Вычислительные системы

Классификация вычислительных систем и принципы их построения

Первые вычислительные системы создавались для того, чтобы увеличить уровень надежности и быстродействие посредством параллельного выполнения операций вычисления. Время, за которое распространяется сигнал между составляющими вычислительной системы может быть значительно выше, чем время переключения электронных схем. Параллелизм выполнения операций системой увеличивает надежность, при отказе какого-либо элемента системы его функции может выполнять другой элемент, а также достоверность ее функционирования, если операции будут дублировать друг друга, то результаты их выполнения будут сравниваться и мажоритироваться. Разработка вычислительной системы опирается на следующие принципы:

1. Обеспечение требуемого сервиса при выполнении вычислений.
2. Возможность работы в различных режимах.
3. Способность вычислительной системы к самоорганизации, самонастройки и адаптации.
4. Строгая иерархия в организации управления процессами.
5. Стандартизация и унификация программных и технических решений.
6. Модульность структуры программных и технических средств, способствующая совершенствованию и модернизации системы без коренных переделок.

Сейчас уже накоплен большой опыт в эксплуатации и разработке вычислительных систем, которые существенно отличаются друг от друга, что уже заметно на уровне структуры. Структура вычислительной системы представляет собой совокупность элементы и связи между ними. В качестве составляющих вычислительной системы выступают отдельные электронно-вычислительные машины и процессоры. В система, которые относятся к классу больших систем, возможно рассматривать структуры программных и технических средств, структуры управления и т. п. Современные вычислительные системы классифицируются по нескольким признакам:

1. Назначение. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на специализированные и универсальные. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач, а универсальные на задачи широкого спектра.
2. Тип построения. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на многомашинные, которые строятся на базе нескольких компьютеров, и многопроцессорные, строящиеся на базе нескольких процессоров.
3. Тип процессоров или электронно-вычислительных машин. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на однородные и неоднородные. Однородная система строится на базе однотипных процессоров и компьютеров, а неоднородные на различных типов.
4. Метод управления элементами вычислительной системы. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на децентрализованные (функции управления разделены между элементами), централизованные (управление осуществляется центральным процессором или машиной), а также системы со смешанным управлением.
5. Принцип закрепления вычислительных функций. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на системы с жестким и плавающим закреплением.
6. Режим работы. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на системы, которые работают в неоперативном или оперативном режимах.
7. Степень территориальной разобщенности модулей системы. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на иерархические, структурно-одноуровневые, распределенные и территориально-сосредоточенные.

Архитектура вычислительной системы

Согласно классификации Флинна, которая основана на независимости потока команд и независимости данных, обрабатываемых в каждом потоке, выделяют четыре основных типа архитектуры вычислительной системы:

1. «одиночный поток команд - одиночный поток данных»,
2. «одиночный поток команд - множественный поток данных»,
3. «множественный поток команд - одиночный поток данных»,
4. «множественный поток команд - множественный поток данных».

При архитектуре «одиночный поток команд - одиночный поток данных» параллелизм операций обеспечивается благодаря совмещению выполнения операций отдельными блоками и параллельной работой устройств ввода-вывода. Архитектура «одиночный поток команд - множественный поток данных» предполагает создание структур матричной или векторной обработки. Архитектура «множественный поток команд - одиночный поток данных» предполагает построение конвейера, где результаты обработки передаются от одного элемента системы к другому. В современных компьютерах по такому принципу реализована схема совмещения операций, при которой работают различные блоки, каждый из которых выполняет определенные функции, входящие в общий цикл команд. Архитектура «множественный поток команд - множественный поток данных» предполагает, что все процессоры системы работают по индивидуальным программам с собственным потоком команд. В самом простом случае они могут быть независимы и автономны. Данная схема используется на крупных вычислительных центрах с целью увеличения их пропускной способности.