Классификация архитектур вычислительных систем классическая архитектура классификация флинна кратко
Обновлено: 04.07.2024
Одной из наиболее известных схем классификации компьютерных архитектур является таксономия Флинна, предложенная Майклом Флинном в 1972 году.
В ее основу положено описание работы компьютера с потоками команд и данных. В классификации Флинна имеется четыре класса архитектур:
1. SISD (Single Instruction Stream — Single Data Stream) — один поток команд и один поток данных.
2. SIMD (Single Instruction Stream — Multiple Data Stream) — один поток команд и несколько потоков данных.
3. MISD (Multiple Instruction Stream — Single Data Stream) — несколько потоков команд и один поток данных.
4. MIMD (Multiple Instruction Stream — Multiple Data Stream) — несколько потоков команд и несколько потоков данных.
Рассмотрим эту классификацию более подробно.
SISD-компьютеры (рис. 1.1) — это обычные последовательные компьютеры, выполняющие в каждый момент времени только одну операцию над одним элементом данных. Большинство современных персональных ЭВМ принадлежат именно этой категории.
Рис. 1.1. Схема SISD-компьютера
Многие современные вычислительные системы включают в свой состав несколько процессоров, но каждый из них работает со своим независимым потоком данных, относящимся к независимой программе. Такой компьютер является, фактически, набором SISD-машин, работающих с независимыми множествами данных.
SIMD-компьютеры (рис. 1.2 и 1.3) состоят из одного командного процессора (управляющего модуля), называемого контроллером, и нескольких модулей обработки данных, называемых процессорными элементами (ПЭ). Количество модулей обработки данных таких машин может быть от 1024 до 16 384. Управляющий модуль принимает, анализирует и выполняет команды.
Если в команде встречаются данные, контроллер рассылает на все ПЭ команду, и эта команда выполняется либо на нескольких, либо на всех процессорных элементах. Процессорные элементы в SIMD-компьютерах имеют относительно простое устройство, они содержат арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее команды, поступающие из устройства управления (УУ), несколько регистров и локальную оперативную память. Одним из преимуществ данной архитектуры считается эффективная реализация логики вычислений. До половины логических команд обычного процессора связано с управлением процессом выполнения машинных команд, а остальная их часть относится к работе с внутренней памятью процессора
Рис. 1.2. Схема SIMD-компьютера с разделяемой памятью
Рис. 1.3. Схема SIMD-компьютера с распределенной памятью
и выполнению арифметических операций. В SIMD-компьютере управление выполняется контроллером, а "арифметика" отдана процессорным элементам. Подклассом SIMD-компьютеров являются векторные компьютеры. Пример такой вычислительной системы — Hitachi S3600.
Другой пример SIMD-компьютера — матричные процессоры (Array Processor). В качестве примера можно привести вычислительную систему Thinking Machines CM-2, где 65 536 ПЭ связаны между собой сетью коммуникаций с топологией "гиперкуб". Часто компьютеры с SIMD-архитектурой специализированы для решения конкретных задач, допускающих матричное представление. Это, например, могут быть задачи обработки изображений, где каждый модуль обработки данных работает на получение одного элемента конечного результата.
Вычислительных машин такого класса мало. Один из немногих примеров -систолический массив процессоров, в котором процессоры находятся в узлах регулярной решетки. Роль ребер в ней играют межпроцессорные соединения, все ПЭ управляются общим тактовым генератором.
В каждом цикле работы любой ПЭ получает данные от своих соседей, выполняет одну команду и передает результат соседям. На рис. 1.4 дана схема фрагмента систолического массива.
Рис. 1.4. Схема MISD-компьютера
Этот класс архитектур (рис. 1.5 и 1.6) наиболее богат примерами успешных реализаций. В него попадают симметричные параллельные вычислительные системы, рабочие станции с несколькими процессорами, кластеры рабочих станций и т. д. Довольно давно появились компьютеры с несколькими независимыми процессорами, но вначале на них был реализован только принцип параллельного исполнения заданий, т. е. на разных процессорах одновременно выполнялись независимые программы. Разработке первых компьютеров для параллельных вычислений были посвящены проекты под условным названием СМ* и С.ММР в университете Карнеги (США). Технической базой для этих проектов были процессоры DEC PDP-11. В начале 90-х годов прошлого века именно MIMD-компьютеры вышли в лидеры на рынке высокопроизводительных вычислительных систем.
Рис. 1.5. Схема MIMD-компьютера с разделяемой памятью
Имеются и гибридные конфигурации, в которых, например, объединены несколько SIMD-компьютеров, в результате чего получается MSIMD-компьютер, позволяющий создавать виртуальные конфигурации, каждая из которых работает в SIMD-режиме.
Рис. 1.6. Схема MIMD-компьютера с распределенной памятью
Классификация Флинна не дает исчерпывающего описания разнообразных архитектур MIMD-машин, порой существенно отличающихся друг от друга. Например, существуют такие подклассы MIMD-компьютеров, как системы с разделяемой памятью и системы с распределенной памятью. Системы с разделяемой памятью могут относиться по классификации Флинна как к MIMD, так и к SIMD-машинам. То же самое можно сказать и о системах с распределенной памятью.
Развитием концепции MIMD-архитектуры с распределенной памятью является распределенная обработка, когда вместо набора процессоров в одном корпусе используются компьютеры, связанные достаточно быстрой сетью. Концептуального отличия от MIMD-архитектуры с распределенной памятью нет, а особенностью является медленное сетевое соединение.
Читайте также: