Принципы построения и архитектуры вычислительных машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.Представление информации в вычислительных системах

Причины успеха персональных компьютеров. Принцип открытой архитектуры.

Архитектура ЭВМ - это общее описание структуры и функций ЭВМ на уровне, достаточном для понимания принципов работы и системы команд ЭВМ, не включающее деталей технического и физического устройства компьютера.

Классификация ЭВМ по принципу действия:

Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) - вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной (цифровой) форме. ЦВМ отличаются высокой точностью вычисления и удобством хранения информации. Аналоговые вычислительные машины (АВМ) - вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного рядя значений какой-либо физической величины. АВМ просты и удобны в эксплуатации, характеризуются высоким быстродействием и относительно высокой тонностью. Гибридные вычислительные машины (ГВМ) - вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной в цифровой и аналоговой форме. Они совмещают преимущества ЦВМ и ГВМ. Классификация ЭВМ по этапам создания:

1-е поколение, 50-е годы. ЭВМ на электронных вакуумных лампах.

2-е поколение, 60-е годы. ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах.

3-е поколение, 70-е годы. ЭВМ на полупроводниковых интегральных микросхемах малой и средней степени интеграции (сотни - тысячи элементов на кристалл).

4-е поколение, 80-е годы. ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах.

5-е поколение 90-е годы. ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров. ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой.

6-е и последующее поколения, оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой - с распределенной сетью большого числа не сложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Классификация ЭВМ по назначению:

Универсальные ЭВМ - для решения широкого круга задач.

Проблемно-ориентированные ЭВМ - служат для решения более узкого круга задач связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных. Специализированные ЭВМ - используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям:

1. Супер ЭВМ -- вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров.

2. Большие ЭВМ (минифреймы). Этот класс исторически появился первым. Конструктивно выполнены в виде одной или нескольких стоек.

3. Малые ЭВМ (мини-ЭВМ) - надежные не дорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько низкими параметрами по сравнению с большими ЭВМ.

4. Микро-ЭВМ - это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде одной микросхемы (микропроцессора).

Принципы фон Неймана:

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Архитектура фон Неймана - архитектура электронных вычислительных машин, основным отличием которой от других подобных архитектур является совместное хранение данных и машинных команд в ячейках одной и той же памяти, что делает невозможным их различение по способу представления или кодирования. Названная так в честь известного математика и теоретика вычислительной техники Джона фон Неймана и поныне остается доминирующей схемой организации ЭВМ общего назначения.

Компоненты ЭВМ можно разделить на 3 основные категории:

1. процессор,

2. оперативная память,

3. внешняя память и прочие внешние устройства.

Последние позволяют компьютеру обмениваться информацией с человеком и другими компьютерами.

Главный компонент компьютера -- процессор. Процессор обеспечивает обработку данных, передачу данных, управление различными устройствами. Процессор имеет собственный достаточно сложный «язык» и может выполнять фиксированный набор действий-команд. Процессор имеет свою сверхбыструю память, которая называется регистрами процессора.

Минимальный элемент памяти (бит) способен хранить минимально возможный объем информации -- одну двоичную цифру. Биты в памяти любого вида объединяются в байты -- восьмерки битов.

Процессор мол-сет прочитать нечто из байта памяти с адресом /V или записать нечто в этот байт. Для этого от процессора к памяти должен поступить адрес байта, а сам байт информации должен быть передан от процессора к памяти (при записи) или от памяти к процессору (при чтении). Эта информация передается по проводам. Провода разделены на два пучка, называемые шинами.

Одна часть проводов называется шина адреса, другая -- шина данных. Адрес байта передается по шине адреса, а байт -- по шине данных.

Число проводов в шине данных называется разрядностью шины. Обычно разрядность равна 8, 16, 32 или 64.

Шина может обслуживать и другие компоненты ЭВМ. Эти компоненты подсоединяются не к процессору или к памяти, а к шине.

Основные типы архитектуры ЭВМ:

1. Основоположником классической архитектуры ЭВМ 1-го и 2-го поколения был Джон фон Нейман, который и сформулировал основные принципы последовательности. К такой группе относятся однопроцессорные системы, в одном случае имеющие одиночный поток данных (SISD), а во втором - множественный поток данных (SIMD).

2. Следующая группа, включающая в себя типы архитектуры -- MIMD. Представляет собой многопроцессорную систему, имеющую множественный поток команд и такой же поток данных. Данная архитектурная система в основном используется в современных супер-ЭВМ.

3. И последние, третьи типы архитектуры -- MISD, представляющие одну программу со множеством данных. К сожалению, MISD не имеет практической значимости.

2.Базовая структура ЭВМ

Физическая и функциональная структура микропроцессора.

· Реализация принципов Фон-Неймана в ЭВМ

Принципы фон Неймана

1.Принцип двоичного кодирования. Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.

2.Принцип однородности памяти. Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления -- чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

3.Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

4.Принцип последовательного программного управления. Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой.

5.Принцип условного перехода. Команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных. Этот принцип был сформулирован задолго до фон Неймана Адой Лавлейс и Чарльзом Бэббиджем, однако он логически включен в фоннеймановский набор как дополняющий предыдущий принцип.

· Структура процессора - регистры процессора:

Основные элементы процессора:

Регистры:

ь АЛУ - арифметико-логическое устройство

ь БУ - блок управления

ь ТГ - тактовый генератор

Регистры - это специальные ячейки памяти, физически расположенные внутри процессора. В отличие от ОЗУ, где для обращения к данным требуется использовать шину адреса, к регистрам процессор может обращаться напрямую. Это существенно ускорят работу с данными.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции, такие как сложение, вычитание, а также логические операции.

Блок управления определяет последовательность микрокоманд, выполняемых при обработке машинных кодов (команд).

Тактовый генератор, или генератор тактовых импульсов, задаёт рабочую частоту процессора. С помощью тактовых импульсов выполняется синхронизация для внутренних команд процессора и остальных устройств. Тактовый генератор вырабатывает (генерирует) прямоугольные импульсы, которые следуют с определённой частотой (для разных процессоров частота разная).

Машинный такт соответствует одному периоду импульсов тактового генератора и является основной единицей измерения времени выполнения команд процессором.

Машинный цикл состоит из нескольких машинных тактов. Машинный цикл - это время, необходимое для выполнения одной команды.

· Назначение регистров общего назначения (РОИов)

Регистры общего назначения предназначены для хранения операндов арифметико-логических инструкций, а также адресов или отдельных компонентов адресов ячеек памяти.

· Назначение регистров команд и счетчика команд, регистров флагов:

Регистры команд, счетчик команд и регистр флага - 32-х разрядные регистры, из которых 16 младших разрядов используются в 16-ти разрядных режимах работы.

Каждый 32-х разрядный регистр общего назначения предназначен для хранения адресов и данных.

Счетчик команд указывает на следующую команду, которая будет выполняться в пределах текущего сегмента программы.

Регистры флага EFLAG имеет 32 разряда, младшие разряды составляют регистр флага (FLAG) в 16-ти разрядных режимах, EFLAG и FLAG содержат биты кода-условия, и также несколько битов управления.

· Структура команды процессора - формат команд:

Форматы команд ЭВМ.

В команде, как правило, содержатся не сами операнды, а информация объект адресах ячеек памяти или регистрах, в которых они находятся.

Код команды можно представить состоящим из нескольких полей, каждое из которых имеет свое функциональное назначение.

В общем случае команда состоит из:

Ш операционной части (содержит код операции);

Ш адресной части (содержит адресную информацию о местонахождении обрабатываемых данных и месте хранения результатов).

В свою очередь, эти части, что особенно характерно для адресной части, могут состоять из нескольких полей.

Структура команды определяется составом, назначением и расположением полей в коде префикс код операции modR/M SIB смещение непосредственный операнд mod reg R/M Scale Index Base

Кроме поля кода операции все остальные поля являются необязательными, т. е. в одних командах могут присутствовать, а в других нет.

Префикс

Префиксы делятся на четыре группы:

* блокировки и повторения:

0F0h

0F2h

0F3h

LOCK

REPNZ

REP

префикс

(только для строковых инструкций)

(только для строковых инструкций)

* переопределения сегмента:

02Eh CS:

036h SS:

03Eh DS:

026h ES:

064h FS:

065h GS:

* переопределения размеров операндов:

066h

* переопределение размеров адреса:

067h

Если используется более одного префикса из той же самой группы, то действие команды не определено и по-разному реализовано на разных типах процессоров.

Префикс переопределения размера операндов используется в 16-разрядном режиме для манипуляции с 32-битными операндами и наоборот. При этом он может стоять перед любой командой, например, 0x66:CLI будет работать! А почему бы и нет? Интересно, но отладчики этого не учитывают и отказываются работать. То же относится и к дизассемблерам, к примеру IDA Pro:

seg000:0100 start proc near

seg000:0100 db 66h

seg000:0100 cli

seg000:0102 db 67h

seg000:0102 sti

seg000:0104 retn

· Понятия:

Рабочий цикл -- это строгая последовательность рабочих процессов (тактов), периодически повторяющихся в каждом цилиндре.

Рабочий такт -- это часть рабочего цикла.

· Работа конвейера: процессор ЭВМ

Выполнение каждой команды складывается из ряда последовательных этапов (шагов, стадий), суть которых не меняется от команды к команде. С целью увеличения быстродействия процессора и максимального использования всех его возможностей в современных микропроцессорах используется конвейерный принцип обработки информации. Этот принцип подразумевает, что в каждый момент времени процессор работает над различными стадиями выполнения нескольких команд, причем на выполнение каждой стадии выделяются отдельные аппаратные ресурсы. По очередному тактовому импульсу каждая команда в конвейере продвигается на следующую стадию обработки, выполненная команда покидает конвейер, а новая поступает в него.

В различных процессорах количество и суть этапов различаются.

Рассмотрим принципы конвейерной обработки информации на примере пятиступенчатого конвейера, в котором выполнение команды складывается из следующих этапов:

1. IF (Instruction Fetch) - считывание команды в процессор;

2. ID (Instruction Decoding) - декодирование команды;

3. OR (Operand Reading) - считывание операндов;

4. EX (Executing) - выполнение команды;

5. WB (Write Back) - запись результата.

· Классы CISC, RlSC, MiSC-процеccopa

CISC (complex instruction set computer) есть традиционная архитектура, в которой центральный процессор использует микропрограммы для выполнения исчерпывающего набора команд. В течение долгих лет производители компьютеров разрабатывали и воплощали в изделиях все более сложные и полные системы команд. Однако анализ работы процессоров показал, что примерно 80 % времени выполняется лишь 20 % большого набора команд. Поэтому была поставлена задача оптимизации выполнения небольшого по числу, но часто используемых команд.

RISC (Redused Instruction Set Computer) - процессор, функционирующий с сокращенным набором команд. Так, в процессоре CISC для выполнения одной команды необходимо в большинстве случаев 10 и более тактов. Что же касается процессоров RISC, то они близки к тому, чтобы выполнять по одной команде в каждом такте. Первый процессор RISC был создан корпорацией IBM в 1979 году и имел шифр IBM 801. В настоящее время процессоры RISC получили широкое распространение. Современные процессоры RISC имеют следующие характеристики:

1. упрощенный набор команд, имеющих одинаковую длину;

2. большинство команд выполняются за один такт процессора;

3. отсутствуют макрокоманды, усложняющие структуру процессора и уменьшающие скорость его работы;

4. взаимодействие с оперативной памятью ограничивается операциями пересылки данных;

5. уменьшено число способов адресации памяти (не используется косвенная адресация);

6. создан конвейер команд, позволяющий обрабатывать несколько из них одновременно;

7. используется высокоскоростная память.

Процессор MISC

Процессор MISC - MISC processor, - работающий с минимальным набором длинных команд.

Увеличение разрядности процессоров привело к идее укладки нескольких команд в одно слово (связку, bound) размером 128 бит. Оперируя с одним словом, процессор получил возможность обрабатывать сразу несколько команд. Это позволило использовать возросшую производительность компьютера и его возможность обрабатывать одновременно несколько потоков данных.

· Назначение, структура и функционирование арифметическо-логического устройства (АЛУ )

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) -- блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными, называемыми в этом случаее операндами.

В состав арифметико-логического устройства, условно, для примера на картинке, включается регистры Рг1 -- Рг7, которые служат для обработки информации, поступающей из оперативной или пассивной памяти N1, N2, …NS и логические схемы, которые используются для обработки слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления. Различают два вида микрокоманд: внешние -- такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нём преобразование информации (на рисунке 2 это микрокоманды А1,А2,…,Аn) и внутренние -- те, которые генерируются в АЛУ и оказывают влияние на микропрограммное устройство, изменяя таким образом нормальный порядок следования команд. р1, p2,…, pm на рисунке 2 -- это и есть микрокоманды. А результаты вычислений из АЛУ передаются в ОЗУ по кодовым шинам записи у1, у2, …, ys.

Функции регистров, входящих в арифметико-логическое устройство

· Рг1 -- аккумулятор (или аккумуляторы) -- главный регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений;

· Рг2,Рг3 -- регистры операндов (слагаемого/сомножителя/делителя/делимого и др.) в зависимости от выполняемой операции;

· Рг4 -- регистр адреса (или адресные регистры), предназначенные для запоминания (бывает что формирования) адреса операндов результата;

· Рг6 -- k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов;

· Рг7 -- l вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов.

Часть операционных регистров могут быть адресованы в команде для выполнения операций с их содержимым и их называют программно-доступными. К таким регистрам относятся: сумматор, индексные регистры и некоторые вспомогательные регистры. Остальные регистры нельзя адресовать в программе, то есть они являются программно-недоступными.

Операционные устройства можно классифицировать по виду обрабатываемой информации, по способу её обработки и по логической структуре. Более подробная классификация указана на рис.3.

Такая сложная логическая структура АЛУ может характеризоваться количеством отличающихся друг от друга микроопераций, которые необходимы для выполнения всего комплекса задач, поставленных перед арифметико-логическим устройством. На входе каждого регистра собраны соответствующие логические схемы, обеспечивающие такие связи между регистрами, что позволяет реализовать заданные микрооперации. Выполнение операций над словами сводится к выполнению определённых микроопераций, которые сводятся в свою очередь … управляют передачей слов в АЛУ и действиями по преобразованию слов. Порядок выполнения микрокоманд определяется алгоритмом выполнения операций. То есть, связи между регистрами АЛУ и их функциями зависят в основном от принятой методики выполнения логических операций, в том числе арифметических или специальной арифметики.

3.Функциональная и структурная организация вычислительных систем

персональный компьютер процессор

Классификация вычислительных систем по способу обработки

· Классификация ВС в зависимости от числа потоков и данных: ОКОР, ОКМД, МКОД,МКМД:

Классификация ВС по виду параллелизма обработки была предложена М. Флином. В её основу заложено два вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Согласно ей существует 4 архитектуры ВС:

ОКОД (SISD) охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, т. е. с одним вычислителем. Все компьютеры классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работы устройств ввода-вывода информации и процессора.

ОКМД (SIMD) предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, т.е. 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 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 элементами.

По этой схеме строились первые суперЭВМ. Узким местом подобных систем является необходимость изменения коммутации между процессорами, когда связь между ними отличается от матричной. Кроме того, задачи, допускающие широкий матричный параллелизм, составляют достаточно узкий класс задач. Структуры ВС этого типа, являются структурами специализированных суперЭВМ.

МКОД(MISD) предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Прототипом таких вычислений может служить схема любого производственного конвейера. В современных компьютерах по этому принципу реализована схема совмещения операций, в которой параллельно работают различные функциональные блоки, и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки команды. В ВС этого типа конвейер должны образовывать группы процессоров. Однако при переходе на системный уровень очень трудно выявить подобный регулярный характер в универсальных вычислениях. Кроме того, на практике нельзя обеспечить и большую длину такого конвейера, при которой достигается наивысший эффект. Конвейерная схема нашла применение в скалярных процессорах суперЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.

МКМД (MIMD) предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра.

· Классификация многомашинных ВС: классификация и характеристики

Многомашинные. Основной недостаток многомашинной ВС - недостаточно эффективно используется оборудование всего многомашинного комплекса. Достаточно в ВС в каждой ЭВМ выйти из строя по одному устройству (даже разных типов) , как вся система становится неработоспособной.

Многомашинные вычислительные системы(ММС) появились исторически первыми. Уже при использовании ЭВМ первых поколений возникали задачи повышения производительности, надежности и достоверности вычислений.

В многомашинных ВС каждый компьютер работает под управлением своей операционной системы (ОС). А поскольку обмен информацией между машинами выполняется под управлением ОС, взаимодействующих друг с другом, динамические характеристики процедур обмена несколько ухудшаются (требуется время на согласование работы самих ОС).

Информационное взаимодействие компьютеров в многомашинной ВС может быть организовано на 3-х уровнях:

1. На уровне процессоров - при непосредственном взаимодействии процессоров друг с другом информационная связь реализуется через регистры процессорной памяти и требует наличия в ОС весьма сложных специальных программ.

2. На уровне оперативной памяти - взаимодействие на уровне оперативной памяти (ОП) сводится к программной реализации общего поля оперативной памяти(ООП), что проще, но требует существенной модификации ОС. Под общим полем имеется в виду равнодоступность модулей памяти: все модули памяти доступны всем процессорам и каналам связи.

3. На уровне каналов связи - взаимодействие организуется наиболее просто, и может быть достигнуто внешними по отношению к ОС программами - драйверами, обеспечивающими доступ от каналов связи одной машины к внешним устройствам других (формируется общее поле внешней памяти и общий доступ к устройствам ввода-вывода).

· Примеры ВС:

1. ASCI White: Система с 512-ю симметричными мультипроцессорными (SMP) узлами, каждый узел имеет 16 процессоров.

2. Система BlueGene: Первый вариант системы представлен в 2004 г. и сразу занял 1 позицию в списке Top500.

3. Система RoadRunner: RoadRunner является наиболее быстродействующей вычислительной системой (2008) и первым в мире суперкомпьютером, производительность которого превысила рубеж 1 PFlops (1000 TFlops): пиковая производительность около 1700 TFlops, производительность на тесте LINPACK - 1026 TFlops, 12960 процессоров IBM PowerXCell 8i и 6480 двухядерных процессоров AMD Opteron.

4.Функциональная и структурная организация вычислительных систем

Эволюция вычислительных систем

· Назначение и характеристика вычислительных систем

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. Специализация ВС может устанавливаться различными средствами:

* во-первых, сама структура системы (количество параллельно работающих элементов, связи между ними и т.д.) может быть ориентирована на определенные виды обработки информации: матричные вычисления, решение алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений и т.п. Практика разработки ВС типа суперЭВМ показала, что, чем выше их производительность, тем уже класс эффективно решаемых ими задач;

* во-вторых, специализация ВС может закладываться включением в их состав специального оборудования и специальных пакетов обслуживания техники.

· ЭВМ параллельного действия, понятие потока команд и потока данных

Классификация компьютеров параллельного действия. Было предложено и построено множество компьютеров параллельного действия и следует как-то классифицировать их, но нет хорошей классификации. Чаще всего используется классификация Флинна (Flynn).

В основе классификации лежат два понятия: потоки команд и потоки данных. Поток команд соответствует счетчику команд. Система с N процессорами имеет N счетчиков команд и, следовательно, N потоков команд. Поток данных состоит из набора операндов.

По Флинну можно сказать, что потоки команд и потоки данных в какой-то степени независимы друг от друга и поэтому можно реализовать четыре комбинации компьютеров параллельного действия.

Компьютер SISD (Single Instruction stream Single Data stream - один поток команд, один поток данных) - это классический последовательный компьютер фон Неймана. Он содержит один поток команд и один поток данных и может выполнять только одно действие в каждый момент времени.

Машина SIMD (Single Instruction stream Multiple Data stream - один поток команд, несколько потоков данных) содержит один блок управления, выдающий по одной команде, но при этом есть несколько АЛУ, которые могут обрабатывать несколько наборов данных одновременно. Такие машины применяются для обработки научных исследований.

Компьютеры типа MISD (Multiple Instruction stream Single Data stream - несколько потоков команд, один поток данных) возможно еще не существует.

Компьютеры типа MIMD (Multiple Instruction stream Multiple Data stream - несколько потоков команд, несколько потоков данных) имеют несколько независимых процессоров и они работают независимо друг от друга, но являются частью одной системы. В эту категорию попадают большинство параллельных процессоров.

· Конвейеризация вычислений - конвейер команд, конвейер данных

Конфликты в конвейере команд

Полученное в примере число 14 характеризует лишь потенциальную производительность конвейера команд. На практике в силу возникающих в конвейере конфликтных ситуаций достичь такой производительности не удается. Конфликтные ситуации в конвейере принято обозначать термином риск (hazard), а обусловлены они могут быть тремя причинами:

- попыткой нескольких команд одновременно обратиться к одному и тому же ресурсу ВМ (структурный риск);

- взаимосвязью команд по данным (риск по данным);

- неоднозначностью при выборке следующей команды в случае команд перехода (риск по управлению).

Риск по данным.

В противоположность структурному риску - типичная и регулярно возникающая ситуация. Для пояснения сущности взаимосвязи команд по данным положим, что две команды в конвейере (i и j) предусматривают обращение к одной и той же переменной х, причем команда i предшествует команде j. В общем случае между i и j ожидаемы три типа конфликтов по данным.

1. «Чтение после записи» (ЧПЗ): команда j читает х до того, как команда i успела записать новое значение х, то есть j ошибочно получит старое значение х вместо нового.

2. «Запись после чтения» (ЗПЧ): команда j записывает новое значение х до того, как команда i успела прочитать х, то есть команда i ошибочно получит новое значение х вместо старого.

3. «Запись после записи» (ЗПЗ): команда j записывает новое значение х прежде, чем команда i успела записать в качестве х свое значение, то есть х ошибочно содержит i-e значение х вместо j-го.

4. Возможен и четвертый случай, когда команда j читает х прежде команды i. Этот случай не вызывает никаких конфликтов, поскольку как i, так и j получат верное значение х.

5.Архитектура платформ современных вычислительных систем

Соотношение программных и аппаратных средств

· Приведите примеры влияния основных характеристик ЭВМ на выполнение заданий пользователя?

1. Быстродействие, продуктивность, тактовая частота.

Оценка продуктивности компьютера всегда приблизительна, потому что при этом ориентируются на некоторые усредненные показатели или, наоборот, на определенные типы операций. Реально при решении разнообразных заданий используются разные наборы операций. Поэтому для характеристики компьютера вместо его продуктивности указывают тактовую частоту, которая более объективно определяет быстродействие компьютера, поскольку каждая операция требует для своего выполнения определенного количества тактов. Зная тактовую частоту можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

2. объем оперативной памяти.

Увеличение объема оперативной памяти в два раза дает повышение эффективной продуктивности ПК при решении сложных заданий приблизительно в 1.7 раза.

3. Разновидность и емкость Кеш-памяти

Кеш-память - буферная, но не доступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используется компьютером для ускорения операций с информацией, которая сохраняется в более медленно действующих запоминающих устройствах.

Например, для ускорения операции с основной памятью организуется реестровая Кеш-память внутри микропроцессора - Кеш-память первого уровня - или вне микропроцессора на материнской плате - Кеш-память второго уровня; для ускорения операций с дисковой памятью организуется Кеш-память на ячейках електронной памяти.

Например, наличие Кеш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает продуктивность ПК приблизительно на 20%.

· Каким комплексным тестом можно наиболее точно определить параметры работы ЭВМ?

Через программы. Например AIDA64. В ней можно протестировать свой ПК по скорости чтения из памяти, записи в память, копирования в память, задержку памяти и др.

· В каких величинах измеряется размер оперативной памяти современной ЭВМ?

В Гигабайтах

· По каким направлениям возможна классификация ЭВМ?

Существуют различные классификации компьютерной техники:

1. по этапам развития (по поколениям);

2. по архитектуре;

3. по производительности;

4. по условиям эксплуатации;

5. по количеству процессоров;

6. по потребительским свойствам и т.д.

· Каковы основные функции программных средств регулярного применения?

· «Искусственный интеллект» - как вы его представляете?

Искусственный интеллект -- наука и технология создания интеллектуальных машин, особенно интеллектуальных компьютерных программ. ИИ связан со сходной задачей использования компьютеров для понимания человеческого интеллекта, но не обязательно ограничивается биологически правдоподобными методами

6.Архитектура платформ современных вычислительных систем

Понятия многомашинной системы

· Определите понятие программно-технической платформы.

В основе комплектов программно-технических средств, поставляемых для оснащения рабочих мест детей-инвалидов, педагогических работников, а также центров дистанционного образования детей-инвалидов используются программно-аппаратные платформы. При этом все программно-аппаратные платформы, используемые в составе поставляемых программно-технических комплексов, должны соответствовать приведенным ниже общим требованиям в части аппаратной платформы, общесистемного и базового прикладного программного обеспечения, а также специальных функций, обеспечивающих возможность их эффективного использования детьми с ограниченными возможностями здоровья в рамках дистанционного образования.

· Дайте определение и классифицируйте компьютерные системы.

Компьютерная система означает любое устройство или группу взаимосвязанных или смежных устройств, одно или более из которых, действуя в соответствии с программой, осуществляет автоматизированную обработку данных.

Классификация компьютерных систем

Для того, чтобы представить себе разнообразие и масштабируемость операционных систем, рассмотрим прежде всего классификацию современных компьютерных систем, для которых разрабатываются и используются ОС - от суперкомпьютеров до мобильных устройств, - и суммируем требования к ОС для этих классов компьютеров.

Суперкомпьютеры (super-computers) - мощные многопроцессорные компьютеры, наиболее современные из которых имеют производительность до нескольких petaflops (1015 вещественных операций в секунду; аббревиатура flops расшифровывается какfloating-point operations per second ). Пример - суперкомпьютер "Ломоносов", установленный в МГУ. Суперкомпьютеры используются для вычислений, требующих больших вычислительных мощностей, сверхвысокой производительности и большого объема памяти. В реальной практике это прежде всего задачи моделирования - например, моделирования климата в регионе и прогнозирования на основе построенной модели погоды в данном регионе на ближайшие дни. Особенностью суперкомпьютеров является их параллельная архитектура - как правило, все они являются многопроцессорными. Соответственно, ОС для суперкомпьютеров должны поддерживать распараллеливание решения задач и синхронизацию параллельных процессов, одновременно решающих подзадачи некоторой программы.

Многоцелевые компьютеры, или компьютеры общего назначения (mainframes) - традиционное историческое название для компьютеров, распространенных в 1950-х - 1970-х гг., еще до эпохи всеобщего распространения персональных компьютеров. Именно для mainframe-компьютеров создавались первые ОС. Типичные примеры таких компьютеров: IBM 360/370; из отечественных - М-220, БЭСМ-6. На таких компьютерах решались все необходимые задачи - от расчета зарплаты сотрудников в организации до расчета траекторий космических ракет. Подобный компьютер выглядел достаточно неуклюже и громоздко и мог занимать целый большой зал. Вспомните, например. огромный компьютер HAL на космическом корабле в фантастическом фильме 1960-х гг. Стэнли Кубрика "Космическая одиссея 2001 г." Но никакие фантасты не смогли предвидеть прогресса компьютерной техники XXI века - прежде всего, того, что мощный компьютер будет не занимать целую комнату, а помещаться в небольшом ящике. Параметры ранних mainframe-компьютеров были весьма скромными: быстродействие - несколько тысяч операций в секунду, оперативная память - несколько тысяч ячеек (слов). Недостаточно удобным был пользовательский интерфейс (интерактивное взаимодействие с компьютерами было реализовано гораздо позже, в 1960-х гг.). Тем не менее, на таких компьютерах решались весьма серьезные задачи оборонного и космического назначения.

С появлением персональных и портативных компьютеров классические mainframe-компьютеры ушли в прошлое. Однако следует подчеркнуть, что в именно в операционных системах для mainframe-компьютеров были реализованы все основные методы и алгоритмы, рассмотренные в данном курсе, которые впоследствии были использованы в ОС для персональных, карманных компьютеров и мобильных устройств.

Кластеры компьютеров (computer clusters) - группы компьютеров, физически расположенные рядом и соединенные друг с другом высокоскоростными шинами и линиями связи. Кластеры компьютеров используются для высокопроизводительных параллельных вычислений. Наиболее известны в мире компьютерные кластеры, расположенные в исследовательском центре CERN (Швейцария) - том самом, где находится большой адронный коллайдер. Как правило, компьютерные кластеры располагаются в исследовательских институтах и в университетах, в том числе, например, в Петродворцовом учебно-научном комплексе СПбГУ они используются в Петродворцовом телекоммуникационном центре (ПТЦ), на нашем математико-механическом и на физическом факультетах. Операционная система для кластеров должна, помимо общих возможностей, предоставлять средства для конфигурирования кластера, управления компьютерами (процессорами), входящими в него, распараллеливания решения задач между компьютерами кластера и мониторинга кластерной компьютерной системы. Примерами таких ОС являются ОС фирмы Microsoft - Windows 2003 for clusters; Windows 2008 High-Performance Computing (HPC).

Настольные компьютеры (desktops) - это наиболее распространенные в настоящее время компьютеры, которыми пользуются дома или на работе все люди, от школьников и студентов до домашних хозяек. Такой компьютер размещается на рабочем столе и состоит из монитора, системного блока, клавиатуры и мыши. Параметры современного (2010 г.) настольного компьютера, наиболее приемлемые для использования современных ОС: быстродействие процессора 1 - 3 ГГц, оперативная память - 1 - 8 гигабайт и более, объем жесткого диска (hard disk drive - HDD) - 200 Гб - 1 Тб и более (1 терабайт, Тб = 1024 Гб). Все разнообразие современных операционных систем (Windows, Linux и др.) - к услугам пользователей настольных компьютеров. При необходимости нанастольном компьютере можно установить две или более операционных системы, разделив его дисковую память на несколько разделов (partitions) и установив на каждый из них свою операционную систему, так что при включении компьютера пользователю предоставляется стартовое меню, из которого он выбирает нужную операционную систему для загрузки.

Портативные компьютеры (laptops, notebooks - дословно "компьютеры, помещающиеся на коленях"; "компьютеры-тетрадки") - это миниатюрные компьютеры, по своим параметрам не уступающие настольным, но по своим размерам свободно помещающиеся в небольшую сумку или рюкзак или, например, на коленях пользователя, летящего в самолете в командировку и не желающего терять времени даром. Ноутбуки стоят обычно в несколько раз дороже, чем настольные компьютеры с аналогичными характеристиками. Наноутбуках используются те же операционные системы, что и для настольных компьютеров (например, Windows или MacOS). Характерными чертами портативных компьютеров являются всевозможные встроенные порты и адаптеры для беспроводной связи: Wi-Fi (официально IEEE 802.11) - вид радиосвязи, позволяющая работать в беспроводной сети с производительностью 10-100 мегабит в секунду (используется обычно на конференциях, в гостиницах, на вокзалах, аэропортах - т.е. в зоне радиусом в несколько сотен метров от источника приема-передачи); Bluetooth - также радиосвязь на более коротких расстояниях (10 - 100 м для Bluetooth 3.0), используемая для взаимодействия компьютера с мобильным телефоном, наушниками, плейером и др. Внешние устройства(дополнительные жесткие диски, принтеры, иногда даже DVD-ROM) подключаются к ноутбуку через порты USB.

Еще лет 10 назад на ноутбуках активно использовались инфракрасные порты ( IrDA ), которые, однако, неудобны, так как требуют присутствия "ответного" IrDA - порта другого устройства на расстоянии 20-30 см от порта ноутбука, при отсутствии между ними препятствий. Другая характерная черта ноутбуков - это наличие кард-ридеров - портов для чтения всевозможных карт памяти, используемых вмобильных телефонах или цифровых фотокамерах; обеспечивается также интерфейс FireWire (официально - IEEE 1394) для подключения цифровой видеокамеры; таким образом, ноутбуки хорошо приспособлены для ввода, обработки и воспроизведения обработки мультимедийной информации. Ныне портативный компьютер имеется почти у каждого студента, что они и используют для подготовки к ответу на экзамене, либо для решения задач практикума, иногда прямо в университетском буфете. Один из критических параметров ноутбука - время работы его батарей без подзарядки; очень хорошо, если это время составляет порядка 10 часов, что пока сравнительно редко; на компьютерах, используемых автором, это время составляет не более 5 часов. Популярная разновидность ноутбука ныне - это нетбук - ноутбук, предназначенный для работы в сети, обычно менее мощный и поэтому более дешевый, а также более миниатюрный.

Карманные портативные компьютеры и органайзеры (КПК, handhelds, personal digital assistants - PDA) - это "игрушки для взрослых" в виде миниатюрного компьютера, помещающегося на ладони или в кармане, но по своему быстродействию иногда не уступающего ноутбуку. При всей привлекательности, серьезные недостатки КПК, с точки зрения автора, - это неудобство ввода информации (приходится пользоваться палочкой- стилусом, - ведь не носить же с собой еще и громоздкую клавиатуру, - либо микроскопической выдвижной клавиатурой, на которой фактически тем же стилусом только и можно работать), а также неудобство чтения информации на маленьком экране. Автор уже "наигрался" в подобные КПК, - например, типа PalmPilot, - предпочитает пользоваться ноутбуками, а самым надежным органайзером считает небольшой бумажный блокнот. Однако молодежь приглашается к этой увлекательной интересной игре - через все в жизни нужно пройти.

Современные КПК имеют фактически те же порты и адаптеры, что и ноутбуки - Wi-Fi, Bluetooth, IrDA, USB. Операционные системы для КПК аналогичны ОС для ноутбуков, но все же учитывают более жесткие ограничения КПК по объему оперативной памяти. В настоящее время для КПК широко используется ОСWindows Mobile - аналог Windows для мобильных устройств. До недавнего времени была также широко распространена PalmOS для органайзеров типа PalmPilot фирмы 3COM. Разумеется, для КПК имеется аппаратура и программное обеспечение для подключения к ноутбуку или настольному компьютеру с целью синхронизации данных, что обеспечивает дополнительную надежность.

Мобильные устройства (mobile intelligent devices - мобильные телефоны, коммуникаторы) - это устройства, которыми каждый из нас пользуется постоянно для голосовой связи, реже - для записи или обработки какой-либо информации или для выхода в Интернет. С точки зрения автора, наиболее важные параметры мобильного устройства - это по-прежнему качество голосовой связи и время автономной работы батареи. Однако все большее значение приобретают встроенные в них цифровые фото- и видеокамеры. Операционные системы для мобильных устройств отличаются большей компактностью, ввиду более жестких ограничений по памяти (например, собственная память, не расширенная SmartMedia-картой, у используемого автором с 2006 г. мобильного телефона Nokia 3230, кстати, с неплохой встроенной фотокамерой - всего 30 мегабайт). Эпоха доминирования на рынке мобильных телефонов операционных систем типа Symbian, видимо, заканчивается, и они уступают место более современным и обеспечивающим лучший пользовательский интерфейс ОС Google Android и Microsoft Windows Mobile.

Для мобильных устройств, как и для КПК, весьма важная характеристика ОС - это ее надежность, в частности, сохранность данных после переполнения памяти, возникающего, например, в результате приема большого числа SMS-сообщений, интенсивной фото- или видеосъемки. К сожалению, ОС Symbian, по опыту автора, ведет себя в этом отношении недостаточно надежно: при приеме "лишнего" SMS-сообщения, не помещающегося в память телефона, он ... блокируется с жалобным сообщением "Memory full", после чего приходится вручную отключать и включать телефон и таким образом перезагружать ОС (к сожалению, SMS-ка, переполнившая чашу терпения ОС, при этом пропадает). С этой точки зрения, ОС для мобильных устройств нуждаются в дальнейшем совершенствовании. Что касается прочего программного обеспечения для мобильных телефонов (игр, утилит, прикладных программ и др.), то при их разработке доминирует Java-технология - одна из постоянных областей научных интересов автора. Изучить основы Java Вы можете, например, по книге автора "Введение в Java-технологию" или по его Интернет-курсу, опубликованному на русском сайте Sun / Oracle. В мобильных телефонах используется платформа ("издание") JME -Java Micro Edition, и любой мобильный телефон, выпускаемый вот уже более 10 лет, поддерживает Java. Программы на Java для мобильных телефонов называются мидлетами (от аббревиатуры MID - Mobile Intelligent Device ).

Носимые компьютеры (wearable computers) - для повседневной жизни достаточно экзотические устройства, однако для специальных применений (например, встроенные в скафандр космонавта или в кардиостимулятор) они жизненно важны. Разумеется, ихпамять и быстродействие значительно меньше, чем у настольных компьютеров, но критическим фактором является их сверх высокаянадежность, а для их операционных систем и прочего программного обеспечения - минимальное возможное время ответа (response time) - интервал, в течение которого система обрабатывает информацию от датчиков, от пользователя или из сети, превышение которого грозит катастрофическими последствиями. С этой точки зрения, ОС для носимых компьютеров можно отнести к системам реального времени.

Распределенные системы (distributed systems) - это системы, состоящие из нескольких компьютеров, объединенных в проводную или беспроводную сеть. Фактически, таковы ныне все компьютерные системы (вспомните девиз "Сеть - это компьютер "). Все операционные системы должны, таким образом, поддерживать распределенный режим работы, средства сетевого взаимодействие, высокоскоростную надежную передачу информации через сеть. Все эти вопросы подробно рассмотрены в данном курсе.

Системы реального времени (real-time systems) - вычислительные системы, предназначенные для управления различными техническими, военными и другими объектами в режиме реального времени. Характеризуются основным требованием к аппаратуре и программному обеспечению, в том числе к операционной системе: недопустимость превышения времени ответа системы, т.е. ожидаемого времени выполнения типичной операции системы. Для ОС требования реального времени накладывают весьма жесткие ограничения - например, в основном цикле работы системы недопустимы прерывания (так как они приводят к недопустимым временным затратам на их обработку). Системы реального времени - особая весьма серьезная и специфическая область, изучение которой выходит за рамки данного курса.

Приведенный обзор дает некоторое представление о разнообразии компьютерных систем в наше время. Для каждой из них должна быть разработана адекватная операционная система.

· Как организуется вычислительный процесс многомашинной системе?

В благоприятных случаях общее время выполнения смеси задач меньше, чем суммарное время их последовательного выполнения. При этом времени выполнения отдельной задачи может быть затрачено больше, чем при монопольном ее выполнении.

Рис.

· Что такое терминальный компьютерный комплекс?

Терминальный комплекс включает интеллектуальный терминал - удаленное автоматизированное рабочее место абонента (рабочая станция): дисплей, память, клавиатура.

Терминал - абонентский пункт с устройствами внешней памяти и ввода/вывода.

· Что такое многомашинный компьютерный комплекс?

Многомашинный комплекс - это объединение двух и более вычислителей, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга (порядка тысячи метров) и не имеющих коммуникационной системы

· Что такое сетевой компьютерный комплекс?

Сетевой комплекс (информационно-вычислительная сеть) - это комплекс вычислителей, находящихся на значительном расстоянии друг от друга (более тысячи метров) и соединенных коммуникационной системой.

7.Архитектура платформ современных вычислительных систем

Системы телеобработки

· Сформулируйте понятие системы телеобработки данных.

Системы телеобработки данных представляют собой информационно-вычислительные системы, которые выполняют дистанционную централизованную обработку данных, поступающих в центр обработки по каналам связи.

· Поясните блок-схему типовой системы телеобработки данных.

Любая система телеобработки информации включает в себя как минимум четыре основные группы технических средств: - электронную вычислительную машину (одну или несколько); - аппаратуру передачи данных (АПД); - устройство сопряжения (УС) компьютера с аппаратурой передачи данных (линейные адаптеры, мультиплексоры передачи данных, связные процессоры, осуществляющие электрическое и логическое согласование работы машины и АПД); - абонентские пункты (АП), осуществляющие взаимодействие абонента с системой и обеспечивающие ввод и вывод данных в систему. Более разветвленные системы телеобработки информации могут включать также устройства удаленного согласования (УУС) -- поочередного или одновременного подключения разных абонентов к одному каналу связи за счет использования различных способов уплотнения передачи информации: коммутаторы, концентраторы, удаленные мультиплексоры, периферийные связные процессоры.

· Сформулируйте понятие пропускной способности системы.

Пропускная способность -- метрическая характеристика, показывающая соотношение предельного количества проходящих единиц (информации, предметов, объёма) в единицу времени через канал, систему, узел.

· Приведите классификацию каналов связи.

персональный компьютер процессор

Рис.

· В чем заключается сущность корпоративной информационной системы?

Под термином "информационные технологии в корпоративном управлении" традиционно понимают "комплексные системы автоматизации управления".

Известны и другие их названия - системы масштаба предприятия, корпоративные информационные системы (КИС), корпоративные (или комплексные) системы управления (КСУ), автоматизированные системы управления (АСУ).

...