6.3. Слабосвязанные многопроцессорные системы
Существует несколько способов построения крупномасштабных систем с распределённой памятью.
1. Многомашинные системы. В таких системах отдельные компьютеры объединяются либо с помощью сетевых средств, либо с помощью общей внешней памяти (обычно – дисковые накопители большой емкости).
2. Системы с массовым параллелизмом МРР (Massively Parallel Processor). Идея построения систем этого класса тривиальна: берутся серийные микропроцессоры, снабжаются каждый своей локальной памятью, соединяются посредством некоторой коммуникационной среды, например сетью.
Системы с массовым параллелизмом могут содержать десятки, сотни и тысячи процессоров, объединённых коммутационными сетями самой различной формы – от простейшей двумерной решетки до гиперкуба. Достоинства такой архитектуры: во-первых, она использует стандартные микропроцессоры; во-вторых, если требуется высокая терафлопсная производительность, то можно добавить в систему необходимое количество процессоров; в-третьих, если ограничены финансы или заранее известна требуемая вычислительная мощность, то легко подобрать оптимальную конфигурацию.
Однако есть и решающий «минус», сводящий многие «плюсы» на нет. Дело в том, что межпроцессорное взаимодействие в компьютерах этого класса идет намного медленнее, чем происходит локальная обработка данных самими процессорами. Именно поэтому написать эффективную программу для таких компьютеров очень сложно, а для некоторых алгоритмов иногда просто невозможно.
3. Кластерные системы. Данное направление, строго говоря, не является самостоятельным, а, скорее, представляет собой комбинацию из архитектур SMP и МРР. Из нескольких стандартных микропроцессоров и общей для них памяти формируется вычислительный узел (обычно по архитектуре SMP). Для достижения требуемой вычислительной мощности узлы объединяются высокоскоростными каналами.
Эффективность распараллеливания процессов во многих случаях сильно зависит от топологии соединения процессорных узлов. Идеальной является топология, в которой любой узел мог бы напрямую связаться с любым другим узлом. Однако в кластерных системах это технически трудно реализуемо. Обычно процессорные узлы в современных кластерных системах образуют или двумерную решетку, или гиперкуб.
Для синхронизации параллельно выполняющихся в узлах процессов необходим обмен сообщениями, которые должны доходить из любого узла системы в любой другой узел. При этом важной характеристикой является максимальное расстояние между узлами. Если сравнивать по этому параметру двумерную решетку и гиперкуб, то при увеличении числа узлов топология гиперкуба является более выгодной.
Время передачи информации от узла к узлу зависит от стартовой задержки и скорости передачи. Прогресс в производительности процессоров гораздо больше, чем в пропускной способности каналов связи. За время передачи процессорные узлы успевают выполнить большое количество команд. Поэтому инфраструктура каналов связи является одной из главных компонент кластерной или МРР-системы.
Благодаря маштабируемости именно кластерные системы являются сегодня лидерами по достигнутой производительности.
Контрольные вопросы И ЗАДАНИЯ
для самопроверки
Дайте определение ЭВМ, вычислительной и информационной системам, архитектуре ЭВМ.
Опишите развитие и классификацию однопроцессорных архитектур.
Опишите конвейерную технологию выполнения команд.
Охарактеризуйте характерные черты суперскалярной обработки команд.
Приведите классификацию архитектуры SISD с характеристикой классов.
Определите основные характерные черты CISC-архитектуры.
Охарактеризуйте основные характерные черты RISC-архитектуры.
Укажите основные характерные черты VLIW-архитектуры.
Охарактеризуйте основные отличительные черты EPIC-концепции.
В чем суть матричного и векторно-конвейерного способов организации SIMD-архитектуры?
В чем суть ММХ-технологии и потоковых SIMD-расширений?
Почему появились многоядерные структуры процессоров и технологии многопоточности?
Охарактеризуйте все виды производительности компьютера.
Как определить энергоэффективность процессора?
Опишите функциональные возможности, области применения, современные разработки мэйнфреймов.
Опишите функциональные возможности, пути развития, современные разработки суперЭВМ.
Опишите функциональные возможности, назначение, платформы рабочих станций.
Приведите классификацию микроЭВМ с краткой характеристикой классов.
Приведите классификации серверов с пояснениями.
Перечислите требования, которые учитываются при проектировании серверов.
Какими преимуществами обладают блейд-серверы?
Какими характеристиками должен обладать ПК?
Приведите классификацию ПК по способу использования и по назначению.
Дайте классификацию ноутбуков.
Приведите классификацию, состав, платформы карманных устройств.
Охарактеризуйте встраиваемые и промышленные компьютеры.
Опишите типы данных IA-32, IA-64.
Опишите типы данных ММХ, SSE, SSE2-расширений.
Как осуществляется непосредственная, прямая и косвенная адресация операндов?
Каким образом реализуется адресация операндов «базирование способом суммирования» и «базирование способом совмещения»?
Как осуществляется адресация операндов «базирование с индексированием»?
Опишите развитие CISC-системы команд х86 (по годам).
Какие новые возможности появились у процессора с введением расширения команд SSE-2, SSE-3?
Охарактеризуйте особенности архитектуры процессоров AMD64, Intel64.
Опишите обобщенный формат команд х86 и форматы команд RISC-процессора.
Приведите формат команд IA-64 и структуру пакета инструкций.
Опишите характеристики системы прерывания.
Как реализуется программно-управляемый приоритет прерывающих программ?
Определите назначение и структуру центрального процессора ЭВМ.
Приведите классификацию методов построения центрального устройства управления процессора.
Определите назначение, структуру, количество основных функциональных регистров IA-32 и регистров блока обработки чисел с плавающей точкой IA-32.
Определите назначение, структуру, количество регистров ММХ-технологии и расширений SSE, SSE2.
Объясните суть процедуры переименования регистров в процессорах.
Опишите регистровые структуры процессоров AMD64, Intel64.
Опишите регистровые структуры процессоров IA-64.
Сформулируйте характерные черты современных универсальных микропроцессоров.
Приведите особенности микроархитектуры процессоров IntelCore.
Приведите особенности микроархитектуры процессоров Intel Nehalem.
Как осуществляется декодирование команд х86 в процессоре Intel Nehalem?
Охарактеризуйте исполнительные устройства процессоров Intel Nehalem.
Приведите особенности процессорного ядра AMD K10.
Как осуществляется декодирование команд х86 в ядре AMD K10?
Приведите особенности процессора семейства Intel Westmere.
Опишите современное состояние и перспективы развития микропроцессоров для Unix-серверов.
Опишите иерархическую структуру памяти компьютера.
Охарактеризуйте способы размещения данных в кэш-памяти.
Какие существуют методы обновления строк в основной и кэш-памяти?
Какие существуют методы замещения строк в кэш-памяти?
Опишите общие принципы организации оперативной памяти компьютера.
Охарактеризуйте способы распределения оперативной памяти.
Какие существуют методы повышения пропускной способности ОП?
Сформулируйте концепцию виртуальной памяти.
Опишите страничное и странично-сегментное распределение виртуальной памяти.
Перечислите характеристики интерфейсов.
Приведите классификацию интерфейсов.
Охарактеризуйте способы передачи данных в подсистеме ввода-вывода.
Опишите системную организацию на базе чипсетов компании Intel.
Приведите классификацию MIMD-систем по способу взаимодействия процессоров.
Охарактеризуйте сильносвязанные и слабосвязанные многопроцессорные системы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Пятибратов А.П., Гудыко Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные системы и телекоммуникации: учебник / под ред. А.П. Пятибратова. –
2-е изд. – М.: Финансы и статистика, 2002.
Архитектура компьютера. – 4-е изд. / Э. Таненбаум. – СПб.: Питер, 2003.
Хамахер К., Вранешич З., Заки С. Организация ЭВМ. – 5-е изд. – СПб.: Изд. «Питер», 2003.
Орлов С., Цилькер Б. Организация ЭВМ и систем: учебник для ВУЗов. – СПб.: Питер, 2004.
Асмаков С.В., Пахомов С.О. Железо 2008. Компьютер Пресс рекомендует. – СПб.: Питер, 2008.
Чередов А. Д. Организация ЭВМ и систем: учеб. пособие. – 2-е изд. – Томск: изд-во ТПУ, 2005.
Интернет-ресурсы
Официальный сайт компании Intel, США. – http:// www.intel.com
Официальный сайт компании AMD, США. – http:// www.amd.com
Официальный сайт компании HP, США. – http:// www.hp.com
Официальный сайт компании IBM, США. – http:// www.ibm.com
Cайт информационных технологий. – http:// www.ixbt.com
Cайт высоких технологий IT-индустрии. – http://citforum.ru
Учебное издание
ЧЕРЕДОВ Андрей Дмитриевич
ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ
Учебное пособие
Научный редактор
доктор технических наук, профессор Н.Г. Марков
Редактор Н.Т. Синельникова
Верстка Л.А. Егорова
Отпечатано в Издательстве ТПУ в полном соответствии
с качеством предоставленного оригинал-макета
Подписано к печати Формат 60×84/16.
Бумага «Снегурочка». Печать Xerox.
Усл. печ.л. 11,63. Уч.-изд. л. 10,53.
Заказ . Тираж экз.
|
|
Национальный исследовательский
Томский политехнический университет
Система менеджмента качества
Издательства Томского политехнического университета сертифицирована
NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008
|
|
 . 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.
Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru
|
|
