Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем

Содержание:

Введение

Электронные вычислительные машины (ЭВМ), или компьютеры (от англ. Compute - вычислять, подсчитывать), - эпохальное изобретение человека, которое требовало немало титанического труда великих умов прошлого и современности. Самые древние вычислительные машины для простейших подсчетов появились около двух тысяч лет назад. Человечество непрерывно модернизировалось и развивалось во всех возможных областях, а вместе с ним прогрессировали и ЭВМ. Но, не смотря на довольно-таки давнюю дату рождения, электронные вычислительные машины современной комплектации и архитектуры появились лишь в начале сороковых годов двадцатого века. За срок, относительно короткий в сравнение с датой упоминания о первой вычислительной машине, компьютеры прошли колоссальный путь в своем техническом росте, распространении применения и инфлюкции на различные общественные ареалы, с какими не сравнится ни одно другое открытие в космической или атомной технике, например. Ведь последние, вполне возможно, так и не увидели свет, если бы не прорыв в развитии вычислительной техники и ее функциональных возможностей.

Коротко описывая скорость развития вычислительных машин, можно упомянуть образное сравнение в журнале «Сайнтифик Америкэн» (декабрь 1982 г.): «Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как и промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолет «Боинг-767» стоил бы 500 долларов, совершал бы облет земного шара за 20 минут, затрачивая при этом 5 галлонов (примерно 20 литров) топлива». Числа, названные выше, довольно наглядно описывает относительное сокращение стоимости, рост активности и повышение экономичности ЭВМ. Компьютер, в свою очередь, является искусственно сотворенным человеком инструментом, который значительно позволяет расширить природные возможности людей. Существенной разницей между компьютером и иными инструментами, приспособлениями и механизмами является то, что он работает не благодаря физической силе человека. При использовании компьютера человек выполняет лишь функцию управляющего процессом работы. Компьютер, как таковой, создан не для повышения физического КПД человека, а для повышения его познаний, развития памяти или для помощи в областях различных вычислений и поиска новой нужной информации. Основной начинкой компьютера являются простые электронные приборы, с использованием новейшей обработки сигналов и информации. Возможно построение вычислительных машин на другой материальной базе: история знает механические, наши современники - оптические, а футурологи предсказывают появление биологических вычислительных машин. Вычислительные машины подразделяются на несколько групп по методам представления информации:

• Аналоговые вычислительные машины (АВМ). В них поток информации представляется в виде постоянно изменяющихся переменных, которые выражаются какими-либо физическими величинами.

• Цифровые вычислительные машины (ЦВМ). В них информация представляется в виде дискретных значений переменных (чисел), выраженных комбинацией дискретных значений какой-либо физической величины (цифр);

• Гибридные вычислительные машины. В этих машинах используются оба описанных выше способа представления информации.

Все способы имеют как свои положительные стороны, так и отрицательные. Главным положительным качеством ЦВМ, которое объясняет их довольно обширное применение и преобладание среди всех ЭВМ, является то, что точность получаемых с их помощью результатов вычислений не зависит от точности, с которой они сами (т.е. ЦВМ) изготовлены, в отличие от АВМ. Это может являться и пояснением того факта, что первое аналогичное нашему современному компьютеру устройство - логарифмическая линейка - появилось лишь в XVII в., тогда как первыми цифровыми предметами для упрощения механизма счёта были человеческие руки и предметы, взятые из домашнего обихода или же найденные природные материалы: камешки, палочки, косточки и т.п.: «Цифровое» приспособление для вычислений, абак, был известен еще в древнем Египте.

Значительное место в развитии техники для вычисления, средств обработки информации и управляющих устройств, которые являются фундаментальными во многих областях жизни человека, преобрело появление микропроцессоров. Не сдающий позиций интерес к микропроцессорам можно объяснить их невысокой ценой, надежностью, компактностью и довольно-таки, внушительными функциональными и вычислительными возможностями, благодаря которым появилось возможность использовать микропроцессоры даже в тех сферах, где ранее эксплуатация средств цифровой обработки информации считалось бессмысленным.

Во многих странах для достижения высоких экономических и социальных результатов в значительной степени зависит от масштабов и темпов развития процесса, затрагивающего все сферы общества, использования информационных технологий во всех областях деятельности человека.

Вопреки различиям процессов информатизации в различных ареалах человеческой жизни, ее связывают три элемента: единство главных средств производства (средства ЭВМ и информации), единство сырьевых ресурсов (данные для анализа и обработки), единство производимой продукции (информация управления и дальнейшего развития деятельности человека).

1. Вычислительные системы

Термин «вычислительная система» (ВС) был введен позже термина «вычислительная машина» и считается более обобщенным, потому что в структуре ВС существует ряд равных между собой и взаимодействующих обрабатывающих механизмов. Таким образом, стандартная вычислительная машина - всего лишь один из возможных видов ВС - однопроцессорных ВС.

ВС - это совокупность технических механизмов, имеющих общее управление, созданных для модифицирования информации и обеспечения автоматической обработки данных по заданной программе.

1.1 История развития вычислительной техники

Понятие вычислительная система родилось в начале - середине 60-х гг. при создании ЭВМ третьего поколения. Третье поколение ЭВМ (в конце 60-х - начале 70-х годов) отличается активным использование интегральных схем. Интегральной схемой является законченный логический и функциональный блок, подходящий весьма сложной транзисторной схеме. С помощью использования интегральных схем получилось в еще большей степени усовершенствовать технические и общеэксплуатационные характеристики машин. Вычислительная техника приобрела обширный перечень устройств, предоставляемых возможность выстраивать разного рода системы обработки данных, ориентированные на различные виды эксплуатации. Они охватывали весьма обширный по масштабам диапазон по эффективности, этому помогало также всеобщее применение многослойного печатного монтажа. В ЭВМ третьего поколения заметно пополнился набор разноплановых электромеханических устройств ввода и вывода информации. Формирование этих устройств осуществлялось постепенно: их референции преобразовывались несколько протяжнее, чем референции того же электронного оборудования. Развитие программных средств данного поколения от остальных отличает появление четко обозначенного программного обеспечения и развитие его ядра - операционных систем, которые в свою очередь отвечают за организацию и управление вычислительным процессом. Как раз в этот период «ЭВМ» с большой частотой начало вытесняться термином «вычислительная система», это дает понять, что как аппаратурная, так и программная часть ЭВМ стала более солидной. Цены на программное обеспечение стали подниматься, и в данный момент стала выше стоимости аппаратуры.

Операционная система (ОС) составляет цепочку размещения и эксплуатации ресурсов системы вычисления, а также делает возможной их совместную деятельность. Под термином ресурсы подразумевают то, что используются для операций вычисления: машинное время отдельных процессоров или ЭВМ, входящих в систему; объемы оперативной и внешней памяти; отдельные устройства, информационные массивы; библиотеки программ; отдельные программы как общего, так и специального применения и т.п. Интересно, что самые часто используемые возможности ОС в части анализа внештатных ситуаций (защита программ от взаимных помех, системы прерываний и приоритетов, служба времени, сопряжение с каналами связи и т.д.) от части или полностью были воплощены с помощью аппаратуры. В одно и то же время были созданы несколько более сложнохарактерные режимы работы: групповой доступ к ресурсам, мультипрограммные режимы. Доля этих решений является неким стандартом и стала применяться во всех направлениях разного рода классах ЭВМ. В машинах третьего поколения весьма увеличилось количество возможных вариантов для реализации прямой возможности доступа к ним со стороны пользователей, которые находятся на достаточно больших расстояниях (сотни и тысячи километров). Удобство общения пользователя с машиной создается с помощью развитой сети пользовательских пунктов, связанных с ЭВМ информационными каналами связи, и нужного программного обеспечения. В качестве примера можно привести режим разделения времени, в котором абонентам предоставляется возможность быстрого и прямого доступа к ЭВМ в одно и то же время. Из-за достаточно обильного различия инерционности человека и машины у каждого пользователя, подключенного к ЭВМ в данный момент, появляется впечатление, которое создает ему видимость предоставленного машинного времени лишь ему одному.

1.2 Основные характеристики

Эффективное применение вычислительной техники предполагает, что каждый вид вычислений требует использования компьютера с определенными характеристиками. Выбирая компьютер для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.д.). При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а общими вопросами организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Современный компьютер относится к классу открытых систем. Конкретная реализация каждого из уровней таких систем определяет особенности структурного построения, что может менять характеристики в широких пределах. Именно архитектура отражает основные принципы, положенные в основу построения компьютеров. Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры-схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач. Указанные специалисты рассматривают понятие архитектуры в более узком смысле. Для них наиболее важные структурные особенности сосредоточены в наборе команд ЭВМ, являющемся границей между аппаратными и программными средствами. Пользователи ЭВМ, которые обычно не являются профессионалами в области вычислительной техники, рассматривают архитектуру через более сложные аспекты, касающиеся их взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ быстродействие и производительность; показатели надежности, достоверности, точности; емкость оперативной и внешней памяти; габаритные размеры; стоимость технических и программных средств; особенности эксплуатации и др.;

характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ;

возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;

состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования.

Важнейшими характеристиками компьютеров служат быстродействие и производительность. Эти характеристики достаточно близки, но их не следует смешивать.

2. Классификация вычислительных систем

В связи с кризисом классической структуры компьютера дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) компьютеров. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений, до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.

2.1 Принципы построения

Как уже говорилось ранее Термин «вычислительная система» появился в начале - середине 60-х годов с появлением ЭВМ третьего поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы.

Следствием этого явилось появление новых решений, как в структуре используемых вычислительных средств, так и в методах управления ими. Отражая эти новшества, и появился термин «вычислительная система». Он не имеет единого толкования в литературе, его часто даже используют применительно к однопроцессорным компьютерам. Однако общим здесь является подчеркивание возможности построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ. Под вычислительной системой (ВС) будем понимать совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Самыми важными предпосылками появления и развития вычислительных систем служат экономические факторы. Анализ характеристик ЭВМ различных поколений показал, что в пределах интервала времени, характеризующегося относительной стабильностью элементной базы, связь стоимости и производительности ЭВМ выражается квадратичной зависимостью. Для каждого поколения ЭВМ и ВС существует критический порог сложности решаемых задач Пкр, после которого применение автономных ЭВМ становится экономически невыгодным, неэффективным.

Критический порог определяется точкой пересечения двух приведенных зависимостей. Кроме выигрыша в стоимости следует учитывать и дополнительные преимущества. Наличие нескольких вычислителей в системе позволяет совершенно по-новому решать проблемы надежности, достоверности результатов обработки, резервирования, централизации хранения и обработки данных, децентрализации управления и т.д.

В настоящее время накоплен большой практический опыт в разработке и использовании ВС самого разнообразного применения. Эти системы очень сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками. Различия наблюдаются уже на уровне структуры. Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов вычислительной системы и др. Однако основными из них являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы.

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач.

По типу вычислительные системы разделяются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились исторически первыми. Основные различия ММС заключаются, как правило, в организации связи и обмене информацией между ЭВМ комплекса. Каждая из них сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС. Любая другая подключаемая ЭВМ комплекса рассматривается как периферийное специальное оборудование. В зависимости от территориальной разобщенности ЭВМ и используемых средств сопряжения обеспечивается различная оперативность их информационного взаимодействия Многопроцессорные системы (МПС) строятся при объединении нескольких процессоров. В качестве единого ресурса они имеют оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечивается под управлением единой операционной системы. По сравнению с ММС здесь достигается наивысшая оперативность взаимодействия вычислителей-процессоров. Многие исследователи считают, что использование МПС является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений.

Однако МПС имеет и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с ресурсами ООП. При большом количестве комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров обращаются с операциями типа «чтение» и «запись» к одним и тем же областям памяти. Помимо процессоров к ООП также подключаются все каналы (процессоры ввода-вывода), средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП. От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения МПС. Это решение должно обеспечиваться аппаратурно-программными средствами. Процедуры взаимодействия очень усложняют структуру ОС МПС. Накопленный опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе комплексируемых процессоров.

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают объединение однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные - разнотипных. В однородных системах значительно упрощается разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств. В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы.

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного (разобщенного) типов. Обычно такое деление касается только ММС. Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа. Более того, учитывая успехи микроэлектроники, это совмещение может быть очень глубоким. При появлении новых СБИС появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизованных ВС за это отвечает главная, или диспетчерская ЭВМ (процессор). Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован или эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС. В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ, интерес к децентрализованным системам постоянно растет. В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые, как правило, используют режим реального времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных.

2.2 Архитектура вычислительных систем

Основным отличием ВС от компьютеров является наличие в их структурах нескольких вычислителей (компьютеров или процессоров). Поэтому они способны выполнять параллельные вычисления. Поскольку ВС появились как параллельные системы, то рассмотрим классификацию архитектур c этой точки зрения. Такая классификация архитектур была предложена М. Флинном в начале 60-х годов. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Согласно данной классификации существует четыре основных архитектуры ВС:

. одиночный поток команд - одиночный поток данных (ОКОД), в английской аббревиатуре Single Instruction Single Data, SISD - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных;

. одиночный поток команд - множественный поток данных (ОКМД), или Single Instruction Multiple Data, SIMD - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных;

. множественный поток команд - одиночный поток данных (МКОД), или Multiple Instruction Single Data, MISD - множественный поток инструкций - множественный поток данных;

. множественный поток команд - множественный поток данных (МКМД), или Multiple Instruction Multiple Data, MIMD -множественный поток инструкций - множественный поток данных.

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, то есть системы с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода информации и процессора. Закономерности организации вычислительного процесса в этих структурах достаточно хорошо изучены.

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные: процессорные элементы, входящие в систему, идентичны, и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними. Векторный или матричный тип вычислений является необходимым атрибутом любой суперЭВМ.

3. Типы вычислительных систем

1. Типовые структуры вычислительных систем

Классификация уровней программного параллелизма включает в себя шесть позиций:

• независимые задания,

• отдельные части заданий, программы и подпрограммы,

• циклы и итерации,

• операторы и команды,

• фазы отдельных команд.

Для каждого из них имеет определенные свойства параллельной обработки, проверенные в различных компьютерных структурах. Обратите внимание, что этот список абсолютно не затрагивает этапы выбора алгоритмов решения, которые могут быть проанализированы, используя альтернативные алгоритмы (и программы), дают разные результаты. Для каждого типа параллельной работы структур средства вычисления, используемые в различных компьютерных системах. На первых трех уровнях, включая независимые задания, шаги, золото частях миссий и индивидуальных программ, инструмент для параллельной обработки - механический, то есть с несколькими процессорами вычислительной системы, относящиеся к архитектуре МКМД. Циклы и Итерация программы с использованием вектора требуют лечений (зодчество CMBM). И вместе Команды Операторы в ориентированы компьютеры многофункционального лечения (МКОД). Фаза лечения параллельно последовательно привело к Орденов организации трубопроводов, инструкции, которые реализованного все компьютеры в современных, в том числе ПК. Проанализируем некоторые реальные схемы вычислительных систем, обеспечивающих перечисленные виды параллельности программ.

ОКОД - структуры. Однопроцессорный авиационных структур может перечислить множество усовершенствований в традиционной структуре компьютеров, которые стали, когда определенные стандарты в строительстве новых компьютеров: иерархическая структура компьютерной памяти, кэш внешний вид и памяти, а также отчет о косвенной адресации памяти, разделение ввода-вывода процесса и обработки задач, появление систем и прерывают приоритетов и т.д. Это также способствовало успеху в последние годы инженерии и систем микроэлектроники. Большая интегральная схема (БИС), в которую входят современные микропроцессоры, состав которой накапливается в самых последних достижениях, которые помогают повысить скорость и производительность вашего компьютера. Слишком много концепций схем заимствовано у предыдущих поколений структур, включая центры, включая компьютеры и те же суперкомпьютеры. ПК и серверы Аппаратное обеспечение, все больше и больше внедряются решения, связанные с параллельными вычислениями, что существенно отменяет компьютерные системы.

Например, быстрее, комбинированный суперкомпьютер в своем составе скалярных и векторных обработок (матрицы). Теперь, все эти характеристики свойственны почти всем новейшим микропроцессорам от разных производителей (Pentium IV фирмы Intel, Athlon - фирмы AMD, Alpha фирмы Dell, Ultra Spark - фирмы Sun, PA-RISC фирмы Hewlett Packard, Power PC фирмы IBM, MIPS фирмы SGI и др.). Супер скалярность свойственна RISC-процессорам (Reduced Instruction Set Computing, то есть процессорам узкой направленности, состоящим из набора нескольких определенных команд.). Эти процессоры класса имеют гораздо большую долю общих регистров - регистров кэша, что определяет улучшенные возможности параллельной работы инструкций программы последовательности. К RISC-архитектуре по обыкновению относят микропроцессоры фирм AMD и Dell. Более простой состав операций микропроцессора гарантирует упрощенный состав его ядра и более оперативную работу. В RISC-структурах базу совокупности команд образуют наиболее часто используемые, «маленькие» операции типа простого алгебраического вычитания. Более усложненные операции осуществляются как подпрограммы, которые состоят их простых операций. Это дает возможность весьма упростить внутреннюю схему процессора, сократить фазы деления конвейерного анализа и увеличить производительность конвейера. Но здесь следует отметить, что, по сути, вы должны оплатить усложнение операций между кэш-регистров и кэшем с активной памятью. Микропроцессоры, произведенные фирмой Intel с самого начала относились к CISC-процессорам (Complete Instruction Set Computing –вычисления со всеми командами). В компьютерах этой группы важная часть команд, таких как «память память», в которой хранятся операнды и результаты работы. Хотя доступ к памяти и времени вычислений составляет примерно 5: 1. Машины RISC с большим ноутбуком памяти составляют значительную часть операций «регистр-регистр» и отношение доступа к памяти для вычисления времени составляет 2 к 1.

Плавная модернизация микропроцессоров демонстрирует нам, что понемногу оба направления начинают сближаться, что и в схемах Pentium’ов новых поколений отчетливо формируется RISC-ядро и расширяется сверхоперативная память. Однако испытания самых мощных микропроцессоров фирм Intel и AMD показали, что ядро Athlon примерно в два раза быстрее, чем у Pentium, но более медленная (примерно вдвое) кэш-память. Супер скалярная и влияет на организацию команд трубопровода выполняются последовательно: формирование адреса команды, выбор порядка, адрес обучение и выбор операндов, выполнение заказа, запись результат. Тем не менее, компьютерная память примитивная организация (память является линейной и одномерной) не позволяет организовать эффективные и длинные трубопроводы. Линейные сайты современных программы редко превышают 10-15 команд, выполняемых последовательно. Поэтому трубопровод часто перезагружается, что существенно влияет на производительность компьютера в целом. Многофункциональная обработка также нашла свое место при построении компьютеров. Например, даже в ПК, построенных на микропроцессорах Athlon и Pentium, могут включаться специализированные средства обработки: умножители, делители, сопроцессоры или блоки десятичной арифметики, сопроцессоры обработки графической и аудиоинформации и др. Все они совместно с центральным процессором компьютера создают своеобразные микроконвейеры, целью которых является повышение скорости вычислений.

Другой модификацией классической структуры ЭВМ являются VLIW-компьютеры (Very Large Instruction Word - очень длинное командное слово). Компьютеры этого типа выбирают из памяти суперкоманды, включающие несколько команд программы. Здесь возможны варианты. В самом простом случае это приводит к появлению буфера команд (кэш-команд) с целью ускорения конвейера операций. По этому принципу работает кэш-память 1-го уровня, часть которой используется для ускоренной выборки команд, а другая - для данных. В более сложных случаях в состав суперкоманд стараются включать параллельные команды, несвязанные общими данными. Если процессор ЭВМ при этом построен из функционально независимых устройств (устройства алгебраического сложения, умножения, сопроцессоры), то в этом случае обеспечивается максимальный эффект работы ЭВМ. Но это направление связано с кардинальной перестройкой процессов трансляции и исполнения программ. Здесь значительно усложняются средства автоматизации программирования. VLIW-компьютеры могут выполнять суперскалярную обработку, то есть одновременно выполнять две или более команды. В целом ряде структур супер-ЭВМ использовалась эта идея. Отметим, что и в Pentium последних выпусков имеется возможность выполнения до десятка команд одновременно. Эта реализация имеет две цели:

•снижение негативного воздействия разделения команд вычислительного процесса путем выполнения независимых команд двух различных ветвей программы. В то же время в какой-то степени исключить нарушение команд обработки команд программы;

• реализация нескольких команд в одно время (различных по местам хранения и данным), например, команд пересылки и арифметических операций.

Векторная или матричная обработка предполагает обработку одной командой нескольких комплектов операндов. Внутри одной архитектуры начинают просматриваться черты другой. Подобные команды относятся к архитектуре SIMD (Single Instruction - Multiple Data, одиночный поток команд - множественный поток данных). Истоки этой технологии можно обнаружить в операциях работы со строковыми (символьными) данными. Векторные процессоры имелись у всех суперЭВМ. В современных компьютерах, построенных на микропроцессорах, этот вид обработки реализован своеобразно.

Он получил название MMX- и SSE-технологий. Их введение связано с ориентацией на работу с видео-, аудио- и графической информацией. В приложениях с этими типами данных очень велика доля циклов, участков программ, повторяемых многократно. Занимая примерно 10% от объема всего приложения, на их выполнение может уйти до 90% общего времени выполнения. Включение операций, относящихся к SIMD, позволяет значительно ускорить вычисления.

Технология MMX появилась в 1997 году в микропроцессорах Pentium II. В зависимости от контекста она расшифровывается как multi-media extensions (мультимедийные расширения) или как matrix math extensions (матричные математические расширения), что не особенно противоречит друг другу, если учесть, что операции этой группы работают с целыми числами. MMX включает 57 различных команд, позволяющих выполнять следующие операции над несколькими операндами с изменяемыми форматами данных:

арифметические операции типа сложения, вычитания, умножения и комбинация операций умножения и сложения;

сравнение данных на равенство и по величине;

преобразование форматов данных;

логические операции над 64-битовыми операндами;

пересылку данных между регистрами MMX, между регистрами MMX и регистрами CPU (центральным процессором), регистрами MMX и памятью;

очистку и подготовку регистров MMX.

В качестве операндов этих новых операций можно использовать:

упакованные байты (Packed byte) - 8 байтов;

упакованные слова (Packed word) - четыре слова по 16 разрядов;

упакованные двойные слова (Packed doubleword) - два двойных слова по 32 разряда;

учетверенное слово (Quadword) - 64-битное слово.

Таким образом, одна команда MMX может одновременно обрабатывать 1, 2, 4 и 8 операндов различной разрядности. Для выполнения новых операций фирма Intel решила использовать в своих микропроцессорах блок плавающей арифметики FPU (Floating(80-разрядные регистры FPU). Совмещение регистров MMX и FPU создавало ограничения на чередование команд MMX и FPU. Иногда приходилось сохранять, а затем восстанавливать состояния регистров разных приложений. Кроме того, выигрыш от применения операций MMX уменьшался за счет необходимости предварительной упаковки и последующей распаковки данных.

При появлении следующих поколений микросхем Pentium (Pentium III - 1999 г. и т.д.) было проведено обновление технологии MMX. Предварительно оно получило название MMX-2, а затем SSE (Streaming SIMD eXtensions - потоковые расширения SIMD). В новые модели микропроцессоров был введен новый блок из восьми 128-разрядных регистров XMM (eXtended Multi Media). Операции с плавающей точкой аппаратно были полностью отделены от мультимедийных данных. Количество операций SSE было расширено на 70 новых инструкций в дополнение к существующим MMX.

Новый комплекс операций позволял эффективнее работать с данными мультимедиа. Новый формат регистров обеспечивал расширение числа операндов, одновременно обрабатываемых одной командой, и лучше соответствовал 80-битным стандартам MPEG-2, ускоряя вычисления.

В микропроцессоре Pentium IV он получил очередное расширение, получившее название SSE-2. Изменения определялись в основном введением новых типов 128-битных операндов:

упакованных пар вещественных чисел двойной точности;

упакованных целых чисел: 16 байт, 8 слов, 4 двойных слова по 32 разряда, 2 учетверенных слова по 64 разряда.

Все регистры можно использовать как в векторных, так и в скалярных инструкциях. Часть инструкций предназначается для управления эффективной работой кэш-память. При появлении технологии MMX фирмы AMD и Cyrix (Via) лицензировали у Intel, переработали и стали использовать аналогичные решения в своих разработках. Первая реализация в К6-2 микропроцессорах фирмы AMD получила название 3Dnow!. Здесь была введена 21 инструкция для мультимедийных типов данных. В процессорах следующих поколений Athlon и Duron набор инструкций 3Dnow! претерпел изменение и был дополнен еще 5 операциями для обработки чисел с плавающей точкой и 19 операциями, аналогичными наборам SSE.

Увеличение в структурах процессоров числа регистров и объема быстродействующей кэш-памяти первого уровня позволяет осуществить параллельную обработку нескольких независимых друг от друга команд (Explitly Parallel Instruction Computing, EPIC). Выпуск в конце 2002 г. нового процессора Pentium IV с тактовой частотой 3,06 ГГц, поддерживающего Hyper-Threading, то есть реализацию в одном физическом процессоре нескольких логических стал одним из впечатляющих достижений Intel. Это позволяет при задержках обработки одной программы (трейда - нити, подзадачи) переключаться на выполнение команд другой программы. Для осуществления этого потребовалось увеличить число транзисторов ядра микропроцессора на 5%, и получить выигрыш, соизмеримый с 30-процентным увеличением кэш-памяти. Новые микропроцессоры предполагается использовать не только в серверах, но и в настольных ПК.

Заключение

вычислительный техника регистр архитектура

Вычислительные системы, как мощные средства обработки заданий пользователей, широко используются не только автономно, но и в сетях ЭВМ в качестве серверов. С увеличением размеров сетей и их развитием возрастают плотности информационных потоков, нагрузка на средства доступа к сетевым ресурсам и на средства обработки заданий. Круг задач, решаемый серверами, постоянно расширяется, становится многообразным и сложным. Чем выше ранг сети, тем более специализированными они становятся. Администраторы сетей должны постоянно наращивать их мощь и количество, оптимизируя характеристики сети под возрастающие запросы пользователей.

Управление вычислительными процессами в ВС осуществляют операционные системы, которые являются частью общего программного обеспечения. В состав ОС включают как программы централизованного управления ресурсами системы, так и программы автономного использования вычислительных модулей. Последнее условие необходимо, поскольку в ВС обычно предусматривается более высокая надежность функционирования, например требование сохранения работоспособности при наличии в ней хотя бы одного исправного модуля. Требование увеличения производительности также предполагает возможность параллельной и даже автономной работы модулей при обработке отдельных заданий или пакетов заданий. В зависимости от структурной организации ВС можно выявить некоторые особенности построения их операционных систем. Операционные системы многомашинных ВС являются более простыми. Обычно они создаются как надстройка автономных ОС отдельных ЭВМ, поскольку здесь каждая ЭВМ имеет большую автономию в использовании ресурсов (своя оперативная и внешняя память, свой обособленный состав внешних устройств и т.д.). В них широко используются программные методы локального (в пределах вычислительного центра) и дистанционного (сетевая обработка) комплексирования.

Общим для построения ОС многомашинных комплексов служит тот факт, что для каждой машины ВС другие машины играют роль некоторых внешних устройств, и их взаимодействие осуществляется по интерфейсам, имеющим унифицированное программное обеспечение. Все обмены данными между ЭВМ должны предусматриваться пользователями путем включения в программы специальных операторов распараллеливания вычислений. По этим обращениям ОС ВС включает особые программы управления обменом. При этом ОС должна обеспечивать распределение и последующую пересылку заданий или их частей, оформляя их в виде самостоятельных заданий. Такие ОС, организуя обмен, должны формировать и устанавливать связи, контролировать процессы обмена, строить очереди запросов, решать конфликтные ситуации.

В многомашинных ВС диспетчерские функции могут решаться на централизованной или децентрализованной основе. Связь машин обычно устанавливается в порядке подчиненности: «главная ЭВМ - вспомогательная ЭВМ». Например, в пакете Norton Commander имеется возможность установить подобную связь: Master - Slave.

Программное обеспечение многопроцессорных ВС отличается большей сложностью. Это объясняется глубинной сложностью всестороннего анализа процессов, формируемых в ВС, а также сложностью принятия решения в каждой конкретной ситуации. Здесь все операции планирования и диспетчеризации связаны с динамическим распределением ресурсов (оперативной и внешней памяти, процессоров, данных системных таблиц, программ, периферийного оборудования и т.п.). Центральное место в этом отводится степени использования и методам управления общей оперативной памятью. Здесь очень часто могут формироваться множественные конфликты, требующие сложных процедур решения, что приводит к задержкам в вычислениях. Как таковые автономные ОС отдельных процессоров отсутствуют.

Для обеспечения эффективной работы многопроцессорных систем их операционные системы специализируют на следующие типовые методы взаимодействия процессоров:

• «ведущий - ведомый;

• симметричная или однородная обработка во всех процессорах;

• раздельная независимая работа процессоров по обработке заданий.

Выбор метода «ведущий - ведомый» в наибольшей степени соответствует ВС с централизованным управлением. Здесь имеется определенная аналогия с многомашинными системами, организованными по принципу «главная ЭВМ - вспомогательная ЭВМ». Диспетчерские функции выполняются только одним процессором системы. Закрепление этих функций может быть фиксированным и плавающим. Для этого выделяется специализированный процессор или обычный процессор универсального типа, переключающийся и на выполнение вычислений.

Системы типа «ведущий - ведомый» отличаются довольно простым аппаратным и программным обеспечением. Они должны получить распространение в МРР-структурах, но следует иметь в виду, что длительное время планирования может быть причиной простоев ведомых вычислителей.

Глоссарий

Содержание

№ п/п	Новые понятия
1	2	3
1	Hardware	Аппаратное обеспечение электронные и/или механические части вычислительного устройства
2	MIMD	Англ. Multiple Instruction stream, Multiple Data stream, концепция архитектуры компьютера, используемая для достижения параллелизма вычислений.
3	MISD	Англ. Multiple Instruction stream, Single Data stream, тип архитектуры параллельных вычислений, где несколько функциональных модулей (два или более) выполняют различные операции над одними данными.
4	SIMD	Англ. single instruction, multiple data, принцип компьютерных вычислений, позволяющий обеспечить параллелизм на уровне данных.
5	SISD	Англ. Single Instruction, Single Data, архитектура компьютера, в которой один процессор выполняет один поток команд, оперируя одним потоком данных.
6	Архитектура вычислительной машины	Концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.
7	Конвейер	это способ организации вычислений, используемый в современных процессорах и контроллерах с целью повышения их производительности.
8	Операционная система, сокр. ОС	Комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой стороны - предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений.
9	Суперскалярность	Архитектура вычислительного ядра, использующая несколько декодеров команд, которые могут загружать работой множество исполнительных блоков.
10	Электронная вычислительная машина (сокр. ЭВМ)	Вычислительная машина, построенная с использованием в качестве функциональных элементов электронных устройств вместо механических.

Список использованных источников

1. Бройдо В. Ильина О. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации, изд. - Питер, 2011.

2. Емельянов С.В Информационные технологии и вычислительные системы. М., 2010.

. Мамзелев И.А. Вычислительные системы в технике связи Издательство: Радио и связь, 2007.

. Паттерсон Д., Хеннесси. Дж. Архитектура компьютера и проектирование компьютерных систем. изд. - Питер. 2012.

. Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы, М., 2009.

. Соломенчук В., Соломенчук П., Железо ПК 2012, Издательство: БХВ-Петербург, 2012.

. Таненбаум Э. Современные операционные системы, изд. - Питер, 2011.

. Таненбаум Э., Уэзеролл Д., Компьютерные сети, изд. - Питер, 2012.

. Таненбаум Э. Архитектура компьютера, изд. - Питер, 2011.

. Чекмарев Ю.В. Вычислительные системы, сети и коммуникации, Издательство: ДМК-Пресс, 2009.