«Минск-222»
Синонимы: «Минск-222»; Минск-222;«Минск-222» - первая в мире вычислительная система с программируемой структурой.
Интерес к практической реализации ВС с программируемой структурой постоянно проявлялся, начиная с 60-х годов XX в. Первоначально он поддерживался прежде всего необходимостью проверки теоретических основ построения ВС, необходимостью отработки архитектурных решений и функциональной структуры ВС, а также параллельных вычислительных технологий. Позднее возрастающую роль стал играть утилитарный компонент целей создания ВС, в 1970-х годах этот компонент стал превалировать над исследовательским. Последнее обосновывается потребностью в ВС, обладающих и высокой производительностью, надежностью и живучестью.
Работы по построению ВС, основанных на принципах коллектива вычислителей, были инициированы в Институте математики (ИМ) Сибирского отделения АН СССР в 1964 г. Вскоре в ИМ СО АН СССР было организовано и мини-производство ВС.
В проекте «Минск-222» были отработаны архитектурные, технические и программные решения, значительная часть из которых была «канонизирована» разработчиками не-фон-неймановских вычислительных средств.
Система «Минск-222» была разработана и построена Отделением вычислительной техники ИМ СО АН СССР совместно с Конструкторским бюро завода им. Г.К. Орджоникидзе Министерства радио-промышленности СССР (г. Минск). Руководитель работ по созданию ВС «Минск-222» - Э.В. Евреинов; основные разработчики: В.Г. Хорошевский, Б.А. Сидристый, Г.П. Лопато, А.Н. Василевский. Работы по проектированию ВС «Минск-222» были начаты в 1965 г., а первый ее образец был установлен в апреле 1966 г. в Институте математики АН БССР. Системы «Минск-222» были смонтированы в нескольких организациях Советского Союза и эксплуатировались более 15 лет.
Архитектура ВС «Минск-222»:
- MIMD-архитектура,
- распределенность ресурсов;
- параллелизм, однородность, программируемость структуры;
- одномерная (кольцевая) топология;
- масштабируемость: 1-16 элементарных машин (ЭМ);
- быстродействие: Ω = ANω, где N - число ЭМ, ω - быстродействие одной ЭМ, А≥1 (при крупноблочном распараллеливании сложных задач);
- использование промышленных ЭВМ второго поколения.
Функциональная структура вычислительной системы «Минск-222»
Элементарная машина в «Минск-222» состояла из вычислительного модуля и системного устройства (СУ). В качестве ВМ были использованы серийные ЭВМ «Минск-2» или «Минск-22», выпускавшиеся заводом им. Г.К. Орджоникидзе (г. Минск). Указанные ЭВМ имели одну и ту же архитектуру и были не только совместимы, а, по сути, являлись конфигурациями одной и той же двухадресной машины. Машина «Минск-22» в сравнении с «Минск-2» обладала магнитной памятью удвоенной емкости (8 К 37-разрядных слов) и имела дополнительный набор устройств ввода-вывода информации.
В состав СУ входили локальный коммутатор (ЛК) каналов связи и блок операций системы (БОС). Коммутатор состоял из вентилей, которые открывали или закрывали канал связи, идущий к соседней справа ЭМ. Вентили управлялись сигналами, поступавшими из БОС.
Блок операций системы включал в себя регистр настройки (РН) и узел, реализующий системные команды. Содержимое РН определяло вид соединительной функции коммутатора и степень участия ЭМ при системных взаимодействиях. Регистр настройки состоял из трех разрядов: TR, TQ, ТΩ.
Триггер TR позволял разбивать систему на функционально изолированные подсистемы.
Триггеры TQ и ТΩ конкретизировали степень участия машин в выполнении некоторых системных команд.
Системное устройство было реализовано на 80 стандартных элементах и составляло менее 1,5 % объема оборудования АЛУ и устройства управления ЭВМ «Минск-22».
Системные команды вычислительной системы «Минск-222»
К системным относят команды, обеспечивающие функциональную целостность множества ЭМ как коллектива. С другой стороны, системные команды - это средства для организации и реализации параллельных вычислительных процессов, в частности, обменов управляющей информацией и данными между ветвями параллельной программы. Набор системных команд ВС «Минск-222» составляли команды настройки, обмена, обобщенных безусловного и условного переходов.
Команды в ЭВМ «Минск-222» представлялись 37-разрядными двоичными числами.
Программное обеспечение вычислительной системы «Минск-222»
Программное обеспечение вычислительной системы «Минск-222» - это расширенное ПО ЭВМ «Минск-22». Возможности ЭВМ «Минск-22», являвшейся машиной второго поколения, были весьма ограничены. Поэтому расширение ПО было ориентировано лишь на реализацию в монопрограммном режиме параллельных программ (Р-программ) решения сложных задач. Программное обеспечение ВС «Минск-222» состояло из двух частей: системы P-программирования и пакета прикладных адаптирующихся Р-программ.
Система параллельного программирования включала средства автоматизации P-программирования, отладки, редактирования и анализа Р-программ.
Средства автоматизации Р-программирования - языки и трансляторы. В качестве входных в системе «Минск-222» использовались расширенные языки: автокод АКИ, ЛЯПАС, ALGOL, BASIC.
Язык АКИ - АвтоКод «Инженер» - относится к машинно-ориентированным.
Язык ЛЯПАС - Логический Язык Программирования Алгоритмов Синтеза - оригинальный язык, ориентированный для описания алгоритмов решения задач математической логики, теории автоматов, булевой алгебры, теории графов и теории кодирования (создан в 1966 году школой специалистов-логиков Томского государственного университета).
Язык ALGOL (ALGOrithmic Language) - язык программирования высокого уровня, предназначенный для описания алгоритмов решения вычислительных задач.
Язык BASIC (Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Code) - это язык программирования высокого уровня, отличается простотой, легко усваивается начинающими программистами.
В расширенные языки были включены средства для описания взаимодействий между параллельными ветвями вычислений. Каждый транслятор для ВС имел два блока: машинный и системный. Машинный блок представлял собой обычный транслятор для ЭВМ, системный служил для реализации межмашинных взаимодействий в ВС.
Разработка трансляторов для расширенных языков АКИ, ЛЯПАС и ALGOL свелась к созданию системных блоков. Это было обеспечено тем, что имевшиеся трансляторы для ЭВМ «Минск-22» с языков АКИ, ЛЯПАС и ALGOL (транслятор ТАМ-2/22) предусматривали возможность использования библиотеки стандартных программ, записанных в машинных кодах.
Любой системный блок представлял собой совокупность программ для реализации операций настройки, обмена, ОБП и ОУП, которые были включены в библиотеки трансляторов. При использовании языка АКИ обращение к программе, реализующей требуемую системную операцию, осуществлялось при помощи оператора КОД; при применении ЛЯПАС - посредством оператора «↓» перехода к машинному языку; наконец, при применении ALGOL - при помощи оператора STANDARD.
Системные блоки, добавляемые к трансляторам ЭВМ, имели относительно небольшое количество команд. Качество параллельных программ в основном определялось машинными блоками трансляторов ВС «Минск-222».
Язык BASIC включал обычные операторы, системные операторы и системные стандартные функции. Он позволял описывать как последовательные, так и параллельные вычислительные процессы. Реализованный транслятор (вместе с сервисными программами) имел объем 6600 команд, скорость трансляции 700-800 команд готовой программы в минуту. Транслятор допускал ввод и исправление исходных программ в режиме диалога.
Полученный опыт по проектированию, математической и технической эксплуатации «Минск-222» был использован в последующих проектах вычислительных систем с программируемой структурой.
Средства отладки и редактирования Р-программ - совокупность четырех стандартных программ. Первая программа преобразовывала отлаживаемую Р-программу в последовательную и выявляла ошибки, не связанные с использованием системных команд. Вторая программа служила для моделирования на одной машине выполнения Р-программы из двух ветвей. Всевозможные (допустимые и недопустимые) взаимодействия ветвей были представлены матрицей переходов к моделирующим или авостным подпрограммам. Эта же программа могла определять время простоев машин, время работы отдельных блоков Р-программы и точность вычислений. Третья программа позволяла вывести на печать заданное количество раз содержимое интересующих областей памяти перед выполнением команд обмена в процессе контрольной реализации параллельной программы на ВС «Минск-222». Четвертая программа служила для корректировки Р-программ.
Средства анализа Р-программ были представлены тремя стандартными программами. Первая программа служила для анализа распределения памяти между блоками исследуемой программы. Вторая программа предназначалась для измерения времени простоев машин ВС; она заставляла простаивающую машину считать время своего простоя. Третья программа применялась для измерения времени работы участков Р-программы; она использовала одну из машин системы как часы.
Пакеты прикладных адаптирующихся Р-программ были ориентированы на решение задач повышенной сложности. Параметры таких задач, как правило, не позволяли решать их на ЭВМ «Минск-22» за удовлетворительное время. В пакеты были включены адаптирующиеся Р-программы, т.е. такие программы, которые могли настраиваться на число машин ВС как на параметр. Параллельные программы пакета были разделены на четыре группы.
Из опыта создания ПО для системы «Минск-222» установлено, что его объем отличается от объема программного обеспечения ЭВМ «Минск-22» не более чем на 10%.
Области применения и эффективность вычислительной системы «Минск-222»
Система «Минск-222», имевшая программируемую структуру, позволяла решать задачи, представленные как последовательными, так и параллельными программами с различными количествами ветвей. Следовательно, в число областей применения ВС «Минск-222» включались все области, где использовалась ЭВМ «Минск-22». Кроме того, на ВС «Минск-222» можно было решать научно-технические задачи повышенной трудоемкости. Спектр таких задач достаточно широк:- решение систем линейных алгебраических уравнений методом простой итерации;
- решение систем линейных алгебраических уравнений методом Жордана;
- решение систем линейных алгебраических уравнений методом Зейделя;
- решение систем линейных алгебраических уравнений модифицированным методом Зейделя;
- решение систем линейных алгебраических уравнений методом Самарского;
- обращение матриц методом пополнения;
- отыскание коэффициентов характеристического полинома;
- умножение матриц;
- решение систем нелинейных алгебраических уравнений;
- решение общей задачи линейного программирования;
- решение транспортной задачи;
- численное интегрирование;
- численное дифференцирование;
- решение задачи интерполирования;
- решение систем обыкновенных дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта;
- расчет подвесок автопоездов;
- решение граничных задач для линейных систем;
- решение граничных задач для нелинейных систем;
- решение задачи Дирихле для эллиптических уравнений;
- решение краевой задачи для параболических уравнений;
- решение задачи Коши для гиперболических уравнений;
- решение задачи обтекания тела потоком жидкости;
- моделирование работы группового реактора;
- моделирование термодинамических циклов газовых атомных электростанций;
- моделирование неупругого рассеяние электронов;
- моделирование рассеяния энергии ионизирующего излучения;
- перспективное изображение непрозрачных объектов;
- случайный поиск с адаптацией;
- решение проблем теории статистических решений;
- решение задачи таксономии;
- упорядочение массивов;
- перекрещивание массивов;
- поиск информации в больших массивах;
- составление ведомостей.
Примененные схемы обмена между ветвями Р-программы приводят к их простой программной реализации. Благодаря этому при решении задач на ВС «Минск-222» системные команды в Р-программах составляли, как правило, менее 10% их общего объема. Следовательно, можно считать, что затраты при составлении параллельных и эквивалентных им последовательных программ имеет один и тот же порядок.
Было установлено, что для ВС «Минск-222» доля затрат времени на системные взаимодействия (включая синхронизацию) составляет, как правило, несколько процентов, что является следствием применения методики крупноблочного распараллеливания задач. Кроме того, выяснилось, что за счет большей емкости оперативной памяти в системе «Минск-222» по сравнению с одной ЭВМ «Минск-22» и за счет быстродействия каналов связи, сравнимого с быстродействием ЭВМ при выполнении операций, получается дополнительный значительный выигрыш во времени решения задач на ВС.
Экспертные оценки показали, что сложность программирования для ВС «Минск-222» (по сравнению со сложностью программирования для одной ЭВМ «Минск-22») возрастает на 10...20%, а при развитой библиотеке стандартных параллельных программ - на 5... 10%.
Вычислительные системы «Минск-222» в течение многолетней эксплуатации в различных организациях СССР показали высокую эффективность при решении широкого круга задач.
Архитектурные решения, реализованные в ВС «Минск-222», стали, по сути, каноническими. Схемы обмена информацией между ветвями Р-программ и системные команды «Минск-222» нашли отражение в современном инструментарии, используемом при построении распределенных и параллельных ВС. Так, в MPI (Message Passing Interlace) - библиотеке функций, предназначенной для поддержки параллельных процессов - применяются как дифференцированный (Point-to-point Communication), так и коллективные взаимодействия (Collective Communications).
Полученный опыт по проектированию, математической и технической эксплуатации «Минск-222» был использован в последующих проектах вычислительных систем с программируемой структурой. Ключевые термины, связанные с термином "«Минск-222»":
- Вычислительные системы с программируемой структурой
Литература
Дополнительная:
- Хорошевский В.Г. Архитектура вычислительных систем: Учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 520 с.
Ссылки на персон:
- Евреинов Эдуард Владимирович
- Лопато Георгий Павлович
- Хорошевский Виктор Гаврилович
Ключевые термины (головные): Вычислительные системы с программируемой структурой; Минск;
|Головная|
|Преподавание|
| Современные проблемы
информатики|
|Информатика|
|Ключевые термины|
|Персоны|
© 1998-2024, Новосибирский государственный университет, Новосибирск
© 1998-2024, Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск
© 1998-2024, Федотов А.М.
Дата последней модификации:
29.11.2013
![[SBRAS]](http://www.nsc.ru/gif/s_sigma.gif)