Файл: 1-337.pdf

34 Глава  Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

Характерным примером первого подхода может служить система Sequent Balan-

ce 8000, в которой имеется большая основная память, разделяемая 20 процессорами.

Помимо этого, каждый процессор оснащен собственной кэш-памятью. Каждый из
процессоров может выполнять задачу своего пользователя, но при этом в составе

программного обеспечения имеется библиотека подпрограмм, позволяющая про-
граммисту привлекать для решения своей задачи более одного процессора. Систе-
ма широко использовалась для исследования параллельных алгоритмов и техни-
ки программирования.

Второе направление развития систем пятого поколения — системы с распреде-

ленной памятью, где каждый процессор обладает своим модулем памяти, а связь
между процессорами обеспечивается сетью взаимосвязей. Примером такой ВС
может служить система

 фирмы Intel, более известная как «гиперкуб». Мак-

симальный вариант системы включал 128 процессоров. Применение распределен-
ной памяти позволило устранить ограничения в пропускной способности тракта

«процессор-память», но потенциальным «узким местом» здесь становится сеть

взаимосвязей.

Наконец, третье направление в архитектуре вычислительных систем пятого

поколения — это ВС, в которых несколько тысяч достаточно простых процессоров
работают под управлением единого устройства управления и одновременно про-
изводят одну и ту же операцию, но

 над своими данными. К этому классу

можно отнести Connection Machine фирмы Thinking Machines Inc. и

 фирмы

 Inc.

В научных вычислениях по-прежнему ведущую роль играют векторные

ЭВМ. Многие производители предлагают более эффективные варианты с несколь-
кими векторными процессорами, но число таких процессоров обычно невелико
(от 2 до 8).

RISC-архитектура выходит из стадии экспериментов и становится базовой ар-

хитектурой для рабочих станций (workstations).

Знаковой приметой рассматриваемого периода стало стремительное развитие

технологий глобальных и локальных компьютерных сетей. Это стимулировало
изменения в технологии работы индивидуальных пользователей. В противовес
мощным универсальным ВС, работающим в режиме разделения времени, пользо-
ватели все более отдают предпочтение подключенным к сети индивидуальным
рабочим станциям. Такой подход позволяет для решения небольших задач задей-

ствовать индивидуальную машину, а при необходимости в большой вычислитель-
ной мощности обратиться к ресурсам подсоединенных

 сети мощных файл-

серверов или суперЭВМ.

Шестое поколение

На ранних стадиях эволюции вычислительных средств смена поколений ассоци-

ировалась с революционными технологическими прорывами. Каждое из первых
четырех поколений имело четко выраженные отличительные признаки и вполне
определенные хронологические рамки. Последующее деление на поколения уже
не столь очевидно и может быть понятно лишь при ретроспективном взгляде на

развитие вычислительной техники. Пятое и шестое поколения в эволюции ВТ —
это отражение нового качества, возникшего в результате последовательного на-

Концепция машины с хранимой в памяти программой 35

копления частных достижений, главным образом в архитектуре вычислительных
систем и, в несколько меньшей мере, в сфере технологий.

Поводом для начала отсчета нового поколения стали значительные успехи

в области параллельных вычислений, связанные с широким распространением вы-
числительных систем с массовым параллелизмом. Особенности организации та-
ких систем, обозначаемых аббревиатурой МРР (massively parallel processing), бу-

дут рассмотрены в последующих разделах. Здесь же упрощенно определим их как
совокупность большого количества (до нескольких тысяч) взаимодействующих,
но достаточно автономных вычислительных машин. По вычислительной мощно-
сти такие системы уже успешно конкурируют с суперЭВМ, которые, как ранее от-
мечалось, по своей сути являются векторными ВС. Появление вычислительных
систем с массовым параллелизмом дало основание говорить о производительности,
измеряемой в TFLOPS (1

 соответствует 10

12

 операциям с плавающей за-

пятой в секунду).

Вторая характерная черта шестого поколения — резко возросший уровень ра-

бочих станций. В процессорах новых рабочих станций успешно совмещаются RISC-
архитектура, конвейеризация и параллельная обработка. Некоторые рабочие стан-
ции по производительности сопоставимы с суперЭВМ четвертого поколения.
Впечатляющие характеристики рабочих станций породили интерес к гетерогенным
(неоднородным) вычислениям, когда программа, запущенная на одной рабочей стан-
ции, может найти в локальной сети не занятые в данный момент другие станции,
после чего вычисления распараллеливаются и на эти простаивающие станции.

Наконец, третьей приметой шестого поколения в эволюции ВТ стал взрывной

рост глобальных сетей. Этот момент, однако, выходит за рамки данной книги, по-
этому далее комментироваться не будет.

Завершая обсуждение эволюции ВТ, отметим, что верхняя граница шестого

поколения хронологически пока не определена и дальнейшее развитие вычисли-
тельной техники может внести в его характеристику новые коррективы. Не ис-
ключено также, что последующие события дадут повод говорить и об очередном
поколении.

Концепция машины с хранимой

в памяти программой

Исходя из целей данного раздела, введем новое определение термина «вычисли-

тельная машина» как совокупности технических средств, служащих для автома-
тизированной обработки дискретных данных по заданному алгоритму.

Алгоритм — одно из фундаментальных понятий математики и вычислитель-

ной техники. Международная организация стандартов (ISO) формулирует поня-
тие

 алгоритм

 как «конечный набор предписаний, определяющий решение задачи

посредством конечного количества операций» (ISO 2382/1-84). Помимо этой стан-

дартизированной формулировки существуют и другие определения. Приведем

наиболее распространенные из них. Итак, алгоритм — это:
• способ преобразования информации, задаваемый с помощью конечной систе-

мы правил;

36 Глава  Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

• совокупность правил, определяющих эффективную процедуру решения любой

задачи из некоторого заданного класса задач;

• точно определенное правило действий, для которого задано указание, как и в

какой последовательности это правило необходимо применять к исходным дан-
ным задачи, чтобы получить ее решение.
Основными свойствами алгоритма являются: дискретность, определенность,

массовость и результативность.

Дискретность

 выражается в том, что алгоритм описывает действия над диск-

ретной информацией (например, числовой или символьной), причем сами эти дей-
ствия также дискретны.

Свойство

 определенности

 означает, что в алгоритме указано все, что должно

быть сделано, причем ни одно из действий не должно трактоваться двояко.

Массовость алгоритма подразумевает его применимость к множеству значений

исходных данных, а не только к каким-то уникальным значениям.

Наконец,

 результативность

 алгоритма состоит в возможности получения ре-

зультата за конечное число шагов.

Рассмотренные свойства алгоритмов предопределяют возможность их реали-

зации на ВМ, при этом процесс, порождаемый алгоритмом, называют

 вычислитель-

ным процессом.

В основе архитектуры современных ВМ лежит представление алгоритма реше-

ния задачи в виде программы последовательных вычислений. Согласно стандарту
ISO 2382/1-84, программа для ВМ — это «упорядоченная последовательность ко-
манд, подлежащая обработке».

ВМ, где определенным образом закодированные команды программы хранят-

ся в памяти, известна под названием

 вычислительной машины с хранимой в памя-

ти программой.

 Идея принадлежит создателям вычислителя

 Эккерту, Моч-

ли и фон Нейману. Еще до завершения работ над

 они приступили к новому

проекту —

 главной особенностью которого стала концепция хранимой

в памяти программы, на долгие годы определившая базовые принципы построе-
ния последующих поколений вычислительных машин. Относительно авторства
существует несколько версий, но поскольку в законченном виде идея впервые была
изложена в 1945 году в статье фон Неймана [219], именно его фамилия фигурирует
в обозначении архитектуры подобных машин, составляющих подавляющую часть
современного парка ВМ и ВС.

Сущность фон-неймановской концепции вычислительной машины можно све-

сти к четырем принципам:

• двоичного кодирования;
• программного управления;
• однородности памяти;
• адресности.

Принцип двоичного кодирования

Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодиру-

ются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется

Концепция машины с хранимой в памяти программой 37

ной последовательностью и имеет свой

 формат.

 Последовательность битов в фор-

мате, имеющая определенный смысл, называется

 полем.

 В числовой информации

обычно выделяют

 поле знака

 и

 поле значащих разрядов.

 В формате команды можно

выделить два поля (рис. 1.2):

 поле кода операции

 (КОп) и

 поле адресов

 (адресную

часть — АЧ).

Код операции представляет собой указание, какая операция должна быть вы-

полнена, и задается с помощью r-разрядной двоичной комбинации.

Вид адресной части и число составляющих ее адресов зависят

 типа команды:

в командах преобразования данных АЧ содержит адреса объектов обработки

 (опе-

рандов)

 и результата; в командах изменения порядка вычислений — адрес следую-

щей команды программы; в командах ввода/вывода — номер устройства ввода/
вывода. Адресная часть также представляется двоичной последовательностью,
длину которой обозначим через  Таким образом, команда в вычислительной ма-
шине имеет вид (

r  р

)-разрядной двоичной комбинации.

Принцип программного управления

Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть пред-
ставлены в виде

 программы,

 состоящей из последовательности управляющих

слов —

 команд.

 Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора опе-

раций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся
в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются

в естественной последовательности,

 то есть в порядке их положения в программе.

При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность мо-

жет быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд програм-
мы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычис-
лений, либо безусловно.

Принцип однородности памяти

Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразли-

чимы. Распознать их можно только по способу использования. Это позволяет про-
изводить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно,
открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть
можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных.
Такой прием носит название

 модификации команд

 и с позиций современного про-

граммирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие
принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены
как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе

трансляции

 — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конк-

ретной

Концепция вычислительной машины, изложенная в статье фон Неймана, пред-

полагает единую память для хранения команд и данных. Такой подход был принят

38 Глава  Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

в вычислительных машинах, создававшихся в Принстонском университете, из-за

чего и получил название

 принстонской архитектуры.

 Практически одновременно

в Гарвардском университете предложили иную модель, в которой ВМ имела от-
дельную память команд и отдельную память данных. Этот вид архитектуры назы-
вают

 гарвардской архитектурой.

 Долгие годы преобладающей была и остается

принстонская архитектура, хотя она порождает проблемы пропускной способности
тракта

 В последнее время в связи с широким использовани-

ем кэш-памяти разработчики ВМ все чаще обращаются к гарвардской архи-
тектуре.

Принцип адресности

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процес-
сору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные

 команд

и данных разделяются на единицы информации, называемые

 словами,

 и хранятся

в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих яче-

ек —

 адреса.

Фон-неймановская архитектура

В статье фон Неймана определены основные устройства

 с помощью которых

должны быть реализованы вышеперечисленные принципы. Большинство совре-
менных ВМ по своей структуре отвечают принципу программного управления.
Типичная фон-неймановская ВМ (рис. 1.3) содержит: память, устройство управ-
ления, арифметико-логическое устройство и устройство ввода/вывода.

Рис.

 Структура фон-неймановской вычислительной машины

В любой ВМ имеются средства для ввода программ и данных к ним. Информа-

ция поступает из подсоединенных к ЭВМ

 периферийных устройств

 (ПУ) ввода.

Результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода. Связь

и взаимодействие ВМ и ПУ обеспечивают

 порты ввода

 и

 порты вывода.

 Терми-

ном

 порт

 обозначают аппаратуру сопряжения периферийного устройства с ВМ

и управления им. Совокупность портов ввода и вывода

 устройством вво-

да/вывода

 (УВВ) или

 модулем ввода/вывода

 ВМ (МВБ).