Эволюционные аспекты и общие понятия

Вычислительные машины за свою примерно полувековую историю прошли стремительный и впечатляющий путь, отмеченный частыми сменами поколений ЭВМ. Общей закономерностью этого процесса было стремление

- удовлетворить постоянно возрастающие требования различных областей применения вычислительной техники;
- повысить производительность, надежность, логические и интеллектуальные возможности ЭВМ;
- облегчить и упростить взаимодействие пользователей с ЭВМ при подготовке и решении различных задач.

Эволюция структурной и функциональной организации вычислительных машин привела к созданию таких объектов вычислительной техники, которые из - за сложности входящего в них оборудования, тесной логической взаимосвязи технических и программных средств при реализации сложных процессов функционирования, множества возможных конфигураций и территориальной рассредоточенности оборудования, по существу, превратили вычислительную машину в вычислительную систему (ВС).

Термин "вычислительная система" впервые появился в начале - середине 60 - х гг. применительно к ЭВМ 3 поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого стала реализация новых технических решений: разделение процессов ввода - вывода и обработки данных, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка. Отражая все эти новшества, и появился термин "вычислительная система".

Вычислительная система позволяет объединить в целое значительные вычислительные и информационные ресурсы и предоставить их многочисленным пользователям, находящимся, как правило, на расстоянии от системы и связанным с ней соответствующими каналами передачи данных. Основой реализации различных форм обслуживания многочисленных пользователей стало дальнейшее углубление и расширение мультипрограммности в работе технических и программных средств системы.
Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ явилась возможность построения параллельных ветвей в вычислительном процессе, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ. Для этого в составе ВС всегда используется несколько вычислителей (процессоров или ЭВМ), реализующих параллельную обработку.

242

Использование нескольких вычислителей делает вычислительную систему более предпочтительной в экономическом отношении по сравнению с отдельной ЭВМ. Анализ характеристик ЭВМ различных поколений показа!, что в пределах интервала времени, характеризующегося относительной стабильностью элементной базы, связь стоимости и производительности ЭВМ выражается квадратичной зависимостью (закон Гроша):

СЭВМ = КЭВМ · П2ЭВМ.

Построение же вычислительных систем позволяет существенно сократить затраты, так как для них справедлива линейная формула

CВС = КВС ·

i = 1

Пi,

где	СЭВМ, СВС - соответственно, стоимость ЭВМ и ВС;
	КЭВМ, КВС - коэффициенты пропорциональности;
	ПЭВМ, Пi - производительность ЭВМ и i - го из n комплектующих систему вычислителей.

На рис. 12.1 представлены графики изменения стоимости вычислений для ЭВМ и ВС. Для каждого поколения ЭВМ и ВС существует критический порог сложности решаемых задач Пкр, после которого применение автономных ЭВМ становится экономически невыгодным, неэффективным. Многие специалисты считают, что использование параллельно работающих вычислителей является одним из основных признаков развития вычислительной техники новых поколений.

Рис. 12.1. Зависимости стоимости ЭВМ и ВСот производительности

243

Кроме выигрыша в стоимости технических средств, следует учитывать и дополнительные преимущества. Наличие нескольких вычислителей в системе позволяет совершенно по - новому решать проблемы надежности, достоверности результатов обработки, резервирования, централизации хранения и обработки данных, децентрализации управления, предоставления пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Для организации различных режимов работы и форм обслуживания пользователей при создании ВС учитываются следующие основные принципы:

- модульность структуры; технических и программных средств, что позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительные системы, делая их способными к адаптации и самоорганизации;
- параллелизм в структуре построения и функциональной организации комплексируемых элементов системы;
- иерархия и децентрализация управления процессами, протекающими в системе;
- унификация и стандартизация технических и программных решений.

При построении ВС необходимо обеспечить совместимость элементов и модулей, комплексируемых в системе. Как и для отдельных ЭВМ, понятие совместимости имеет 3 аспекта: технический, программный и информационный.

Техническая совместимость обеспечивается использованием унифицированных средств соединения (разъемов, кабелей, шин, соединительных проводов и т.п.), а также соответствием параметров электрических сигналов (амплитуды, длительности, полярности и т.д.) и согласованной последовательностью формирования этих сигналов.

Программная совместимость требует, чтобы команды, передаваемые из одного устройства в другое, были правильно поняты и выполнены последним. Если взаимодействующие устройства относятся к одному и тому же семейству ЭВМ, но к разным его моделям, то здесь обычно обеспечивается совместимость снизу вверх, т.е. ранее созданные программы могут выполняться на более поздних моделях, но не наоборот.

Информационная совместимость комплексируемых средств предполагает, что передаваемые информационные массивы будут одинаково интерпретироваться сопрягаемыми модулями ВС. Для этого должны быть стандартизованы алфавиты, разрядности, форматы данных, структуры и разметка файлов.

Для оценки обобщенных характеристик вычислительных систем используется понятие архитектуры. Архитектура ВС - это совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально - логическую и структурную организацию системы. Это понятие охватывает общие принципы построения и функционирования, наиболее существенные для пользователей,

244

которых больше интересуют возможности систем, а не детали их технического исполнения.

Нужно отметить, что архитектурные свойства вычислительных систем определяются в значительной степени тем, насколько эффективно решены в них вопросы программного обеспечения -. Именно программное обеспечение реализует сложные функции распределения ресурсов системы в процессе параллельных вычислений в одновременно работающих устройствах.

В настоящее время уже накоплен достаточно большой опыт в разработке и использовании ВС самого разнообразного применения. Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени территориальной разобщенности элементов системы и др.

Различные типы ВС отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками. Различия наблюдаются уже на уровне структуры.

Структура ВС - это совокупность комплексируемых элементов и их связей. В качестве таких элементов могут выступать отдельные ЭВМ или процессоры. В зависимости от этого признака все вычислительные системы делятся на многомашинные и многопроцессорные ВС.

Многомашинные вычислительные системы (ММВС) содержат две и более ЭВМ, каждая из которых имеет процессор, оперативную память, набор периферийных устройств и работает под управлением собственной операционной системы. Комплексное взаимодействие ЭВМ в системе может быть организовано по - разному и сводится в любом случае к обеспечению соответствующего уровня взаимодействия их операционных систем.

Многопроцессорные вычислительные системы (МПВС) строятся путем комплексирования нескольких процессоров, работающих с общим полем оперативной памяти и общим набором периферийных устройств. Параллельная работа процессоров и распределение общего ресурса памяти обеспечиваются под управлением общей операционной системы.

В зависимости от степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы централизованной и распределенной обработки данных.

Для многопроцессорных систем более характерной является централизованная обработка, а учитывая успехи микроэлектроники, эта централизация становится еще более глубокой, обеспечивающей совмещение уже в одном кристалле нескольких параллельно работающих процессоров. К системам распределенной обработки данных обычно относятся многомашинные вычислительные системы.

В результате развития идей распределенной обработки данных в конце 60 - х гг. появились первые разработки так называемых вычислительных (компьютерных) сетей. Вычислительная сеть представляет собой совокупность ЭВМ и терминалов, соединенных с помощью каналов связи в

245

единую систему распределенной обработки данных. Вычислительная сеть позволяет аккумулировать значительные информационные и вычислительные ресурсы и предоставлять эти ресурсы в распоряжение многочисленных, территориально рассредоточенных пользователей.

246

242 :: 243 :: 244 :: 245 :: 246 :: Содержание

Содержание раздела