Новосибирский государственный университет

Факультет информационных технологий

Словарь терминов в коллекции "Вычислительные системы"

МИКРОС

Система с программируемой структурой МИКРОС была разработана Отделом вычислительных систем СО АН СССР (СО РАН) в содружестве с подразделениями Научно-производственного объединения «Алмаз» и Научно-исследовательского института «Квант» Министерства радиопромышленности СССР в начале 1980-х.

В начале 1980-х в Отделе вычислительных систем Сибирского отделения АН СССР проводились работы по научно-исследовательскому проекту МИКРОС^*, целью которых было создание Микропроцессорных Систем с программируемой структу-рой (МИКРОС). Результатом работ явилось семейство МИКРОС, включающее модели МИКРОС-1 (1986); МИКРОС-2 (1992); МИКРОС-Т (1996). Разработка моделей семейства МИКРОС осуществлялась Отделом вычислительных систем СО АН СССР (СО РАН) в содружестве с подразделениями Научно-производственного объединения «Алмаз» и Научно-исследовательского института «Квант» Министерства радиопромышленности СССР (г. Москва).

MIMD-архитектура;
распределенность средств управления, обработки и памяти;
массовый параллелизм (при обработке данных и управлении процессами);
программируемость структуры сети межмашинных связей;
возможность программной трансформации MIMD-архитектуры в SIMD и MISD;
децентрализация ресурсов;
асинхронность и близко действие;
масштабируемость, модульность и однородность.

Функциональная структура вычислительной системы МИКРОС

Возможности функциональных структур систем семейства МИКРОС определяются количеством ЭМ, входящих в их состав, конфигурациями ЭМ и топологией сетей межмашинных связей. Количество ЭМ в любой из моделей (МИКРОС-1, МИКРОС-2, МИКРОС-Т) не фиксировано. Каждая ЭМ - это многополюсник, число полюсов в первых моделях систем составляло от 2 до 8, а в модели МИКРОС-Т 4.
Каждая генерация ВС семейства МИКРОС адекватно учитывала текущие возможности ВТ и интегральной технологии. Для формирования конфигураций ЭМ моделей МИКРОС-1 и МИКРОС-2 использовались средства микроЭВМ отечественного семейства «Электроника». Элементарная машина представлялась композицией из микроЭВМ (вычислительного модуля) и системного устройства (которое, в свою очередь, формировалось из модулей).
Свойством масштабируемости обладали не только модели семейства МИКРОС, но и их ЭМ. Простейшая конфигурация ЭМ состоит из модуля системного устройства (МСУ), центрального процессора (ЦП) и оперативной памяти (ОП). Модуль СУ обеспечивал реализацию системных операций в ВС и непосредственную связь данной ЭМ о двумя соседними машинами через полудуплексные каналы. Модуль СУ позволял использовать в качестве каналов различные средства, в частности, экранированные провода (при расстоянии между ЭМ до 30 м), либо радиочастотные кабели (если расстояние между ЭМ не превышало 300 м), либо коммутируемые или выделенные телефонные каналы связи (с использованием аппаратуры передачи данных независимо от расстояния между ЭМ). Заложенная в модуль СУ схема обеспечения связности машин была равно пригодна для формирования как сосредоточенных, так и пространственно распределенных ВС.
В моделях ВС МИКРОС-1 и МИКРОС-2 в качестве базовых машин были использованы микроЭВМ «Электроника 60М» и «Электроника 60-1» соответственно.
Расширенные конфигурации ЭМ систем МИКРОС-1 и МИКРОС-2 могли иметь до четырех модулей СУ, специальный процессор (СП), дополнительные модули оперативной памяти, набор внешних устройств (ВУ). Специальные процессоры «Электроника МТ-70» или «Электроника 1603» расширяли вычислительные возможности ЦП при решении научно-технических задач, связанных с обработкой значительных массивов данных и с выполнением больших объемов однородных вычислений.
Функциональная организация спецпроцессора семейства «Электроника» основана на микропрограммировании. Спецпроцессор был способен реализовать 32 стандартных операции над массивами (векторами) данных. Алгоритмы этих 32-х операций интерпретировались 12-ю микропрограммами, заложенными в память микропрограмм.

Спецпроцессор «Электроника МТ-70» был ориентирован на выполнение большого числа итеративных операций, широко используемых в задачах статистического анализа, численного моделирования, цифровой обработки сигналов и матричной арифметики.
Процессор достигал максимального быстродействия 7,5 млн опер./с при регистровом способе адресации и при выполнении последовательных операций сложения и умножения 16-разрядных чисел с фиксированной запятой.
В набор стандартных операций спецпроцессора «Электроника МТ-70» входили логические операции, арифметические операции над массивами, комплексное умножение, вычисление спектральных амплитуд массива, операции, связанные с быстрым преобразованием Фурье (БПФ), операции преобразования массивов и др.

Спецпроцессор «Электроника МС1603» обладал улучшенными характеристиками по сравнению с процессором «Электроника МТ-70».

повышенная производительность (почти втрое выше, чем у процессора «Электроника МТ-70»);
увеличенный до 256 К слов объем памяти данных при цикле обращения к памяти 200 нс (вместо 600 нс при чтении и 800 нс при записи);
оперативная (перезагружаемая) па¬мять команд емкостью 512 32-разрядных слов;
встроенные диагностические средства;
отдельный канал памяти и устройств пользователя.

Модули системного устройства для системы МИКРОС-2 обладали большими функциональными возможностями, чем в системе МИКРОС-1. Их аппаратура, в частности, позволяла осуществлять: обработку входных/выходных запросов для межмашинных связей (линков); анализ семафоров; формирование пакетов выходных сообщений; управление входными и выходными портами при выполнении системных команд; мультиадресные передачи информации; совмещение межмашинных обменов информацией с вычислениями.

Система МИКРОС-Т базируется на транспьютерных технологиях. Такие технологии позволяют формировать двумерные ВС с массовым параллелизмом. Двумерные структуры ВС формируются путем отождествления полюсов-линков.
Простейшая конфигурация ЭМ представляется транспьютером (например, Inmos Т 805) с памятью, развитые конфигурации ЭМ могут включать в себя: высокопроизводительные микропроцессоры - Intel 860 (компания Intel), PowerPC (альянс компаний ЮМ, Apple и Motorola), Alpha (компании DEC и Compaq) и др. Для формирования ЭМ системы МИКРОС-Т могут быть использованы стандартные решения зарубежных и отечественных фирм-производителей транспьютерных модулей.

Программное обеспечение МИКРОС

Период разработки ПО ВС семейства МИКРОС пересекается с промежутком времени, в течение которого осуществлялось создание программных средств для западных транспьютерных ВС. Широкое распространение получили ОС Helios и средства параллельного программирования 3L. Одним из недостатков средств Helios и 3L является необходимость предварительного описания конфигурации транспьютерной системы и структуры параллельной программы. При конфигурировании параллельной программы процессам и информационным связям между ними ставятся в однозначное соответствие их физические носители: транспьютеры и линки. Подобный статический подход к конфигурированию исключает возможность оперативной автоматической перенастройки системы в случае отказов ее элементов, следовательно, снижает живучесть ВС.

независимость от структуры ВС и числа машин в ней;
модульность построения;
распределенность и децентрализованность модулей по машинам ВС;
локальность связей между модулями;
асинхронность взаимодействий модулей;
развиваемость (изменяемость и пополняемость состава модулей, в частности возможность замены программных модулей на аппаратурные);
иерархичность построения: стратификация системы на уровни, каждый из которых строится на основе предыдущих и освобождает пользователя от специфических для уровня операций по погружению задачи в систему;
преемственность с ОС базовых микропроцессорных средств (либо микроЭВМ «Электроника», либо транспьютеров, в зависимости от моделей семейства ВС МИКРОС).

Все созданные генерации ОС (МИКРОС-1, МИКРОС-2, МИКРОС-Т) являются распределенными и децентрализованными. Децентрализованная распределенная ОС МИКРОС способна функционировать в ВС произвольной конфигурации; ОС создает в каждой ЭМ «окружение», позволяющее осуществлять динамическую настройку адаптирующейся параллельной про¬граммы на существующую конфигурацию ВС (или подсистемы). Децентрализованные процедуры маршрутизации обеспечивают передачу сообщений между любыми ЭМ системы. Указанные свойства ОС МИКРОС являются основой для поддержки живучести ВС (и, следовательно, для организации отказоустойчивых вычислений). Следует подчеркнуть, что ОС МИКРОС-Т имеет иерархическую структуру. Каждый уровень ОС строится на основе предыдущих.

В версии средств программирования МИКРОС-Т имеются языки параллельного программирования Р- ФОРТРАН и Р-С. Эти языки построены путем расширения соответствующих традиционных языков ФОРТРАН и С примитивами организации межмашинных взаимодействий и примитивами оценки параметров подсистем, на которых исполняются параллельные программы. Первые позволяют организовать взаимодействия между любыми ветвями программы, вторые дают возможность использовать параметры подсистемы для адаптации программы к текущей конфигурации последней. Это свойство существенно с двух точек зрения: простоты организации параллельных вычислений и отказоустойчивости. Реализация данных примитивов основывается на средствах распределенной децентрализованной операционной системы МИКРОС-Т.

Архитектурные свойства систем семейства МИКРОС

Класс архитектуры любой модели ВС - это MIMD; допустима трансформация архитектуры MIMD в архитектуру MISD или SIMD путем программной перенастройки системы.

Класс ВС - система с программируемой структурой и с распределенным управлением.

Характер пространственного размещения вычислительных ресурсов - сосредоточенный или распределенный.

Основная функционально-структурная единица вычислительных ресурсов - ЭМ.

Функции ЭМ - традиционные для ЭВМ функции по переработке информации плюс функции, связанные с управлением ВС в целом как коллектива (ансамбля) машин.

Масштабируемость ВС поддерживается аппаратурными средствами (системным устройством либо транспьютером) и программным обеспечением.

Количество N элементарных машин не фиксировано, что обеспечивает принципиально неограниченное наращивание производительности ВС.

Виды структуры сети межмашинных связей - произвольные (нерегулярные) графы.
Рекомендуемые структуры ВС:
• для сосредоточенных ВС: оптимальные D_n-графы, где n - размерность графа, и неориентированные однородные L(N, v, g)-графы, в которых N - число вершин, v - степень вершины (число межмашинных связей для каждой ЭМ), g-обхват (дайна кратчайшего цикла в графе);
• для пространственно распределенных ВС: в условиях отсутствия жестких технико-экономических ограничений те же структуры, что и для сосредоточенных систем, в противном случае любые структуры реально существующих сетей передачи информации или сетей, обеспечивающих при заданных ограничениях связность вычислительных ресурсов.

Наращиваемость (масштабируемость) размерности структуры ВС - 1-8.

Тип оперативной памяти - распределенная и общедоступная.

Аппаратурно-программная база системы:
• для моделей МИКРОС-1 и МИКРОС-2 - средства микромашинной техники и спецпроцессоров семейства «Электроника»;
• для модели МИКРОС-Т - транспьютерные средства семейства Inmos Т800 (компании SGS-Thomson) и средства высокопроизводительных микропроцессоров.

Конфигурации ЭМ:
• для моделей МИКРОС-1 или МИКРОС-2 - всевозможные допустимые комплексы на основе микроЭВМ «Электроника 60М» или «Электроника 60-1» (или совместимых с ними других микроЭВМ), которые могут иметь в своем составе, в частности, спецпроцессоры «Электроника МТ-70» и «Электроника 1603»;
• для модели МИКРОС-Т - либо один из транспьютеров Т805 или Т800 (простейшая конфигурация), либо транспьютер, один из высокопроизводительных микропроцессоров: Intel 860, PowerPC, Alpha и дополнительная оперативная память (расширенная конфигурация).

Коммуникационные средства ЭМ для реализации функций управления системами:
• МИКРОС-1 или МИКРОС-2 - модули СУ (СУ-1 или СУ-2), выполненные на полных платах конструктивов для микроЭВМ «Электроника 60М» или «Электроника 60-1»;
• МИКРОС-Т - транспьютер Inmos Т805 (или Т800).

Число коммуникационных средств в одной ЭМ в системах:
• МИКРОС-1 или МИКРОС-2 - одно СУ в составе от одного до четырех модулей СУ;
• МИКРОС-Т - один транспьютер Inmos Т805 (или Т800).

Программное обеспечение ВС МИКРОС-1 или МИКРОС-2:
• распределенные децентрализованные ОС, являющиеся расширением ОС микроЭВМ «Электроника 60М» или «Электроника 60-1»;
• языки параллельного программирования P- FORTRAN и P-PASCAL, являющиеся языками семейства микроЭВМ «Электроника», дополненными средствами организации системных взаимодействий.
Программное обеспечение ВС МИКРОС-Т:
• распределенная децентрализованная ОС МИКРОС-Т;
• языки параллельного программирования P-FORTRAN и Р-C.

Режимы функционирования ВС:
• монопрограммный, обеспечивающий решение сложной задачи, при котором все ресурсы ВС используются для реализации параллельных программ и обеспечения требуемого уровня надежности и живучести;
• мультипрограммные (обработка наборов и обслуживание потоков параллельных задач, разделение «времени и/иль пространства» и др.), при которых для решения любой задачи или для обслуживания любого задания используется лишь часть ресурсов системы.

Способы обработки данных в ВС:
• распределенный (параллельный), когда однородно расчлененные данные и ветви параллельной программы их обработки рассредоточиваются по ЭМ;
• матричный, при котором программа вычислений размещается в одной или нескольких ЭМ, а данные (однородно) распределяются по всем ЭМ;
• конвейерный, когда сегментированная программа распределяется по машинам предварительно настроенного конвейера (или «кольца» или «линейки») и обеспечивается последовательное «пропускание» данных через все ЭМ конвейера.

Рекомендуемая методика распараллеливания сложных задач - крупноблочное распараллеливание, позволяющее за счет минимизации затрат на межмашинные взаимодействия достичь линейной зависимости производительности ВС от числа ЭМ.

Требуемые уровни производительности, емкости памяти, надежности и живучести ВС достигаются путем подбора количества ЭМ и их состава, выбора структуры сети межмашинных связей, использования широких возможностей системных аппаратурно-программных средств по статической и динамической реконфигурации структуры и по варьированию состава системы.

Области применения ВС

традиционные сферы применения ЭВМ и векторных процессов, в которых возросли требования по обеспечению производительности, емкости памяти, надежности и живучести и где целесообразно сохранить совместимость вычислительных средств;
сферы применения, связанные с решением трудоемких задач, таких как сложные задачи физики, механики сплошной среды, аэродинамики, баллистики, метеорологии, обработки изображений и речевых данных, задачи организации баз знаний, искусственного интеллекта;
сложные большемасштабные системы, среди которых системы управления энергетическими установками, системы управления динамическими объектами и другие системы, характеризуемые высокой эффективностью, безотказностью, живучестью, развиваемостью, компактностью либо распределенностью своих ресурсов и т.п.

Таким образом, ВС семейства МИКРОС основываются на перспективных принципах обработки информации, строятся из аппаратурно-программных средств микропроцессорной техники, обладают гибкими возможностями по статической и динамической реконфигурации своих структур, позволяют достичь высокой производительности, надежности и живучести в широкой области применения.

^* Хорошевский В.Г. Вычислительная система МИКРОС // Препринт. Новосибирск: ИМ СО АН СССР, 1981. № 38 (ОВС-19).

Ключевые термины, связанные с термином "МИКРОС":

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:

Хорошевский Виктор Гаврилович

Ключевые термины (головные): Вычислительные системы с программируемой структурой;

Федотов Анатолий Михайлович

НГУ
ФИТ НГУ
ИВТ СО РАН

© 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