Информационные списки

Классификация параллельных вычислительных систем

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Классификация параллельных архитектур по Флинну[править | править код]

Классификация по Флинну
  Одиночный поток команд
(single instruction)
Множество потоков команд
(multiple instruction)
Одиночный поток данных
(single data)
SISD
(ОКОД)
MISD
(МКОД)
Множество потоков данных
(multiple data)
SIMD
(ОКМД)
MIMD
(МКМД)

Общая классификация архитектур ЭВМ по признакам наличия параллелизма в потоках команд и данных была предложена Майклом Флинном в 1966 году[1] и расширена в 1972 году[2]. Все разнообразие архитектур ЭВМ в этой таксономии сводится к четырём классам:

  • ОКОД — Вычислительная система с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных
    (SISD, Single Instruction stream over a Single Data stream).
  • ОКМД — Вычислительная система с одиночным потоком команд и множественным потоком данных
    (SIMD, Single Instruction, Multiple Data).
  • МКОД — Вычислительная система со множественным потоком команд и одиночным потоком данных
    (MISD, Multiple Instruction Single Data).
  • МКМД — Вычислительная система со множественным потоком команд и множественным потоком данных
    (MIMD, Multiple Instruction Multiple Data).

Типичными представителями SIMD являются векторные архитектуры. К классу MISD ряд исследователей относит конвейерные ЭВМ, однако это не нашло окончательного признания, поэтому можно считать, что реальных систем — представителей данного класса не существует. Класс MIMD включает в себя многопроцессорные системы, где процессоры обрабатывают множественные потоки данных.

Отношение конкретных машин к конкретному классу сильно зависит от точки зрения исследователя. Так, конвейерные машины могут быть отнесены и к классу SISD (конвейер — единый процессор), и к классу SIMD (векторный поток данных с конвейерным процессором) и к классу MISD (множество процессоров конвейера обрабатывают один поток данных последовательно), и к классу MIMD — как выполнение последовательности различных команд (операций ступеней конвейера) на множественным скалярным потоком данных (вектором).

Суперскалярные и VLIW машины[править | править код]

Существуют два типа машин (процессоров), выполняющих несколько команд за один машинный такт:

  • суперскалярные машины,
  • VLIW-машины.

Суперскалярные машины могут выполнять за каждый машинный такт переменное число команд, и работа их конвейеров может планироваться как статически с помощью компилятора, так и с помощью аппаратных средств динамической оптимизации. Суперскалярные машины используют параллелизм на уровне команд путём посылки нескольких команд из обычного потока команд в несколько функциональных устройств.

Дополнительно, чтобы снять ограничения последовательного выполнения команд, эти машины используют механизмы внеочередной выдачи и внеочередного завершения команд (англ. OoO, Out of Order execution), прогнозирование переходов (англ. Branch prediction), кэши целевых адресов переходов и условное (по предположению) выполнение команд.

В отличие от суперскалярных машин, VLIW-машина выполняет за один машинный такт фиксированное количество команд, которые сформатированы либо как одна большая команда, либо как пакет команд фиксированного формата. Планирование работы VLIW-машины всегда осуществляется компилятором. В типичной суперскалярной машине аппаратура может выдавать на выполнение от одной до восьми команд в однин такт. Обычно эти команды должны быть независимыми и удовлетворять некоторым ограничениям, например таким, что в каждый такт не может выдаваться более одной команды обращения к памяти. Если какая-либо команда в выполняемом потоке команд является логически зависимой или не удовлетворяет критериям выдачи, на выполнение будут выданы только команды, предшествующие данной. Поэтому скорость выдачи команд в суперскалярных машинах переменна. Это отличает их от VLIW-машин, в которых полную ответственность за формирование пакета команд, которые могут выдаваться одновременно, несёт компилятор (и следовательно программист-разработчик компилятора), а аппаратура в динамике не принимает никаких решений относительно выдачи нескольких команд.

Использование VLIW приводит в большинстве случаев к быстрому заполнению небольшого объёма внутрикристальной памяти командами NOP (no operation), которые предназначены для тех устройств, которые не будут задействованы в текущем цикле. В существующих VLIW-архитектурах был найден большой недостаток, который был устранён делением длинных слов на более мелкие, параллельно поступающие к каждому устройству. Обработка множества команд независимыми устройствами одновременно является главной особенностью суперскалярной процессорной архитектуры.

Классификация Хокни (Roger W. Hockney)[править | править код]

Классификация машин MIMD-архитектуры:

  • Переключаемые — с общей памятью и с распределённой памятью.
  • Конвейерные.
  • Сети — регулярные решётки, гиперкубы, иерархические структуры, изменяющие конфигурацию.

В класс конвейерных архитектур (по Хокни) попадают машины с одним конвейерным устройством обработки, работающим в режиме разделения времени для отдельных потоков. Машины, в которых каждый поток обрабатывается своим собственным устройством, Хокни назвал переключаемыми. В класс переключаемых машин попадают машины, в которых возможна связь каждого процессора с каждым, реализуемая с помощью переключателей — машины с распределённой памятью. Если же память есть разделяемый ресурс, машина называется с общей памятью. При рассмотрении машин с сетевой структурой Хокни считал, что все они имеют распределённую память. Дальнейшую классификацию он проводил в соответствии с топологией сети.

Классификация Фенга[править | править код]

В 1972 году Фенг (T. Feng) предложил классифицировать вычислительные системы на основе двух простых характеристик. Первая — число n бит в машинном слове, обрабатываемых параллельно при выполнении машинных инструкций. Практически во всех современных компьютерах это число совпадает с длиной машинного слова. Вторая характеристика равна числу слов m, обрабатываемых одновременно данной ВС. Немного изменив терминологию, функционирование ВС можно представить как параллельную обработку n битовых слоёв, на каждом из которых независимо преобразуются m бит. Каждую вычислительную систему можно описать парой чисел (n, m). Произведение P = n x m определяет интегральную характеристику потенциала параллельности архитектуры, которую Фенг назвал максимальной степенью параллелизма ВС.

Классификация Хэндлера[править | править код]

В основу классификации В. Хендлер закладывает явное описание возможностей параллельной и конвейерной обработки информации вычислительной системой. Предложенная классификация базируется на различии между тремя уровнями обработки данных в процессе выполнения программ:

  • уровень выполнения программы — опираясь на счётчик команд и некоторые другие регистры, устройство управления (УУ) производит выборку и дешифрацию команд программ;
  • уровень выполнения команд — арифметико-логическое устройство компьютера (АЛУ) исполняет команду, выданную ему устройством управления;
  • уровень битовой обработки — все элементарные логические схемы процессора (ЭЛС) разбиваются на группы, необходимые для выполнения операций над одним двоичным разрядом.

Подобная схема выделения уровней предполагает, что вычислительная система включает какое-то число процессоров каждый со своим устройством управления. Если на какое-то время не рассматривать возможность конвейеризации, то число устройств управления k, число арифметико-логических устройств d в каждом устройстве управления и число элементарных логических схем w в каждом АЛУ составят тройку для описания данной вычислительной системы C: t(C) = (k, d, w).

Классификация Шнайдера[править | править код]

В 1988 году Шнайдер (L.Snyder) предложил новый подход к описанию архитектур параллельных вычислительных систем, попадающих в класс SIMD систематики Флинна. Основная идея заключается в выделении этапов выборки и непосредственно исполнения в потоках команд и данных.

Классификация Скилликорна[править | править код]

Классификация Скилликорна (1989) была очередным расширением классификации Флинна. Архитектура любого компьютера в классификации Скилликорна рассматривается в виде комбинации четырёх абстрактных компонентов: процессоров команд (Instruction Processor — интерпретатор команд, может отсутствовать в системе), процессоров данных (Data Processor — преобразователь данных), иерархии памяти (Instruction Memory, Data Memory — память программ и данных), переключателей (связывающих процессоры и память). Переключатели бывают четырёх типов — «1-1» (связывают пару устройств), «n-n» (связывает каждое устройство из одного множества устройств с соответствующим ему устройством из другого множества, то есть фиксирует попарную связь), «1-n» (переключатель соединяет одно выделенное устройство со всеми функциональными устройствами из некоторого набора), «n x n» (связь любого устройства одного множества с любым устройством другого множества). Классификация Скилликорна основывается на следующих восьми характеристиках:

  • Количество процессоров команд IP
  • Число ЗУ команд IM
  • Тип переключателя между IP и IM
  • Количество процессоров данных DP
  • Число ЗУ данных DM
  • Тип переключателя между DP и DM
  • Тип переключателя между IP и DP
  • Тип переключателя между DP и DP

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Flynn MJ (1966) Very high speed computers. Proc IEEE 54:1901–1901
  2. M.J. Flynn. Some computer organizations and their effectiveness. IEEE Transactions on Computers, 21(9): 948–960, 1972

Ссылки[править | править код]