Режимы функционирования ОВС

Вычислительные системы (ВС) с программируемой структурой — это распределенные средства обработки информации. В таких ВС нет единого функционально и конструктивно реализованного устройства: все компоненты (устройство управления, процессор и память) являются распределенными. Тип архитектуры ВС — MIMD;

в системах заложена возможность программной перенастройки архитектуры MIMD в архитектуры MISD или SIMD.

Основная функционально-структурная единица вычислительных ресурсов в системах рассматриваемого класса — это элементарная машина (ЭМ). Допускается конфигурирование ВС с произвольным числом ЭМ. Следовательно, ВС с программируемой структурой относятся к масштабируемым средствам обработки информации и допускают формирование конфигураций с массовым параллелизмом (Scalable Massively Parallel Architecture Computing Systems).

Вычислительные системы с программируемой структурой диалектически сочетают в себе достоинства универсальных и специализированных средств обработки информации, в них допускается автоматическое формирование виртуальных проблемноориентированных конфигураций. В таких ВС с достаточной полнотой воплощены перспективные архитектурные принципы, системы основаны на модели коллектива вычислителей, обладают большими потенциальными возможностями по обеспечению высоких значений показателей эффективности функционирования.

Пожалуй самым главным недостатком архитектуры таких ВС является наличие единого ресурса (устройства управления, управляющей ЭВМ, коммутатора и т. п.). Отказ единого ресурса приводит к отказу ВС в целом, что не приемлемо даже с позиций надежности и живучести. Единый ресурс не позволяет организовать мультипрограммную работу, при которой на различных подсистемах — связных подмножествах технических ресурсов (элементарных процессорах) — будут выполняться одновременно различные программы. вычислительных системах с программируемой структурой диалектически сочетаются архитектурные свойства универсальных и специализированных средств обработки информации. Рассматриваемые ВС — это универсальные параллельные компьютеры, которые способны программно настраиваться под структуру и параметры решаемых задач.

Чем шире класс задач, охватываемой специализированной машиной, тем сложнее её структура и как наиболее совершенную форму ЭВМ следует рассматривать ЭВМ с перестраиваемой архитектурой" .

При построении ВС с программируемой структурой доминирующими являются следующие три принципа:

• 1) массовый параллелизм (параллельность выполнения большого числа операций);
• 2) программируемость (автоматическая перестраиваемость или реконфигурируемость) структуры;
• 3) конструктивная однородность.

Следует подчеркнуть, что принцип программируемости структуры вычислительной системы является таким же важным, каким в свое время было предложение Дж. фон Неймана относительно организации в ЭВМ автоматической модификации программ. (Он предложил хранить программу в памяти машины вместе с данными, что позволило модифицировать программу с помощью самой ЭВМ.) Принцип программируемости структуры требует, чтобы в ВС была реализована возможность «хранения» программного описания функциональной структуры и программной ее модификации (перенастройки) с целью достижения адекватности структурам и параметрам решаемых задач.

В зависимости от сложности задач и характера их поступления можно выделить следующие основные режимы работы ВС с программируемой структурой:

• 1) решение одной сложной задачи;
• 2) обработку набора задач;
• 3) обслуживание потока задач.

Первый режим — монопрограммный, т. е. для решения задачи используются все ресурсы ВС. Задача представляется в виде параллельной программы, число ветвей в которой либо фиксировано, либо допускает варьирование в заданном диапазоне. В качестве единицы ресурса выступает элементарная машина ВС. Все машины используются для решения задачи. Если максимальное число ветвей в параллельной программе менее общего числа ЭМ в системе, то «избыточные» машины используются для повышения надёжности функционирования ВС.

Второй и третий режимы функционирования ВС относятся к мультипрограммным.

При работе ВС в этих режимах одновременно решается несколько задач, следовательно, ресурсы системы делятся между несколькими задачами.

При организации функционирования ВС в случае набора задач учитывается не только количество задач, но их параметры: число ветвей в программе (точнее, число машин, на которых она будет выполняться), время решения или вероятностный закон распределения времени решения и др. Алгоритмы организации функционирования ВС задают распределение задач по машинам и последовательность выполнения задач на каждой машине. В результате становится известным, в каком промежутке времени и на каких машинах (или на какой подсистеме) будет решаться любая задача набора. Этот режим, безусловно, является обобщением мультипрограммных режимов для ЭВМ, и он более сложный. В самом деле, при мультипрограммировании ресурсы ЭВМ (прежде всего процессор) делятся между несколькими последовательными программами. При обработке наборов параллельных задач ресурсы ВС (множество элементарных машин) также распределяются между задачами, однако в любой момент времени задачи решаются на непересекающихся подмножествах машин. Следовательно, мультипрограммные режимы работы ЭВМ реализуются путём разделения времени процессора, в то время как обработка наборов задач на вычислительной системе осуществляется посредством разделения «пространства» машин. Третий режим — обслуживание потока задач на ВС — принципиально отличается от обработки задач набора: задачи поступают в случайные моменты времени, их параметры случайны, следовательно, детерминированный выбор подсистем для решения тех или иных задач исключён. Для режима потока задач созданы методы и алгоритмы, обеспечивающие стохастически оптимальное функционирование вычислительных систем.

Следует подчеркнуть, что при работе ВС в любом из мультипрограммных режимов система представляется в виде композиции подсистем различных рангов. По мере решения задач эта композиция «автоматически» (с помощью операционной системы) реконфигурируется так, чтобы обеспечить её адекватность текущей мультипрограммной ситуации. Любая подсистема обладает всеми архитектурными свойствами системы, поэтому её организация при решении выделенной ей задачи может осуществляться теми же методами, что и организация работы всей ВС в первом режиме.

Технология решения произвольной задачи на вычислительной системе (или на её.

части — подсистеме) предусматривает следующие этапы:

• 1) выбор способа обработки данных;
• 2) разработку параллельного алгоритма (в общем случае отказоустойчивого, способного адаптироваться на число работоспособных ЭМ как на параметр), который эффективно реализуется на ВС при заданной её структуре и выбранном способе обработки данных;
• 3) запись (параллельного) алгоритма решения задачи на языке (высокого уровня);
• 4) получение объектной программы решения задачи на системе.

Выделяются распределённый, матричный и конвейерный способы обработки информации. Последние два способа обработки информации получили наибольшее распространение в виде высокопроизводительных (порядка 12 8 10 опер./с) промышленных матричных и конвейерных вычислительных систем.

Принципы положенные в основу ВС с программируемой структурой, позволяют реализовать в них любой из названных выше способов обработки данных.

При распределённой обработке программы и данные расчленяются и рассредоточиваются по элементарным машинам ВС. Допустимо построение адаптирующихся параллельных программ, число ветвей в которых в процессе их реализации соответствует числу (работоспособных) ЭМ в системе. Способ распределённой обработки данных был теоретически и экспериментально исследован в широком диапазоне классов сложных задач.

Опыт применения методики крупноблочного распараллеливания при решении сложных задач на действующих ВС показал высокую эффективность параллельных программ для распределённой обработки информации и позволил сделать выводы, что содержатся в 3.3.6.

В случае матричной обработки данных программа вычислений содержится в одной (управляющей) ЭМ, а данные однородно распределяются по всем машинам ВС (или подсистемы). Процесс решения задачи состоит из чередующихся процедур: рассылки команд из управляющей ЭМ остальным машинам и исполнения этих команд всеми машинами, по каждой над своими операндами.

Матричный способ в сравнении с распределённым дает экономию в использовании (распределённой по ЭМ) памяти ВС. Однако данному способу присущ недостаток, заключающийся в неоднородном использовании машин и, в частности, в неоднородной нагрузке на их память. Этого недостатка лишён обобщенный матричный способ обработки информации. При последнем способе программа не целиком помещается в одной ЭМ, а предварительно сегментируется (не распараллеливается, а сегментируется!) и затем посегментно размещается в памяти машин. Последовательность сегментов, составляющих программу, может быть размещена в памяти машин, например, так, что номер распределённого в машину сегмента будет равен её номеру. И для распределённого, и для матричного способов обработки информации характерно то, что в процессе решения задачи имеют место обмены данными между ЭМ системы.

При конвейерном способе обработки данных структура ВС предварительно настраивается так, что машины образуют конвейер (или «линейку», или «кольцо»). Затем осуществляются сегментирование программы и размещение в машинах ВС последовательности полученных сегментов в соответствии со структурой конвейера.

Размещение данных может быть сосредоточенным (например, на внешней памяти одной ЭМ) или распределённым (по памятям всех машин конвейера). В процессе решения задачи данные «пропускаются» через последовательность машин, составляющих конвейер.

Рассмотренные способы обработки информации на ВС иллюстрирует рис. вычислительная система программируемый Верхние части четырёх рисунков соответствуют программам, а нижние — данным.

Стрелками показаны направления потоков данных. Номер }, ,…, 2, 1 { N j I приписанный к блокам данных и программ (к ветви или сегменту), соответствует номеру ЭМ, в памяти которой они размещены. Не сплошной линией изображены те недостающие части программы, которые будут получены машиной в процессе решения задачи от ЭМ, хранящих программы или её сегменты. Итак, при распределённом способе обработки информации полностью используются возможности ВС с архитектурой MIMD. Матричный и конвейерный способы обработки информации обеспечивают частичное использование возможностей архитектуры ВС. Архитектура MIMD при первом способе трансформируется в архитектуру SIMD, а при втором — в архитектуру MISD .