Организация вычислений в вычислительных системах кратко

Обновлено: 28.06.2024

2.1. Принципы работы вычислительной системы. Основные этапы развития вычислительной техники. Архитектуры компьютеров.

2.1.1. Понятие вычислительной системы и принципы ее работы. Поколения компьютеров.

Компьютер (от английского computer– вычислитель) принято рассматривать как вычислительную систему (устройство), способную выполнять заданную, четко определенную программой последовательность операций для манипулирования различными типами данных, проведения обработки и преобразований содержащейся в них информации.

  1. Вычисляющее арифметически-логическое устройство. (АЛУ). Сюда относится процессор и дополнительные микросхемы, размещенные с ним на специальной материнской плате (кэш-память, интерфейсы, чипсет, и т, д.).
  2. Устройство управления. (УУ) Эту функцию обеспечивает, совместно с процессором, на­бор микросхем материнской платы (чипсет).
  3. Запоминающее устройство (ЗУ) Блоки памяти для хранения обрабатываемой информа­ции и управляющего работой АЛУ кода программ. В первую очередь это оперативная память (RAM), жесткий диск (винчестер) а также и другие типы накопителей, внутри и вне компьютера.
  4. Внешние устройства (периферия).Монитор, клавиатура, мышь, принтер, сканер, внешний модем, зву­ковые колонки и др. устройства, необходимые для ввода в компьютер и вывода из него инфор­ма­ции различных типов.

Влияние элементной базы на развитие средств вычислительной техники всегда было настолько велико, что впоследствии, в зависимости от типа применяемых конструктивных элементов в ЭВМ, их отнесли к ряду поколений.

Второе поколение ЭВМ (1960—1965-х годов) конструировали на транзисторах. Новая элементная технология позволила резко повысить надежность ЭВМ, снизить габариты и потребляемую мощность, а также значительно повысить их производительность. Машины нашли широкое применение для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Кроме непосредственного доступа к ЭВМ появился пакетный режим обработки информации, включающий мультипрограммирование.

Стали строить специализированные компьютеры, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д. В рамках второго поколения все более четко проявляется дифференциация ЭВМ на малые, средние и большие, позволившая существенно расширить сферу применения ЭВМ в областях автоматизизации систем управления предприятиями и технологическими процессами. К ЭВМ второго поколения относятся IBM 7090, LARC (США), ATLAS (Англия), М-220, М-222, БЭСМ-4, , БЭСМ-6, Урал-14, Урал-16, Минск-22, Минск-32, БЭСМ-3, МИР-2, Наири, Проминь, Рута (СССР) и др.

Третье поколение ЭВМ (1965- 70-е годы) связывают с появлением ЭВМ с элементной базой на интегральных схемах (ИС) пока относительно малой степени интеграции. Развитие этого поколения серий совместимых ЭВМ, использующие ИС-технологию, началось с создания фирмой IBM (США) ряда компьютеров различной производительности-серии IBM-360/370, совместимых программно снизу вверх, обладающих возрастающими от модели к модели возможностями. Чрезвычайно важным оказалось то, что была достигнута стандартизация систем команд процессоров ЭВМ, что привело к резкому сокращению дублирования разработок программного обеспечения для компьютеров от разных производителей, а также унификацию периферийных устройств ЭВМ. Кроме того, возникли технологии работы с разделением времени и ресурсов компьютера между многими пользователями одновременно.

В СССР была создана серия Единой Системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) совместимая с серией моделей IBM-360/370. Среди других можно отметить серии мини ЭВМ PDP-8, PDP-11, B3500. В нашей стране наряду с серией ЕС ЭВМ были созданы серии малых ЭВМ (СМ ЭВМ), совместимых с известной PDP-серией.

Четвертое поколение ЭВМ (с середины 70-х годов) создано на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, и привело к появлению микро-ЭВМ. Резко возросла производительность и расширились области применения компьютеров. Еще более тесной становится связь структуры машины с ее программным обеспечением, основным становится визуально-графический способ управления работой компьютера, через операционную систему (CP/M,Windows, Unix, Linux и т.д.) – комплекс программ по управлению работой аппаратно-программной части ЭВМ и организации взаимодействия пользователя с ЭВМ.

Машины четвертого поколения можно условно разделить на пять основных классов: микро-ЭВМ и персональные компьютеры (ПК), мини-ЭВМ, специальные ЭВМ, ЭВМ общего назначения и супер-ЭВМ. К особенности применения четвертого поколения следует также отнести и создание больших информационно-вычислительных сетей, объединяющих различные классы и типы ЭВМ, а также информационно-интеллектуальных систем различного назначения.

2.1.2. Архитектура компьютера.

Принято говорить об архитектуре вычислительной системы как общей её логической организации, определяющей структурную, схемотехническую и логическую организацию процессов кодирования и обработки данных, а также принципы взаимодействия её технических средств и программного обеспечения. Архитектура компьютера составляет совокупность основных устройств, узлов и блоков, а также структуру основных управляющих и информационных связей между ними, обеспечивающую выполнение заданных функций.

Одними из наиболее общих свойств архитектуры современных компьютеров являются её открытость и магистрально-модульный принцип построения аппаратно-програм-мных средств.

Магистрально-модульный принцип построения опирается на шинную организацию связей между компонентами (модулями) компьютера. Это обеспечивает открытость системы , то есть возможность изменения и наращивания функций компьютера и разнообразных устройств, удовлетворяющих заданным стандартам, от независимых производителей, на общих шинах компьютера .

Шина (Bus) в компьютере является физическим каналом для передачи данных, адресов и управляющих сигналов между блоками и модулями компьютера, параллельно подсоединенных к ней. Состоит из набора проводников для передачи цифровых электрических сигналов между портами потребителей, принимающих их из шины согласно управляющим сигналам.

2.1.3. Особенности архитектуры современных компьютеров

  • выборку команды из памяти;
    • декодирование команды;
    • генерацию адреса, когда определяются адреса операндов в памяти;
    • выполнение операции в АЛУ;
    • запись результата.

    В результате, на конвейере будут находиться в различных стадиях выполнения сразу пять и более команд одновременно(сейчас десять и более). Скорость вычислений в результате возрастает кратно длине конвейера и тактовой частоте процессора. Согласовать навысшую скорость работы конвейера со значительно более низкоскоростной оперативной памятью позволяют специальные кэши(L1 и L2) . То есть, проблема быстродействия оперативной памяти решается построением многоуровневой памяти. Оперативная память состоит из основной части большой емкости (сотни – тысячи Мбайт) и строится на относительно медленных (более дешевых) элементах, а дополнительная (так называемая кэш-память) состоит из быстродействующих элементов. Данные, к которым чаще всего обращается процессор находятся в кэш-памяти первого уровня L1, работающей на частоте процессора , а больший объем оперативной информации хранится в медленной основной памяти ,скорость обмена которой и кэшем L1 согласуется через кэш L2, работающий с промежуточной скоростью обмена. Архитектура современных компьютеров предусматривает наличие каналов прямого доступа к оперативной памяти для обмена данными с устройствами ввода-вывода без участия центрального процессора, а также передачу большинства функций управления периферийными устройствами специализированным процессорам, разгружающими центральный процессор и повышающим его производительность.

    Микропроцессоры, имеющие один конвейер называются скалярными, а два и более – суперскалярными.

    2.1.4. Разновидности архитектур компьютеров.

    По способам преобразования информации средства вычислительной техники принято разделять на три основных класса: аналоговые, цифровые и гибридные вычислительные машины (системы).

    В современной вычислительной технике носителями информации являются электрические сигналы, допускающие две формы модуляции носителя – аналоговую и дискретную. При аналоговой модуляции информации, величины информационных сигналов могут принимать любые допустимые значения из заданного диапазона, плавно без разрывов переходя от одного уровня к другому. При дискретном представлении информации сигналы имеют дискретный (числовой) характер закодированной последовательности отсчетов и могут изменяться в диапазонах, ограниченных лишь числом знаков в их кодировке. При этом , информация различных типов кодируется единообразно.

    Аналоговые вычислительные машины (АВМ) высоко производительны в первую очередь, при моделировании решений систем дифференциальных уравнений: в управлении непрерывными процессами; моделировании гидро- и аэродинамических задач; исследовании динамики сложных объектов, электромагнитных полей и т. д., то есть могут решать подобные задачи во много раз быстрее, чем дискретные ЭВМ. Однако АВМ принципиально не могут решать задач, связанных с хранением и обработкой больших объемов информации различного характера (типов) и задач с высокой степенью точности представления данных, с которыми легко справляются цифровые вычислительные машины (ЦВМ), использующие дискретную форму представления информации.

    Преимущества вышеперечисленных типов машин совмещает гибридная вычислительная машина (ГВМ), включающая как аналоговые, так и дискретные устройства обработки информации. Однако, включение в состав цифровой вычислительной машины аналоговых устройств не универсально, т.к. во-первых, аналоговые системы не программно управляемы, как цифровые, и в своей структуре воспроизводят модель заданной конкретной специальной системы или устройства (например, станков, манипуляторов, следящих систем и т.д.); во-вторых, требуются аналогово-цифровые устройства (АЦП и ЦАП) для сопряжения аналоговых и дискретных частей, что усложняет машину и оправдывает такой гибрид лишь при целесообразности цифрового управления сложными аналоговыми процессами.

    Универсальными для широкого спектра применений в настоящее время являются цифровые вычислительные машины (ЦВМ) называемые компьютерами. В зависимости от устройства, функционального назначения, используемой операционной системы и пр. в настоящее время объективно сложилась следующая классификация компьютеров в порядке роста их функциональности: персональные компьютеры, рабочие станции, серверы, мейнфреймы, кластерные архитектуры, суперкомпьютеры.

    Персональные компьютеры (ПК) появились в результате эволюции мини-компьютеров при переходе от элементной базы машин с малой и средней степенью интеграции электронных элементов (ИС, БИС) на большие и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).

    Создание RISC-процессоров и микросхем памяти емкостью от 8 до 265 Мб привело к окончательному оформлению настольных 32- разрядных, а затем и 64-разрядных систем высокой производительности в рабочие станции. Первоначальная ориентация рабочих станций на профессиональных пользователей (в отличие от ПК, которые в начале ориентировались на широкого потребителя) привела к тому, что рабочие станции – это специализированные компьютерные системы. В них высокое быстродействие АЛУ сочетается с большим объемом оперативной и внешней памяти, высокопроизводительными внутренними магистралями, особо высококачественной и быстродействующей графической подсистемой и разнообразными специальными устройствами ввода/вывода. Это свойство отличает рабочие станции среднего и высокого класса от ПК общего назначения.

    Создание компьютерных сетей и повсеместное широкое использование сетевых компьютерных технологий привело к необходимости создания специализированных компьютеров – серверов. Они предназначены для управления работой компьютерной сети, хранения и предоставления пользователю вычислительных и общих файловых ресурсов, а также периферийных устройств. То есть, сервер обладает увеличенными техническими характеристиками (памятью, быстродействием, мультипрограммным многопользовательским режимом обслуживания рядовых пользователей – клиентов).

    2.1.4.4. Мейнфреймы

    В плане архитектуры мейнфреймы представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. При этом основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные процессоры обеспечивают работу с широкой номенклатурой периферийных устройств.

    2.1.4.5. Кластерные архитектуры

    2.1.4.6. Суперкомпьютеры

    В середине 2000 г. компания IBM создала один из самых мощных в мире суперкомпьютеров, работающий на скорости 12.3 teraflops (триллионов операций в секунду).

    Суперкомпьютер RS/6000 SP занимает площадь размером с баскетбольное поле и для доставки монстра с завода Поугкипси компании IBM в штате Нью-Йорк потребовалось 28 трейлеров. Ориентировочная стоимость RS/6000 SP составляет 110 млн. долларов. С помощью нового суперкомпьютера можно с успехом моделировать многие ядерные процессы, что позволит отказаться от испытания атомного оружия. Хотя считают, что для того, чтобы адекватно моделировать испытания атомного оружия, необходим еще более мощный суперкомпьютер с производительностью 100 teraflops.

    В России в конце 1999 года группа компаний “Эльбрус” заявили о разработке нового супермикропроцессора E2K, в котором была применена новая методика двоичной компиляции. Этот микропроцессор превосходил по производительности лучшие разработки компаний Intel и AMD того времени. Супермикропроцессор E2K входит в состав суперкомпьютера, предназначенного для использования в ЭВМ по заказу Министерства обороны.

    [1] Устройством, предшественником ENIAC, по легенде, называлась цифровая вычислительная машина ABC (Atanasoff–Berry Computer),созданная профессором Джоном Атанасовым и студентом Клиффордом Бери в университете штата Айова в начале 40-ых годов. Прототип первой ЭВМ в СССР был создан в г. Киеве под руководством С. Лебедева также в конце 40-ых годов прошлого века.

    Для программы, состоящей из команд и находящейся в памяти, в соответствии с /6/, возможны следующие альтернативные механизмы её исполнения:

    1) Команда выполняется после того, как выполнена предшествующая ей команда последовательности. Этот метод соответствует механизму организации вычислительного процесса под управлением последовательностью команд (data flow computer) и характерному для вычислительных машин с классической фон-неймановской (и подобным ей) структурой. Такая модель вычислений называется традиционной.

    2) Команда выполняется, когда становятся доступными её операнды. Этот механизм организации вычислительного процесса известен как управляемый данными (dataflow driven) и реализуется потоковыми вычислительными машинами. Данная модель вычислений называется потоковой.

    3) Команда выполняется, когда другим командам требуется результат её выполнения. Этот метод организации вычислительного процесса называется механизмом управления по запросу (demand driven) и реализуется редукционными вычислительными машинами. Модель вычислений также называется редукционной.

    Более подробно с архитектурой потоковых и редукционных машин можно ознакомиться в /6/. На практике, в т.ч., и при автоматизации производства, эти вычислительные машины пока применяются крайне редко. В подавляющем большинстве современные вычислительные машины имеют традиционную структуру, базирующуюся на концепции Дж. фон Неймана (1903-1957, венгро- американский математик), выдвинутой им во второй половине 40-х годов 20 века. Поэтому далее будут рассматриваться вычислительные машины и системы, реализующие традиционную модель вычислений.

    В соответствии с этой концепцией, определена автономно работающая вычислительная машина, содержащая устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода-вывода (УВВ), как показано на рисунке 1.1 /1/:

    Рисунок 1.1 – Структура вычислительной машины Дж. фон Неймана

    Преобразование данных осуществляется последовательно под централизованным управлением от программы, состоящей из команд. Набор команд составляет машинный язык низкого уровня.

    Принципы организации вычислительных машин:

    1) Двоичное кодирование информации, разделение её на слова фиксированной разрядности.

    2) Линейно-адресная организация памяти (N ячеек по n разрядов). Номер ячейки является её адресом. В командах программы адрес является именем переменной, хранящейся в соответствующей ячейке.

    3) Представление алгоритма в виде программы, состоящей из команд. Каждая команда определяет шаг выполнения программы и содержит код операции, адреса операндов и другие служебные коды.

    4) Хранение команд и данных в одной памяти.

    5) Вычислительный процесс организуется как последовательное выполнение команд в порядке, заданном программой.

    6) Жёсткость архитектуры – неизменность в процессе работы вычислительной машины, её структуры, списка команд, методов кодирования данных.

    При работе вычислительных машин наиболее интенсивное взаимодействие осуществляется между АЛУ и УУ. С развитием элементной базы эти устройства объединили в один блок и назвали процессором. Процессор считывает и выполняет команды программы, организует об ращение к памяти, инициирует работу УВВ. Выборка команды из памяти и её выполнение циклически повторяются. Цикл включает следующие фазы: выборку, дешифрацию, исполнение.

    Устройство ввода преобразует входные сигналы к виду, принятому в вычислительной машине. Устройство вывода преобразует выходные сигналы в форму, удобную для восприятия человеком (тексты, графические образы и т.д.).

    В настоящее время наряду с классической фон-неймановской структурой вычислительных машин применяется способ построения вычислительных машин на основе общей шины /6/. В этом случае все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных, управления, как показано на рисунке 1.2.




    Шинная архитектура получила широкое распространение в мини - и микро-ЭВМ благодаря упрощённой реализации и лёгкой замене компонентов.

    Рисунок 1.2 – Структура вычислительной машины на основе общей шины

    В каждый момент времени передавать информацию по шине может только одно устройство, что является основным недостатком данного способа построения вычислительных машин.

    Рассмотрим конструктивные принципы построения вычислительных машин на примере наиболее распространённого класса настольных моделей персональных компьютеров (ПК). ПК содержит следующие типы связанных в систему конструктивно обособленных устройств: системный блок, монитор, клавиатуру, мышь, принтер.

    Системный блок одержит все основные электронные схемы, обеспечивающие запись, хранение и обработку данных, а также жёсткий диск (HDD), дисковод для гибких магнитных дисков (FDD), привод CD (DVD), блок питания. Основным узлом системного блока является материнская плата, на которой расположены процессор, оперативная память, вспомогательные схемы, разъёмы для плат расширения (модемов, сетевых карт, видеокарт, звуковых карт и др.).

    Относительно вычислительных систем также можно выделить два способа их организации: вычислительные системы с общей памятью и распределённые вычислительные системы /6/.

    В соответствии с первым способом, в вычислительной системе имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы, что иллюстрирует рисунок 1.3.

    Рисунок 1.3 – Структура вычислительной системы с общей памятью

    Взаимосвязь процессоров с общей памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего представляющей собой общую шину. Таким образом, структура вычислительной системы с общей памятью аналогична рассмотренной выше структуре вычислительной машины с общей шиной. Вследствие этого ей присущи те же недостатки. Дополнительное достоинство таких вычислительных систем заключается в том, что обмен информацией между процессорами обеспечивается только за счёт доступа к общим областям памяти.

    Рисунок 1.4 – Структура распределённой вычислительной системы

    Для уменьшения недостатков традиционной структуры вычислительных машин и систем, применяются различные её модификации /9/, в частности, физическое разделение памяти на память команд и память данных. Более подробно такая структура вычислительных машин будет представлена в лекции, посвященной микроконтроллерам.

    Далее рассмотрим характеристики вычислительных машин и систем.

    Для программы, состоящей из команд и находящейся в памяти, в соответствии с /6/, возможны следующие альтернативные механизмы её исполнения:

    1) Команда выполняется после того, как выполнена предшествующая ей команда последовательности. Этот метод соответствует механизму организации вычислительного процесса под управлением последовательностью команд (data flow computer) и характерному для вычислительных машин с классической фон-неймановской (и подобным ей) структурой. Такая модель вычислений называется традиционной.

    2) Команда выполняется, когда становятся доступными её операнды. Этот механизм организации вычислительного процесса известен как управляемый данными (dataflow driven) и реализуется потоковыми вычислительными машинами. Данная модель вычислений называется потоковой.

    3) Команда выполняется, когда другим командам требуется результат её выполнения. Этот метод организации вычислительного процесса называется механизмом управления по запросу (demand driven) и реализуется редукционными вычислительными машинами. Модель вычислений также называется редукционной.

    Более подробно с архитектурой потоковых и редукционных машин можно ознакомиться в /6/. На практике, в т.ч., и при автоматизации производства, эти вычислительные машины пока применяются крайне редко. В подавляющем большинстве современные вычислительные машины имеют традиционную структуру, базирующуюся на концепции Дж. фон Неймана (1903-1957, венгро- американский математик), выдвинутой им во второй половине 40-х годов 20 века. Поэтому далее будут рассматриваться вычислительные машины и системы, реализующие традиционную модель вычислений.

    В соответствии с этой концепцией, определена автономно работающая вычислительная машина, содержащая устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода-вывода (УВВ), как показано на рисунке 1.1 /1/:

    Рисунок 1.1 – Структура вычислительной машины Дж. фон Неймана

    Преобразование данных осуществляется последовательно под централизованным управлением от программы, состоящей из команд. Набор команд составляет машинный язык низкого уровня.

    Принципы организации вычислительных машин:

    1) Двоичное кодирование информации, разделение её на слова фиксированной разрядности.

    2) Линейно-адресная организация памяти (N ячеек по n разрядов). Номер ячейки является её адресом. В командах программы адрес является именем переменной, хранящейся в соответствующей ячейке.

    3) Представление алгоритма в виде программы, состоящей из команд. Каждая команда определяет шаг выполнения программы и содержит код операции, адреса операндов и другие служебные коды.

    4) Хранение команд и данных в одной памяти.

    5) Вычислительный процесс организуется как последовательное выполнение команд в порядке, заданном программой.

    6) Жёсткость архитектуры – неизменность в процессе работы вычислительной машины, её структуры, списка команд, методов кодирования данных.

    При работе вычислительных машин наиболее интенсивное взаимодействие осуществляется между АЛУ и УУ. С развитием элементной базы эти устройства объединили в один блок и назвали процессором. Процессор считывает и выполняет команды программы, организует об ращение к памяти, инициирует работу УВВ. Выборка команды из памяти и её выполнение циклически повторяются. Цикл включает следующие фазы: выборку, дешифрацию, исполнение.

    Устройство ввода преобразует входные сигналы к виду, принятому в вычислительной машине. Устройство вывода преобразует выходные сигналы в форму, удобную для восприятия человеком (тексты, графические образы и т.д.).

    В настоящее время наряду с классической фон-неймановской структурой вычислительных машин применяется способ построения вычислительных машин на основе общей шины /6/. В этом случае все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных, управления, как показано на рисунке 1.2.

    Шинная архитектура получила широкое распространение в мини - и микро-ЭВМ благодаря упрощённой реализации и лёгкой замене компонентов.

    Рисунок 1.2 – Структура вычислительной машины на основе общей шины

    В каждый момент времени передавать информацию по шине может только одно устройство, что является основным недостатком данного способа построения вычислительных машин.

    Рассмотрим конструктивные принципы построения вычислительных машин на примере наиболее распространённого класса настольных моделей персональных компьютеров (ПК). ПК содержит следующие типы связанных в систему конструктивно обособленных устройств: системный блок, монитор, клавиатуру, мышь, принтер.

    Системный блок одержит все основные электронные схемы, обеспечивающие запись, хранение и обработку данных, а также жёсткий диск (HDD), дисковод для гибких магнитных дисков (FDD), привод CD (DVD), блок питания. Основным узлом системного блока является материнская плата, на которой расположены процессор, оперативная память, вспомогательные схемы, разъёмы для плат расширения (модемов, сетевых карт, видеокарт, звуковых карт и др.).

    Относительно вычислительных систем также можно выделить два способа их организации: вычислительные системы с общей памятью и распределённые вычислительные системы /6/.

    В соответствии с первым способом, в вычислительной системе имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы, что иллюстрирует рисунок 1.3.

    Рисунок 1.3 – Структура вычислительной системы с общей памятью

    Взаимосвязь процессоров с общей памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего представляющей собой общую шину. Таким образом, структура вычислительной системы с общей памятью аналогична рассмотренной выше структуре вычислительной машины с общей шиной. Вследствие этого ей присущи те же недостатки. Дополнительное достоинство таких вычислительных систем заключается в том, что обмен информацией между процессорами обеспечивается только за счёт доступа к общим областям памяти.

    Рисунок 1.4 – Структура распределённой вычислительной системы

    Для уменьшения недостатков традиционной структуры вычислительных машин и систем, применяются различные её модификации /9/, в частности, физическое разделение памяти на память команд и память данных. Более подробно такая структура вычислительных машин будет представлена в лекции, посвященной микроконтроллерам.

    В связи с кризисом классической структуры ЭВМ 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) ЭВМ. 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.

    Термин вычислительная система появился в начале - середине 60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых технических решений: разделение процессов обработки информации и ее ввода-вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка.

    Под вычислительной системой (ВС) понимают 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.


    Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС.

    Классификация вычислительных систем

    Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы.

    • универсальные
    • специализированные.
    • многомашинные
    • многопроцессорные
      • процессоров;
      • оперативной памяти;
      • каналов связи.

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

      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).

      Все вышесказанное иллюстрируется схемой взаимодействия компьютеров в двухмашинной ВС, представленной на рис. 1.



      Рис. 1. Схема взаимодействия компьютеров в двухмашинной ВС

      Ввиду сложности организации информационного взаимодействия на 1-м и 2-м уровнях в большинстве многомашинных ВС используется 3-й уровень, хотя и динамические характеристики (в первую очередь быстродействие), и показатели надежности таких систем существенно ниже.

      Многопроцессорные системы (МПС) содержат несколько процессоров, информационно взаимодействующих между собой либо на уровне регистров процессорной памяти, либо на уровне ОП. Этот тип взаимодействия используется в большинстве случаев, ибо организуется значительно проще и сводится к созданию общего поля оперативной памяти для всех процессоров. Общий доступ к внешней памяти и устройствам ввода-вывода обеспечивается обычно через каналы ОП. Важным является и то, что многопроцессорная вычислительная система работает под управлением единой ОС, общей для всех процессоров. Это существенно улучшает динамические характеристики ВС, но требует наличия специальной, весьма сложной ОС.

      Однако МПС имеют и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве объединяемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, в которых несколько процессоров обращаются с операциями типа ”чтение” и ”запись” к одним и тем же ячейкам памяти. Помимо процессоров к ОП подключаются все процессоры ввода-вывода, средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации и доступа абонентов к ОП. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС. Опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе объединяемых процессоров (от 2 до 10). Схема взаимодействия процессоров в ВС показана на схеме рис. 2. Типичным примером массовых многомашинных ВС могут служить компьютерные сети, примером многопроцессорных ВС — суперкомпьютеры.


      Рис. 2. Схема взаимодействия процессоров в ВС

      • однородные системы
      • неоднородные системы.

      Неоднородная ВС включает в свой состав различные типы компьютеров или процессоров. При построении системы приходится учитывать их различные технические и функциональные характеристики, что существенно усложняет создание и обслуживание неоднородных систем.

      • централизованные
      • децентрализованные
      • со смешанным управлением.

      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.

      • территориально-сосредоточенные –это когда все компоненты располагаются в непосредственной близости друг от друга;
      • распределенные –это когда компоненты могут располагаться на значительном расстоянии, например, вычислительные сети;
      • структурно-одноуровневые –это когда имеется лишь один общий уровень обработки данных;
      • многоуровневые(иерархические) структуры –это когда в иерархических ВС машины или процессоры распределены по разным уровням обработки информации, некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций.

      На рис. 3 представлена принципиальная схема классификации вычислительных систем.


      Рис. 3. Принципиальная схема классификации вычислительных систем.

      Суперкомпьютеры и особенности их архитектуры

      К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду. Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропроцессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), т.к. время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд операций/с становится соизмеримым со временем выполнения одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

      1. Магистральные (конвейерные) МПВС, у которых процессор одновременно выполняет разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD — Multiple Instruction Single Data).
      2. Векторные МПВС, у которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными — однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD — Single Instruction Multiple Data).
      3. Матричные МПВС, у которых микропроцессор одновременно выполняет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных —многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD — Multiple Instruction Multiple Data).
      • структура MIMD в классическом ее варианте;
      • параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть многопроцессорная (Multiple) MISD-архитектура;
      • параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопроцессорная SIMD-архитектура.


      Рис. 3. Условные структуры однопроцессорной (SISD) и названных многопроцессорных ВС

      Кластерные суперкомпьютеры и особенности их архитектуры

      Существует технология построения больших компьютеров и суперкомпьютеров на базе кластерных решений. По мнению многих специалистов, на смену отдельным, независимым суперкомпьютерам должны прийти группы высокопроизводительных серверов, объединяемых в кластер.

      Кластер - это связанный набор полноценных компьютеров, используемый в качестве единого вычислительного ресурса.

      Удобство построения кластерных ВС заключается в том, что можно гибко регулировать необходимую производительность системы, подключая к кластеру с помощью специальных аппаратных и программных интерфейсов обычные серийные серверы до тех пор, пока не будет получен суперкомпьютер требуемой мощности. Кластеризация позволяет манипулировать группой серверов как одной системой, упрощая управление и повышая надежность.

      Важной особенностью кластеров является обеспечение доступа любого сервера к любому блоку как оперативной, так и дисковой памяти. Эта проблема успешно решается, например, объединением систем SMP-архитектуры на базе автономных серверов для организации общего поля оперативной памяти и использованием дисковых систем RAID для памяти внешней (SMP — Shared Memory multiprocessing, технология мультипроцессирования с разделением памяти).

      Для создания кластеров обычно используются либо простые однопроцессорные персональные компьютеры, либо двух- или четырех- процессорные SMP-серверы. При этом не накладывается никаких ограничений на состав и архитектуру узлов. Каждый из узлов может функционировать под управлением своей собственной операционной системы. Чаще всего используются стандартные ОС: Linux, FreeBSD, Solaris, Unix, Windows NT. В тех случаях, когда узлы кластера неоднородны, то говорят о гетерогенных кластерах.

      1. Первый подход применяется при создании небольших кластерных систем. В кластер объединяются полнофункциональные компьютеры, которые продолжают работать и как самостоятельные единицы, например, компьютеры учебного класса или рабочие станции лаборатории.
      2. Второй подход применяется в тех случаях, когда целенаправленно создается мощный вычислительный ресурс. Тогда системные блоки компьютеров компактно размещаются в специальных стойках, а для управления системой и для запуска задач выделяется один или несколько полнофункциональных компьютеров, называемых хост-компьютерами. В этом случае нет необходимости снабжать компьютеры вычислительных узлов графическими картами, мониторами, дисковыми накопителями и другим периферийным оборудованием, что значительно удешевляет стоимость системы.
      • высокая суммарная производительность;
      • высокая надежность работы системы;
      • наилучшее соотношение производительность/стоимость;
      • возможность динамического перераспределения нагрузок между серверами;
      • легкая масштабируемость, то есть наращивание вычислительной мощности путем подключения дополнительных серверов;
      • удобство управления и контроля работы системы.
      • задержки разработки и принятия общих стандартов;
      • большая доля нестандартных и закрытых разработок различных фирм, затрудняющих их совместное использование;
      • трудности управления одновременным доступом к файлам;
      • сложности с управлением конфигурацией, настройкой, развертыванием, оповещениями серверов о сбоях и т.п.
      • память: T2-P: PC1600/PC2100/PC2700/PC3200, до 2Гб, 2 DIMM слота
      • память: T2-R: PC1600/PC2100/PC2700, до 2Гб, 2 DIMM слота;
      • материнская плата: P4P8T, Intel 865G / ICH 5, 800/533/400МГц FSB
      • материнская плата: P4R8T, ATI RS300/IXP200, 800/533/400MГц FSB;
      • видео: интегрированная 64Mб
      • ATI Radeon 9100, DVI, 64Mб;
      • слоты: одинаковы для обеих систем: PCI, AGP 8x;
      • сеть: 10/100Mбит/с, Wireless 802.11b WiFi
      • сеть: 10/100Мбит/с;
      • аудио: 6-канальный AC97 S/PDIF выход кнопки Audio DJ, Audio CD, FM radio studio
      • аудио: 6-канальный AC97 S/PDIF выход;
      • карты памяти: Compact Flash Type I/II, Microdrive, Memory Stick, Memory Stick Pro, Secure Digital, MultiMedia Card, Smart Media Card
      • карты памяти: нет;
      • отсеки для приводов: 3.5 FDD, 3.5 HDD, 5.25 ODD
      • отсеки для приводов: 3.5 FDD, 3.5 HDD, 5.25 ODD;
      • выходы на задней панели: 4xUSB 2.0, PS/2 клавиатура, PS/2 мышь, VGA (D-SUB), Game / MIDI, RJ-45 LAN (10/100 Мбит/с), Line-in/out, выход динамиков, FM антенна, антенна адаптера 802.11b, GIGA LAN, ТВ-тюнер
      • выходы на задней панели: 2xUSB 2.0, PS/2 клавиатура, PS/2 мышь, VGA (D-SUB), Game / MIDI, RJ-45 LAN(10/100 Мбит/с), Line-in/out, выход наушников, FM антенна

      Blue Gene будет установлен в Ливерморскую национальную лабораторию им. Лоуренса. Основные его задачи - моделирование погодных условий и изучение космического пространства.

      Blue Gene будет состоять из 130 тысяч процессоров, и его производительность будет составлять 360 терафлопс.

      Чипы IBM используются в системе, неформально называемой Big Mac. PowerPC 970 состоит из 1100 двухпроцессорных компьютеров Apple G5, занимая в общем списке третью строчку, с производительностью в 10,3 триллионов операций в секунду.

      Процессоры Opteron используются в 2816-процессорном кластере, и его производительность составляет 8 триллионов операций в секунду.

      Интересен факт, что общая производительность 500 лучших систем растет экспоненциально, увеличиваясь в десять раз примерно каждые четыре года. Порог в 1000 терафлопов (триллионов операций в секунду) планируется достигнуть к 2005 году.

      Самые прочные позиции в списке у HP или IBM: соотношение числа систем - 165 против 159 в пользу HP

      Классификация вычислительных систем и принципы их построения

      Вычислительная система – это совокупность программного обеспечения и аппаратных средств вычислительной техники, которая предназначена для обработки данных.

      Первые вычислительные системы создавались для того, чтобы увеличить уровень надежности и быстродействие посредством параллельного выполнения операций вычисления. Время, за которое распространяется сигнал между составляющими вычислительной системы может быть значительно выше, чем время переключения электронных схем. Параллелизм выполнения операций системой увеличивает надежность, при отказе какого-либо элемента системы его функции может выполнять другой элемент, а также достоверность ее функционирования, если операции будут дублировать друг друга, то результаты их выполнения будут сравниваться и мажоритироваться. Разработка вычислительной системы опирается на следующие принципы:

      1. Обеспечение требуемого сервиса при выполнении вычислений.
      2. Возможность работы в различных режимах.
      3. Способность вычислительной системы к самоорганизации, самонастройки и адаптации.
      4. Строгая иерархия в организации управления процессами.
      5. Стандартизация и унификация программных и технических решений.
      6. Модульность структуры программных и технических средств, способствующая совершенствованию и модернизации системы без коренных переделок.

      Сейчас уже накоплен большой опыт в эксплуатации и разработке вычислительных систем, которые существенно отличаются друг от друга, что уже заметно на уровне структуры. Структура вычислительной системы представляет собой совокупность элементы и связи между ними. В качестве составляющих вычислительной системы выступают отдельные электронно-вычислительные машины и процессоры. В система, которые относятся к классу больших систем, возможно рассматривать структуры программных и технических средств, структуры управления и т. п. Современные вычислительные системы классифицируются по нескольким признакам:

      Готовые работы на аналогичную тему

      1. Назначение. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на специализированные и универсальные. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач, а универсальные на задачи широкого спектра.
      2. Тип построения. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на многомашинные, которые строятся на базе нескольких компьютеров, и многопроцессорные, строящиеся на базе нескольких процессоров.
      3. Тип процессоров или электронно-вычислительных машин. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на однородные и неоднородные. Однородная система строится на базе однотипных процессоров и компьютеров, а неоднородные на различных типов.
      4. Метод управления элементами вычислительной системы. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на децентрализованные (функции управления разделены между элементами), централизованные (управление осуществляется центральным процессором или машиной), а также системы со смешанным управлением.
      5. Принцип закрепления вычислительных функций. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на системы с жестким и плавающим закреплением.
      6. Режим работы. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на системы, которые работают в неоперативном или оперативном режимах.
      7. Степень территориальной разобщенности модулей системы. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на иерархические, структурно-одноуровневые, распределенные и территориально-сосредоточенные.

      Архитектура вычислительной системы

      Архитектура вычислительной системы – это совокупность параметров и характеристик, которые определяют структурную и функционально-логическую организацию вычислительной системы.

      Согласно классификации Флинна, которая основана на независимости потока команд и независимости данных, обрабатываемых в каждом потоке, выделяют четыре основных типа архитектуры вычислительной системы:

      Читайте также: