуміти специфіку тієї чи іншої високопродуктивної обчислювальної системи.

Перевагою класифікації Фенга є введення єдиної числової характеристики для всіх типів обчислювальних систем, яка дозволяє порівнювати їх між собою.

З цікавих видів класифікації можна відзначити підхід Базу, який будує класифікацію по послідовності рішень, прийнятих на етапі проектування архітектури. Згідно А. Базу (A. Basu), будь-яку паралельну обчислювальну систему можна однозначно описати послідовністю рішень, прийнятих на етапі її проектування, а сам процес проектування представити у вигляді дерева [ 42 ].

У корені "дерева Базу" розміщується обчислювальна система, наступні яруси дерева служать для опису ієрархії прийняття рішень

при проектуванні обчислювальної системи. В результаті формується опис проектованої системи, що представляється значеннями класифікаційних ознак в системі Базу.

Таким чином, на основі наведених даних можна стверджувати:

1. Жодна з існуючих класифікацій не є повною за системою класифікаційних ознак і, як правило, не дає однозначної відповіді на питання: "До якого класу належить конкретна обчислювальна система?".
2. Класифікація Флінна на даний час є базовою для інших класифікацій, які її деталізують, відображаючи інші, більш вузькі відмінності в архітектурі.