45.Предпосылки совершенствования архитектуры эвм, представление о вычислительных системах.

Вычислительные машины за свою полувековую историю прошли стремительный и впечатляющий путь, отмеченный частыми сменами поколений ЭВМ. В этом процессе развития можно выявить целый ряд закономерностей:

· весь период развития средств электронной вычислительной техники отмечен доминирующей ролью классической структуры ЭВМ основанной на методах последовательных вычислений;

·основнымнаправлением совершенствования ЭВМ является неуклонный рост производительности (быстродействия) и интеллектуальности вычислительных средств;

· совершенствование ЭВМ осуществлялось в комплексе (элементно-конструкторская база, структурно-аппаратурные решения, системно-программный и пользовательский, алгоритмический уровни);

· в настоящее время наметился кризис классической структуры ЭВМ, связанный с исчерпанием всех основных идей последовательного счета. Возможности микроэлектроники также не безграничны, давление пределов ощутимо и здесь.

Дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) ЭВМ.

Термин вычислительная система появился в начале - середине 60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого явилось появление 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. Под вычислительной системой (ВС) будем понимать 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. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

По назначению вычислительные системы делят на универсальные(для решения самых различных задач) и специализированные( ориентированы на решение узкого класса задач) По типу вычислительные системы различаются на многомашинные и многопроцессорные ВС.По типу процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные(предполагают комплексирование однотипных ЭВМ) и неоднородные системы(разнотипных)

По методам управления элементами ВС различают централизованные(за выделение ресурсов отвечает процессор), децентрализованные(функции управления распределены между ее элементами) и со смешанным управлением(совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного). По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном(используют режим реального масштаба времени) и неоперативном временных режимах.

46.Технология конвейерной обработки команд и данных

Обработка команды, или цикл процессора, может быть разделена на несколько основных этапов, которые можно назвать микрокомандами. Каждая операция требует для своего выполнения времени, равного такту генератора процессора. Конвейеризация осуществляет многопоточную параллельную обработку команд, так что в каждый момент одна из команд считывается, другая декодируется и т. д., и всего в обработке одновременно находится пять команд. Таким образом, на выходе конвейера на каждом такте процессора появляется результат обработки одной команды (одна команда в один такт). Первая инструкция может считаться выполненной, когда завершат работу все пять микрокоманд. Каждая часть устройства называется ступенью конвейера, а общее число ступеней — длиной линии конвейера. С ростом числа линий конвейера и увеличением числа ступеней на линии увеличивается пропускная способность процессора при неизменной тактовой частоте.

56. Параллелизм и основные понятия связанные с ним

Большинство разработчиков для повышения производительности при данной тактовой частоте процессора используют параллелизм ( выполнение двух и более операций одновременно). Существует две основные формы параллелизма: параллелизм на уровне команд и параллелизм на уровне процессоров. В первом случае параллелизм реализуется за счет запуска большого количества команд каждую секунду. Во втором случае над одним заданием работают одновременно несколько процессоров. Каждый подход имеет свои преимущества.

56. Классификация архитектур ВС по Флинну

Общая классификация архитектур ЭВМ по признакам наличия параллелизма в потоках команд и данных. Была предложена в 70-е годы Майклом Флинном (Michael Flynn). Все разнообразие архитектур ЭВМ в этой таксономии Флинна сводится к четырем классам:

• ОКОД — Вычислительная система с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных (SISD, Single Instruction stream over a Single Data stream).

• ОКМД — Вычислительная система с одиночным потоком команд и множественным потоком данных (SIMD, Single Instruction, Multiple Data).

• МКОД — Вычислительная система со множественным потоком команд и одиночным потоком данных (MISD, Multiple Instruction Single Data).

• МКМД — Вычислительная система со множественным потоком команд и множественным потоком данных (MIMD, Multiple Instruction Multiple Data).

Типичными представителями SIMD являются векторные архитектуры. К классу MISD ряд исследователей относит конвейерные ЭВМ, однако это не нашло окончательного признания, поэтому можно считать, что реальных систем — представителей данного класса не существует. Класс MIMD включает в себя многопроцессорные системы, где процессоры обрабатывают множественные потоки данных.

Отношение конкретных машин к конкретному классу сильно зависит от точки зрения исследователя. Так, конвейерные машины могут быть отнесены и к классу SISD (конвейер — единый процессор), и к классу SIMD (векторный поток данных с конвейерным процессором) и к классу MISD (множество процессоров конвейера обрабатывают один поток данных последовательно), и к классу MIMD — как выполнение последовательности различных команд (операций ступеней конвейера) на множественным скалярным потоком данных (вектором).

56. Системы с общей и распределенной памятью

Системы с общей памятью

К системам этого типа относятся компьютеры с SMP архитектурой, различные разновидности NUMA систем и мультипроцессорные векторно-конвейерные компьютеры. Характерным словом для этих компьютеров является "единый": единая оперативная память, единая операционная система, единая подсистема ввода-вывода. Только процессоры образуют множество. Единая UNIX-подобная операционная система, управляющая работой всего компьютера, функционирует в виде множества процессов. Каждая пользовательская программа также запускается как отдельный процесс. Операционная система сама каким-то образом распределяет процессы по процессорам. Для распараллеливания программ используется механизм порождения нитей (threads) - легковесных процессов, для которых не создается отдельного адресного пространства, но которые на многопроцессорных системах также распределяются по процессорам.

 Системы с распределенной памятью

В системах этого типа на каждом вычислительном узле функционирует собственные копии операционной системы, под управлением которых выполняются независимые программы. Это могут быть как действительно независимые программы, так и параллельные ветви одной программы. В этом случае единственно возможным механизмом взаимодействия между ними является механизм передачи сообщений.

Стремление добиться максимальной производительности заставляет разработчиков при реализации механизма передачи сообщений учитывать особенности архитектуры многопроцессорной системы. Это способствует написанию более эффективных, но ориентированных на конкретный компьютер программ. Вместе с тем независимыми разработчиками программного обеспечения было предложено множество реализаций механизма передачи сообщений, независимых от конкретной платформы. Наиболее известными из них являются EXPRESS компании Parasoft и коммуникационная библиотека PVM (Parallel Virtual Machine), разработанная в Oak Ridge National Laboratory.