Вычислительные системы вс в которых управление выполняет выделенный компьютер или процессор это

Типы вычислительных систем

Важную роль в развитии вычислительной техники, средств обработки информации и управляющих устройств, являющихся основой автоматизации в различных сферах человеческой деятельности, сыграло появление микропроцессоров. Неослабевающий интерес к микропроцессорам объясняется такими их свойствами, как низкая стоимость, высокая надежность, компактность и значительные вычислительные и функциональные возможности, позволяющие применять их даже там, где использование средств цифровой обработки информации ранее считалось нецелесообразным.
В любой стране достижение высоких экономических и социальных результатов в значительной степени зависит от масштабов и темпов информатизации общества, использования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности.

Содержание

Вложенные файлы: 1 файл

Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:

1. Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).
2. Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.
3. Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

Номенклатура видов компьютеров сегодня огромная: машины различаются по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т.д. Поэтому классифицируют ЭВМ по разным признакам. Следует заметить, что любая классификация является в некоторой мере условной, поскольку развитие компьютерной науки и техники настолько бурное, что, например, сегодняшняя микроЭВМ не уступает по мощности миниЭВМ пятилетней давности и даже суперкомпьютерам недавнего прошлого. Кроме того, зачисление компьютеров к определенному классу довольно условно через нечеткость разделения групп, так и вследствии внедрения в практику заказной сборки компьютеров, где номенклатуру узлов и конкретные модели адаптируют к требованиям заказчика. Рассмотрим распространенные критерии классификации компьютеров.

Вычислительные системы и их классификация

К настоящему времени спроектированы и опробованы сотни различных компьютеров, использующих в своей архитектуре тот или иной вид параллельной обработки данных.

Попытки систематизировать все множество архитектур вычислительных систем начались в конце 60-х годов и непрерывно продолжаются по сей день. Ясно, что навести порядок в хаосе очень важно для лучшего понимания исследуемой предметной области, тем более что нахождение удачной классификации может иметь целый ряд существенных следствий. Вычислительные системы могут классифицироваться по различным признакам. Причем количество и интерпретация этих признаков различными авторами различна. В основном ВС классифицируются по следующим признакам:

a) по типу компонентов вычислительные системы разделяются на:

Ÿ неоднородные.

Однородная ВС строится на базе однотипных компьютеров или процессоров. Однородные системы позволяют использовать стандартные наборы технических, программных средств, применять стандартные протоколы (процедуры) сопряжения всех компонентов вычислительной системы. Поэтому расширение, модернизация, техническое и программное обслуживание таких систем является вполне определенными и достаточно простыми процедурами.

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

b) по режимам работы вычислительные системы разделяются на:

Ÿ оперативные (режим on-line);

Ÿ неоперативные (режим off-line).

Оперативные системы работают в реальном масштабе времени, в них реализуется оперативный режим обмена информацией — ответы на запросы поступают незамедлительно.

В неоперативных ВС допускается режим «задержанного ответа», когда результаты выполнения запроса можно получить с некоторой задержкой (иногда даже в следующем сеансе работы системы).

c) по способу управления различают ВС:

Ÿ с централизованным управлением;

Ÿ децентрализованным управлением..

В первом случае управление выполняет выделенный компьютер или процессор, во втором — эти компоненты равноправны и могут брать управление на себя.

d) по месту расположения ВС подразделяются на:

Ÿ территориально-сосредоточенные (все компоненты располагаются в непосредственной близости друг от друга);

Ÿ распределенные (компоненты могут располагаться на значительном расстоянии, например, вычислительные сети).

e) по количеству и типу вычислительных машин входящих в систему ВС делятся на:

Ÿ одномашинные;

Ÿ многомашинные;

Ÿ многопроцессорные.

Одномашинные системы состоят из одного комплекта управляющих, вычислительных и внешних устройств (которых может быть достаточно много и разных).

Многомашинные системы могут из нескольких или множества комплектов процессоров и внешних устройств.

Многопроцессорные системы могут иметь в своем составе от двух до нескольких десятков и сотен процессоров, связанных с общей памятью.

Лекция 3

Раздел 2 Информационно — логические основы ЭВМ

Тема 2.1 Системы счисления и форматы данных ЭВМ

План лекции

двоичная система счисления;

шестнадцатеричная система счисления.

– Преобразование чисел из одной системы счисления в другую.

– Алгебраическое представление двоичных чисел в ЭВМ.

– Форматы представления чисел в ЭВМ:

представление чисел в форме с фиксированной точкой;

представление числа в форме с плавающей точкой.

– Типы данных 32 − разрядных ЭВМ:

форматы данных CPU;

форматы данных FPU;

– Диапазоны чисел, обрабатываемые процессорами.

– Кодирование информации в ЭВМ;

– Физическое представление информации в ЭВМ

Основная часть лекции

Системы счисления

Системой счисления называется способ записи и наименования чисел символами, имеющими определенные количественные значения.

Существуют позиционные и непозиционные системы счисления.

В позиционных системах счисления для написания чисел существует определённый набор символов — цифр, и каждую позицию цифры в числе принято оценивать весом – показателем степени основания системы. Основание системы (Р) – это соотношение весов двух соседних цифр в числе; в каждой системе для записи чисел используется столько цифр, каково основание системы.

Например: Возьмём число 111 в десятичной системе счисления где Р = 10. В этом числе цифра 1 принимает значение единицы, десяти и сотни, то есть положение цифры в числе определяет её значение (вес).

Систем счисления существует довольно много –10-я, 2-я, 8-я, 16-я, и т.д. Некоторые из них приведены в таблице 2.

Таблица 2.1– Распространенные системы счисления

Системы счисления	Основание системы	Цифры системы счисления
Двоичная	Р = 2	0, 1
Пятеричная	Р = 5	0, 1, 2, 3, 4
Восьмеричная	Р = 8	0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
Десятичная	Р = 10	0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
Шестнадцатеричная	Р = 16	0, 1, 2, 3 ÷ 9, A, B, C, D, E, F

Если обозначить: а_1,а_2, … а_n – цифры целой части числа;

Р – основание системы счисления.

То любое число Х, в любой системе счисления можно записать в соответствии со следующим уравнением:

Если взять вещественное десятичное число 6321,564, то в соответствии с уравнением его можно представить следующим образом:

6 10 3 + 3 10 2 + 2 10 1 + 1 10 0 , 5 10 -1 + 6 10 -2 + 4 10 -3 = 6312,564.

Двоичное число 110101101 в соответствии с формулой можно записать следующим образом:

110101101=1×2 8 +1×2 7 +0×2 6 +1×2 5 +0×2 4 +1×2 3 +1×2 2 +0×2 1 +1×2 0 = 256+128+0+32+0+8+4+0+1 = 429

Двоичная система счисления

В двоичной системе для записи любого числа используются всего два символа (две цифры), что хорошо согласуется с техническими характеристиками цифровых схем, имеющих лишь два устойчивых состояния. Как правило, в качестве символов в двоичной системе служат цифры 0 и 1. Иногда используются и другие термины: “включено – выключено”, “низкий – высокий уровень”, “знак – пробел”. Однако в любом случае речь идет о двух возможных состояниях. Каждой цифре числа, записанного в двоичной системе, так же как и в десятичной, присвоен определённый вес в соответствии с основанием системы и номером позиции этой цифры в числе. В двоичной системе основание Р равно 2. Тогда вес любого разряда (цифры) будет равен произведению символа разряда (0 или 1) на 2 в степени равной порядковому номеру разряда.

Значение веса каждой цифры, расположенной справа от точки, равно основанию двоичной системы, возведенной в отрицательную степень, соответствующей положению цифры в числе. Так вес первой цифры после запятой будет равен 2 -1 , второй – 2 -2 , третьей – 2 -3 , четвертой – 2 -4 , и т.д.

Выразим эти веса через десятичные дроби:

2 -1 = 0.5, 2 -2 = 0.25, 2 -3 = 0.125, 2 -4 = 0.0625, 2 -5 = 0.03125, 2 -6 = 0.015625 и т.д.

В двоичной системе счисления даже небольшие числа занимают много позиций. Например:

101101,101₂ = 1 2 5 + 0 2 4 + 1 2 3 + 1 2 2 + 0 2 1 + 1 2 0 , 1 2 -1 +0 2 -2 +

+1 2 -3 = 32 + 0 + 8 + 4 + 1 + 0,5 + 0 + 0,125 = 45,625 ₁₀

т.е. двоичное число 101101,101 имеет такое же численное значение, что и десятичное число 45,625, но представлено девятью цифрами, что громоздко и неудобно в восприятии человеком.

Здесь и далее нижним индексом обозначается система счисления, в которой записано данное число; (101₂ – двоичное число, 101₁₀ – десятичное).

Двоичная арифметика

Сложение

Правила двоичного сложения: 0 + 0 = 0 1 + 0 = 1

0 + 1 = 1 1 + 1 = 10

Перенос единицы в старший разряд возникает при сложении, когда сумма одноимённых разрядов больше 1₂.

Например: 0 1 1 0 0 0 1 1₂ + 0 1 0 1 1 1 1 1₂ = 1 1 0 0 0 0 1 0 ₂ = 194₁₀

Двоичное число десятичное число

1 1 1 1 1 1 1 переносы 1 1

0 1 1 0 0 0 1 1 слагаемое 9 9

0 1 0 1 1 1 1 1 слагаемое 9 5

1 1 0 0 0 0 1 0 сумма 1 9 4

Таким образом, сложение двоичных чисел подобно сложению десятичных.

Вычитание

Правила двоичного вычитания: 0 – 0 = 0, 1 – 0 = 1,

1 – 1= 0, 0 – 1 = 1. (заем единицы из старшего разряда)

Например: 0 1 1 0 1 1 0 1₂ — 0 0 1 1 0 0 0 1₂ = 0 0 1 1 1 1 0 0₂

1 заём единицы 1 1

1 0 9 уменьшаемое 0 1 1 0 1 1 0 1

4 9 вычитаемое 0 0 1 1 0 0 0 1

0 6 0 разность 0 0 1 1 1 1 0 0

Таким образом, вычитание двоичных чисел подобно вычитанию десятичных.

Умножение

При двоичном умножении, как и при десятичном, перемножается множимое на множитель, и складываются частные произведения.

Правила двоичного умножения: 0 0 = 0, 1 0 = 0,

Операция обратная умножению, то есть производят вычитание до тех пор, пока уменьшаемое не станет меньше вычитаемого.

Производители CPU

На рынке есть два основных производителя центральных процессоров ― Intel и AMD.

Продукты Intel — дорогие, но имеют высокую производительность. Потребляют меньше энергии, следовательно меньше перегреваются. Имеют хорошую связь с оперативной памятью.

Продукты AMD значительно отстают от Intel, однако стоят дешевле. Они требуют много энергии и хуже взаимодействуют с оперативной памятью по сравнению с процессорами от Intel.

Видеокарта

Видеокарта представляет собой отдельную печатную плату, установленную в разъем PCI Express материнской платы и предназначена для вывода изображения на экран монитора. Она обрабатывает полученную информацию и преобразует в аналоговый и цифровой видеосигнал, который через разъем по кабелю поступает на монитор. На видеокарте, как правило, установлен процессор (GPU) и оперативная видеопамять.

Многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы. Суперкомпьютеры

Таким образом, каждая дополнительная инвестиция в вычислительную систему позволяет получить квадратичный эффект в производительности.

Виды Вычислительных Систем

• · Одномашинные (вычислительные машины);
• · Многомашинные (например, вычислительные сети);
• · Многопроцессорные.

Многомашинные вычислительные системы состоят из некоторого числа компьютеров, информационно взаимодействующих между собой. Машины могут находиться друг от друга на значительном расстоянии. Каждый компьютер работает под управлением своей ОС, поэтому обмен информацией между ЭВМ несколько замедлен (из-за необходимости согласования работы ОС). Информационное взаимодействие в многомашинной ВС может быть организовано на уровне:

• · Процессоров — через регистры процессорной памяти, это требует наличия специального программного обеспечения в ОС каждой ЭВМ;
• · Оперативной памяти — через программную реализацию общего поля в оперативной памяти, реализуется средствами ОС;
• · Каналов связи — обмен данными и доступ к внешней памяти и периферийным устройствам осуществляется через специально организованные каналы связи, которые реализуется внешним по отношению к ОС программным обеспечением (хотя часто используются встроенные — стандартные — средства сетевых ОС).
• · Однородные, то есть построенные на основе однотипных компьютеров или процессоров, что позволяет использовать стандартные наборы программных средств и типовые протоколы сопряжения устройств;
• · Неоднородные, то есть включающие в свой состав различные типы компьютеров или процессоров, из-за чего при построении системы приходится учитывать их различные технические и функциональные характеристики.

Некоторые специалисты (особенно практики) дают понятие однородности вычислительных сетей, отличное от понятия однородности вычислительной системы. Однородность вычислительной сети в этом случае предполагает наличие программной совместимости ее узлов. То есть локальная сеть, в которой объединено несколько персональных компьютеров, управляемых разными ОС (например, Unix и Windows), является, по их мнению, неоднородной вычислительной сетью. Поэтому при указании однородности/неоднородности вычислительной системы/сети об этом нужно помнить и точно выяснять что имеется в виду в данном конкретном случае.

• · Оперативные, то есть функционирующие в реальном масштабе времени, что позволяет реализовывать оперативные режим обмена информацией и незамедлительно получать ответы на свои запросы;
• · Неоперативные, в которых допускается режим «отложенного ответа» и результаты выполнения запроса получаются с некоторой задержкой (иногда в следующем сеансе работы системы).
• · С централизованным управлением (имеется выделенный компьютер или процессор, управляющей всей системой в целом);
• · С децентрализованным управлением (узлы системы — равноправны и могут брать управление на себя) Примеры: Глобальные вычислительные сети, вычислительные системы с перестраиваемой структурой.
• · Территориально-сосредоточенные;
• · Распределенные (вычислительные сети).
• · Структурно одноуровневые — имеется один общий уровень обработки данных;
• · Многоуровневые (иерархические) — машины (процессоры) распределены по разным уровням обработки информации, некоторые машины могут специализироваться на выполнении определенных функций (работа с внешними устройствами, выполнение специализированных задач).

• · Повышение надежности и достоверности результатов обработки информации (Пример: в системе «Шаттл» используется 5 вычислительных машин, решающих одну и ту же задачу, чтобы уменьшить вероятность появления ошибок в вычислениях);
• · Повышение скорости вычислений (Пример: Проект «SETI@Home»)
• · Децентрализация хранения и обработки данных (Пример: распределенные БД);

Принципы построения ВС

• · Возможность работы в разных режимах;
• · Модульность структуры технических и программных средств, что позволяет совершенствовать и модернизировать ВС без их коренных переделок;
• · Унификация и стандартизация технических и программных решений;
• · Иерархическая организация управления процессами;
• · Способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;
• · Обеспечение пользователей необходимым сервисом при выполнении вычислений.

Основные архитектуры вычислительных систем

В основу классификации заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий и независимость потоков данных. Отсюда возникает 4 возможных архитектуры ВС:

• · Архитектура «Одна команда — одно данное» (ОКОД, SISD, Single Instruction Single data). К ней относятся все однопроцессорные и одномашинные вычислительные системы. Параллелизм в таких ВС может достигаться за счет многофункциональной обработки данных (управление вводом/выводом, взаимодействие с внешними устройствами осуществляется специальными аппаратными средствами — контроллерами, сопроцессорами и т.п.), а также совместного выполнения операций отдельным блоками АЛУ процессора (конвейерная обработка данных, суперскалярная архитектура и др. — см. лекцию 4).
• · Векторная архитектура (ОКМД, «Одна команда — одно данное», SIMD, Single Instruction Multiple Data), на основе которой обычно строятся однородные многопроцессорные ВС. Все исполнители управляются одним и тем же потоком команд, однако каждый процессор обрабатывает свой собственный поток данных. Такая архитектура очень хорошо подходит для выполнения операций с векторами и матрицами, поэтому используется для решения линейных и дифференциальных уравнений, иных вычислительных задач.
• · Магистральная архитектура (МКОД, «Много команд — одно данное», MISD — Multiple Instruction Single Data), которая предлагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Такая архитектура может быть достаточно эффективной, однако не для всех задач можно построить конвейер достаточной длины. Кроме того, критичным становится время передачи данных от одного исполняющего устройства к другому.
• · Матричная архитектура (МКМД, «Много команд — много данных», MSMD Multiple Instruction Multiple Data) предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд. Говорить о единой ВС, а не о группе «рядом стоящих» ЭВМ можно только в том случае, если они работают согласованно, то есть решают некоторые части общей задачи. Теоретическая база для построения универсальных систем с такой архитектурой пока еще недостаточна. Для эффективной работы систем с такой архитектурой требуются специальные методы и технологии программирования.

Структура многопроцессорных вычислительных систем

Вычислительные системы с векторной и матричной архитектурой принято разделять на сильносвязанные (tightly-coupled) ислабосвязанные (loosely-coupled).

Сильносвязанные вычислительные системы характеризуются наличием общей разделяемой памяти, через которую происходит обмен данными. В настоящее время для организации разделяемой памяти используются технологии SMP (Shared Memory multiProcessing) и NUMA (Non-Uniform Memory Access). Обе технологии предусматривают логически единое адресное пространство, однако физическая структура памяти у них различается. В первом случае оперативная память имеет простую структуру и является общей для всех исполняющих устройств. (рис. 5.1). Во втором — предполагается иерархическая структура памяти, в соответствии с которой у каждого вычислителя (или группы вычислителей) имеется собственная (локальная) оперативная память и возможность удаленного доступа к оперативной памяти других вычислителей. Удаленный доступ к данным осуществляется через высокоскоростной коммутатор, объединяющий все модули памяти в единую сеть (рис. 5.2).

Кроме того, сильносвязанные ВС часто имеют единый управляющий центр, который распределяет задания между вычислителями.Достоинствами таких систем являются высокая скорость взаимодействия и относительно небольшие физические размеры. Предельным случаем сильносвязанных ВС являются многоядерные процессоры — здесь два или более вычислительных устройства реализованы на одной микросхеме. У каждого ядра имеется свой кэш первого уровня. Основная задача таки процессоров — параллельное исполнение потоков сложных, многопоточных приложений (серверов БД и т.п.).

Слабосвязанные системы имеют автономные информационные ресурсы и выполняют автономные задачи. Взаимодействие между вычислителями происходит по высокоскоростным каналам связи. В западной литературе именно слабосвязанные многопроцессорные ВС называют кластерами. В отечественной литературе можно встретить такие понятия как «сильносвязанный кластер» и «слабосвязанные кластер», то есть кластером называют любую многопроцессорную (и даже многомашинную) вычислительную систему.

вычислительный система оперативный матричный

Рис. 5.1. Структура оперативной памяти для технологии SMP

Рис. 5.1. Структура оперативной памяти для технологии NUMA

Суперкомпьютер — это компьютер, который на момент выпуска лидирует по своим вычислительным возможностям.

Впервые термин “Super Computing” появился в 1920 году в одной из нью-йоркских газет в статье, описывающей новую модификацию электромеханической машины Холлерита.

Вектор развития суперкомпьютеров в настоящее время довольно сильно изменился по сравнению с 60-80 годами прошлого века. До конца 80-ых суперкомпьютеры предполагали наличие собственной уникальной архитектуры. Архитектура процессоров для суперЭВМ разрабатывалась ведущими специалистами (инженерами и программистами), которые постоянно вносили в нее какие-нибудь новые идеи и технологии. Из-за этого процессоры для суперкомпьютеров становились «штучным» товаром. Все это давало мощный толчок для развития компьютерных технологий, поскольку то, что сегодня было реализовано в суперкомпьютере, завтра становилось нормой для любой ЭВМ (Примеры: конвейерная обработка данных, суперскалярная архитектура, появление кэш-памяти и т.п.). Одним из самых известных разработчиков высокопроизводительных компьютеров считается Сеймур Крэй, основатель компании Cray Inc. До начала 90-ых именно его машины во всем мире признавались суперкомпьютерами (хотя сам он никогда не использовал этот термин) и обладали наилучшими характеристиками.

С середины 90-ых ситуация изменилась. В настоящее время считается экономически более целесообразным создавать кластерные суперкомпьютеры, построенные на огромном количестве процессоров с обычной архитектурой. Нюансы архитектуры большинства суперЭВМ теперь заключаются только в технологиях взаимодействия вычислительных устройств между собой и с внешними устройствами. Многие специалисты утверждают, что такое использование «вычислительного ширпотреба» нельзя считать эффективным способом построения суперкомпьютеров. С ними во многом можно согласиться. Возможно, такое изменение вектора развития класса суперкомпьютеров является следствием общего застоя в развитии информационных технологий, который (по оценкам ряда специалистов) наблюдается уже 15 лет. Сейчас развитие вычислительной техники и информационных технологий практически на 100% носит экстенсивный характер, а качественно новых концепций становится все меньше.