В настоящее время сфера применения многопроцессорных вычислительных систем (МВС) непрерывно расширяется, охватывая все новые области в самых различных отраслях науки, бизнеса и производства. Если традиционно МВС применялись в основном в научной сфере для решения вычислительных задач, требующих мощных вычислительных ресурсов, то сейчас из-за бурного развития бизнеса резко возросло количество компаний, отводящих главную роль использованию компьютерных технологий и электронного документооборота. В связи с этим непрерывно растет потребность в построении централизованных вычислительных систем для критически важных приложений, связанных с обработкой транзакций, управлением базами данных и обслуживанием телекоммуникаций. Наряду с расширением области применения, по мере совершенствования МВС происходит усложнение и увеличение количества задач в областях, традиционно использующих высокопроизводительную вычислительную технику.

Наиболее перспективным и динамичным направлением увеличения скорости решения прикладных задач является широкое внедрение идей параллелизма в работу вычислительных систем. К настоящему времени спроектированы и опробованы сотни различных компьютеров, использующих в своей архитектуре тот или иной вид параллельной обработки данных. В научной литературе и технической документации можно найти более десятка различных названий, характеризующих лишь общие принципы функционирования параллельных машин: векторно-конвейерные, массивно-параллельные, компьютеры с широким командным словом, систолические массивы, гиперкубы, спецпроцессоры и мультипроцессоры, иерархические и кластерные компьютеры, dataflow, матричные ЭВМ и многие другие. Если же к подобным названиям для полноты описания добавить еще и данные о таких важных параметрах, как, например, организация памяти, топология связи между процессорами, синхронность работы отдельных устройств или способ исполнения арифметических операций, то число различных архитектур станет и вовсе необозримым.

Понятие архитектуры высокопроизводительной системы является достаточно широким, поскольку под архитектурой можно понимать и способ параллельной обработки данных, используемый в системе, и организацию памяти, и топологию связи между процессорами, и способ исполнения системой арифметических операций. Архитектура ВС - совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную организацию системы. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования, наиболее существенные для пользователей, которых больше интересуют возможности систем, а не детали их технического исполнения.

В научной литературе рассматривается несколько видов классификации архитектур вычислительных систем:

- классификация Флинна, в основу которой положена единственность или множественность потоков данных и команд;

- классификация Фенга, учитывающая две простые численные характеристики параллелизма (пословный и поразрядный параллелизм);

- классификация Хокни, конкретизирующая класс систем с множественным потоком команд и множественным потоком данных;

- классификация Шнайдера, позволяющая конкретизировать класс систем с одиночным потоком команд и множественным потоком данных;

- классификация Дункана.

Задания:

1. В текстовом редакторе Microsoft Word последовательно выполнить задания, оформив первую часть отчета по практической работе:

- перечислить классы архитектур ЭВМ по М. Флинну, описав их архитектуру и принцип функционирования;

- составить классификацию архитектуры ЭВМ по Т. Фенгу, представив ее в виде схемы;

- перечислите основные недостатки предложенной Т. Фенгом классификации архитектуры ЭВМ;

- составить классификацию архитектуры ЭВМ по Р. Хокни, представив ее в виде схемы;

- составить классификацию архитектуры ЭВМ по Л. Шнайдеру, представив ее в виде схемы;

- составить классификацию архитектуры ЭВМ по Р. Дункану, представив ее в виде таблицы с описанием принципов построения каждого вида архитектуры;

- разработать схему структуры матричной системы.

2. Исследовать аппаратную архитектуру компьютера с использованием возможностей ОС Microsoft Windows.

- исследовать характеристики CPU компьютера;

- исследовать память и HDD;

- получить список PCI-устройств и их характеристик.

- посмотреть модель материнской платы и получить краткую информацию о SCSI-устройствах.

3. Используя утилиты SiSoftware Sandra, PC Wizard последовательно выполнить следующее, оформив результаты в виде таблицы:

- в SiSoftware Sandra:

ь в модуле Сводная информация, посмотреть список устройств и краткие параметры конфигурации компьютера;

ь в разделе Информация о материнской плате просмотреть характеристики, модели и имена производителей материнской платы и ее компонентов, а также устройств, относящихся к ней, в частности, системной памяти;

ь для системной памяти определить рабочие частоты и текущий список таймингов;

ь просмотреть информацию о центральном процессоре, видеосистеме, устройствах на шинах PCI, AGP, Card Bas, устройствах связи;

ь в разделе просмотровых модулей предоставлена информация о системных файлах и настройках программной части системы. Просмотрить тексты основных системных файлов;

ь результаты диагностики сохранить в виде подробного отчета, воспользовавшись Мастером создания отчетов, ярлык которого присутствует во всех разделах.

- PC Wizard:

ь в разделе Hardware в подразделе Mainboard просмотреть информацию об установленной системной памяти, основных характеристиках и таймингах;

ь просмотреть характеристики центрального процессора, показания датчиков напряжения, температуры и оборотов вентилятора CPU;

ь в разделе Drivers, где представлена информация обо всех физических приводах и логических дисках, вывести полный список состояния атрибутов SМАRT, а также температуру интегрированного в привод термодатчика;

ь в подразделе Voltage, Temperature and Fans, вывести текущие показания доступных датчиков систем аппаратного мониторинга компьютера: напряжения процессора и материнской платы, обороты вентиляторов, подключенных к материнской плате, температура системных сенсоров, процессора и датчика привода жестких дисков;

ь в подразделе Configurations рассмотрить информацию о Windows, интернет-приложениях, запущенных процессах, установленных в систему динамических библиотеках, шрифтах и ассоциируемых с приложениями расширениях файлов;

ь в подразделе System Files получить информацию и просмотреть тексты системных файлов.

4. Пройти тестирование на сайте www.intuit.ru, подтвердив результат сертификатом.

- зарегистрироваться на сайте www.intuit.ru или войти под своим логином и паролем;

- на вкладке Учеба-Курсы выбрать курс «Архитектура параллельных вычислительных систем»;

- записаться для получения сертификата;

- выполнить задания по темам и пройти итоговое тестирование

Контрольные вопросы:

1. Какие архитектуры вычислительной системы выделяются по разрядности интерфейсов и машинных слов?

2. Что такое концептуальная структура вычислительной системы?

3. Назовите наиболее распространенные в настоящее время типы архитектур вычислительной системы.

4. Опишите расширенную архитектуру вычислительной системы.

5. Какие архитектуры вычислительной системы выделяются по особенностям состава регистров процессора, формату команд и данных?

6. Какая из изученных утилит наиболее эффективна для вывода информации о настройках компьютера?

7. Какая из изученных утилит наиболее эффективна для вывода информации о настройках операционной системы?

8. Дайте сравнительный анализ рассмотренных утилит по количественным показателям.

2. - записаться для получения сертификата;

3. - выполнить задания по темам и пройти итоговое тестирование

Задание на дом.

1. Выполнить отчет по практической работе.

2. Пройти тестирование на сайте www.intuit.ru, подтвердив результат сертификатом по курсу «Архитектура и организация ЭВМ».

Практическая работа № 21

Выбор вычислительной системы

Цель работы: знакомство с основными техническими характеристиками устройств персонального компьютера; знакомство с номенклатурой и символикой; знакомство с принципами комплектации компьютера при покупке ПК; получение навыков в оценке стоимости комплекта устройств ПК.

Теоретический материал:

При сборке компьютера из отдельных комплектующих необходимо учитывать два основных момента. Первый из них касается круга задач, для решения которых будет использоваться компьютер. Условно компьютеры можно разделить на несколько групп, в зависимости от их функционального назначения: офисные, учебные, игровые, домашние, мультимедийные и т. д. Назначение компьютера определяет тот набор устройств, из которых он должен состоять, а также их основные характеристики.

Например, для офисного компьютера совершенно необходимым должно быть наличие принтера, а игровому не обойтись без мощного процессора, большого объема оперативной памяти, качественной видеокарты с достаточным объемом видеопамяти и хорошего монитора.

Второй момент касается совместимости отдельных устройств с материнской платой. Прежде всего, это относится к совместимости по интерфейсу подключения. Существует несколько различных процессорных интерфейсов, для каждого из которых выпускаются свои модели материнских плат.

Для процессоров фирмы Intel, например, в 2007 году использовались интерфейсы Socket 478, Socket 775 LGA, а для процессоров фирмы AMD -- Socket A, Socket 754, Socket 939, Socket S-AM2. Поэтому при выборе материнской платы всегда, в первую очередь, следует обращать внимание на ее процессорный интерфейс. Для видеокарт в настоящее время используется два интерфейса подключения: AGP 8х (ранее существовали также AGP 1x, AGP 2х, AGP 4х) и PCI-Express х16 (обычно его обозначают PCI-E).

Современная оперативная память обычно имеет тип DDR, DDRII или DDRIII и соответствующие интерфейсы подключения к материнской плате. Иногда на одной материнской плате могут одновременно присутствовать оба этих типа разъемов.

Жесткие диски подключаются по интерфейсу IDE (в характеристиках материнских плат он обозначается просто буквой U по названию протокола подключения Ultra DMA), а также по интерфейсам Serial ATA и Serial ATA II (обозначаются SATА и SATA II). Существуют также переносные жесткие диски, подключаемые по интерфейсу USB.

Также следует учитывать, что устройства, имеющие одинаковый интерфейс, могут отличаться по пропускной способности, которая измеряется в мегабайтах в секунду или мегабитах в секунду. Надо обращать внимание на то, какую пропускную способность имеет данное устройство, и какую пропускную способность обеспечивает выбранная материнская плата. Если они не совпадают, то либо само устройство, либо материнская плата будет работать не в оптимальном режиме, что будет влиять на быстродействие всей компьютерной системы в целом.

Например, если для материнской платы указана характеристика U100, то это означает, что при интерфейсе IDE материнская плата обеспечивает пропускную способность 100 Мбайт в секунду, и, если вы подберете к ней жесткий диск с характеристикой U133 (133 Мбайт в секунду), то он не сможет работать со своими максимальными возможностями.

При комплектации компьютера необходимо также учитывать, что некоторые компоненты могут быть встроены непосредственно в материнскую плату (видеокарты, звуковые карты, сетевые карты) и приобретение дополнительных аналогичных устройств может быть оправдано только в том случае, если они имеют лучшие характеристики, чем интегрированное устройство. Наличие встроенной звуковой карты можно определить по на- званию кодека, обычно АС97, а встроенной сетевой карты -- по обозначению LAN, после которого обычно указывается пропускная способность в мегабитах в секунду. Встроенные видеокарты могут обозначаться либо их названием, либо просто сокращением «в/к».

Пример1 MB S-775 ASUSTeK P5V800-MX

Материнская плата с Socket 775 (для процессоров Pentium IV и Pentium D). Есть встроенная видеокарта и сетевая карта с пропускной способностью 1000 Мбит/с. Имеется интерфейс подключения AGP (для внешней видеокарты). Имеются интерфейс подключения IDE с пропускной способностью 133 Мбайт в секунду, а также Serial ATA. Поддерживается тип оперативной памяти DDR с максимальной пропускной способностью 3200 Мбайт/с. Производитель материнской платы -- ASUSTeK.

Пример 2 CPU Soc-754 AMD Athlon64 3200+(2200/800MHz) BOX, L2/L1=512K/128K, Newcastle 0.13мкм, 1.50V(89W) (ADA3200) Процессор Athlon64 с сокетом 754. Рейтинговая тактовая частота -- 3200 Мгц, реальная тактовая частота -- 2200 МГц. Поставка -- BOX (с кулером). Пример 3 В/к AGP 256Mb DDR RadeonX1600Рго Advantage Sapphire DVI TV-out (oem) 128bit Видеокарта с интерфейсом AGP. Тип видеопамяти -- DDR, объем видеопамяти -- 256 Мбайт. Имеется телевизионный выход. Поставка oem (для сборки).

Задания:

1. Выполнить в тетради описание конфигурации домашнего компьютера.

2. Скачать из Интернета прайс-лист любой компьютерной фирмы (например, http://vladivostok.dns-shop.ru/ ) и на его основе подобрать комплектующие для компьютера, предназначенного для решения определенного круга задач (игровой компьютер, офисный компьютер, компьютер для видеомонтажа). Подсчитать стоимость данного компьютера. Для подбора различных вариантов решения указанной задачи использовать табличный процессор (электронные таблицы). Все компоненты должны стыковаться с материнской платой по интерфейсу подключения и пропускной способности.

Результаты оформить в следующей таблице:

Компьютер собран на основе данных прайс-листа фирмы «_______________» г. Курск

Устройство	Изображение устройства	Модель	Цена(в руб)
Процессор
Материнская плата
ОП
Жёсткий диск
Видеокарта
Кулер
Звуковая карта
DVD - ROM
Монитор
Корпус
Клавиатура
Мышь
Блок бесп.питан.
Сетевая карта
Колонки
		Итого :

Контрольные вопросы:

1. Какие устройства обеспечивают минимальный состав вычислительной системы?

2. Дайте классификацию и назначение различных видов памяти.

4. Что входит в состав основных компонентов материнской платы ПК?

5. Каково назначение шин ПК?

6. Перечислите основные характеристики шин ПК.

7. В чем отличие шины и порта ПК?

8. Какие параметры характеризуют производительность процессора?

9. Перечислите основные характеристики микросхем памяти.

Задание на дом.

Выполнить отчет по практической работе.

Практическая работа № 22-23

Типовая структура ВС

Цель работы: освоение принципов типизации, унификации и агрегатирования, применяемых при построении современных вычислительных систем; освоение техники чтения типовой структуры ВС; получение практических навыков составления функциональных схем структур ВС.

Теоретический материал:

Классификация уровней программного параллелизма включает шесть позиций: независимые задания, отдельные части заданий, программы и подпрограммы, циклы и итерации, операторы и команды, фазы отдельных команд. Для каждой из них имеются специфические свойства параллельной обработки, апробированные в различных структурах вычислительных систем. Заметим, что данный перечень совершенно не затрагивает этапы выбора алгоритмов решения, на которых могут анализироваться альтернативные алгоритмы (а значит, и программы), дающие различные результаты.

Для каждого вида параллельных работ имеются структуры вычислительных средств, используемые в различных вычислительных системах. Верхние три уровня, включающие независимые задания, шаги или части заданий и отдельные программы, имеют единое средство параллельной обработки - мультипроцессирование, т.е. многопроцессорные вычислительные системы, относящиеся к архитектуре МКМД. Программные циклы и итерации требуют использования векторной обработки (архитектура ОКМД). Операторы и команды, выполняемые ЭВМ, ориентированы на многофункциональную обработку. Параллельная обработка фаз последовательно выполняемых команд приводит к организации конвейера команд.

Рассмотрим возможные структуры вычислительных систем, которые обеспечивают перечисленные виды программного параллелизма.

ОКОД-структуры. Два нижних вида параллелизма реализуются в любых современных ЭВМ, включая и персональные ЭВМ. Данный тип архитектуры объединяет любые системы в однопроцессорном (одномашинном) варианте.

ОКМД-структуры. Для реализации программного параллелизма, включающего циклы и итерации, используются матричные или векторные структуры. В них эффективно решаются задачи матричного исчисления, задачи решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля, геодезические задачи, задачи аэродинамики.

МКОД-структуры большой практической реализации не получили. Задачи, в которых несколько процессоров могли бы эффективно обрабатывать один поток данных, в науке и технике неизвестны. С некоторой натяжкой к этому классу можно отнести фрагменты многофункциональной обработки, например обработку на разных процессорах команд с фиксированной и плавающей точкой.

МКМД-структуры являются наиболее интересным классом структур вычислительных систем. Уже из названия МКМД-структур видно, что в данных системах можно найти все перечисленные виды параллелизма. Этот класс дает большое разнообразие структур, сильно отличающихся друг от друга своими характеристиками

Важную роль здесь играют способы взаимодействия ЭВМ или процессоров в системе. В сильносвязанных системах достигается высокая оперативность взаимодействия процессоров посредством общей оперативной памяти. При этом пользователь имеет дело с многопроцессорными вычислительными системами. Наиболее простыми по строению и организации функционирования являются одно-родные, симметричные структуры. Они обеспечивают простоту подключения процессоров и не требуют очень сложных централизованных операционных систем, размещаемых на одном из процессоров.

Слабосвязанные МКМД-системы могут строиться как многомашинные комплексы или использовать в качестве средств передачи информации общее поле внешней памяти на дисковых накопителях большой емкости.

Успехи микроинтегральной технологии и появление БИС и СБИС позволяют расширить границы и этого направления. Возможно построение систем с десятками, сотнями и даже тысячами процессорных элементов, с размещением их в непосредственной близости друг от друга. Подобные ВС получили название систем с массовым параллелизмом (МРР - Mass-Parallel Processing).

Передача данных в МРР-системах предполагает обмен не отдельными данными под централизованным управлением, а подготовленными процессами (программами вместе с данными). Этот принцип построения вычислений уже не соответствует принципам программного управления классической ЭВМ. Передача данных процесса по его готовности больше соответствует принципам построения “потоковых машин” (машин, управляемых потоками данных). Подобный подход позволяет строить системы с громадной производительностью и реализовывать проекты с любыми видами параллелизма, например, перейти к “систолическим вычислениям” с произвольным параллелизмом. Однако для этого необходимо решить целый ряд проблем, связанных с описанием, программированием коммутаций процессов и управлением ими. Математическая база этой науки в настоящее время практически отсутствует.

Задания:

1. Используя рисунок 1, разработать мультимедийную презентацию с описанием типовой структуры МПВС AMD-760MPX, в которой используя соответствующие возможности Microsoft PowerPoint описать назначение, функции, принцип работы каждого устройства ВС. Например, нажимая на «Шина LPC» в презентации будет осуществлен переход на соответствующий слайд, на котором будут описаны ее графическое представление, характеристика, назначение, сигналы и др.

Количество слайдов в презентации должно быть по количеству устройств вычислительной системы.



Рис. 1. Структура МПВС AMD-760MPX (Шина LPC используется для подключения КВВ и BIOS)

1. В рабочей тетради составить классификацию конвейерных ВС.

2. В текстовом документе составить структуру рабочего ПК.

3. В рабочей тетради составить структурную схему ассоциативного процессора вычислительной системы.

Контрольные вопросы:

1. Какие типы структур современных микропроцессоров существуют и чем они отличаются?

2. Какие основные устройства входят в состав суперскалярного микропроцессора?

3.Какие функции выполняет станция-резервуар

4. Охарактеризуйте программное обеспечение многопроцессорных ВС.

6.Как устраняются структурные конфликты в конвейере?

7.Какие методы устранения конфликтов по данным вы знаете?

8.Как устраняются конфликты по управлению в конвейере?

Задание на дом.

Выполнить отчет по практической работе.



Список рекомендованной литературы

Основные источники:

1. Заславская О.Ю. Архитектура компьютера лекции, лабораторные работы, комментарии к выполнению. Учебно-методическое пособие/ Заславская О.Ю.-- Электрон. текстовые данные.-- М.: Московский городской педагогический университет, 2013.-- 148 c

2. Чекмарев Ю.В. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Ю.В. Чекмарев. Саратов: Профобразование, 2017. -- 184 c.

Дополнительные источники:

1. Авдеев В.А. Периферийные устройства. Интерфейсы, схемотехника, программирование В.А. Авдеев. -- Электрон. текстовые данные. -- Саратов: Профобразование, 2017. -- 848 c.

2. Архитектура компьютерных систем учебно-методический комплекс / Алматы: Нур-Принт, 2015. -- 179 c.

3. Гальченко Г.А. Информатика для колледжей [Электронный ресурс] : учебное пособие. Общеобразовательная подготовка / Г.А. Гальченко, О.Н. Дроздова. Ростов-на-Дону: Феникс, 2017.

4. Колосова Н.И. Аппаратная конфигурация компьютера пособие по информатике для студентов / Н.И. Колосова. -- Электрон. текстовые данные. Оренбург: Оренбургская государственная медицинская академия, 2014 42 c.

5. Рыбальченко, М. В. Архитектура информационных систем: учебное пособие для СПО / М. В. Рыбальченко М. : Издательство Юрайт, 2017 91 с.

Размещено на Allbest.ru

...