МЕЖПРОЦЕССОРНЫЕ СВЯЗИ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ И СЕТЯХ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ.

Если рассмотреть на уровне оборудования связи для обме­на информацией между процессорами, обеспечивающие соеди­нение каждого процессора с любым другим в вычислительных системах и сетях, то можно построить схему классификации и структурную схему межпроцессорных связей, изображенную на рисунке 3.7. Схема имеет пять уровней, первый из которых яв­ляется исходным, второй определяет стратегию организации обмена информацией, третий - метод управления соеди-нением трактов обмена, четвертый - структуру путей передачи инфор­мации, а пятый уровень определяет соответствующие типы структур вычислительных систем и сетей.

Первый уровень - исходный, он включает внутренние свя­зи для обмена информацией. Второй уровень включает прямые и косвенные (непрямые) тракты обмена. В первом случае осуществляется прямая передача информации, когда передатчик выбирает путь, а приемник распознает предназначающиеся для него сообщения. При этом в канале связи никакой логики не предусмотрено, за исключением, возможно, буферных устройств и устройств повторения сообщений. Во втором случае осуществляется непрямая передача информации, когда между передатчиком и приемником предусматривается логика выбора одного из нескольких альтернативных путей передачи на про­межуточных пунктах, а также, в некоторых случаях, дополни­тельное преобразование сообщения.

Управление соединением трактов обмена может быть цент­рализованным и децентрализованным (третий уровень). При прямой передаче альтернатив не существует и не требуется уп­равление соединением трактов обмена. Непрямая передача при помощи централизованного управления характеризуется тем, что все сообщения передаются через единый пункт, выполняющий функции промежуточного пункта назначения и одновременно источника для всех дальнейших передач. Непрямая передача при помощи децентрализованного управления характеризуется тем, осуществления обмена.

 Вторая структура определяет общие (раз­деляемые) тракты обмена, передача по которым осуществляется при помощи разделения времени этих трактов. Прямая переда­ча по раздельным путям характеризуется тем, что каждый ис­точник информации имеет один или несколько альтернативных путей передачи, причем ни один вид пути не используется более чем одним источником информации. Такая организация обес­печивает параллельность передач, однако не гарантирует макси­мальной скорости передачи из-за возможной задержки сообще­ний. Прямая передача с использованием общего пути осуществ­ляется для всех сообщений только по этому общему пути. Не­прямая передача при помощи раздельных путей и централизо­ванного управления означает, что каждый источник имеет свой путь к промежуточному пункту и от него — к каждому прием­нику. Непрямая передача при помощи общего пути и централи­зованного управления отличается от предыдущей тем, что ис­пользуется единственный путь от промежуточного пункта к при­емникам информации. Непрямая передача при помощи раздель­ных путей и децентрализованного управления предусматрива­ет, что каждый путь имеет единственный источник, но может иметь много пунктов назначения. Непрямая передача при помо­щи общего пути и децентрализованного управления означает, что передача осуществляется по многим путям, каждый из ко­торых может быть одновременно (совместно) использован мно­гими приемниками информации в режиме разделения времени для обмена данными.

Пятый уровень включает различные типы структур вычис­лительных систем и сетей (№№ 1, 2, 10). Прямой передаче по раздельным путям соответствует кольцевая структура процес­сорных элементов без коммутаторов (№1 ), каждый элемент ко­торой имеет соседа-предшественника и соседа-преемника. Пе­редача инициируется данным предшественником, после чего каждый последующий элемент проверяет адрес сообщения и, в случае необходимости, передает его по индивидуальному пути дальше своему преемнику. Передача прекращается в пункте на­значения. Такая структура отличается логической простотой и обладает явно выраженной модульностью, но она не обладает высокой надежностью, а скорость передачи в ней ограниченаиз-за последовательного характера передачи информации по кольцу. В качестве примера можно указать кольцевую версию САМАС. Другим типом структуры при прямой передаче по раздельным путям является структура с полным набором связей (№2). В этом случае каждый источник имеет пути ко всем приемникам. Такая структура не отличается модульностью по­строения и характеризуется высокой стоимостью системы при большом числе элементов, но она обеспечивает высокую ско­рость обмена информацией при сравнительно простой логике организации этого обмена. Структуру с полным набором связей имеет вычислительная сеть MERIT, в которой соединены CDC 6500 и две машины IBM 360/67.

Прямой передаче с общим путем соответствует классичес­кая многопроцессорная структура с общей основной памятью (№ 3). В таких системах все сообщения передаются через ос­новную память. При этом обеспечивается очень высокая про­пускная способность, поскольку обмен фактически представля­ет собой запись в оперативную память и чтение из нее. Если такая память используется также и для обработки данных, что является типичным случаем, то она оказывается нередко узким местом системы. Другим типом структуры при прямой переда­че с общим путем является структура с общей шиной (магистра­лью передачи), используемой для связи со всеми системными элементами в режиме разделения ее времени (№ 4). Такие струк­туры часто применяются в авиационно-космических системах и системах военного назначения, а также при построении автоматизированных систем в промышленности и научных ла­бораториях. Они отличаются простотой и явно выраженной модульностью, однако при их использовании требуется тщатель­ное планирование занятия времени шины в целях повышения производительности всей системы. В качестве примера рассмат­риваемой структуры можно привести соответствующую конфи­гурацию САМАС.

Непрямой передаче по раздельным путям при централизованном управлении соответствует структура в виде звезды (№ 5). При передаче сообщения проходят через цент­ральный коммутатор. Такая структура часто реализуется на ос­нове матричного коммутатора, однако в некоторых случаях при­меняется также процессор как центральный элемент системы. Она отличается простотой логики работы, но не имеет высокой надежности. В качестве примера можно указать вычислитель­ную сеть IBM Network/44O. Другим типом структуры при не­прямой передаче по раздельным путям при централизованном управлении является кольцевая структура процессорных элемен­тов с центральным, коммутатором (№ б). Такая структура соче­тает в себе особенности кольцевой структуры (№ 1) и структуры в виде звезды (№ 5). Пересылка сообщений осуществляется по кольцу через центральный коммутатор или же ведется по коль­цу под управлением центрального коммутатора, который осу­ществляет адресацию пересылок. В качестве примера можно отметить экспериментальную систему обмена информацией

SPIDER.

Непрямой передаче по общему пути при централизованном управлении соответствует структура с общей шиной и централь­ным коммутатором (№7). Такая структура в функциональном от­ношении эквивалентна структуре в виде звезды (№ 5). При этом ее главное отличие состоит в том, что процессоры связываются друг с другом не через индивидуальные тракты, соединяемые центральным коммутатором, а при помощи общей шины и орга­низации доступа к ней. При передаче информации процессор­ный элемент посылает сообщение через общую шину к цент­ральному коммутатору, который переправляет его к процессор­ному элементу-приемнику данного сообщения. На время пере­дачи сообщения между каким-либо процессорным элементом и центральным коммутатором шина занята этой передачей, и дру­гие процессорные элементы не имеют к ней доступа, т.е. забло­кированы по входу и по выходу. Рассматриваемая структура со­четает в себе качества экономичности и логической простоты, но при ее применении приходится преодолевать некоторые труд­ности, связанные с невысокой степенью модульности и сравни­тельно невысокой надежностью.

Непрямой передаче по раздельным индивидуальным трак­там при децентрализованном управлении соответствует регуляр­ная структура (№ В). Каждый процессорный элемент связан с ближайшим соседом слева, справа, сверху и снизу, причем регулярный характер связи сохраняется и для крайних процес­

5Всорных элементов, которые соединяются с соответствующими им крайними процессорными элементами на противоположной стороне. Сообщения проходят через сеть от одного элемента к другому соседнему, причем каждый из процессорных элемен­тов выбирает тракт для отсылки сообщения. Можно считать, что кольцевая структура без центрального коммутатора (№ 1) есть частный случай регулярной структуры, когда в последней каждый элемент имеет два связанных с ним соседних элемента и когда не принимается решений о выборе тракта для отсылки сообщения. Модульность и высокие характеристики надежнос­ти определяются регулярным характером рассматриваемой струк­туры. Вместе с тем, такая структура требует сложной логики организации работы, выдвигает проблемы полной загрузки уз­лов сети и соединяющих их линий и другие. В настоящее время такие структуры представляют интерес, скорое, с точки зрения исследований, однако перспективы их применения на практике представляются очень обнадеживающими. Другим типом струк­туры при непрямой передаче по раздельным индивидуальным трактам и децентрализованном управлении является нерегуляр­ная структура (№ 9). Она становится все более распространен­ной в таких системах, в которых процессоры и связи между ними имеют высокую стоимость. Здесь не требуется связь процессо­ра с каждым соседним процессором, что усложняет логику пе­реключения при передаче сообщений, но упрощает межпроцес­сорные связи. При использовании нерегулярной структуры дос­тигается довольно высокая надежность системы и, одновремен­но, возможность ее наращивания новыми модулями. Основное применение нерегулярная структура находит в вычислительных сетях с географически разнесенными узлами, пример — сеть АКРА.

Непрямой передаче по общему тракту при децентрализован­ном управлении соответствует структура с общей шиной и ком­бинированным подключением к ней коммутаторов и процессор­ных элементов (№ 10). Такая структура подобна нерегулярной структуре с точки зрения характеристик модульности и воз­можностей наращивания. Однако она обладает более низкими характеристиками надежности и меньшими возможностями реконфигурации, поскольку процессорные элементы и комму­таторы используют единственный тракт передачи информации. Структуры с общей шиной при комбинированном подключении к ней коммутаторов и процессорных элементов становятся все более распространенными, в особенности, в универсальных вычислительных системах на базе мини-ЭВМ. В качестве при­мера системы с такой структурой можно отметить систему РЬиМВиБ, предназначенную для выполнения функций связи в узлах сети АКРА.

Направления дальнейшего развития и применений рассмот­ренных структур будут в значительной степени связаны с рас­пределенными вычислительными системами и сетями. Среди структур можно выделить по совокупности их основных харак­теристик четыре «доминирующие» структуры, а именно: коль -цевую структуру (№ 1), структуру с общей шиной (№4), структу­ру в виде звезды с коммутатором в центре и процессорными элементами в концах лучей (№ 5) и нерегулярную структуру (№ 9). Проведенный анализ показывает, что эта классификация или какая-либо подобная ей представляет собой полезные инстру­менты для выбора структуры системных связей и количествен­ной оценки выбранной системы по нескольким основным пока­зателям. Одно из достоинств классификации состоит в возмож­ности систематического перебора и сравнения всех вариантов. Рассмотренная классификация, как обычно, обладает определен­ной степенью условности. Некоторые существующие вычис­лительные системы и сети не могут быть однозначно отнесены к тому или иному типу структур и сочетают в себе признаки структур более чем одного типа.