Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Процессор ).pdf

Введение

С древних веков человеку необходимо было устройство для упрощения вычисления. Сначала это были обычные счеты, но с развитием технологий вычислительные машины тоже совершенствовались и прошли длинный путь развития. На данный момент известно о четырех поколения ЭВМ. Они прошли путь от вычислительных ламповых машин до современных компьютеров.

Основным критерием развития было повышение скорости вычисления или быстродействия системы. Наибольший прорыв был сделан с появления параллельного вычисления.

Вычислительные системы создаются для повышение ускорения процессов обработки данных, надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных возможностей, например сохранение результатов вычислений.

Целью данной работы является рассмотреть состав и свойства вычислительной системы, информационное и математическое обеспечение.

1. Состав и свойства вычислительной системы

Вычислительная система – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку[1, с. 40].

Термин вычислительная система появилась в начале 60х годов прошлого века. Это связано с переходом на новый элемент – интегральная схема. Что послужило причиной разработки 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. Объединив в себе все новшества, и появился термин «вычислительная система», т.е. возможность построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ[4, с. 37].

Паралелльное выполнение операций существенно повышает быстродействие системы, а так же надежность, если, на пример, выйдет из строя один элемент системы, его обязанности на себя может взять другой, и достоверность.

Для современных вычислительных систем требования совсем другие, а именно информационное обслуживание, сервис и качество этого обслуживания[1, с. 41].

В настоящее время широкий спектр в разработке и использовании ВС самого разнообразного применения. Эти системы очень сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками. Существует большое количество признаков, по которым классифицируют ВС:

– целевому назначению и выполняемым функциям,

– типам и числу ЭВМ или процессоров,

– архитектура системы,

– режима работы,

– методы управления элементами системы,

– степени территориальная удаленность элементов ВС.

По назначению вычислительные системы делятся на универсальные и специализированные. Универсальные системы предназначены для решения широкого класса задач[4, с. 38]. Они подразумевают гибкость, маштабируемость и программируемость системы исходя из потребностей. Что делает очень дорогостоящей такую систему, т.к. в нее закладывается больше трудозатрат. Однако на основе любой универсальной системы можно создать специализированную систему. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач. Этот признак определяется различными критериями:

– структура системы подразумевает обработку определенного вида информации: работа только с числами, только с файлами и т.д. Подобные вычислительные системы разрабатываются в основном для суперЭВМ;

– состав системы подразумевает использование специального оборудования и специальных пакетов обслуживания техники[4, с. 38].

По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном(on-line) и неоперативном временных режимах(off-line). On-line системы используют режим реального масштаба времени. Что подразумевает оперативный обмен информацией, незамедлительный ответ на запрос. В off-line системах возможен режим «отложенного ответа». Запрос будет выполнен с некоторой задержкой или даже в следующий сеанс работы[1, с. 42].

В зависимости от способа управления, вычислительные системы делятся на системы с централизованным управлением, т.е. управление выполняет выделенная машина или процессор, и децентрализованным, когда все компоненты равноправны и могут брать управление на себя[1, с. 42].

По типу ВС различаются на многомашинные и многопроцессорные.

Многомашинные вычислительные системы включают себя несколько компьютеров, информационно взаимодействующих друг с другом. Классическим примером служит компьютерная сеть[1, с. 57].

Многопроцесорная система содержит несколько процессоров, которые в процессе работы организуют информационный обмен и имеют единое управление вычислительными процессами[1, с. 57].

1.1 Состав вычислительной системы

Компьютерные системы строятся из трех компонентов: процессоров, памяти и устройств ввода-вывода.

1.1.1 Процессор

Процессор предназачен для того чтобы вызывать из памяти команды,определять их тип,а затем исполнять их.

Сам, в свою очередь, состоит из нескольких частей. Блок управления отвечает за вызов команд и определение их типа. Арифмитически-логическое устройство выполняет арифмитические и логичские операции[5, с. 70].

Внутри процессора находится память для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления. Эта память состоит из нескольких регистров, каждый из которых выполняет определенные функции.

Тракт данных состоит из регистров, АЛУ и нескольких соединительных шин. Содержимое регистров поступает в АЛУ, оно выполняет сложение, вычитание и другие операции над входными данными и помещает результат в выходной регистр. Содержимое этого регистра может записываться либо в регистр, либо в память[5, с. 70].

Большинство команд можно разделить на две группы: регистр-память и регистр-регистр.

Регистр-память вызывают слова из памяти, помещает их в регистры, где х использует в качестве входных данных АЛУ, после выполнения их помещают обратно в память.

Регистр-регистр оба операнда берутся из регистра, помещаются во входные регистры АЛУ, выполняют над ними какую-либо операцию и помещают обратно в регистр.

Этот процесс называется циклом тракта данных. Чем он проходит быстрее, тем быстрее работает компьютер[5, с. 71].

1.1.2 Память

Память – это тот компонент компьютера, в котором хранятся программы и данные

Иерархическая структура памяти позволяет хранить большие объемы данных.

Рисунок 1 - Иерархия памяти

При движении по иерархии(рисунок 1) сверху вниз меняются три параметра: время доступа, объем и стоимость.

Регистры находятся непосредственно в процессоре, поэтому у них самый быстрый доступ и самый меленький объем.

Кэш-память небольшого объема с высокой скоростью работы. В ней находятся слова к которым чаще всего обращаются. Если процессору нужно какое-то слово, он сначала ищет в кэш, если не находит идет в основную память[5, с. 96].

Основная память используется для хранения программ, которые выполняются в данный момент. Она содержит два вида запоминающих устройств: постоянно запоминающие и оперативно запоминающее.

ПЗУ(ROM – READ ONLY MEMORY) предназначена для хранения постоянной, неизменной информации. Информация в ней доступна только для считывания[1, с. 149].

ОЗУ(RAM – Random Access Memory) предназначена для оперативного хранения, считывания и записи информации. Достоинство: адресное обращение и быстродействие. Недостатки: информация не сохраняется после выключения компьютера[1, с. 156].

К внешней памяти относится накопители на жестких, гибких и магнитных дисках. Их основное назначение: хранение больших объемов данных, запись выдача информации в ОЗУ.

1.1.3 Устройства ввода-вывода

Устройства ввода-вывода используются для передачи информации в компьютер и из компьютера. Они связаны с процессором и памятью одной или несколькими шинами. В качестве примера можно назвать: терминалы, мыши, принтеры, сканеры и модемы.

1.2 Параллельные компьютерные архитектуры

Скорость работы компьютеров становиться все выше, но требования к ним тоже растут. Повышение производительности компьютера просто за счет увеличения тактовой частоты, становиться труднее, так как необходимо отводить тепло. Поэтому разработчики стали применять параллелизм для ускорения вычислений[5, с. 597].

Когда несколько процессоров или обрабатывающих элементов находятся рядом и обмениваются большими объемами данными с небольшими задержками называются сильносвязными. И наоборот, когда находятся далеко друг от друга и обмениваются небольшими объемами данных с большими задержками называются слабосвязными[5, с. 598].

Параллелизм можно применить на разных уровнях. На самом низком реализован в самомом процессоре за счет конвейрезации и суперскалярной архитектуры. На следующем уровне можно благодаря установке нескольких процессоров на одной микросхеме. Чтобы увеличить мощность в разы, необходимо соединить несколько процессоров и обеспечить взаимодействие. Так получаются мульпроцессорные системы и кластерные компьютеры. И наконец, с помощью интернета можно объединить целые организации. В итоге получаются слабосвязанные распределенные вычислительные сети[5, с. 597].

Рассмотрим более подробно каждый уровень параллелизма.

1.2.1 Внутрипроцессорный параллелизм

Внутрипроцессорный параллелизм может быть на уровне команд, многопоточность и размещение на одной микросхеме несколько процессоров.

Параллелизм на уровне команд достигается за счет вызова нескольких команд за один тактовый цикл. Процессоры, в которых реализуется этот принцип делятся на два типа: суперскалярные и со сверхдлинным комнадным словом(VLIW) [5, с. 599].

Суперскалярные процессоры за один тактовый цикл вызывают несколько команд.

Один конвейер обрабатывает команду за несколько шагов, каждый из которых реализован своим аппаратным компонентом. На пример принцип работы конвейера из 5 блоков[5, с. 79].

Первым шагом команда вызывается из памяти и помещается в буфер, где храниться, пока не понадобиться. Вторым декодирует её и определяет тип и тип её операндов. Третий шаг определяет определяется их местонахождение и вызывается из памяти. Четвертым шагом выполняется команда, проходя через тракт данных. И пятым шагом записывается результат в нужный регистр[5, с. 80].

Суперскалярная архитектура представляет собой конвейер с большим числом функциональных блоков

Рисунок 2 - Схема процессора с большим блоком команд

Другой вид параллелизма на уровне команд реализуется в процессорах со сверхдлинным командным словом. Изначально они действительно были длинными словами с командами, обращавшихся к нескольким функциональным блокам. Например конвейер на рисунке № 3 включается в себя пять функциональных блоков и способен выполнять одновременно две целочисленные операции, одну с плавающей точкой, одну команду загрузки и сохранения. Но возникли проблемы с тем что не все команды могли обращаться к соответствующим функциональным блокам, что привело к появлению пустых операций. Современные VLIW –системы предусмотрен механизм маркировки команд рисунок № 3 . Процессор может выбрать и запустить целиком связку. Компилятор отвечает за подготовку команд для совместного исполнения. По сути проблема совместимости команд переносится с периода исполнении на компиляцию. Что позволяет упростить и удешевить аппаратное обеспечение[1, с. 599].

Рисунок 3 – Конвейер

1.2.2 Внутрипроцессорная многопоточность

У современных конвейеризованных процессоров есть одна проблема: при обращении к памяти слово не находиться ни в кэш первого уровни, ни второго. На загрузку такого слова уходит длительное время, а конвейере в это время простаивает.

Один вариантов решения проблемы внутрипроцессорная многопоточность(on-chip multithreading). Что позволяет процессору одновременно управлять несколькими программными потоками и маскировать простои. Принцип многопоточности можно представить так: если программный поток 1 блокируется, процессор может обеспечить полную загрузку аппаратуры, запустив программный поток 2[5, с. 607].