Канальный кипящий графитовый реактор Реакторы водо-водяного типа Реакторы на быстрых нейтронах Промышленные реакторы Исследовательские ядерные реакторы Задачи по физике ядра Архитектура ЭВМ Вычислительные комплексы

Основы вычислительных комплексов

1.5. Комплексы на основе микро-эвм и микропроцессоров

 

Бурное развитие микропроцессорной техники явилось новым стимулом для развития ВК, так как преимущества, которые дает эта техника, не могли остаться без внимания со стороны разработчиков ВК. А преимущества, как известно, значительные – высокая надежность, низкая стоимость, малые габариты, масса, потребляемая мощность, возможность использования в качестве встроенных элементов в любом оборудовании. Микропроцессоры обеспечили создание дешевых малогабаритных микро-ЭВМ с достаточно высокими характеристиками, процессоров, контроллеров периферийных устройств. Поэтому появилось естественное желание использовать все эти качества в максимальной степени. Правда, современные микро-ЭВМ и микропроцессоры имеют сравнительно высокую производительность, и их положительные, качества открывают возможность для создания комплексов более крупных, т. е. из большего числа ЭВМ пли устройств. Действительно, вряд ли целесообразно создавать ММВК, например из 10–15 ЭВМ типа ЕС или даже СМ, настолько громоздким и сложным был бы такой комплекс. Но эта идея не вызывает никакого протеста, когда речь идет о построении комплекса из 10 и более одно- или двухплатных микро-ЭВМ. Даже при относительно низкой производительности микро-ЭВМ производительность таких комплексов может составлять десятки и сотни миллионов операций в секунду. Двойное или тройное резервирование аппаратуры обеспечивает очень высокую надежность. Если же учесть, что микропроцессорные ВК легко встраиваются в любое оборудование, агрегаты, транспортные средства, становится ясным, насколько актуальны такие комплексы.

Вместе с тем нельзя не учитывать, что при использовании в одном ВК большого числа микропроцессорных средств возникает целый ряд проблем, в первую очередь сложность коммутации, большое число конфликтов, сложность организации вычислительных процессов. Выше уже было указано, что эти проблемы существуют и в ВК с малым числом ЭВМ или процессоров, однако в более крупном комплексе проблемы обостряются.

Стремление преодолеть возникающие трудности привело к поиску новых способов построения комплексов на основе микро-ЭВМ и микропроцессоров. Все существующее в настоящее время многообразие комплексов можно разделить на три большие группы. 1) первой группе относятся комплексы, выполняемые по классическим схемам многомашинных или многопроцессорных ВК, с теми способами связи и взаимодействия элементов, которые уже были описаны. Во вторую группу входят комплексы, построенные на микро-ЭВМ, память которых доступна для всех ЭВМ комплекса, – так называемые ВК собщедоступной памятью. Третья группа характеризуется наличием общего поля оперативной памяти.

Можно определить и четвертую группу комплексов, которые трудно классифицировать по какому-либо признаку и которые имеют специфические особенности либо в способах коммутации устройств, либо в способах и средствах организации вычислительного процесса.

Остановимся более подробно на каждой группе с целью выявления их возможностей и особенностей.

Следует заметить, что появление микропроцессоров поначалу породило большие надежды в отношении классических МПВК с большим числом процессоров, так как снимались серьезные ограничения, связанные со сложностью, громоздкостью и высокой стоимостью комплексов. Делались попытки создания МПВК, включающих в себя десятки и даже тысячи процессоров. Характерным в этом отношении является комплекс «Гиперкуб», содержащий 10000 процессоров [5]. Комплекс, как и другие подобные ему, не оправдал возлагавшихся на него надежд из-за сложности построения, организации вычислительных процессов и трудностей программирования. Это заметно охладило пыл энтузиастов МПВК, так как стало ясным, что основные трудности создания МПВК остались и при увеличении числа процессоров только возрастают. Поэтому дальнейшего развития ВК с большим числом процессоров не получили, но комплексы с ограниченным числом (два – четыре) процессоров используются достаточно часто.

Многомашинные ВК на базе микро-ЭВМ создавались первоначально по классическим схемам. Однако это не давало должного эффекта при большом числе микро-ЭВМ. Получались комплексы, которые развивали достаточно высокую производительность только при решении больших потоков сравнительно простых задач. Не удавалось добиться высокой производительности при решении сложных задач за счет организации параллельной обработки информации. Это и привело к поискам новых структур. Ясно было, что надо придавать многомашинным ВК некоторые свойства, присущие многопроцессорным комплексам. В основном вели поиск по пути объединения всех или части ресурсов комплекса. Многочисленные полученные варианты, как уже отмечалось, можно объединить в группы. Заметим только, что все варианты имеют общий характерный признак: это многомашинные комплексы с включением некоторых особенностей МПВК.

Рис. 1.12. Комплекс типа Cm*

 

Идея комплексов с общедоступной памятью очень проста – ОЗУ и ВЗУ каждой ЭВМ доступны для других ЭВМ. С этой целью предусматриваются соответствующие связи, а система адресации позволяет рассматривать все ЗУ как единое целое. При этом каждая ЭВМ имеет все необходимые ресурсы для решения задач и управляется своей операционной системой, т. е. комплекс остается многомашинным. Однако общедоступная память дает новое качество: возможность использовать общие базы данных, решать на нескольких ЭВМ одну, общую, задачу, затрачивая на обмен информацией сравнительно малое время. Следует заметить, что современные ОЗУ на интегральных схемах обладают достаточно высоким быстродействием, в то время как быстродействие процессоров относительно невелико, поэтому замедление работы ЭВМ при обращении к памяти другой ЭВМ оказывается не очень значительным. При решении одной задачи на нескольких ЭВМ, как и в МПВК, остается проблема синхронизации этапов решения.

 

Пожалуй наиболее характерным в этой группе является комплекс Сm* (рис. 1.12), разработанный университетом Карнеги (США). Основным элементом комплекса является микро-ЭВМ LSI-11 фирмы DЕС, включающая в себя процессор, ОЗУ, ВЗУ на сменных магнитных дисках, устройства для работы оператора. Все устройства объединены общей шиной. Несколько таких ЭВМ (до 14) связываются через так называемую шину отображения с помощью местных (локальных) переключателей Si. Один переключатель объединяет общую шину LSI-11, процессор и шину отображения. Группа ЭВМ, связанных шиной отображения, образует так называемый кластер. В комплексе может быть несколько кластеров, которые соединяются между собой через межкластерные шины. Взаимодействие кластеров обеспечивается быстродействующим коммутационным процессором (КП) с микропрограммным управлением. Этот процессор одновременно управляет и шиной отображения. На рисунке представлена схема ВК из трех кластеров. Каждый процессор имеет доступ ко всем ЗУ системы. Система адресации позволяет образовать 28-разрядное виртуальное адресное пространство, которое разбито на сегменты по 4096 байт, т. е. имеет 216 сегментов. Естественно, в этом комплексе доступ к различным ЗУ осуществляется с разной задержкой: минимальной – при обращении к собственной памяти, средней – при обращении к памяти другой ЭВМ, входящей в тот же кластер, и максимальной – при обращении в ЗУ ЭВМ других кластеров.

 

Рис. 1.13. Комплекс типа Cmmp

Принцип построения систем с общим полем оперативной памяти заключается в том, что несколько ЭВМ, каждая из которых имеет собственное ОЗУ, кроме того, имеют возможность обращаться к общему ОЗУ, емкость которого значительно больше не только емкости ОЗУ одной ЭВМ, но и суммарной емкости всех ОЗУ. Такое построение системы в максимальной степени приближает многомашинный ВК к многопроцессорному, так как наличие общего оперативного ЗУ обеспечивает комплексу большинство свойств, характерных для МПВК, в том числе и возможность параллельной работы при решении одной большой задачи. При этом каждая ЭВМ работает под управлением своей, достаточно простой ОС.

 

Характерным представителем этой группы является комплекс типа Cmmp(рис. 1.13). Этот ВК построен на основе широко известных мини-ЭВМ PDP-11/40 фирмы DEC. В комплексе может быть до 16 таких ЭВМ. С помощью матричного коммутатора (16X16) к любой из этих ЭВМ может подключаться один из 16 модулей памяти (МП), создающих таким образом общее для процессоров всех ЭВМ поле памяти. Каждый модуль памяти имеет емкость 1 млн. слов (2 Мбайт). Так как адресное поле ЭВМ составляет 18 разрядов, а общее адресное пространство равно 32 Мбайт, обращение процессоров к общей памяти осуществляется через специальный транслятор адреса (ТА), который работает с достаточно высокой скоростью: задержка не превышает 250 нс.

Кроме связи ЭВМ через общую память имеется связь посредством общей межпроцессорной шины, что обеспечивает взаимные прерывания с тремя уровнями, синхронизацию процессоров, а также выполнение некоторых функций управления (каждый процессор может останавливать и запускать любой другой процессор).

Процессоры PDP-11/40, которые используются в этом комплексе, несколько отличаются от серийных. В них внесены изменения, обеспечивающие запись в управляющую память и возможность ее расширения. Пользователю запрещено применять некоторые команды (НАLТ, WАIТ и др.). Операционная система также претерпела изменения. Емкость собственного ОЗУ каждой ЭВМ составляет 4 кслов (8 кбайт) Такой же выбрана емкость страницы в общем поле памяти. Конфликты которые возникают при одновременном обращении двух или более процессоров и одному и тому же модулю памяти, раз решаются в самих модулях, где организуется очередь запросов.

Как отмечалось, ВК типа Сmmр максимально приближаются к микропроцессорным и при малой емкости памяти собственных ОЗУ приобретают значительную часть недостатков МПВК, в частности большое число конфликтов из-за памяти, сложность ОС. По-видимому, лучшие результаты можно получить, увеличивая собственную оперативную память ЭВМ, образующих комплекс. Возможности ЭВМ в этом варианте резко возрастают, существенно уменьшается число конфликтов из-за памяти, ОС приближается по-своему характеру к ОС ММВК и становится проще. Вместе с тем сохраняется и ценное качество МПВК: возможность эффективного взаимодействия всех или части процессоров при решении общей задачи.

В отношении надежности ВК типа Сm* и Сmmр безусловно эффективны, так как оба позволяют осуществлять резервирование всех ресурсов и допускают в значительных пределах реконфигурацию при выходе из строя того или иного устройства. В простейшем случае возможно простое отключение неисправной ЭВМ с передачей выполняемых ею функций другим ЭВМ.

Рассматривая организацию обработки информации в таких ВК, можно от метить, что принципиально и в том и в другом комплексе возможны все три способа функционирования: «ведущий – ведомый», раздельное выполнение заданий каждым процессором, симметричная обработка. Однако для комплексов типа Сm* больше подходит организация по типу «ведущий – ведомый», а организация симметричной обработки сильно затруднена. Для ВК типа Сmmр одинаково приемлемы все три способа.

На главную