Новосибирский государственный университет Факультет информационных технологий

А.М.Федотов

Словарь терминов в коллекции "Вычислительные системы"

Классификация Флинна

Классификация Флинна - классификация архитектур ЭВМ по признакам наличия параллелизма в потоках команд и данных.
В 1984 году Ванг и Бриггс сделали некоторые дополнения к классификации Флинна, конкретизировав классы SISD, SIMD, MIMD.

По-видимому, самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном. Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.

SISD (single instruction stream / single data stream) - одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся, прежде всего, классические последовательные машины, или иначе, машины фон-неймановского типа, например, PDP-11 или VAX 11/780. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. Не имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка - как машина CDC 6600 со скалярными функциональными устройствами, так и CDC 7600 с конвейерными попадают в этот класс.

SIMD (single instruction stream / multiple data stream) - одиночный поток команд и множественный поток данных. В архитектурах подобного рода сохраняется один поток команд, включающий, в отличие от предыдущего класса, векторные команды. Это позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными - элементами вектора. Способ выполнения векторных операций не оговаривается, поэтому обработка элементов вектора может производится либо процессорной матрицей, как в ILLIAC IV, либо с помощью конвейера, как, например, в машине CRAY-1.

MISD (multiple instruction stream / single data stream) - множественный поток команд и одиночный поток данных. Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Однако ни Флинн, ни другие специалисты в области архитектуры компьютеров до сих пор не смогли представить убедительный пример реально существующей ВС, построенной на данном принципе. Ряд исследователей (например, Хендлер) относят конвейерные машины к данному классу, однако это не нашло окончательного признания в научном сообществе. Считается, что пока данный класс пуст.

MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) - множественный поток команд и множественный поток данных. Этот класс предполагает, что в ВС есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком команд и данных.

В SISD входят однопроцессорные последовательные компьютеры типа VAX 11/780. Однако, многими критиками подмечено, что в этот класс можно включить и векторно-конвейерные машины, если рассматривать вектор как одно неделимое данное для соответствующей команды. В таком случае в этот класс попадут и такие системы, как CRAY-1, CYBER 205, машины семейства FACOM VP и многие другие.

Бесспорными представителями класса SIMD считаются матрицы процессоров: ILLIAC IV, ICL DAP, Goodyear Aerospace MPP, Connection Machine 1 и т.п. В таких системах единое управляющее устройство контролирует множество ПЭ. Каждый ПЭ получает от УУ в каждый фиксированный момент времени одинаковую команду и выполняет ее над своими локальными данными. Для классических процессорных матриц никаких вопросов не возникает, однако в этот же класс можно включить и векторно-конвейерные машины, например, CRAY-1. В этом случае каждый элемент вектора надо рассматривать как отдельный элемент потока данных.

Класс MIMD чрезвычайно широк, поскольку включает в себя всевозможные мультипроцессорные системы: Cm*, C.mmp, CRAY Y-MP, Denelcor HEP,BBN Butterfly, Intel Paragon, CRAY T3D и многие другие. Интересно то, что если конвейерную обработку рассматривать как выполнение множества команд (операций ступеней конвейера) не над одиночным векторным потоком данных, а над множественным скалярным потоком, то все рассмотренные выше векторно-конвейерные компьютеры можно расположить и в данном классе.

Предложенная схема классификации вплоть до настоящего времени является самой применяемой при начальной характеристике того или иного компьютера. Если говорится, что компьютер принадлежит классу SIMD или MIMD, то сразу становится понятным базовый принцип его работы, и в некоторых случаях этого бывает достаточно. Однако видны и явные недостатки. В частности, некоторые заслуживающие внимания архитектуры, например dataflow и векторно-конвейерные машины, четко не вписываются в данную классификацию. Другой недостаток - это чрезмерная заполненность класса MIMD. Необходимо средство, более избирательно систематизирующее архитектуры, которые по Флинну попадают в один класс, но совершенно различны по числу процессоров, природе и топологии связи между ними, по способу организации памяти и, конечно же, по технологии программирования.

Наличие пустого класса (MISD) не стоит считать недостатком схемы. Такие классы, по мнению некоторых исследователей в области классификации архитектур, могут стать чрезвычайно полезными для разработки принципиально новых концепций в теории и практике построения ВС.


Дополнения Ванга и Бриггса к классификации Флинна

К.Ванг и Ф.Бриггс сделали некоторые дополнения к классификации Флинна. Оставляя четыре ранее введенных базовых класса (SISD, SIMD, MISD, MIMD), авторы внесли следующие изменения.

Класс SISD разбивается на два подкласса:

• архитектуры с единственным функциональным устройством, например, PDP-11;
• архитектуры, имеющие в своем составе несколько функциональных устройств - CDC 6600, CRAY-1, FPS AP-120B, CDC Cyber 205, FACOM VP-200.

• архитектуры с пословно-последовательной обработкой информации - ILLIAC IV, PEPE, BSP;
• архитектуры с разрядно-последовательной обработкой - STARAN, ICL DAP.

• ВС со слабой связью между процессорами, к которым они относят все системы с распределенной памятью, например, Cosmic Cube,
• и ВС с сильной связью (системы с общей памятью), куда попадают такие компьютеры, как C.mmp, BBN Butterfly, CRAY Y-MP, Denelcor HEP.

Литература
• Flynn M. Some Computer Organisations and Their Effectiveness // IEEE Trans. Computers. - 1972. - V.21, N 9. - P. 948-960.
• Flynn M. Very High-Speed Computing System // Proc. IEEE. - 1966. - N 54. - P. 1901-1909.
• Hwang K., Briggs F.A. Computer Architecture and Parallel Processing. - 1984. - P. 32-40.
• http://parallel.ru/computers/taxonomy
• Воеводин Вл.В. Методы описания и классификации архитектур вычислительных систем / Вл.В. Воеводин, А.П. Капитонова. - М.:Издательство МГУ, 1994.

Ключевые термины, связанные с термином "Классификация Флинна":

1. MIMD-архитектура
2. MISD-архитектура
3. SIMD-архитектура
4. SISD-архитектура
5. Ассоциативные вычислительные системы
6. Векторные вычислительные системы
7. Вычислительные системы на базе транспьютеров
8. Вычислительные системы с неоднородным доступом к памяти
9. Вычислительные системы с систолической структурой
10. Классификация Джонсона
11. Классификация Дункана
12. Классификация Скилликорна
13. Классификация Хендлера
14. Классификация Хокни
15. Классификация Шнайдера
16. Кластерные вычислительные системы
17. Матричные вычислительные системы
18. Параллельные векторные системы
19. Симметричные мультипроцессорные системы
20. Системы с массовой параллельной обработкой

Литература

Дополнительная:

1. Воеводин Вл.В. Методы описания и классификации архитектур вычислительных систем / Вл.В. Воеводин, А.П. Капитонова. - М.:Издательство МГУ, 1994. - 79 с. - ISBN 5-211-03355-8.

Ключевые термины (головные):  Архитектура вычислительной машины;   Процессор;   Уровни параллелизма;

Контекстный поиск: Задайте образец для поиска:

Федотов Анатолий Михайлович

НГУ ФИТ НГУ ИВТ СО РАН