Классификация архитектур по флинну

Классификация Флинна архитектур

Раздел 2.

Классификация ычислительных систем.

флинн, параллелизм, модель, классификация, закон амдала, вс, алгоритм, sisd, simd, misd, mimd

Классификация Флинна архитектур

Чтобы дать более полное представление о многопроцессорных вычислительных системах, помимо высокой производительности необходимо назвать и другие отличительные особенности. Прежде всего, это необычные архитектурные решения, направленные на повышение производительности (работа с векторными операциями, организация быстрого обмена сообщениями между процессорами или организация глобальной памяти в многопроцессорных системах и др.).

Понятие архитектуры высокопроизводительной системы является достаточно широким, поскольку под архитектурой можно понимать и способ параллельной обработки данных, используемый в системе, и организацию памяти, и топологию связи между процессорами, и способ исполнения системой арифметических операций. Попытки систематизировать все множество архитектур впервые были предприняты в конце 60-х годов и продолжаются по сей день.

В 1966 г. М.Флинном (Flynn) был предложен чрезвычайно удобный подход к классификации архитектур вычислительных систем. В его основу было положено понятие потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. Соответствующая система классификации основана на рассмотрении числа потоков инструкций и потоков данных и описывает четыре архитектурных класса:

SISD = Single Instruction Single Data

MISD = Multiple Instruction Single Data

SIMD = Single Instruction Multiple Data

MIMD = Multiple Instruction Multiple Data

SISD (single instruction stream / single data stream) – одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся последовательные компьютерные системы, которые имеют один центральный процессор, способный обрабатывать только один поток последовательно исполняемых инструкций. В настоящее время практически все высокопроизводительные системы имеют более одного центрального процессора, однако каждый из них выполняет несвязанные потоки инструкций, что делает такие системы комплексами SISD-систем, действующих на разных пространствах данных. Для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка. В случае векторных систем векторный поток данных следует рассматривать как поток из одиночных неделимых векторов.

Итак, что же собой представляет каждый класс? В SISD, как уже говорилось, входят однопроцессорные последовательные компьютеры типа VAX 11/780. Однако, многими критиками подмечено, что в этот класс можно включить и векторно-конвейерные машины, если рассматривать вектор как одно неделимое данное для соответствующей команды. В таком случае в этот класс попадут и такие системы, как CRAY-1, CYBER 205, машины семейства FACOM VP и многие другие.

Бесспорными представителями класса SIMD считаются матрицы процессоров: ILLIAC IV, ICL DAP, Goodyear Aerospace MPP, Connection Machine 1 и т.п. В таких системах единое управляющее устройство контролирует множество процессорных элементов. Каждый процессорный элемент получает от устройства управления в каждый фиксированный момент времени одинаковую команду и выполняет ее над своими локальными данными. Для классических процессорных матриц никаких вопросов не возникает, однако в этот же класс можно включить и векторно-конвейерные машины, например, CRAY-1. В этом случае каждый элемент вектора надо рассматривать как отдельный элемент потока данных.

Класс MIMD чрезвычайно широк, поскольку включает в себя всевозможные мультипроцессорные системы: Cm*, C.mmp, CRAY Y-MP, Denelcor HEP,BBN Butterfly, Intel Paragon, CRAY T3D и многие другие. Интересно то, что если конвейерную обработку рассматривать как выполнение множества команд (операций ступеней конвейера) не над одиночным векторным потоком данных, а над множественным скалярным потоком, то все рассмотренные выше векторно-конвейерные компьютеры можно расположить и в данном классе.

Предложенная схема классификации вплоть до настоящего времени является самой применяемой при начальной характеристике того или иного компьютера. Если говорится, что компьютер принадлежит классу SIMD или MIMD, то сразу становится понятным базовый принцип его работы, и в некоторых случаях этого бывает достаточно. Однако видны и явные недостатки. В частности, некоторые заслуживающие внимания архитектуры, например dataflow и векторно—конвейерные машины, четко не вписываются в данную классификацию. Другой недостаток — это чрезмерная заполненность класса MIMD. Необходимо средство, более избирательно систематизирующее архитектуры, которые по Флинну попадают в один класс, но совершенно различны по числу процессоров, природе и топологии связи между ними, по способу организации памяти и, конечно же, по технологии программирования.

Наличие пустого класса (MISD) не стоит считать недостатком схемы. Такие классы, по мнению некоторых исследователей в области классификации архитектур, могут стать чрезвычайно полезными для разработки принципиально новых концепций в теории и практике построения вычислительных систем.

PARALLEL.RU — Информационно-аналитический центр по параллельным вычислениям

Классификация Флинна

По-видимому, самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном [1,2]. Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.

SISD (single instruction stream / single data stream) — одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся, прежде всего, классические последовательные машины, или иначе, машины фон-неймановского типа, например, PDP-11 или VAX 11/780. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. Не имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка — как машина CDC 6600 со скалярными функциональными устройствами, так и CDC 7600 с конвейерными попадают в этот класс.

SIMD (single instruction stream / multiple data stream) — одиночный поток команд и множественный поток данных. В архитектурах подобного рода сохраняется один поток команд, включающий, в отличие от предыдущего класса, векторные команды. Это позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными — элементами вектора. Способ выполнения векторных операций не оговаривается, поэтому обработка элементов вектора может производится либо процессорной матрицей, как в ILLIAC IV, либо с помощью конвейера, как, например, в машине CRAY-1.

Читать еще: Создание архитектуры приложения

MISD (multiple instruction stream / single data stream) — множественный поток команд и одиночный поток данных. Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Однако ни Флинн, ни другие специалисты в области архитектуры компьютеров до сих пор не смогли представить убедительный пример реально существующей вычислительной системы, построенной на данном принципе. Ряд исследователей [3,4,5] относят конвейерные машины к данному классу, однако это не нашло окончательного признания в научном сообществе. Будем считать, что пока данный класс пуст.

MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) — множественный поток команд и множественный поток данных. Этот класс предполагает, что в вычислительной системе есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком команд и данных.

Наличие пустого класса (MISD) не стоит считать недостатком схемы. Такие классы, по мнению некоторых исследователей в области классификации архитектур [6,7], могут стать чрезвычайно полезными для разработки принципиально новых концепций в теории и практике построения вычислительных систем.

Классификация архитектур по параллельной обработке данных

ВИДЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

В зависимости от ряда признаков различают следующие вычислительные системы (ВС):

ü однопрограммные и многопрограммные (в зависимости от количества программ, одновременно находящихся в оперативной памяти);

ü индивидуального и коллективного пользования (в зависимости от числа пользователей, которые одновременно могут использовать ресурсы ВС);

ü с пакетной обработкой и разделением времени (в зависимости от организации и обработки заданий);

ü однопроцессорные, многопроцессорные и многомашинные (в зависимости от числа процессоров);

ü сосредоточенные, распределенные (вычислительные сети) и ВС с теледоступом (в зависимости от территориального расположения и взаимодействия технических средств);

ü работающие или не работающие в режиме реального времени (в зависимости от соотношения скоростей поступления задач в ВС и их решения);

ü универсальные, специализированные и проблемно-ориентированные (в зависимости от назначения).

SISD = Single Instruction Single Data

MISD = Multiple Instruction Single Data

SIMD = Single Instruction Multiple Data

MIMD = Multiple Instruction Multiple Data

SISD (singleinstructionstream / singledatastream) – одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся последовательные компьютерные системы, которые имеют один центральный процессор, способный обрабатывать только один поток последовательно исполняемых инструкций. В настоящее время практически все высокопроизводительные системы имеют более одного центрального процессора, однако каждый из них выполняет несвязанные потоки инструкций, что делает такие системы комплексами SISD-систем, действующих на разных пространствах данных. Для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка. В случае векторных систем векторный поток данных следует рассматривать как поток из одиночных неделимых векторов. Примерами компьютеров с архитектурой SISD могут служить большинство рабочих станций Compaq, Hewlett-Packard и SunMicrosystems.

MISD (multipleinstructionstream / singledatastream) – множественный поток команд и одиночный поток данных. Теоретически в этом типе машин множество инструкций должно выполняться над единственным потоком данных. До сих пор ни одной реальной машины, попадающей в данный класс, создано не было. В качестве аналога работы такой системы, по-видимому, можно рассматривать работу банка. С любого терминала можно подать команду и что-то сделать с имеющимся банком данных. Поскольку база данных одна, а команд много, мы имеем дело с множественным потоком команд и одиночным потоком данных.

SIMD (singleinstructionstream / multipledatastream) – одиночный поток команд и множественный поток данных. Эти системы обычно имеют большое количество процессоров, от 1024 до 16384, которые могут выполнять одну и ту же инструкцию относительно разных данных в жесткой конфигурации. Единственная инструкция параллельно выполняется над многими элементами данных. Примерами SIMD-машин являются системы CPP DAP, Gamma II и QuadricsApemille. Другим подклассом SIMD-систем являются векторные компьютеры. Векторные компьютеры манипулируют массивами сходных данных подобно тому, как скалярные машины обрабатывают отдельные элементы таких массивов. Это делается за счет использования специально сконструированных векторных центральных процессоров. Когда данные обрабатываются посредством векторных модулей, результаты могут быть выданы на один, два или три такта частотогенератора (такт частотогенератора является основным временным параметром системы). При работе в векторном режиме векторные процессоры обрабатывают данные практически параллельно, что делает их в несколько раз более быстрыми, чем при работе в скалярном режиме. Примерами систем подобного типа являются, например, компьютеры Hitachi S3600.

Читать еще: Архитектура мобильного приложения

MIMD (multipleinstructionstream / multipledatastream) – множественный поток команд и множественный поток данных. Эти машины параллельно выполняют несколько потоков инструкций над различными потоками данных. В отличие от упомянутых выше многопроцессорных SISD-машин, команды и данные связаны, потому что они представляют различные части одной и той же задачи. Например, MIMD-системы могут параллельно выполнять множество подзадач с целью сокращения времени выполнения основной задачи. Большое разнообразие попадающих в данный класс систем делает классификацию Флинна не полностью адекватной. Действительно, и четырехпроцессорный SX-5 компании NEC, и тысячепроцессорныйCray T3E попадают в этот класс. Это заставляет использовать другой подход к классификации, иначе описывающий классы компьютерных систем. Основная идея такого подхода может состоять, например, в следующем. Будем считать, что множественный поток команд может быть обработан двумя способами: либо одним конвейерным устройством обработки, работающем в режиме разделения времени для отдельных потоков, либо каждый поток обрабатывается своим собственным устройством. Первая возможность используется в MIMD-компьютерах, которые обычно называют конвейерными или векторными, вторая – в параллельных компьютерах. В основе векторных компьютеров лежит концепция конвейеризации, т.е. явного сегментирования арифметического устройства на отдельные части, каждая из которых выполняет свою подзадачу для пары операндов. В основе параллельного компьютера лежит идея использования для решения одной задачи нескольких процессоров, работающих сообща, причем процессоры могут быть как скалярными, так и векторными.

Классификация архитектур вычислительных систем нужна для того, чтобы понять особенности работы той или иной архитектуры, но она не является достаточно детальной, чтобы на нее можно было опираться при создании МВС, поэтому следует вводить более детальную классификацию, которая связана с различными архитектурами ЭВМ и с используемым оборудованием.

1. Какая цель преследуется при разработке новой архитектуры высокопроизводительной системы?

2. Дайте определение понятию потока.

3. Характеристика класса SIMD

4. Сколько архитектурных классов входит в классификацию Флинна?

5. К какому архитектурному классу (по Флинну) относятся векторные системы?

Классификация Флинна

Классификация Флинна рассматривает архитектуры вычислительного оборудования по признаку единичности/множественности потоков команд и данных. [1] Выделяются следующие четыре класса:

ОКОД (SISD – single instruction [stream], single data [stream]): обыкновенная (последовательная) вычислительная машина, т. е., машина фон Неймана. Одна команда исполняется за один раз над одним элементом данных. Сюда относятся все традиционные вычислительные машины с одним процессором и одним комплектом памяти; например, все однопроцессорные IBM PC с одноядерным процессором без конвейеризации исполнения команд.

МКОД (MISD – multiple instruction [streams], single data [stream]); также, по конструктивному исполнению, архитектура с единообразной памятью (доступом к памяти) (UMA – unified memory access): машины с конвейерными (pipeline) архитектурами процессоров; симметричные многопроцессорные (SMP) и многоядерные (multicore) машины, многопроцессорные графические адаптеры в соответствующих режимах работы и подобные.

Следует иметь в виду, что в литературе встречается оценка этой архитектуры как «не очень полезной»; такие источники относятся к периоду, когда конструктивное исполнение МКОД было неэффективным и/или дорогим.

ОКМД (SIMD – single instruction [stream], multiple data [streams]): векторные машины или машины, параллельные по данным (data parallel); один и тот же набор команд выполняется над множественными различными элементами данных; структурно состоят из множественных вычисляющих устройств и центрального управляющего устройства; название «параллельный по данным» (data parallel) означает, что параллелизм проистекает из данных (присущ обрабатываемым данным).

Сопоставление команд и тех или иных элементов данных производится векторным компилятором при условии, что расчёт векторизуемый; существуют особые языки программирования, а также т.наз. диалекты языков программирования: следующий пример на High Performance Fortran (HPF) занимает (заказывает) 10 процессоров и объявляет распределение 1.000 элементов массива x – по 100 последовательных элементов на каждый процессор:

!HPF$ PROCESSORS p(10)

!HPF$ DISTRIBUTE x(BLOCK) ONTO p

Сравнительно рано возникшая архитектура; класс особенно приспособлен к однообразным вычислениям, производимым в науке и производстве (напр., в обработке сигналов), которые могут быть представлены в виде векторов и матриц. Скажем, скалярное умножение вектора (матрицы) требует лишь раздельного умножения каждого элемента на некоторое число.

«Чистые» архитектуры ОКМД немногочисленны. В их числе считаются ранние векторные машины, как, например, Cray-1 и Hitachi S-3600. В наше время такая архитектура представлена векторными процессорами, а также узлами в процессорных комплектах, как, например, MMX/SSE в комплекте Intel Pentium или AltiVec в PowerPC. Сюда же относятся узлы (процессоры) обработки графики (GPU) в соответствующих режимах работы.

Любопытным воплощением этой парадигмы была Connection Machine (МИТ, ранние 1980-е гг.), имевшая тогда до 65 тыс. процессоров, каждый из которых был снабжён собственной рабочей памятью; процессоры в 1-й модели машины соединялись в гиперкуб. При работе машины команды передавались (транслировались) на процессоры, каждый из которых работал над своей частью входного массива данных.

Ограничения класса очевидны – хорошо работает не с каждым набором данных.

МКМД (MIMD – multiple instruction [streams], multiple data [streams]), также «настоящая параллельная вычислительная машина» (true parallel computer): множественные вычисляющие устройства и множественные управляющие устройства. Соответственно, возможно выполнение различных потоков команд в отношении различных потоков данных. Выполнение общей задачи обеспечивается синхронизацией и взаимообменом данными по сети между вычислительными узлами.

Обычно в контексте параллельных вычислений сочетание вычисляющего узла и соответствующего ему узла управляющего (если такое сочетание вообще имеет смысл) называют процессором.

Архитектура МКМД может «принимать вид» ОКМД, если на всех узлах, взятых совместно, выполняется один и тот же поток команд. Такой случай имеет собственное наименование ОПМД (одна программа, много данных или SPMD – single program, multiple data [streams]). Вообще, выполнение одной и той же программы на совокупности выч. узлов не есть то же самое, что выполнение на каждом из них одного и того же потока команд, потому что различные части программы выполняются на различных узлах.

К этому классу относятся (вычислительные) кластеры и грид-сети в режиме распределённого счёта (обработки).

Смешанные

Также архитектура распределённой системы может быть смешанной, как, напр., в случае Cray J90 или NEC SX-6, которые включают множественные векторные процессоры, и которые по Флинну могут считаться имеющими архитектуру МКМД с включениями архитектуры ОКМД. Наиболее полезными для параллельных вычислений считаются классы ОКМД (SIMD) и МКМД (MIMD).

Читать еще: Ошибка системного времени ютуб

Терминология

Следует иметь в виду, что области параллельных вычислений и смежных тем присущи использование жаргона и близких по смыслу понятий, а также не вполне правильное использование терминологии, что может создавать сложности при общении, переводе и т.д. [2] Так, например, «многонитевость» (multi-threading) может называться «параллельность с разделяемой памятью», а «многопроцессорность» (multi-processing) — «распределённая параллельность».

Ссылки и замечания

↑ Flynn 1972.
↑ Отмечено, напр., в: Parallel Programming and Cluster Computing: Distributed Multiprocessing. SC09 Education Program. University of Oklahoma, Aug 9-15 2009.

Дополнения Ванга и Бриггса к классификации Флинна

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«ДОНЕЦКИЙ ТЕХНИКУМ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКИ»

по предмету «Архитектура аппаратных средств»

Выполнил студент гр. 1КС-18/з

СОДЕРЖАНИЕ

Задание 1: Классификация архитектур вычислительных систем по М. Флинну.

По-видимому, самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном. Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.

SISD (single instruction stream / single data stream, что в переводе на Русский

«единый поток команд / единый поток данных») (рис. 1.1) — одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся, прежде всего, классические последовательные машины, или иначе, машины фон-неймановского типа. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. Не имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка.

SIMD (single instruction stream / multiple data stream, что в переводе на Русский «поток одной инструкции / поток данных») (рис. 1.2) — одиночный поток команд и множественный поток данных. В архитектурах подобного рода сохраняется один поток команд, включающий, в отличие от предыдущего класса, векторные команды. Это позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными — элементами вектора. Способ выполнения векторных операций не оговаривается, поэтому обработка элементов вектора может производится либо процессорной матрицей, как в ILLIAC IV, либо с помощью конвейера, как, например, в машине CRAY-1.

MISD (multiple instruction stream / single data stream, что в переводе на Русский «поток нескольких инструкций / единый поток данных») (рис. 1.3) — множественный поток команд и одиночный поток данных. Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Однако ни Флинн, ни другие специалисты в области архитектуры компьютеров до сих пор не смогли представить убедительный пример реально существующей вычислительной системы, построенной на данном принципе. Ряд исследователей относят конвейерные машины к данному классу, однако это не нашло окончательного признания в научном сообществе.

MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream, что в переводе на Русский «поток нескольких команд / поток данных») (рис. 1.4) — множественный поток команд и множественный поток данных. Этот класс предполагает, что в вычислительной системе есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком команд и данных.

Класс MIMD чрезвычайно широк, поскольку включает в себя всевозможные мультипроцессорные системы: Cm*, C.mmp, CRAY Y-MP, Denelcor HEP, BBN Butterfly, Intel Paragon, CRAY T3D и многие другие. Интересно то, что если конвейерную обработку рассматривать как выполнение множества команд (операций ступеней конвейера) не над одиночным векторным потоком данных, а над множественным скалярным потоком, то все рассмотренные выше векторно-конвейерные компьютеры можно расположить и в данном классе.

Предложенная схема классификации вплоть до настоящего времени является самой применяемой при начальной характеристике того или иного компьютера. Если говорится, что компьютер принадлежит классу SIMD или MIMD, то сразу становится понятным базовый принцип его работы, и в некоторых случаях этого бывает достаточно. Однако видны и явные недостатки. В частности, некоторые заслуживающие внимания архитектуры, например dataflow и векторно-конвейерные машины, четко не вписываются в данную классификацию. Другой недостаток — это чрезмерная заполненность класса MIMD. Необходимо средство, более избирательно систематизирующее архитектуры, которые по Флинну попадают в один класс, но совершенно различны по числу процессоров, природе и топологии связи между ними, по способу организации памяти и, конечно же, по технологии программирования.

Дополнения Ванга и Бриггса к классификации Флинна

В книге К.Ванга и Ф.Бриггса сделаны некоторые дополнения к классификации Флинна. Оставляя четыре ранее введенных базовых класса (SISD, SIMD, MISD, MIMD), авторы внесли следующие изменения.

Класс SISD разбивается на два подкласса:

· архитектуры с единственным функциональным устройством, например, PDP-11;

· архитектуры, имеющие в своем составе несколько функциональных устройств — CDC 6600, CRAY-1, FPS AP-120B, CDC Cyber 205, FACOM VP-200.

В класс SIMD также вводится два подкласса:

· архитектуры с пословно-последовательной обработкой информации — ILLIAC IV, PEPE, BSP;

· архитектуры с разрядно-последовательной обработкой — STARAN, ICL DAP.

В классе MIMD авторы различают

· вычислительные системы со слабой связью между процессорами, к которым они относят все системы с распределенной памятью, например, Cosmic Cube,

· и вычислительные системы с сильной связью (системы с общей памятью), куда попадают такие компьютеры, как C.mmp, BBN Butterfly, CRAY Y-MP, Denelcor HEP.

Дата добавления: 2019-01-14 ; просмотров: 70 ;