Файл: Архитектура современных компьютеров (Характеристика персонального компьютера).pdf

2.1 Классификация технических средств информатизации.

ЭВМ – комплекс аппаратных (технических) средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач, посредством выполнения задаваемой соответствующей программой последовательности операций.

Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

Рынок современных компьютеров отличается разнообразием и динамизмом, каких еще не знала ни одна область человеческой деятельности. Практика показала, что для решения различных задач нужна соответственно и различная вычислительная техника. В этих условиях любая предложенная классификация ЭВМ очень быстро устаревает и нуждается в корректировке. Например, еще десятилетие назад в основном использовалась классификация средств вычислительной техники, в основу которой было положено их разделение по быстродействию:

• СуперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных.
• Большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров.
• Средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными техноло-гическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут исполь-зоваться и для управления распределенной обработкой информации в качест-ве сетевых серверов.
• Малые компьютеры (мини-ЭВМ). Являются наиболее эффективными и компактными системами обработки информации, как научного, так и специ-ального назначения, в том числе для обработки телеметрической информа-ции в реальном масштабе времени. Подобные суперкомпьютеры могут стать основой самых совершенных прикладных систем военного назначения.
• Персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места для специалистов различного уровня.

В зависимости от назначения, существуют разнообразные классы персональных компьютеров.

Настольные ПК (Desktop или Tabletop) – малогабаритная ЭВМ настольного типа. Обычно состоит из системного блока, содержащего целый ряд устройств, обеспечивающих работу компьютера, клавиатуры, позволяющей вводить информацию в компьютер, и монитора (дисплея), предназначенного для изображения графической и текстовой информации.

Портативные (Portable) или мобильные (Mobile) ПК – представляют собой меньшие по размеру по сравнению с настольными ПК. Имеют встроенное автономное питание. Компактные компьютеры, содержащие все необходимые компоненты (в том числе монитор) в одном небольшом корпусе, как правило, складывающемся в виде книжки. Ноутбуки приспособлены для работы в дороге, на небольшом свободном пространстве. Для достижения малых размеров в них применяются специальные технологии: специально разработанные специализированные микросхемы, ОЗУ и жесткие диски уменьшенных габаритов, компактная клавиатура, не содержащая цифрового поля, внешние блоки питания, минимум гнезд расширения. Как правило, ноутбуки содержат развитые средства подключения к проводным и беспроводным сетям, встроенное мультимедийное оборудование, однако могут уступать по вычислительной мощности настольным ПК.

Планшетные и карманные ПК так же относятся к портативным устройствам. Они имеют еще более компактные размеры, снабжены чувствительным к нажатию экраном и не содержат механической клавиатуры. Ввод текста и управление осуществляются с помощью экрана и стилуса. Многие модели могут распознавать рукописный текст, написанный на экране.

Помимо настольных и портативных компьютеров можно выделить также ряд специальных модификаций ПЭВМ, например, защищенные и промышленные ПК. Ряд компаний производит компьютеры, обладающие устойчивостью к агрессивным средам: сильной вибрации, ударам, большой запыленности, влажности — условиям, в которых обычные ПК быстро бы вышли из строя. Как правило, защищенные ПК выпускаются в формате ноутбуков, более тяжелых и больших по размерам, чем обычные. Их стоимость также значительно выше. Промышленные ПЭВМ, предназначены для решения задач промышленной автоматизации. Отличаются стойкостью к различным внешним воздействиям, увеличенным жизненным циклом изделия, возможностью подключения к промышленным вычислительным сетям.

В конце 50-х годов компания компания IBM, которая лидировала тогда на компьютер­ном рынке, решила, что производство семейства компьютеров, каждый из кото­рых выполняет одни и те же команды, выгоднее и для самой компании, и для по­купателей. Чтобы охарактеризовать этот уровень совместимости, компания IBM ввела термин архитектура. Новое семейство компьютеров должно было иметь единую архитектуру и много разных моделей, отличающихся по цене и скорости, умеющих выполнять одни и те же программы.

2.2 Магистрально-модульный принцип архитектуры современных компьютеров.

В основу архитектуры современных ПК заложен магистрально-модульный принцип. ПК состоит из отдельных частей – модулей, которые являются относительно самостоятельными устройствами ПК (например, процессор, оперативная память, контроллер, дисплей, принтер, сканер и т.д.).

Модульный принцип позволяет пользователю самостоятельно комплектовать необходимую конфигурацию ПК и производить при необходимости его обновление. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Для работы ПК как единого механизма необходимо осуществлять обмен данными между различными устройствами, за что отвечает системная (магистральная) шина, которая выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.

Основные особенности архитектуры ПК сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.

Подобная архитектура характеризуется ее открытостью – возможностью включения в ПК дополнительных устройств (системных и периферийных), а также возможностью простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения ПК.^[16]

Т.к. при использовании системной магистрали для обмена процессора с памятью приходится учитывать скоростные ограничения самой магистрали, то существенного ускорения обмена данными с помощью магистрали добиться невозможно.

Для решения этого вопроса был предложен следующий подход. Системная память вместо системной магистрали подключается к специальной высокоскоростной шине, которая дистанционно находится ближе к процессору и не требует сложных буферов и больших расстояний.

В этом случае обмен с памятью идет с максимально возможной для процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это решение стало с ростом быстродействия процессора. Таким образом, структура ПК из одношинной, которая применялась только в первых компьютерах, становится трехшинной (рис. 8).

Рис.8

2.3 Массивно-параллельные системы современных компьютеров.

Классифицируя современные компьютеры, которые практически все относятся к классу MIMD будем основываться на анализе используемых в системах способах организации оперативной памяти. На рис.2 приведена классификация класса MIMD.

Рис.9 Структура класса современных вычислительных систем.

Для мультипроцессоров учитывается способ построения общей памяти. Возможный подход - использование единой (централизованной) общей памяти. Такой подход обеспечивает однородный доступ к памяти (uniform memory access or UMA) и служит основой для построения векторных суперкомпьютеров (parallel vector processor, PVP) и симметричных мультипроцессоров (symmetric multiprocessor or SMP). Среди примеров первой группы суперкомпьютер Cray T90, ко второй группе относятся IBM eServer p690, Sun Fire E15K, HP Superdome, SGI Origin 300 и др.^[17]

Общий доступ к данным может быть обеспечен и при физически распределенной памяти (при этом, естественно, длительность доступа уже не будет одинаковой для всех элементов памяти). Такой подход именуется как неоднородный доступ к памяти (non-uniform memory access or NUMA). Среди систем с таким типом памяти выделяют:

• Системы, в которых для представления данных используется только локальная кэш память имеющихся процессоров (cache-only memory architecture or COMA); примерами таких систем являются, например, KSR-1 и DDM;
• Системы, в которых обеспечивается однозначность (когерентность) локальных кэш памяти разных процессоров (cache-coherent NUMA or CC-NUMA); среди систем данного типа SGI Origin2000, Sun HPC 10000, IBM/Sequent NUMA-Q 2000;
• Системы, в которых обеспечивается общий доступ к локальной памяти разных процессоров без поддержки на аппаратном уровне когерентности кэша (non-cache coherent NUMA or NCC-NUMA); к данному типу относится, например, система Cray T3E.

Мультикомпьютеры (системы с распределенной памятью) уже не обеспечивают общий доступ ко всей имеющейся в системах памяти (no-remote memory access or NORMA). Данный подход используется при построении двух важных типов многопроцессорных вычислительных систем - массивно-параллельных систем (massively parallel processor or MPP) и кластеров (clusters). Среди представителей первого типа систем - IBM RS/6000 SP2, Intel PARAGON/ASCI Red, транспьютерные системы Parsytec и др.; примерами кластеров являются, например, системы AC3 Velocity и NCSA/NT Supercluster.

Следует отметить чрезвычайно быстрое развитие кластерного типа многопроцессорных вычислительных систем.

Как уже отмечалось, основным параметром классификации параллельных компьютеров является наличие общей (SMP) или распределенной памяти (MPP). Нечто среднее между SMP и MPP представляют собой NUMA-архитектуры, где память физически распределена, но логически общедоступна. Кластерные системы являются более дешевым вариантом MPP. При поддержке команд обработки векторных данных говорят о векторно-конвейерных процессорах, которые, в свою очередь могут объединяться в PVP-системы с использованием общей или распределенной памяти.

Все большую популярность приобретают идеи комбинирования различных архитектур в одной системе и построения неоднородных систем.

2.4 Симметричные мультипроцессорные системы (SMP).

Рис.10

Архитектура: Система состоит из нескольких однородных процессоров и массива общей памяти (обычно из нескольких независимых блоков). Все процессоры имеют доступ к любой точке памяти с одинаковой скоростью. Процессоры подключены к памяти либо с помощью общей шины (базовые 2-4 процессорные SMP-сервера), либо с помощью crossbar-коммутатора (HP 9000). Аппаратно поддерживается когерентность кэшей.^[18]

Примеры: HP 9000 V-class, N-class; SMP-cервера и рабочие станции на базе процессоров Intel (IBM, HP, Compaq, Dell, ALR, Unisys, DG, Fujitsu и др.).

Масштабируемость: Наличие общей памяти сильно упрощает взаимодействие процессоров между собой, однако накладывает сильные ограничения на их число - не более 32 в реальных системах. Для построения масштабируемых систем на базе SMP используются кластерные или NUMA-архитектуры.

Операционная система: Вся система работает под управлением единой ОС (обычно UNIX-подобной, но для Intel-платформ поддерживается Windows NT). ОС автоматически (в процессе работы) распределяет процессы/нити по процессорам (scheduling), но иногда возможна и явная привязка.

Модель программирования: Программирование в модели общей памяти. (POSIX threads, OpenMP). Для SMP-систем существуют сравнительно эффективные средства автоматического распараллеливания.

SMP - это один компьютер с несколькими равноправными процессорами, но с одной памятью, подсистемой ввода/вывода и одной ОС. Каждый процессор имеет доступ ко всей памяти, может выполнять любую операцию ввода/вывода, прерывать другие процессоры и т.д., но это представление справедливо только на уровне программного обеспечения. На самом же деле в SMP имеется несколько устройств памяти.

Каждый процессор имеет по крайней мере одну собственную кэш-память, что необходимо для достижения хорошей производительности, поскольку основная память работает слишком медленно по сравнению со скоростью процессоров (и это соотношение все больше ухудшается), а кэш работает со скоростью процессора, но дорог, и поэтому устройства кэш-памяти обладают относительно небольшой емкостью.^[19] Из-за этого в кэш помещается лишь оперативная информация, остальное же хранится в основной памяти. Отсюда возникает проблема когерентности кэшей - получение процессором значения, находящегося в кэш-памяти другого процессора. Это решается при помощи отправки широковещательного запроса всем устройствам кэш-памяти, основной памяти и даже подсистеме ввода/вывода, если она работает с основной памятью напрямую, с целью получения актуальной информации.