Основы вычислительных систем Курс лекций начало

 

1.6. Реализация комплексов

 

Концепции, положенные в основу построения ЕС и СМ ЭВМ, с самого начала предусматривали создание семейства не только однопроцессорных ЭВМ, но и вычислительных комплексов на основе технических и программных средств этих ЭВМ Семейство «Эльбрус», например, реализуется только в виде многопроцессорных вычислительных комплексов.

Представляется целесообразным рассмотреть возможности и принципы организации вычислительных комплексов для всех направлений.

ВК на базе ЕС ЭВМ. Единая система ЭВМ представляла собой семейство программно-совместимых вычислительных машин, предназначенных для решения широкого класса научно-технических, экономических, управленческих и других задач. Разработка начата в 1969 г., а серийное производство велось с 1971 г. Разработка ЕС ЭВМ по объему капиталовложений, по числу организаций-соисполнителей и по составу разрабатываемых средств являлся крупнейшим проектом в области вычислительной техники.

В рамках ЕС ЭВМ создавались двухмашинные и двухпроцессорные комплексы, которые позволяют повысить производительность и надежность и вместе с тем отличаются относительной простотой, как технической реализации, так и программного обеспечения..

Реакция деления ядра К началу 40-х годов работами многих ученых—Э. Ферми (Италия), О. Гана (1879—1968), Ф. Штрассмана (1902—1980) (ФРГ), О. Фриша (1904—1979) (Великобритания), Л. Мейтнер (1878—1968) (Австрия), Г.Н. Флерова (р. 1913), К.Н. Петржака (Россия) — было доказано, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины Периодической системы — лантан и барий.

Рис. 1.14. Комплекс ВК-1010

 

Первым двухмашинным комплексом в составе ЕС был комплекс ВК-1010, построенный на базе ЭВМ ЕС-1030: В этом комплексе были использованы почти все существующие способы организации связи между ЭВМ: прямое управление, адаптер канал – канал, связь на уровне общих ВЗУ. Таким образом, в комплексе ВК-1010 не было лишь связи между ЭВМ через общую оперативную память. Структурная схема ВК-1010 (рис. 1.14) осталась практически без изменения и для последующих двухмашинных ВК созданных на базе ЕС ЭВМ-1 и ЕС ЭВМ-2: ВК-1033 (из двух ЕС-1033), ВК-2Р-35 (ЕС-1035), ВК-2Р-45 (ЕС-1045), ВК-2Р-60 (РС-1060) [5]. Эту схему можно считать типовой для ЕС ЭВМ. Рассмотрим средства, использовавшиеся в ЕС ЭВМ для создания двухмашинных комплексов.

Обмен управляющей и синхронизирующей информацией между ЭВМ осуществляется с помощью средств прямого управления, к которым относятся стандартный интерфейс прямого управления, специальные команды ПРЯМАЯ ЗАПИСЬ и ПРЯМОЕ ЧТЕНИЕ и механизм внешних прерываний. Эти средства позволяют осуществлять быструю связь между центральными процессорами и обычно используются для передачи небольших объемов информации. Через канал прямого управления к ВК подключается блок состояния вычислительного комплекса (БСВК) и пульт управления ВК, которые вместе образуют устройство управления вычислительным комплексом. Блок состояния ВК, включает в себя блок управления и регистры состояния, которые определяют режим работы ВК. Запись в эти регистры осуществляется либо оператором с пульта, либо по команде ПРЯМАЯ ЗАПИСЬ. С помощью команды ПРЯМОЕ ЧТЕНИЕ содержимое этих регистров может быть переписано в оперативную память.

Интерфейс прямого управления включает в себя: восемь входных и восемь выходных линий информации, четыре линии синхронизации, две линии внешних сигналов, линии записи и чтения. Блок состояния совместно с пультом управления ВК позволяет осуществлять ручное переключение ВК и ЭВМ в требуемый режим работы; начальную загрузку программ; внешнее прерывание; включение и выключение питания. Кроме того, на пульте управления осуществляется индикация состояний ЭВМ, а также необходимая сигнализация об аварийных состояниях.

Адаптеры канал–канал позволяют производить обмен большого объема информации между ЭВМ; АКК работает в монопольном режиме с высокой пропускной способностью (примерно 1 Мбайт/с). Для каждой ЭВМ адаптер является как бы устройством, которое выбирается каналом: точно так же реагирует на все запросы канала, принимает и расшифровывает команды канала – с той только разницей, что команды и сигналы используются не для управления периферийным устройством, а для передачи информации между каналами и синхронизации их работы. В соответствии с функциями АКК в его структуру входят два блока управления обменом, связанных непосредственно с помощью нескольких сигнальных линий, а также через общий буферный регистр.

Третье средство комплексирования – связь ЭВМ через ВЗУ: накопители на магнитных лентах (НМЛ) и магнитных дисках (НМД). Все устройства управления НМЛ и НМД имеют двухканальные переключатели (ДКП), которые позволяют подключать УУ либо к двум каналам, либо к каналам двух ЭВМ. В первом случае ДКП обеспечивает доступ к ВЗУ через два канала, повышая тем самым надежность ЭВМ. Во втором ДКП позволяет организовать общее поле внешней памяти на НМЛ и НМД. Резервирование НМЛ к НМД тем или другим каналом осуществляется по команде ЗАРЕЗЕРВИРОВАТЬ УСТРОЙСТВО, которую выдает канал, однако есть некоторая разница в резервировании НМЛ и НМД. в первом случае канал резервирует все устройство управления, т. е. группу НМЛ, во втором – определенный накопитель. Освобождение накопителя осуществляется по команде ОСВОБОДИТЬ УСТРОЙСТВО.

Рассмотрим режимы функционирования ММВК на примере двухмашинного ВК. При исправности обеих ЭВМ возможны три режима работы. Первый: обе машины параллельно решают одни и те же задачи, однако используются результаты, выдаваемые только одной из них, которая считается основной. В случае выхода ееиз строя происходит немедленное переключение на вторую (резервную) ЭВМ. Второй режим: обе ЭВМ работают как две независимые ЭВМ, каждая из которых решает свои задачи. В случае отказа одной из них вторая принимает на себя ее нагрузку. При этом либо увеличивается время пребывания задач в ЭВМ, либо решаются только самые необходимые задачи. Третий режим: одна из ЭВМ решает задачи, другая находится в режиме ожидания, готовая подключиться к работе, либо в режиме проведения профилактических работ. При неисправности одной из ЭВМ она переводится в состояние ремонта, а другая в этом случае работает без резервирования.

Аппаратные средства комплексирования ЕС ЭВМ дополняются соответствующими программными средствами. Для первых ВК ЕС ЭВМ была разработана специальная операционная система ОС-К1. В дальнейшем программные средства, обеспечивающие работу средств комплексирования, включались в состав основной операционной системы ОС ЕС. В ОС ЕС предусмотрено соответствующее программное обеспечение для каждого уровня комплексирования. Для обращения одного процессора к другому по интерфейсу прямого управления служит макро команда ПРЯМАЯ ЗАПИСЬ. В связи с последовательной структурой данных, передаваемых через АКК, предусмотрены два метода доступа: последовательный с очередями и базисный последовательный. В каждом методе свой набор макрокоманд, обеспечивающий работу с помощью АКК. Предусмотрена также программная проверка правильности информации, передаваемой через АКК, с помощью контрольной суммы.

Первым двухпроцессорным комплексом в ЕС ЭВМ был комплекс ВК2П45, структура которого (рис. 1.15) является типовой для двухпроцессорных комплексов в ЕС. Тип структурной организации – МПВК с многовходовой оперативной памятью. Процессоры имеют доступ к модулям памяти через адаптеры памяти (АП), которые и осуществляют необходимую коммутацию. Минимальная емкость ОЗу в комплексе 2 Мбайт, максимальная – 8 Мбайт (емкость одного модуля 1 Мбайт). Оба процессора могут обращаться в ОЗУ одновременно, конфликты возникают при обращении двух процессоров к одному АП, Для их разрешения предусмотрена схема, организующая очередь запросов. Схема работает таким образом, что при наличии запросов от двух процессоров обращение их к ОЗУ производится попеременно: обращение дважды подряд одного процессора запрещено.

 

Рис. 1.15 Комплекс ВК2П45

 

Так как каждый из двух процессоров должен иметь в ОЗУ собственную зону фиксированных ячеек, в качестве которой в однопроцессорном комплексе используется зона с адресами 0–4095, то в каждом процессоре предусмотрен механизм префиксации. Большинство адресов при обращении процессора к памяти обрабатывается с префиксацией. Такие адреса называются реальными, а не обрабатываемые – абсолютными. В результате формирования абсолютного адреса реальные адреса О–4095 заменяются 4096 адресами блока, адрес которого начинается с адреса, указанного в регистре префикса. Префикс – это 12-разрядное число, размещенное в регистре префикса. Содержимое регистра может быть установлено и проверено командами УСТАНОВИТЬ ПРЕФИКС и ЗАПИСЬ В ПАМЯТЬ ПРЕФИКСА соответственно. При установке префикса разряды 0–7 и 20–31 регистра префикса игнорируются, а при записи в память в эти разряды записываются нули (разряды «обнуляются»). В исходном состоянии во все разряды регистра записаны нули. При префиксации адреса перекодируются следующим образом:

1. Разряды 8–19 адреса памяти, если они имеют нулевые значения, замещаются разрядами 8–19 регистра префикса, т. е. происходит сдвиг зоны с адресами 0–4095 в отведенную данному процессору зону памяти.

2. Разряды 8–19 адреса памяти в случае равенства их разрядам 8–19 префикса заменяются нулями, т. е. часть памяти, отведенная под зону процессора, перемещается в зону с адресами 0–4095.

3. Разряды 8–19 адреса не изменяются, если они все не равны нулю или не равны соответствующим разрядам префикса, т. е. эти адреса являются общими для обоих процессоров и не подлежат изменению.

Реконфигурация комплекса осуществляется со специального пульта реконфигурации, который имеет соответствующие органы. С их помощью любой из модулей ОЗУ можно подключить к любому процессору или к обоим процессорам, а также задать любой диапазон адресов в пределах установленной емкости ЗУ, соблюдая непрерывность адреса. Кроме того, с пульта осуществляется подключение и реконфигурация УВВ и устанавливается один из трех предусмотренных режимов работы ВК: 1) однопроцессорный, когда комплекс работает как две самостоятельных. ЭВМ; 2) двухпроцессорный, при котором функционируют все двухпроцессорные связи; 3) полудуплексный, когда работает один процессор, использующий всю оперативную память, а второй процессор может быть отключен.

В двухпроцессорном, как и в двухмашинном комплексе, существует непосредственная связь между процессорами для обмена управляющей информацией. Потребность в этом обмене может возникнуть при необходимости запуска или остановки одного процессора другим, при взаимном контроле состояния. Кроме упоминавшихся ранее команд ПРЯМАЯ ЗАПИСЬ и ПРЯМОЕ ЧТЕНИЕ в двухпроцессорном режиме для прямого управления используется также специальная команда СИГНАЛ ПРОЦЕССОРУ. Эта команда определяет адрес процессора, с которым осуществляется связь, и код приказа. В адресуемом процессоре могут возникнуть условия, препятствующие выполнению того или иного приказа. Эти условия формируют соответствующие биты банта состояния. Байт состояния передается в выдающий приказ процессора в качестве ответа на поступивший приказ. В двухпроцессорных ВК ЕС предусмотрено 12 таких приказов.

Все указанные аппаратные средства, обеспечивающие построение двухпроцессорных комплексов, поддерживаются специальным вариантом ОС ЕС. Следует отметить, что технические средства ЕС позволяют строить системы не только по типу МПВК с многовходовой памятью. Возможно и построение систем с перекрестной коммутацией, но для этого потребуется разработка коммутатора, которого пока в ЕС ЭВМ не предусмотрен.

ВК на базе СМ ЭВМ. Система малых ЭВМ была ориентирована на широкое применение: автоматизация технологических процессов, научных исследований, проектирования, использование ЭВМ в качестве интеллектуальных терминалов, решение научных, инженерных и экономических задач.

 

Рис. 1.16. Подключение устройств через переключатель шины

 

Первая очередь включала в себя четыре базовых процессора СМ-1П, СМ-2П, СМ-ЗП, СМ-4П производительностью от 200 до 800 тыс. операций в секунду. Первые два продолжили линию отечественных ЭВМ М-6000 и М-7000, получивших широкое распространение в стране, имеющих богатое программное обеспечение и используемых во многих системах управления и автоматизации. Вторые два процессора продолжили линию отечественной ЭВМ М-400, в них реализованы новые структурные и технические решения, характерные для ЭВМ этого класса. Важным моментом, является то, что эти решения в значительной мере способствуют созданию комплексов и систем на базе этих машин. Основные особенности СМ-3 и СМ-4, созданных на базе этих процессоров, – широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения, магистральная (типа «общая шина») структура интерфейса, простая реализация многомашинных и многопроцессорных комплексов, высокая скорость обработки прерываний, гибкость и легкость оснащения устройствами сопряжения с реальными объектами. Все это способствовало тому, что ЭВМ СМ-3 и СМ-4 нашли широкое применение в самых различных областях.

Поскольку ВК в рамках СМ ЭВМ создавались в основном на базе СМ-3 и СМ-4, рассмотрим несколько подробнее структуру и основные особенности этих ЭВМ.

В ЭВМ с одношинной структурой все устройства подключаются к единственной в системе магистрали, называемой общей шиной (см. рис. 1.7, а). Физически общая шина (ОШ) представляет собой магистраль из 56 линий, по которым передается вся информация, необходимая для функционирования ЭВМ как единого комплекса. Такой интерфейс обеспечивает единый способ связи всех устройств, позволяет иметь единый алгоритм связи и унифицированную аппаратуру сопряжения. Все устройства, входящие в состав ЭВМ, используют единый, одинаковый для всех набор сигналов интерфейса.

Как и в ЕС ЭВМ, в СМ ЭВМ предусмотрен набор средств для создания комплексов: переключатель общей шины, адаптер межпроцессорной связи, устройство сопряжения вычислительных машин.

Переключатель общей шины СМ-4501 (ПШ СМ) предназначен для построения на базе процессоров СМ-ЗП и СМ-4П многомашинных комплексов различной конфигурации.

Переключатель представляет собой электронное устройство, позволяющее подключать к общей шине одного из двух процессоров дополнительный участок шины (ДШ). К ДШ могут подключаться любые устройства СМ ЭВМ, кроме процессора, и в любом наборе (рис. 1.16). Стандарт ДШ полностью соответствует стандарту ОШ, все сигналы ОШ передаются на ДШ без искажений, поэтому процессор, к которому подключены дополнительные устройства, работает с ними, как с собственными. Единственное отличие заключается в том; что ПШ вносит дополнительную задержку при передаче сигнала до 500 нс, что снижает производительность каждой из ЭВМ.

Переключатель общей шины состоит из двух одинаковых по функциональному, электрическому и конструктивному построению секций, каждая из которых подсоединяется к ОШ процессоров. Секция содержит собственно переключатель и расширитель ОШ, обеспечивающий подключение к шине дополнительных устройств.

Таким образом, ПШ СМ позволяет создавать на базе процессора СМ ЭВМ двухмашинные комплексы с общим полем ВЗУ или ОЗУ. При этом суммарная емкость ОЗУ (собственного процессорного и дополнительного) не может превышать максимальной адресуемой (28 Кслов для СМ-ЗП и 128 Кслов для СМ-4П). Возможно использование ПШ и просто для резервирования тех или иных устройств с целью повышения надежности. Следует отметить, что дополнительного программного обеспечения при использовании ПШ не требуется.

Адаптер межпроцессорной связи (АМС СМ) предназначен для такой связи между ЭВМ, при которой любой из процессоров двух связываемых ЭВМ может обращаться к устройствам ЭВМ, как к своим собственным. Обращение процессора одной ЭВМ к устройствам другой выполняется обычными командами с использованием так называемого окна – зоны адресов, специально отведенной для этой цели. Машина, процессор которой, обращается в другую, называется комплексом-источником, а другая ЭВМ – комплексом целью.

Емкость окна выбирается при проектировании комплекса и может составлять 512 Кслов, 1, 2, 4, 8, 16, 32 Кслов. Местоположение окна на адресной шине комплекса задается программно перед установлением связи через АМС. В качестве окна может быть использован любой незадействованный блок адресов, но на практике чаще всего окно располагается вслед за адресами оперативной памяти. При работе АМС вносит дополнительную задержку которая не превышает 400 нс. Подключается АМС на ОШ обеих соединяемых с его помощью ЭВМ. Каждое обращение к окну реализуется в режиме прямого доступа. Устройство функционально симметрично, т. е. любая из соединяемых ЭВМ может быть и источником и приемником данных. Обращение через окно может исходить из любого устройства, которое способно быть задающим. Функционально АМС СМ включает в себя несколько адресуемых регистров для входных и выходных данных, адресов и сигналов управления.

Рис. 1 17. Комплекс на основе АМС

 

На рис. 2.17 представлен трехпроцессорный симметричный комплекс, в котором операционная система является общей для всех процессоров. Эта же схема может быть и схемой трехмашинного комплекса, если каждый процессор работает только со своей оперативной памятью.

Работа АМС поддерживается программами, входящими в состав специального программного обеспечения СМ ЭВМ.

Для организации иерархических многомашинных комплексов на основе ЭВМ СМ и ЕС в составе технических средств используется устройство сопряжения вычислительных машин (УСВМ) А 71118. Такой ВК включает в себя центральную ЭВМ, функции которой выполняет одна из ЭВМ ЕС и периферийные ЭВМ, в качестве которых используются СМ-3 или СМ-4. Таким образом, УСВМ имеет два интерфейса – интерфейс ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ. Со стороны ЭВМ ЕС оно подключается к селекторному или мультиплексному каналу ввода – вывода, со стороны ЭВМ СМ – к ОШ и реагирует на команды ЭВМ как обычное периферийное устройство, используя эти команды для установления связи между ЭВМ и синхронизации их работы.

Устройство сопряжения состоит из двух частей: интерфейсного блока и устройства управления (рис. 1.18). Взаимодействие УСВМ с ЭВМ СМ осуществляется с помощью четырех адресуемых регистров: команд и состояния (РКС), данных (РД), адреса (РА) и длины массива (РДМ). Информация в РКС определяет режим работы УСВМ и отражает его состояние. Реализация алгоритмов взаимодействия ЭВМ ЕС с УСВМ осуществляется аппаратным способом, а инициализация режима обмена – программным. Программы, поддерживающие УСВМ, входят в состав операционной системы «Фобос» СМ.

МПВК «Эльбрус». При создании МПВК «Эльбрус» ставилась задача обеспечить высокую производительность и надежность при решении задач, требующих большого объема вычислений. Наилучшим образом такая комплексная цель может быть достигнута путем создания многопроцессорного комплекса с однородной организацией обработки во всех процессорах. Комплекс «Эльбрус» может содержать до 10 процессоров. При увеличении числа процессоров резко возрастает число конфликтов из-за ресурсов и увеличиваются затраты ресурсов, используемых ОС, в результате чего производительность растет медленно. Для уменьшения этого эффекта применяются следующие меры: увеличивается число модулей оперативной памяти, внешних ЗУ и устройств ввода–вывода, т. е. число ресурсов; процессоры снабжаются быстродействующими буферными ЗУ достаточно большой емкости; в качестве машинного языка используется алгоритмический язык высокого уровня; наиболее часто выполняемые функции ОС реализуются техническими средствами.

 

Рис 1.18. Комплекс на основе УСВМ

Включение в состав комплекса большого числа модулей с независимым управлением и периферийных устройств позволяет свести к минимуму конфликты из-за ресурсов, необходимых для вычислительных процессов, реализуемых разными процессорами и устройствами. Наличие быстродействующего буферного ЗУ существенно уменьшает число обращений к оперативной памяти, а, следовательно, простои процессоров из-за ожидания памяти. Использование алгоритмического языка высокого уровня уменьшает длину программ (в некоторых случаях в 2–3 раза), в результате чего сокращается число обращений к оперативной памяти. Аппаратная реализация наиболее часто используемых модулей ОС позволяет уменьшить затраты ресурсов на ОС при большом числе процессоров и повысить производительность при малом. Аппаратными средствами реализуются в основном функции диспетчера ОС, что освобождает процессоры от рутинной работы, связанной с организацией очередей, обменом данными, и уменьшает число прерываний, обрабатываемых ОС.

Структурная схема МПВК «Эльбрус» представлена на рис. 1.19. Многовходовая оперативная память построена следующим образом. Четыре модуля оперативной памяти (МП) объединяются одним общим коммутационным модулем (КМ), который подключает любой МП к 10 центральным процессорам (ЦП) и 4 процессорам ввода – вывода (ПВВ). Число КМ в комплексе – до 8, а МП – до 32. Центральные процессоры взаимодействуют с оперативной памятью и ПВВ через КМ.

Все периферийное оборудование (накопители на магнитных лентах, дисках и барабанах, устройства ввода – вывода и передачи данных) подключается к центральной части комплекса через ПВВ, которые являются специализированными, имеют буферное ЗУ, АЛУ и работают по заявкам ЦП. Процессор ввода – вывода реализует аппаратно функции ОС по управлению устройствами ввода – вывода. При этом ПВВ определяет пути обмена информацией (каждое периферийное устройство имеет несколько путей доступа к ПВВ), осуществляет подключение и резервирование устройств. Максимальная скорость обмена ПВВ с ОП достигает 36 Мбайт/с.

В состав внешних ЗУ комплекса входят накопители на магнитных лентах, дисках, барабанах. В качестве НМЛ и НМД используются все типы накопителей, выпускаемых промышленностью в составе ЕС ЭВМ, а НМБ специально разработаны для комплекса «Эльбрус» и имеют следующие характеристики: емкость 4,2 Мбайт, среднее время доступа 5,5 мс, скорость обмена 3,6–3,8 Мбайт/с. Использование НМБ, имеющих существенно большую скорость, чем НМД, позволяет повысить эффективность обмена между ОЗУ и ВЗУ и в конечном счете увеличить производительность комплекса. При работе с НМБ и НМД используются корректирующие коды, что значительно повышает надежность хранения информации.

Рис. 1.19. Комплекс «Эльбрус»

 

В качестве устройств ввода – вывода используется практически весь комплекс устройств ЕС ЭВМ, включая печатающие, перфоленточные, перфокарточные и графические устройства.

Все устройства комплекса работают параллельно и независимо друг от друга и охвачены аппаратным контролем. При возникновении неисправности операционная система получает соответствующий сигнал и осуществляет автоматическую реконфигурацию комплекса, исключая из него неисправное устройство. После восстановления оно может быть вновь введено в рабочий комплект.

Комплекс «Эльбрус» является классическим многопроцессорным не только по структуре, но и по способу организации обработки информации. Все задания и процессы находятся в одной общей очереди, ожидая освобождения процессоров. Как только какой-либо процессор переводит процесс из активного состояния в пассивное, то немедленно обращается к этой очереди и выбирает первый из находящихся в очереди процессов. Последние могут иметь различные приоритеты, тогда фактически организуется несколько очередей процессов.

Комплексы семейства «Эльбрус» отличаются друг от друга производительностью и технической реализацией устройств. Процессоры, применяемые в комплексе «Эльбрус-1», имеют производительность до 1,5 млн. операций в секунду. Время выполнения основных операций: сложение с фиксированной запятой – 520 нс; сложение с плавающей запяток – 780 нс; умножение 32-разрядкых чисел – 780 нс; умножение 64-разрядных чисел – 1300 нс; логические операции – 520 нс. Производительность в максимальной комплектации должна достигать 12 млн. операций в секунду.

Комплекс «Эльбрус-2» в максимальной комплектации должен обеспечивать производительность свыше 100 млн. операций в секунду, т. е. примерно в десять раз более высокую, чем «Эльбрус-1». Используемое в «Эльбрусе-1» программное обеспечение полностью реализуется в «Эльбрусе-2».

Машиностроительное черчение, инженерная графика, начертательная геометрия. Выполнение контрольной