Классификация параллельных вычислительных систем

Классификация параллельных архитектур по Флинну

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 и расширена в 1972 году. 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

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)

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

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

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

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

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

• Симметричная мультипроцессорность (SMP)
• Массово-параллельная архитектура (MPP)

Ссылки

• [www.parallel.ru/computers/taxonomy/ Классификации архитектур вычислительных систем] на основе пособия Вл. В. Воеводин, А. П. Капитонова. «Методы описания и классификации вычислительных систем». Издательство МГУ,1994.
• [archive.is/20121225022602/fdsc.narod.ru/Prgs/VinBak2.exe Бакалаврская работа с краткой классификацией ВС (самораспаковывающийся архив)]
• hosting.ulstu.ru/umk/umk/ap/lections/transputers/microprocessor%20architectures/classif.htm

Отрывок, характеризующий Классификация параллельных вычислительных систем

– На что же ему остатки то? – сказал Каратаев. – Нам подверточки то важные бы вышли. Ну, да бог с ним. – И Каратаев с вдруг изменившимся, грустным лицом достал из за пазухи сверточек обрезков и, не глядя на него, подал французу. – Эхма! – проговорил Каратаев и пошел назад. Француз поглядел на полотно, задумался, взглянул вопросительно на Пьера, и как будто взгляд Пьера что то сказал ему.
– Platoche, dites donc, Platoche, – вдруг покраснев, крикнул француз пискливым голосом. – Gardez pour vous, [Платош, а Платош. Возьми себе.] – сказал он, подавая обрезки, повернулся и ушел.
– Вот поди ты, – сказал Каратаев, покачивая головой. – Говорят, нехристи, а тоже душа есть. То то старички говаривали: потная рука торовата, сухая неподатлива. Сам голый, а вот отдал же. – Каратаев, задумчиво улыбаясь и глядя на обрезки, помолчал несколько времени. – А подверточки, дружок, важнеющие выдут, – сказал он и вернулся в балаган.


Прошло четыре недели с тех пор, как Пьер был в плену. Несмотря на то, что французы предлагали перевести его из солдатского балагана в офицерский, он остался в том балагане, в который поступил с первого дня.
В разоренной и сожженной Москве Пьер испытал почти крайние пределы лишений, которые может переносить человек; но, благодаря своему сильному сложению и здоровью, которого он не сознавал до сих пор, и в особенности благодаря тому, что эти лишения подходили так незаметно, что нельзя было сказать, когда они начались, он переносил не только легко, но и радостно свое положение. И именно в это то самое время он получил то спокойствие и довольство собой, к которым он тщетно стремился прежде. Он долго в своей жизни искал с разных сторон этого успокоения, согласия с самим собою, того, что так поразило его в солдатах в Бородинском сражении, – он искал этого в филантропии, в масонстве, в рассеянии светской жизни, в вине, в геройском подвиге самопожертвования, в романтической любви к Наташе; он искал этого путем мысли, и все эти искания и попытки все обманули его. И он, сам не думая о том, получил это успокоение и это согласие с самим собою только через ужас смерти, через лишения и через то, что он понял в Каратаеве. Те страшные минуты, которые он пережил во время казни, как будто смыли навсегда из его воображения и воспоминания тревожные мысли и чувства, прежде казавшиеся ему важными. Ему не приходило и мысли ни о России, ни о войне, ни о политике, ни о Наполеоне. Ему очевидно было, что все это не касалось его, что он не призван был и потому не мог судить обо всем этом. «России да лету – союзу нету», – повторял он слова Каратаева, и эти слова странно успокоивали его. Ему казалось теперь непонятным и даже смешным его намерение убить Наполеона и его вычисления о кабалистическом числе и звере Апокалипсиса. Озлобление его против жены и тревога о том, чтобы не было посрамлено его имя, теперь казались ему не только ничтожны, но забавны. Что ему было за дело до того, что эта женщина вела там где то ту жизнь, которая ей нравилась? Кому, в особенности ему, какое дело было до того, что узнают или не узнают, что имя их пленного было граф Безухов?
Теперь он часто вспоминал свой разговор с князем Андреем и вполне соглашался с ним, только несколько иначе понимая мысль князя Андрея. Князь Андрей думал и говорил, что счастье бывает только отрицательное, но он говорил это с оттенком горечи и иронии. Как будто, говоря это, он высказывал другую мысль – о том, что все вложенные в нас стремленья к счастью положительному вложены только для того, чтобы, не удовлетворяя, мучить нас. Но Пьер без всякой задней мысли признавал справедливость этого. Отсутствие страданий, удовлетворение потребностей и вследствие того свобода выбора занятий, то есть образа жизни, представлялись теперь Пьеру несомненным и высшим счастьем человека. Здесь, теперь только, в первый раз Пьер вполне оценил наслажденье еды, когда хотелось есть, питья, когда хотелось пить, сна, когда хотелось спать, тепла, когда было холодно, разговора с человеком, когда хотелось говорить и послушать человеческий голос. Удовлетворение потребностей – хорошая пища, чистота, свобода – теперь, когда он был лишен всего этого, казались Пьеру совершенным счастием, а выбор занятия, то есть жизнь, теперь, когда выбор этот был так ограничен, казались ему таким легким делом, что он забывал то, что избыток удобств жизни уничтожает все счастие удовлетворения потребностей, а большая свобода выбора занятий, та свобода, которую ему в его жизни давали образование, богатство, положение в свете, что эта то свобода и делает выбор занятий неразрешимо трудным и уничтожает самую потребность и возможность занятия.
Все мечтания Пьера теперь стремились к тому времени, когда он будет свободен. А между тем впоследствии и во всю свою жизнь Пьер с восторгом думал и говорил об этом месяце плена, о тех невозвратимых, сильных и радостных ощущениях и, главное, о том полном душевном спокойствии, о совершенной внутренней свободе, которые он испытывал только в это время.
Когда он в первый день, встав рано утром, вышел на заре из балагана и увидал сначала темные купола, кресты Ново Девичьего монастыря, увидал морозную росу на пыльной траве, увидал холмы Воробьевых гор и извивающийся над рекою и скрывающийся в лиловой дали лесистый берег, когда ощутил прикосновение свежего воздуха и услыхал звуки летевших из Москвы через поле галок и когда потом вдруг брызнуло светом с востока и торжественно выплыл край солнца из за тучи, и купола, и кресты, и роса, и даль, и река, все заиграло в радостном свете, – Пьер почувствовал новое, не испытанное им чувство радости и крепости жизни.
И чувство это не только не покидало его во все время плена, но, напротив, возрастало в нем по мере того, как увеличивались трудности его положения.
Чувство это готовности на все, нравственной подобранности еще более поддерживалось в Пьере тем высоким мнением, которое, вскоре по его вступлении в балаган, установилось о нем между его товарищами. Пьер с своим знанием языков, с тем уважением, которое ему оказывали французы, с своей простотой, отдававший все, что у него просили (он получал офицерские три рубля в неделю), с своей силой, которую он показал солдатам, вдавливая гвозди в стену балагана, с кротостью, которую он выказывал в обращении с товарищами, с своей непонятной для них способностью сидеть неподвижно и, ничего не делая, думать, представлялся солдатам несколько таинственным и высшим существом. Те самые свойства его, которые в том свете, в котором он жил прежде, были для него если не вредны, то стеснительны – его сила, пренебрежение к удобствам жизни, рассеянность, простота, – здесь, между этими людьми, давали ему положение почти героя. И Пьер чувствовал, что этот взгляд обязывал его.


В ночь с 6 го на 7 е октября началось движение выступавших французов: ломались кухни, балаганы, укладывались повозки и двигались войска и обозы.
В семь часов утра конвой французов, в походной форме, в киверах, с ружьями, ранцами и огромными мешками, стоял перед балаганами, и французский оживленный говор, пересыпаемый ругательствами, перекатывался по всей линии.
В балагане все были готовы, одеты, подпоясаны, обуты и ждали только приказания выходить. Больной солдат Соколов, бледный, худой, с синими кругами вокруг глаз, один, не обутый и не одетый, сидел на своем месте и выкатившимися от худобы глазами вопросительно смотрел на не обращавших на него внимания товарищей и негромко и равномерно стонал. Видимо, не столько страдания – он был болен кровавым поносом, – сколько страх и горе оставаться одному заставляли его стонать.
Пьер, обутый в башмаки, сшитые для него Каратаевым из цибика, который принес француз для подшивки себе подошв, подпоясанный веревкою, подошел к больному и присел перед ним на корточки.
– Что ж, Соколов, они ведь не совсем уходят! У них тут гошпиталь. Может, тебе еще лучше нашего будет, – сказал Пьер.
– О господи! О смерть моя! О господи! – громче застонал солдат.
– Да я сейчас еще спрошу их, – сказал Пьер и, поднявшись, пошел к двери балагана. В то время как Пьер подходил к двери, снаружи подходил с двумя солдатами тот капрал, который вчера угощал Пьера трубкой. И капрал и солдаты были в походной форме, в ранцах и киверах с застегнутыми чешуями, изменявшими их знакомые лица.
Капрал шел к двери с тем, чтобы, по приказанию начальства, затворить ее. Перед выпуском надо было пересчитать пленных.
– Caporal, que fera t on du malade?.. [Капрал, что с больным делать?..] – начал Пьер; но в ту минуту, как он говорил это, он усумнился, тот ли это знакомый его капрал или другой, неизвестный человек: так непохож был на себя капрал в эту минуту. Кроме того, в ту минуту, как Пьер говорил это, с двух сторон вдруг послышался треск барабанов. Капрал нахмурился на слова Пьера и, проговорив бессмысленное ругательство, захлопнул дверь. В балагане стало полутемно; с двух сторон резко трещали барабаны, заглушая стоны больного.