загрузка...
загрузка...
На головну

Загальні принципи організації сучасних обчислювальних систем (архітектура фон Неймона, багатопроцесорні системи, машини, керовані потоками даних).

  1. Amp; 8. Держава - ядро ??політичної організації суспільства
  2. B.3. Системи економетричних рівнянь
  3. CASE-технологія створення інформаційних систем
  4. D.3. Системи економетричних рівнянь
  5. HTML: Загальні відомості.
  6. I. 2. 2. Сучасна психологія і її місце в системі наук
  7. I. 2.4. Принципи та методи дослідження сучасної психології

Архітектура фон Неймана (Англ. von Neumann architecture) - Широко відомий принцип спільного зберігання програм і даних в памятікомпьютера. Обчислювальні системи такого роду часто позначають терміном «машина фон Неймана», проте, відповідність цих понять не завжди однозначно. У загальному випадку, коли говорять про архітектуру фон Неймана, мають на увазі фізичне відділення процесорного модуля від пристроїв зберігання програм і даних.

Наявність заданого набору виконуваних команд і програм було характерною рисою перших комп'ютерних систем. Сьогодні подібний дизайн застосовують з метою спрощення конструкції обчислювального пристрою. Так, настільні калькулятори, в принципі, є пристроями з фіксованим набором виконуваних програм. Їх можна використовувати для математичних розрахунків, але неможливо застосувати для обробки тексту і комп'ютерних ігор, для перегляду графічних зображень або відео. Зміна вбудованої програми для такого роду пристроїв вимагає практично повної їх переробки, і в більшості випадків неможливо. Втім, перепрограмування ранніх комп'ютерних систем все-таки виконувалося, проте вимагало величезного обсягу ручної роботи з підготовки нової документації, перекоммутации і перебудови блоків і пристроїв і т. П.

Все змінила ідея збереження комп'ютерних програм в загальній пам'яті. На час її появи використання архітектур, заснованих нанаборах виконуваних інструкцій, і уявлення обчислювального процесу як процесу виконання інструкцій, записаних в програмі, надзвичайно збільшило гнучкість обчислювальних систем в плані обробки даних. Один і той же підхід до розгляду даних і інструкцій зробив легкої завдання зміни самих програм.

Принципи фон Неймана:

1. Принцип двійкового кодування. Згідно з цим принципом, вся інформація, яка надходить в ЕОМ, кодується за допомогою двійкових сигналів (двозначних цифр, що бітів) і розділяється на одиниці, звані словами.

2. Принцип однорідності пам'яті. Програми та дані зберігаються в одній і тій же пам'яті. Тому ЕОМ не розрізняє, що зберігається в даній комірці пам'яті - число, текст або команда. Над командами можна виконувати такі ж дії, як і над даними.

3. Принцип адресується пам'яті. Структурно основна пам'ять складається з пронумерованих осередків; процесору в довільний момент часу доступна будь-яка ячейка.Отсюда слід можливість давати імена областям пам'яті, так, щоб до зберігаються в них значень можна було б згодом звертатися або міняти їх в процесі виконання програми з використанням привласнених імен.

4. Принцип послідовного програмного управління. Припускає, що програма складається з набору команд, які виконуються процесором автоматично один за одним в певній послідовності.

5. Принцип жорсткості архітектури. Незмінюваність в процесі роботи топології, архітектури, списку команд.

Комп'ютери, побудовані на цих принципах, відносять до типу Фоннеймановская.

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

архітектура ЕОМ
 З середини 60-х років дуже сильно змінився підхід до створення обчислювальних машин. Замість розробки апаратури і засобів математичного забезпечення стала проектуватися система, що складається з синтезу апаратних (hardware) і програмних (software) коштів. При цьому на головний план висунулася концепція взаємодії. Так виникло нове поняття - архітектура ЕОМ.
 Під архітектурою ЕОМ прийнято розуміти сукупність загальних принципів організації апаратно-програмних засобів і їх основних характеристик, яка визначає функціональні можливості обчислювальної машини при вирішенні відповідних типів завдань.
 Архітектура ЕОМ охоплює значне коло проблем, пов'язаних зі створенням комплексу апаратних і програмних засобів і враховують велику кількість визначальних чинників. Серед цих факторів основними є: вартість, сфера застосування, функціональні можливості, зручність в експлуатації, а одним з основних компонентів архітектури вважаються апаратні засоби.
 Архітектуру обчислювального кошти необхідно відрізняти від структури ВС. Структура обчислювального кошти визначає його поточний склад на певному рівні деталізації і описує зв'язки всередині кошти. Архітектура ж визначає основні правила взаємодії складових елементів обчислювального кошти, опис яких виконується в тій мірі, в якій необхідно для формування правил взаємодії. Вона встановлює не всі зв'язки, а лише найбільш необхідні, які повинні бути відомі для більш грамотного використання застосовуваного засоби.
 Так, користувачеві ЕОМ байдуже, на яких елементах виконані електронні схеми, схемно або програмно виконуються команди тощо. Архітектура ЕОМ дійсно відображає коло проблем, які відносяться до загального проектування та побудови обчислювальних машин і їх ПО.
 Архітектура ЕОМ включає в себе як структуру, яка відображатиме склад ПК, так і програмно - математичне забезпечення. Структура ЕОМ - сукупність елементів і зв'язків між ними. Основним принципом побудови всіх сучасних ЕОМ є програмне керування.
 Основи вчення про архітектуру обчислювальних машин були закладені Джон фон Нейманом. Сукупність цих принципів породила класичну (фон-неймановскую) архітектуру ЕОМ.
 Фон Нейман не тільки висунув основоположні принципи логічного пристрою ЕОМ, але і запропонував її структуру, представлену на малюнку.

 Положення фон Неймана:
 u Комп'ютер складається з декількох основних пристроїв (арифметико-логічний пристрій, пристрій, що управляє, пам'ять, зовнішня пам'ять, пристрої введення та виведення)
 u Арифметико-логічний пристрій - виконує логічні і арифметичні дії, необхідні для переробки інформації, що зберігається в пам'яті
 u Контролер - забезпечує управління і контроль всіх пристроїв комп'ютера (керуючі сигнали вказані пунктирними стрілками)
 u Дані, які зберігаються в пристрої, представлені в двійковій формі
 u Програма, яка задає роботу комп'ютера, і дані зберігаються в одному і тому ж пристрої
 u Для введення і виведення інформації використовуються пристрої введення і виведення
 Сучасну архітектуру комп'ютера визначають такі принципи:
 Принцип програмного управління. Забезпечує автоматизацію процесу обчислень на ЕОМ. Згідно з цим принципом, для вирішення кожного завдання складається програма, яка визначає послідовність дій комп'ютера. Ефективність програмного керування тоді, коли задача розв'язується за тією самою програмою багато разів (хоч і за різних початкових даних).
 Принцип програми, що зберігається в пам'яті. Згідно з цим принципом, команди програми подаються, як і дані, у вигляді чисел й обробляються так само, як і числа, а сама програма перед виконання завантажується в оперативну пам'ять, що прискорює процес її виконання.
 Принцип довільного доступу до пам'яті. Відповідно до цього принципу, елементи програм та даних можуть записуватися в довільне місце оперативної пам'яті, що дозволяє звернутися по будь-якому заданому адресою (до конкретної ділянки пам'яті) без перегляду попередніх.
 На підставі цих принципів можна стверджувати, що сучасний комп'ютер - технічний пристрій, який після введення в пам'ять початкових даних у вигляді цифрових кодів і програми їх обробки, вираженої також цифровими кодами, здатний автоматично здійснити обчислювальний процес, заданий програмою, і видати готові результати розв'язання задачі у формі, придатній для сприйняття людиною.
 Реальна структура комп'ютера значно складніша, ніж розглянута вище (її можна назвати логічної структурою). У сучасних комп'ютерах, зокрема персональних, все частіше здійснюється відхід від традиційної архітектури фон Неймана, зумовлений прагненням розробників та користувачів до підвищення якості та продуктивності комп'ютерів. Якість ЕОМ характеризується багатьма показниками. Це і набір команд, які комп'ютер здатний розуміти, і швидкість роботи (швидкодія) центрального процесора, кількість периферійних пристроїв введення-виведення, можна приєднати до комп'ютера одночасно і т.д. Головним показником є ??швидкодія - кількість операцій, яку процесор здатний виконати за одиницю часу. На практиці користувача більше цікавить продуктивність комп'ютера - показник його ефективної швидкодії, тобто здатності не просто швидко функціонувати, а швидко розв'язувати конкретні поставлені задачі.
 Як результат, всі ці та інші чинники спричинили принципове і конструктивне вдосконалення елементної бази комп'ютерів, тобто створення нових, більш швидких, надійних і зручних в роботі процесорів, запам'ятовуючих пристроїв, пристроїв введення-виведення і т.д. Проте, слід враховувати, що швидкість роботи елементів неможливо збільшувати безмежно (існують сучасні технологічні обмеження та обмеження, зумовлені фізичними законами). Тому розробники комп'ютерної техніки шукають вирішення цієї проблеми вдосконаленням архітектури ЕОМ.
 Так, з'явилися комп'ютери з багатопроцесорної архітектурою, в якій кілька процесорів працюють одночасно, а це означає, що продуктивність такого комп'ютера дорівнює сумі продуктивностей процесорів. У потужних комп'ютерах, призначених для складних інженерних розрахунків і систем автоматизованого проектування (САПР), часто встановлюють два або чотири процесори. У надпотужних ЕОМ (такі машини можуть, наприклад, моделювати ядерні реакції в режимі реального часу, прогнозувати погоду в глобальному масштабі) кількість процесорів досягає кількох десятків.
 Швидкість роботи комп'ютера істотно залежить від швидкодії оперативної пам'яті. Тому, постійно ведуться пошуки елементів для оперативної пам'яті, потребували б якомога менше часу на операції читання-запису. Але разом із швидкодією зростає вартість елементів пам'яті, тому нарощення швидкодійної оперативної пам'яті потрібної ємності не завжди прийнятна економічно.
 Проблема вирішується побудовою багаторівневої пам'яті. Оперативна пам'ять складається з двох-трьох частин: основна частина великої ємності будується на відносно повільних (більш дешевих) елементах, а додаткова (так звана кеш-пам'ять) складається з швидкодіючих елементів. Дані, до яких найчастіше звертається процесор знаходяться в кеш-пам'яті, а більший обсяг оперативної інформації зберігається в основній пам'яті.
 Раніше роботою пристроїв введення-виведення керував центральний процесор, що займало чимало часу. Архітектура сучасних комп'ютерів передбачає наявність каналів прямого доступу до оперативної пам'яті для обміну даними з пристроями введення-виведення без участі центрального процесора, а також передачу більшості функцій управління периферійними пристроями спеціалізованим процесорам, що розвантажує центральний процесор і підвищує його продуктивність.

Архітектура сучасних суперЕОМ
 У цьому огляді не має сенсу зупинятися на деталях класифікації архітектури суперкомп'ютерів [3,4], обмежимося тільки розглядом типових архітектур суперЕОМ, широко поширених сьогодні, і наведемо класичну систематику Флінна [5].
 Відповідно до неї, все комп'ютери діляться на чотири класи в залежності від числа потоків команд і даних. До першого класу (послідовні комп'ютери фон Неймана) належать звичайні скалярні однопроцесорні системи: одиночний потік команд - одиночний потік даних (SISD). Персональний комп'ютер має архітектуру SISD, причому не важливо, використовуються у ПК конвеєри для прискорення виконання операцій.
 Другий клас характеризується наявністю одиночного потоку команд, але множинного nomoka даних (SIMD). До цього архітектурному класу належать однопроцесорні векторні або, точніше кажучи, векторно-конвеєрні суперкомп'ютери, наприклад, Cray-1 [6]. У цьому випадку ми маємо справу з одним потоком (векторних) команд, а потоків даних - багато: кожен елемент вектора входить в окремий потік даних. А до того класу обчислювальних систем ставляться матричні процесори, наприклад, знаменитий свого часу ILLIAC-IV. Вони також мають векторні команди, і реалізують векторну обробку, але не за допомогою конвеєрів, як і векторних суперкомп'ютерах, а за допомогою матриць процесорів.
 До третього класу - MIMD - ставляться системи, мають множинний потік команд і множинний потік даних. До нього належать не тільки багатопроцесорні векторні суперЕОМ, а й взагалі все багатопроцесорні комп'ютери. Переважна більшість сучасних суперЕОМ мають архітектуру MIMD.
 Четвертий клас у систематики Флінна, MISD, не представляє практичного інтересу, принаймні для аналізованих нами комп'ютерів. Останнім часом в літературі часто використовується також термін SPMD (одна програма - множинні дані). Він відноситься не до архітектури комп'ютерів, а до моделі розпаралелювання програм, тож є розширенням систематики Флінна. SPMD зазвичай відноситься до MPP (тобто MIMD) - системам і означає, що кілька копій однієї програми паралельно виконуються в різних процесорних вузлах з різними даними.
 Цікаво також згадати про принципово іншому напрямку в розвитку комп'ютерної архітектури - машинах потоків даних [7]. В середині 80-х років багато дослідників вважали, що майбутнє високопродуктивних ЕОМ пов'язано саме з комп'ютерами, керованими потоками даних, на відміну від усіх розглянутих нами класів обчислювальних систем, керованих потоками команд. У машинах потоків даних можуть одночасно виконуватися відразу багато команд, для яких готові операнди. Хоча ЕОМ з такою архітектурою сьогодні промислово не випускаються, деякі елементи цього підходу знайшли своє відображення в сучасних суперскалярні мікропроцесорах, що мають багато паралельно працюють функціональних пристроїв і буфер команд, які очікують готовності операндів. Як приклади таких мікропроцесорів можна привести HP РА-8000 [8] і Intel Pentium Pro [9].
 Відповідно до класифікації Флінна, розгляд архітектури суперЕОМ варто було б почати з класу SISD. Однак все векторно-конвеєрні (надалі - просто векторні) суперЕОМ мають архітектуру »не менше" SIMD. Що стосується суперкомп'ютерних серверів, що використовують сучасні мікропроцесори, таких як SGI POWER CHALLENGE на базі R8000 або DEC AlphaServer 8200/8400 на базі Alpha 21164, то їх мінімальні конфігурації бувають однопроцесорними. Однак, якщо не розглядати власне архітектуру цих мікропроцесорів, то всі особливості архітектури власне серверів слід аналізувати в "природною" мультипроцессорной конфігурації. Тому почнемо аналіз суперкомп'ютерних архітектур відразу з класу SIMD.



Попередня   1   2   3   4   5   6   7   8

Вектори. Лінійні операції над векторами. Поняття векторного простору, лінійної залежності, базису, координат вектора. | Скалярний твір, його властивості та геометричний зміст. | Рішення систем лінійних алгебраїчних рівнянь методом Гаусса. Еквівалентні системи і елементарні перетворення. | Функція, область визначення. Складні, неявні, зворотні функції. Основні елементарні функції | Межа функції. Нескінченно малі. Властивості меж. Порівняння нескінченно малих. Чудові межі. | Безперервність функції. Властивості функцій, неперервних на відрізку. |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати