Использование вычислительных систем для научно-технических

расчетов и моделирования

Таразский государственный университет им. М.Х. Дулати

Ералиева Б.Ш., г. Тараз

На вычислительные системы общего назначения, используемые для научно-технических расчетов и моделирования, в системах автоматизированного проектирования и управления производством, возлагается выполнение широкого спектра задач. При этом вычислительная система должна реализовать обширный набор функций над различными типами и структурами данных: обработку целочисленных значении, действительных чисел, графической информации и изображений, текстов, матричную обработку, трансляцию программ, доступ к данным, организованным в наборы или базы, и т, д. Кроме того, для управления вычислительными процессами и функционированием необходимо реализовать специфические функции управляющих программ операционной системы, управления виртуальной памятью, сходствами ввода – вывода и передачи данных, а также контроль и диагностику системы и др.

Высокопроизводительные системы общего назначения создаются на основе многопроцессорных комплексов. Использование в таких системах однотипных процессоров, аналогичных процессорам ЭВМ общего назначения, оказывается неэкономичным, поскольку в каждом процессоре в каждый момент времени используется лишь часть ресурсов, обеспечивающих обработку данных одного типа. Наиболее экономичный способ построения многопроцессорной системы общего назначения – использование специализированных процессоров, ориентированных на реализацию определенных функций: обработки скалярных величин, текстов, матричной обработки, трансляции программ, управления данными и др. При этом значительно сокращаются затраты оборудования в процессоре и повышается его производительность. Кроме того, совокупность таких процессоров предоставляет необходимый для решения задач набор функций, который можно изменять, по-разному комплектуя систему и приспосабливая ее к рабочей нагрузке.

Многопроцессорные вычислительные системы, построенные на основе разнотипных процессоров, ориентированных на реализацию определенных функций, называются функционально распределенными вычислительными системами (ФРВС). Это неоднородные системы и строятся они как проблемно-ориентировочные – путем включения в их состав набора процессоров, соответствующего потребностям обрабатываемых задач. Принцип структурной организации ФРВС представлен па рис. 1. Система состоит из совокупности процессоров, имеющих индивидуальную память и основной памяти. Ядро системы обеспечивает информационное сопряжение всех устройств. Ядро может быть реализовано в виде, системной шины (магистрали), коммутационного поля или коммутатора основной памяти.

В первых двух случаях каждый процессор может обмениваться данными с любыми другими процессорами и основной памятью. При использовании коммутатора основной памяти обмен данными производится только через память.

В представленной структуре управляющий процессор реализует супервизорные функции – управление ресурсами и задачами, обрабатывающий процессор – обработку числовых и символьных данных, матричный процессор – матричную и векторную обработку, языковой процессор – трансляцию программ, процессоры баз данных – доступ к наборам данных и управление базами данных, процессор ввода – вывода обслуживает устройства ввода – вывода и телекоммуникационный процессор обеспечивает передачу данных по каналам связи. Состав процессоров в конкретной системе зависит от класса решаемых задач. Так, в системе могут использоваться два обрабатывающих процессора или несколько телекоммуникационных.

Управляющий процессор

Обрабатываю щий процессор

Матричный процессор

Языковой процессор

Процессор баз данных

Процессор баз данных

Процессор ввода-вывода

Основная память

Телекоммуникационный процессор

Коммутатор

УВВ

Рис. 1. Функционально распределенная вычислительная система

Обработка каждой задачи распределяется между процессорами. При этом функции управления данными реализуются процессорами, изображенными в нижней части рисунка. Разные шаги заданий, программы и ветви (блоки) программ выполняются обрабатывающим, матричным и языковым процессорами. Распределение ресурсов между задачами и управление задачами производится управляющим процессором, который реализует управляющие программы операционной системы. Загрузка оборудования увеличивается за счет мультипрограммирования и, возможно, параллельных вычислений на уровне подзадач.

Специализация процессоров обеспечивается на разных уровнях – на уровне структуры, микропрограммном и программном. Специализация на уровне структуры достигается за счет использования и операционной части процессора специальных регистровых структур и микрооперации, эффективно реализующих заданный набор операций. Такими являются матричные процессоры, содержащие совокупность арифметико-логических устройств, с помощью которых параллельно обрабатываются векторы и матрицы. Специализация на микропрограммном уровне сводится к созданию с помощью микропрограмм специализированного набора операций, ориентированного на вычисление заданного набора функций. При использовании ОЗУ для хранения микропрограмм специализация процессора производится путем динамического микропрограммирования – загрузки в память соответствующего набора микропрограмм. В этом случае возможно оперативно изменять конфигурацию системы, загружая в структурно одинаковые процессоры необходимые наборы микропрограмм. Функциональная специализация процессоров на программном уровне достигается за счет загрузки в процессор соответствующего набора программ.

В ФРВС используются, как правило, все три уровня специализации процессоров. Обрабатывающие и матричные процессоры имеют специализированную структуру: первые – для выполнения традиционных операций над логическими значениями, целыми и действительными числами и строками символов, последние – для производства векторных и матричных операций. Остальные процессоры функционально специализируются на уровне микропрограмм или программ.

 Одна из первых систем, в полной мере реализующая принцип функционально распределенной организации, – система SYMBOL. Это неоднородная восьмипроцессорная система. Процессор-супервизор управляет работой всей системы, координируя остальные процессоры, создавая очереди заявок к ним и распределяя процессоры между задачами. Процессор-транслятор обеспечивает перевод операторов с входного языка на внутренний язык системы (на машинный язык). Центральный процессор реализует обычные функции выборки команд и также арифметические и логические операции. В системе используется виртуальная память, работа которой обеспечивается процессором управления памятью. Этот процессор обрабатывает заявки от других процессоров на запись и чтение данных произвольной структуры. Виртуальная память состоит из 216 страниц, содержащих 256 64-битных слов, емкость основной памяти – 8 слов (32 страницы). В дисковой памяти размещается примерно 50 тыс. страниц. Распределение емкости дисковой памяти, поиск и передача требуемой страницы данных реализуются процессором управления дисками. Управление вводом – выводом данных возложено на процессор управления каналами. К этому процессору через каналы передачи данных подключены внешние устройства. Редактирование и преобразование вводимых – выводимых данных обеспечивается процессором сопряжения, который работает в основном совместно с процессором управления каналами.

Процессоры сопрягаются посредством главной шины, состоящей из 111 линий причем используются для передачи слова данных 64 линии, адреса слова – 24 линии, адреса абонента, которому направляются данные, – 5 линий. Остальные линии служат для передачи кода операции, приоритета сообщений и для синхронизации работы абонентов. При относительно низком быстродействии (длительность цикла процессоров – 320 нс и оперативной памяти – 2,5 мкс) система отличается высокой производительностью, составляющей 75 тыс. операторов входного языка в минуту, что примерно в 10 раз больше, чем у больших ЭВМ общего назначения.

Вычислительные системы семейства System/80 фирмы IBM. В системе может использоваться до 8–16 процессоров, взаимодействующих через основную память и интерфейс прямого управления. Обслуживающий процессор обеспечивает работу пульта системы, планирование, контроль и диагностику. Процессор ввода – вывода обслуживает внешние устройства и выполняет первичную обработку (редактирование) вводимых – выводимых данных. Языковой процессор предназначен для трансляции программ с языка высокого уровня на машинный язык, т. е. в систему команд соответствующих процессоров. Обрабатывающий процессор выполняет обычные операции центрального процессора ЭВМ. Файловый процессор управляет данными, реализуя создание, открытие и закрытие наборов данных и доступ к данным, хранимым в наборах с различной организацией. Каждый процессор имеет собственную оперативную память. Функциональная ориентация процессоров обеспечивается на микропроцессорном уровне – путем загрузки в процессор соответствующих наборов микропрограмм. Возможности системы могут расширяться за счет подключения нескольких процессоров ввода – вывода, обрабатывающих процессоров, а также матричного процессора.

Список литературы

1. Максимов Н.В. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. – СПб.: Питер, 2008г.

2. Пятибратов А.П. и др. Вычислительные машины системы, сети и телекоммуникации. – М.:Статистика, 2004г.

3. Мелехин В.Ф.. Вычислительные машины, системы и сети. Учебник для вузов. – М., 2007г.

4. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети, принципы, технологии, протоколы. – СПб.: Питер, 2007г.

5. Горец Н.Н. Организация ЭВМ и систем. – М., 2006г.

6. Истомин Е.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. – СПб., 2007г.

7. Жмакин А.П. Архитектура ЭВМ. –СПб., 2006г.