регистровых структур и микрооперации, эффективно реализующих заданный набор операций. Такими являются матричные процессоры, содержащие совокупность арифметическо-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.

л.

Супервизор

Транслятор

Центральный процессор

Процессор управление каналами

Каналы связи

Процессор управле ния памятью

Процессор управления дисками

Восстановить памяти

Процессор сопряжения

Основная

память

Рис. 3.13. Система SYMBOL

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.

Реализация. Принцип функционально распределенной организации применялся уже в ЭВМ третьего поколения, где для ввода - вывода использованы каналы и процессоры ввода - вывода. Примерами являются ЭНМ серий IBM 360, ШМ 370 и ЕС ЭВМ.

Одна из первых систем, в полной мере реализующая принцип функционально распределенной организации, - система SYMBOL, созданная в 1970 г. Это неоднородная восьмипроцессорная система (рис. 3.13). 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 кслов (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.

ОбслуживающийПульт

процессороператора

1

Процессор ввода-вывода

Языковой процессор

Обрабат ывающий процессор

Файловый процессор

увв

з

ад о

о

Рис. 3.14. Система System/80

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.

На рис 3 14 представлена упрощенная структурная схема вычислительной 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.

3.6. СИСТЕМЫ С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ СТРУКТУРОЙ

Универсальный способ создания высокопроизводительных и высоконадежных вычислительных систем - объединение ЭВМ (процессоров) в многомашинные (многопроцессорные) комплексы, обеспечивающие

1)параллелизм процессоров управления, доступа к данным и обработки;

2)распределенность процессоров управления, доступа к данным и обработки между модулями системы, т. е. децентрализированность управления работой системы и асинхронность взаимодействия процессоров и модулей;

3)перестраиваемость структуры с целью адаптации системы к потребностям задач в ресурсах и повышения устойчивости к отказам элементов;

4)открытость, т. е. возможность развития системы за счет подключения к ней дополнительных модулей без изменения принципов функционирования имеющихся модулей;

5)модульность технических и программных средств и регулярность (в пределе -однородность) структуры.

Параллелизм вычислительных процессов и процессов управления создает основу для повышения производительности системы. Распределенность процессов позволяет строить высокопроизводительные системы из достаточно простых модулей, например из микро-ЭВМ с относительно небольшим быстродействием н ограниченной емкостью памяти. Перестраиваемость структуры обеспечивает, с одной стороны, высокую производительность системы за счет ее адаптации к вычислительным процессам и составу обрабатываемых задач и, с другой стороны, живучесть системы при отказах элементов. Открытость системы позволяет в рамках фиксированной архитектуры создавать системы разной производительности за счет изменения числа модулей от единиц до десятков, сотен и, возможно, тысяч. Модульность технических и программных средств существенно упрощает разработку и производство элементов системы, за счет чего снижается ее стоимость, а также порождает регулярность структуры и, следовательно, упрощает управление системой (процессами и ресурсами) и ее эксплуатацию.

В последние десятилетия ведутся интенсивные исследования в области создания параллельных распределенных открытых многомодульных систем с перестраиваемой структурой, на основе которых разработано большое число экспериментальных и рабочих систем повышенной производительности и надежности. Архитектура систем с рассматриваемыми свойствами имеет особое значение для использования микро-ЭВМ в качестве элементной базы. Возможность неограниченного объединения микро-ЭВМ в системе, эффективно адаптирующиеся к потребностям задач, позволила бы решить многие проблемы, в том числе обеспечить пользователей высокопроизводительными средствами обработки числовых данных, графической информации и изображений. Однако для создания таких систем необходимо решить комплекс проблем системного управления, представляющих собой программно-аппаратурную надстройку над базовыми микро-ЭВМ. Среди этих проблем важнейшими являются:

1)структурная организация систем, обеспечивающая образование ансамблей процессоров, запоминающих устройств и каналов обмена данными, соответствующих потребностям вычислительного процесса, при умеренных затратах ресурсов на их организацию и координацию;

2)организация вычислительных процессов, обеспечивающая их параллелизм, распределение по системе модулей и координацию асинхронно выполняемых подпроцессов при умеренных издержках;

3)создание языков высокого уровня, описывающих алгоритмы в системно-независимой форме и сохраняющих представление о параллелизме вычислительного процесса.

L

Каналы передачи данных

Рис. 3.15. Состав модуля системы с перестраиваемой структурой