3501

Слабосвязанные МКЦД-сжтемы могут строиться как многомашинные комплексы или использовать в качестве средств передачи информации общее поле внешней памяти на дисковых накопителях большой емкости.

Невысокая оперативность взаимодействия заранее предопределяет ситуации, в которых число межпроцессорных конфликтов при обращении к общим данным и к друг другу было бы минимальным. Для этого необходимо, чтобы ЭВМ комплекса обменивались друг с другом с небольшой частотой, обеспечивая автономность процессов (программы и данные к ним) и параллелизм их выполнения. Только в этом случае обеспечивается надлежащий эффект. Эти проблемы решаются в сетях ЭВМ.

Успехи микроинтегральной технологии и появление БИС и СБИС позволяют расширить границы и этого направления. Возможно построение систем с десятками, сотнями и даже тысячами процессорных элементов, с размещением их в непосредственной близости друг от друга. Если каждый процессор системы имеет собственную память, то он также будет сохранять известную автономию в вычислениях. Считается, что именно такие системы займут доминирующее положение в мире компьютеров в ближайшие десятьпятнадцать лет. Подобные ВС получили название систем с массовым параллелизмом (МРР - Mass-Parallel Processing).

Все процессорные элементы в таких системах должны быть связаны единой коммутационной средой. Нетрудно видеть, что здесь возникают проблемы, аналогичные ОКМД-системам, но на новой технологической основе.

Передача данных в МРР-системах предполагает обмен не отдельными данными под централизованным управлением, а подготовленными процессами (программами вместе с данными). Этот принцип построения вычислений уже не соответствует принципам программного управления классической ЭВМ. Передача данных процесса по его готовности больше соответствует принципам построения ―потоковых машин‖ (машин, управляемых потоками данных). Подобный подход позволяет строить системы с громадной производительностью и реализовывать проекты с любыми видами параллелизма, например перейти к ―систолическим вычислениям‖ с произвольным параллелизмом. Однако для этого необходимо решить целый ряд проблем, связанных с описанием, программированием коммутаций процессов и управлением ими. Математическая база этой науки в настоящее время практически

14.5. Организация функционирования вычислительных систем

Управление вычислительными процессами в ВС осуществляют операционные системы, которые являются частью общего программного обеспечения. В состав ОС включают как программы централизованного управления ресурсами системы, так и программы автономного

600

использования вычислительных модулей. Последнее условие необходимо, так как в ВС обычно предусматривается более высокая надежность функционирования, например требование сохранения работоспособности при наличии в ней хотя бы одного исправного модуля. Требование увеличения производительности также предполагает возможность параллельной и даже автономной работы модулей при обработке отдельных заданий или пакетов заданий.

Взависимости от структурной организации ВС можно выявить некоторые особенности построенияих операционных систем.

Операционные системы многомашинных ВС являются более простыми.

Обычно они создаются как надстройка автономных ОС отдельных ЭВМ, так как здесь каждая ЭВМ имеет большую автономию в использовании ресурсов (своя оперативная и внешняя память, свой обособленный состав внешних устройств и т.д.). В них широко используются программные методы локального ( в. пределахвычислительного центра) и дистанционного (сетевая обработка) комплексирования.

Общим для построения ОС многомашинных комплексов служит тот факт, что для каждой машины ВС другие играют роль некоторых внешних устройств, и их взаимодействие осуществляется по интерфейсам, имеющим унифицированное программное обеспечение. Все обмены данными между ЭВМ должны предусматриваться пользователями путем включения в программы специальных операторов распараллеливания вычислений. По этим обращениям ОС ВС включает особые программы управления обменом. При этом ОС должна обеспечивать распределение и последующую пересылку заданий или их частей, оформляя их в виде самостоятельных заданий. Такие ОС, организуя обмен, должны формировать и устанавливать связи, контролировать процессы обмена, строить очереди запросов, решать конфликтные ситуации.

Вмногомашинных ВС диспетчерские функции могут решаться на централизованной или децентрализованной основе. Связь машин обычно устанавливается в порядке подчиненности : ―главная ЭВМ - вспомогательная ЭВМ‖. Например, в пакете Norton Commander имеется возможность установить подобную связь : ―Master‖ - ―Slave‖.

Программное обеспечение многопроцессорных ВС отличается большей сложностью. Это объясняется глубиной и сложностью всестороннего анализа процессов, формируемых в ВС, а также сложностью принятия решения в каждой конкретной ситуации. Здесь все операции планирования и диспетчеризации связаны с динамическим распределением ресурсов (оперативной и внешней памяти, процессоров, данных системных таблиц, программ, периферийного оборудования и т.п.). Центральное место в этом играют степень использования и методы управления общей оперативной памятью. Здесь очень часто могут формироваться множественные конфликты, требующие сложных процедур решения, что приводит к

601

задержкам в вычислениях. Как таковые автономные ОС отдельных процессоров отсутствуют.

Для обеспечения эффективной работы многопроцессорных систем их операционные системы специализируют по следующим типовым методам взаимодействия процессоров:

―ведущий-ведомый‖;

симметричная или однородная обработка во всех процессорах;

раздельная независимая работа процессоров по обработке заданий. Выбор метода ―ведущий - ведомый‖ в наибольшей степени соответствует ВС с централизованным управлением. Тут имеется определенная аналогия с многомашинными системами, организованными по принципу ―главная ЭВМ - вспомогательная ЭВМ‖. Диспетчерские функции выполняются только одним процессором системы. Закрепление этих функций может быть фиксированным и плавающим. Для этого может выделяться специализированный процессор или обычный процессор универсального типа, переключающийся и на выполнение

вычислений.

Системы типа ―ведущий - ведомый‖ отличаются довольно простым аппаратурным и программным обеспечением. Они должны получить распространение в МРР-структурах, но следует иметь в виду, что длительное время планирования может быть причиной простоев ведомых вычислителей. Симметричная или однородная обработка в матрице процессоров возможна при использовании однотипных процессорных элементов, каждый из которых имеет непосредственные связи по передаче данных с другими. В отличие от ОКМД-структур ранних выпусков, в которых синхронизировалось выполнение отдельных команд, в МРР-структурах симметричная обработка должна обеспечивать синхронизацию выполнения целых процессов. К сожалению, ни один из существующих языков программирования не содержит эффективных средств управления параллельными вычислениями. Такая система имеет большие достоинства. Она обладает существенно более высокой живучестью и сохраняет работоспособность при выходе из строя даже нескольких процессоров матрицы, так как здесь имеется более высокий уровень резервирования. В ней обеспечивается более полная загрузка процессоров с лучшим использованием их процессорного времени. Расход других общесистемных ресурсов также эффективнее.

В связи с успехами микроэлектроники появилась возможность реализовывать эти структуры в виде сверхбольших интегральных схем (СБИС), что позволяет получить дополнительные преимущества:

короткие соединительные линии между процессорными элементами. Это приводит к расширению полосы пропускания и уменьшению задержек;

602

регулярность структуры, позволяющая увеличивать плотность упаковки СБИС и упрощать ее разработку;

высокую степень распараллеливания вычислений, что позволяет

обеспечить высокую производительность.

Для управления процессом вычислений из однородной среды процессорных элементов выделяется один, играющий роль ведущего. Эти функции при необходимости могут передаваться от одного процессора к другому.

Раздельная или независимая работа вычислителей в многопроцессорных ВС осуществляется при параллельной обработке независимых заданий. Это позволяет получить максимальную производительность системы. Процедуры управления ею достаточно просты и уже апробированы в практических вариантах.

603

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Одним из направлений развития вычислительной техники на сегодняшний день является поистине фантастическая идея создания схем на основе органических молекул, которые являлись бы своеобразными реле, диодами, транзисторами. В создание новых поколений компьютеров включаются, казалось бы, такие далекие от электроники науки, как биохимия и генная инженерия. Конечно, трудно сегодня говорить о практическом решении задачи построения совершенной, сверхбыстродействующей модели «живого компьютера», но уже ведутся эксперименты с молекулами белка, химическая структура которых умела бы находиться в двух состояниях и работать в двоичной системе. Один из таких «кирпичиков» будущей машины уже создан. Ученым удалось синтезировать молекулу, в которой два протона и два электрона могут перемещаться от одного конца к другому, создавая ситуацию

«ДА — НЕТ», 1 — 0.

Но для создания биологического компьютера только наличия такой молекулы недостаточно. Необходимы еще и биохимические структуры, которые работали бы как вентили, т. е. пропускали бы ток в одном направлении и не пропускали в другом. Уже сейчас имеются довольно четкие представления о том, как должны выглядеть такие молекулярные диоды. На одном конце биоанод, а на другом— биокатод и соединены они непроводящей средой. Весь вопрос в том, чтобы успеть создать такой непроводящий «мост» до того, как химически прореагируют друг с другом части синтезированной молекулы, отдающие и принимающие электроны.

Если удастся подойти к этой проблеме и получить хорошо действующую структуру, то речь пойдет уже о массовом производстве основных счетных элементов. И вот здесь на помощь традиционным методам химической технологии должны прийти методы генной инженерии. В бактериях-производителях могут быть произведены такие специальные генетические изменения, что они станут синтезировать нужную белковую конструкцию, создавая тем самым уже готовые элементы биопроцессора и биопамяти. Из таких элементов, как из кирпичиков, можно складывать сложнейшие структуры. В таком же объеме пространства, какое занимают современные микрокомпьютеры, могли бы, например, поместиться

604

сотни сложных белковых молекул-конструкций, и каждая из них могла бы взять на себя выполнение функций подобной микроЭВМ. Будущее обещает нам поистине впечатляющие перспективы.

605

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Калабеков Б.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1988. 368 с.

2.Балашов Е.П., Григорьев В.Л., Петров Г.А. Микро- и миниЭВМ: Учеб. пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1984. 376 с.

3.Нестеров П.В., Шаньгин В.Ф., Горбунов В.Л. и др. Микропроцессоры: Учеб. пособие для вузов: В 3-х кн. / Под общ. ред. Преснухина Л.Н. М.: Высшая школа, 1986. Кн.1–495 с., Кн.2–383 с.,

Кн.3–351 с.

4.Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ: Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1987. 318 с.

5.Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для втузов. СПб.: Политехника, 1996. 885 с.

6.Злобин В.К., Григорьев В.Л. Программирование арифметических операций в микропроцессорах: Учеб. пособие для технических вузов. М.: Высш. Шк., 1991. 303 с.

7.Майоров В.Г., Гаврилов А.И. Практический курс программирования микропроцессорных систем: Учеб. пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1989. 266 с.

8.Аверьянов Н.Н., Березенко А.И., Борщенко Ю.Н. и др. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник: В 2-х т. / Под общ. ред. Шахнова В.А. М.:

Радио и связь, 1988. Т.1–368 с., Т.2–368 с.

9.Хвощ С.Т., Варлинский Н.Н., Попов Е.А.. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления: Справочник. Л.: Машиностроение, 1987.640 с.

10.Гордонов А.Ю., Бекин Н.В., Цыркин В.В. и др. Большие интегральные схемы запоминающих устройств: Справочник / Под общ. ред. Гордонова А.Ю. и Дьякова Ю.Н. М.: Радио и связь, 1990. 288 с.

11.Лебедев О. Н. Применение микросхем памяти в электронных устройствах: Справочное пособие. М.: Радио и связь, 1994. 216 с.

12.Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И., Телец В.А. Изделия электронной техники. Цифровые микросхемы. Микросхемы памяти. Микросхемы ЦАП и АЦП: Справочник. М.: Радио и связь, 1994. 248 с.

13.Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: Функционирование, параметры, применение. М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.

14.Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры: Инженерные решения: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио

исвязь, 1990. 512 с.

606

15.Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник. М.: Радио и связь, 1990. 304 с.

16.Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. М.: Радио и связь, 1987. 352 с.

17.Мячев А.А., Иванов В.В. Интерфейсы вычислительных систем на базе мини- и микроЭВМ / Под ред. Наумова Б.Н. М.: Радио

исвязь, 1986. 248 с.

18.Мячев А.А., Степанов В.Н., Щербо В.К. Интерфейсы систем обработки данных: Справочник / Под общ. ред. Мячева А.А. М.: Радио

исвязь, 1989. 415 с.

19.Алексенко А.Г., Галицын А.А., Иванников А.Д. Проектирование радиоэлектронной аппаратуры на микропроцессорах: Программирование, типовые решения, методы отладки. М.: Радио и связь, 1984. 272 с.

20.Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х т.: Пер.

с англ: 4-е изд. М.: Мир, 1993. Т.1–413 с., Т.2–371 с., Т.3–367 с.

21.Токхейм У. Основы цифровой электроники (название не

точное).

22.Амамия М., Танака Ю. Архитектура ЭВМ и искусственный интеллект:Пер. с яп.-М.: Мир, 1993.-400 с.

23.Программирование на параллельных вычислительных системах/ Р. Бэбб, Дж. Мак-Гроу, Т. Аксельрод и др.: Пер. с анг. -М.:

Мир, 1991. -376 с.

24.Головкин Б. А. Вычислительные системы с большим числом процессоров.-М.: Радио и связь, 1995.-320 с.

25.Королев Л.Н. Сравнительный анализ базовых архитектур современных платформ // Информатика и вычислительная техника,

ВИМИ,1995, вып.1-2, 1-115 (49-60)

26.Смелянский Л. , Лекции ВМиК, М.: 1996

27.Майерс Г. Архитектура современных ЭВМ: В 2-кн. Кн.1:

Пер. с англ.- М.: Мир, 1985.-364 с.

28.Открытые системы, журнал

29.Тоффоли Т., Марголус Н. Машины клеточных автоматов.

М.: Мир,1991.

30.Хоровиц П. Искусство схемотехники.- М.: Мир,1999. - 704 с

31.Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/С. В. Якубовский, Л. И. Ниссельсон, В. И. Кулешова и др.; Под ред. С. В. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1990. - 496 с.: ил.

32.Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / П.П.Мальцев, Н.С.Долидзе, М.И.Критенко и др.- М.: Радио и связь, 1994.-240 с.

607

33.Цилькер Б.Я., Макеев В.Я. Архитектура вычислительных машин.- Рига: ИТС, 2000. -213 с.

34.Колесниченко О. В. Аппаратные средства PC.- СПб: "БХВ - Санкт-Петербург", 1999.- 780 с.

35.Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия.- СПб.:

Питер, 1998.- 816 с.

36.Жаров А. Железо IBM 2001 издание 7-е.- М.: Микро-арт, 2000.- 368 с.

37.Айден К., Фибельман Х., Крамер М. Аппаратные средства PC: Пер. с нем.- СПб.:BHV-Санкт-Петербург, 1997.- 544 с.

38.Артамонов Г.Т., Тюрин В.Д. Топология сетей ЭВМ и многопроцессорных систем.- М.: Радио и связь, 1991.-248 с.

39.Белоус А. И. и др. Микропроцессорный комплект БИС серии К1815 Для цифровой обработки сигналов: Справочник/ А. И. Белоус, О. В. Подрубный, В. М. Журба и др. Под ред. А.И.Сухопарова

-М.: Радио и связь, 1992.-256 с.

40.Пей Ан Сопряжение ПК с внешними устройствами.- М.:

ДМК, 2001.- 320 с.

41.Васильева В. Персональный компьютер. Быстрый старт.- СПб.: BHV, 2001.- 480 с.6. Ветров С Компьютерное "железо". Полное руководство пользователя.- М.: Солон, 2001.- 560 с.

42.Гинзбург А., Милчев М., Солоницын Ю. Периферийные устройства.- СПб.: Питер, 2001.- 448 с.

43.Ленк Д. 500 практических схем на популярных ИС М.- М.:

ДМК, 2001.-448 с.

44.Степаненко О.С. Персональный компьютер. Учебный курс.-

М.: "Вильямс", 2000.- 432 с.

45.Фигурнов IBM PC для пользователя 7-е издание.- М.:

Инфра-М, 1999.- 640 с.

46.Цифровые интегральные схемы: Справочник: 2-е изд., перераб. и доп.- Минск: "Беларусь","Полымя", 1996

608

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………..………………………………………………………………3

Глава 1 Общие вопросы истории развития и построения ЭВМ……………….4

1.1Немного истории………………..…………………………………………4

1.2Основные характеристики ЭВМ………………..………………………..6

1.3Классификация средств ЭВТ……………………………………………10

1.4Общие принципы постороения современных ЭВМ…………………...17

1.5Функции программного обеспечения…………………………………..25

1.6Персональные ЭВМ…………….………………………………………..28

Глава 2 Представление информации в ЭВМ…………………………………..34

2.1.Позиционные системы счисления………………………………………34

2.2.Двоичная система счисления……………………………………………35

2.2.1.Преобразование двоичных чисел в десятичные…………………..36

2.2.2.Преобразование десятичных чисел в двоичные…………………..36

2.2.3.Двоично-десятичная система счисления…………………………..39

2.3.Восьмеричная система счисления………………………………………40

2.4.Шестнадцатеричная система счисления……………………………….41

2.5.Двоичная арифметика…………………………………………………...42

2.5.1.Сложение…………………………………………………………….43

2.5.2.Вычитание…………………………………………………………...43

2.5.3.Умножение…………………………………………………………..43

2.5.4.Деление………………………………………………………………45

2.6.Прямой, обратный и дополнительный коды…………………………...47

2.6.1.Прямой код…………………………………………………………..47

2.6.2.Обратный код………………………………………………………..48

2.6.3.Дополнительный код……………………………………………….49

2.6.4.Сложение и вычитание в дополнительном коде………………….51

2.6.5.Признак переполнения разрядной сетки………………………….54

2.6.6.Деление в дополнительном коде…………………………………..56

2.6.7.Правило перевода из дополнительного кода в десятичную систему……………………………………………………………………..56

2.6.8.Модифицированные коды………………………………………….57

2.6.9.Арифметика повышенной точности……………………………….58

2.7.Представление дробных чисел в ЭВМ числа с фиксированной и плавающей запятой…………………………………………………………..59

2.7.1.Числа с фиксированной запятой…………………………………...59

2.7.2.Числа с плавающей запятой………………………………………..62

2.7.3.Сложение (вычитание) ЧПЗ………………………………………...66

2.7.4.Умножение ЧПЗ……………………………………………………..68

2.7.5.Методы ускорения умножения……………………………………..70

2.7.6.Деление чисел с плавающей запятой………………………………71

2.8.Десятичная арифметика…………………………………………………71

2.8.1.Сложение двоично-десятичных чисел…………………………….72

609