Архитектура ВМ и систем

лизовать подобную схему удается далеко не всегда и обычно она применяется лишь для не слишком больших систем.

Многопоточные системы используются для обеспечения единого интерфейса к ряду ресурсов, которые могут со временем произвольно наращиваться (или сокращаться). Типичным примером может служить группа web-серверов.

В 1994 году Томас Стерлинг (Sterling) и Дон Беккер (Becker) создали 16-узловой кластер из процессоров Intel DX4, соединенных сетью 10 Мбит/с Ethernet с дублированием каналов. Они назвали его "Beowulf" по названию старинной эпической поэмы. Кластер возник в центре NASA. Beowulf-кластер, как правило, является системой, состоящей из одного серверного узла (который обычно называется головным), а также одного или нескольких подчиненных (вычислительных) узлов, соединенных посредством стандартной компьютерной сети. Система строится с использованием стандартных аппаратных компонентов, таких как ПК, запускаемые под Linux, стандартные сетевые адаптеры (например, Ethernet) и коммутаторы. Нет особого программного пакета, называемого "Beowulf". Вместо этого имеется несколько кусков программного обеспечения, которые многие пользователи нашли пригодными для построения кластеров Beowulf. Beowulf использует такие программные продукты как операционная система Linux, системы передачи сообщений PVM, MPI, системы управления очередями заданий и другие стандартные продукты. Серверный узел контролирует весь кластер и обслуживает файлы, направляемые к клиентским узлам.

Проблемы выполнения сети связи процессоров в кластерной системе.

Архитектура кластерной системы (способ соединения процессоров друг с другом) в большей степени определяет ее производительность, чем тип используемых в ней процессоров. Критическим параметром, влияющим на величину производительности такой системы, является расстояние между процессорами. Так, соединив вместе 10 персональных компьютеров, мы получим систему для проведения высокопроизводительных вычислений. Проблема, однако, будет состоять в поиске наиболее эффективного способа соединения стандартных средств друг с другом, поскольку при увеличении производительности каждого процессора в 10 раз производительность системы в целом в 10 раз не увеличится.

Рассмотрим для примера задачу построения симметричной 16-процессорной системы, в которой все процессоры были бы равноправны. Наиболее естественным представляется соединение в виде плоской решетки, где внешние концы используются для подсоединения внешних устройств.

41

Наиболее эффективной является архитектура с топологией "толстого дерева" (fattree). Процессоры локализованы в листьях дерева, в то время как внутренние узлы дерева скомпонованы во внутреннюю сеть. Поддеревья могут общаться между собой, не затрагивая более высоких уровней сети.

Кластерная архитектура "Fat-tree":

Поскольку способ соединения процессоров друг с другом больше влияет на производительность кластера, чем тип используемых в ней процессоров, то может оказаться более целесообразным создать систему из большего числа дешевых компьютеров, чем из меньшего числа дорогих.

Кластерная архитектура "Fat-tree" (вид сверху на предыдущую схему):

43

Лекция 6. Основные типы средств вычислительной техники

1.Направления применения СВТ

Внастоящее время под словом компьютер обычно понимают цифровые вычислительные устройства, в которых информация кодируется двоичными кодами чисел. Именно эти технические средства благодаря универсальным возможностям

иявляются самой массовой вычислительной техникой.

Рынок современных компьютеров отличается разнообразием и динамизмом. Каждый год стоимость вычислений сокращается примерно на 25-30%, стоимость хранения единицы информации - до 40%. Практически каждое десятилетие меняется поколение компьютеров, каждые два года - основные типы микропроцессоров - СБИС, определяющих характеристики новых компьютеров.

То, что 10-15 лет назад считалось современным большим компьютером, в настоящее время является устаревшей техникой с очень скромными возможностями.

В этих условиях любая предложенная классификация компьютеров очень быстро устаревает и нуждается в корректировке. Например, в классификациях десятилетней давности широко использовались названия мини-, миди- и микроЭВМ, которые почти исчезли из обихода. Вместе с тем существует целый ряд закономерностей развития вычислительной техники, которые позволяют предвидеть и предсказывать основные результаты этого поступательного движения. Необходимо анализировать традиционные и новые области применения СВТ, классы и типы используемых вычислительных средств, сложившуюся конъюнктуру рынка информационных технологий и его динамику, количество и качество вычислительной техники, выпускаемой признанными лидерами - производителями средств СВТ и т.д.

Академик В.М. Глушков указывал, что существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов компьютеров.

Первое направление является традиционным – применение компьютерной техники для автоматизации вычислений. Научно-техническая революция во всех областях науки и техники постоянно выдвигает новые научные, инженерные, экономические задачи, которые требуют проведения крупномасштабных вычислений (задачи проектирования новых образцов техники, моделирования сложных процессов, атомная и космическая техника и др.). Отличительной особенностью этого направления является наличие хорошей математической основы, заложенной развитием математических наук и их приложений. Первые, а затем и последующие вычислительные средства классической структуры в первую очередь и создавались для автоматизации вычислений.

44

Вторая сфера применения СВТ связана с использованием их в системах управления. Она родилась примерно в 60-е годы, когда СВТ стали интенсивно внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем. Математическая база этой новой сферы практически отсутствовала, в течение последующих 15-20 лет она была создана. Новое применение вычислительных машин потребовало видоизменения их структуры. Компьютеры, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и распределение результатов обработки.

Сопряжение с каналами связи потребовало усложнения режимов работы компьютеров, сделало их многопрограммными и многопользовательскими. Для исключения взаимных помех между программами пользователей в структуру компьютеров были введены средства разграничения: блоки прерываний и приоритетов, блоки защиты и т.п. Для управления разнообразной периферией стали использоваться специальные процессоры ввода-вывода данных или каналы. Именно тогда и появился дисплей как средство оперативного человеко-машинного взаимодействия пользователя с компьютером.

Третье направление связано с применением компьютеров для решения задач искусственного интеллекта. Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д. Это направление все больше набирает силу. Во многих областях науки и техники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Для технического обеспечения этого направления нужны качественно новые структуры СВТ с большим количеством вычислителей (процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, компьютеры уступают место сложнейшим вычислительным системам.

2. Поколения компьютеров

По этапам создания и используемой элементной базе компьютеров условно делятся на поколения:

1-е поколение, 50-е гг.: ЭВМ на электронных вакуумных лампах; 2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах);

3-е поколение, 70-е гг.: компьютеры на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе);

Примечание. Интегральная схема - электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число диодов и транзисторов.

45

4-е поколение, 80-е гг.: компьютеры на больших и сверхбольших интегральных схемах - микропроцессорах (десятки тысяч - миллионы транзисторов в одном кристалле); 5-е поколение, 90-е гг.: компьютеры с многими десятками параллельно работаю-

щих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельновекторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы; 6-е и последующие поколения: оптоэлектронные компьютеры с массовым парал-

лелизмом и нейронной структурой - с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Каждое следующее поколение компьютеров имеет по сравнению с предшествующим существенно лучшие характеристики. Так, производительность компьютера и емкость всех запоминающих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок.

3. Классы компьютеров

Существование различных типов компьютеров определяется различием задач, для решения которых они предназначены. С течением времени появляются новые типы задач, что приводит к появлению новых типов компьютеров. Поэтому приведенное ниже деление очень условно.

В самой верхней строчке таблицы находятся «одноразовые» компьютеры – микросхемы, которые приклеиваются на внутреннюю сторону поздравительных открыток для проигрывания мелодий типа «Happy Birthday», свадебного марша или чего-нибудь подобного.

Вероятно, наиболее значимым достижением в этой области стало появление микросхем RFID (Radio Frequency Identification — радиочастотная идентифика-

46

ция). Теперь на безбатарейных микросхемах этого типа толщиной меньше 0,5 мм и себестоимостью в несколько центов устанавливаются крошечные приемопередатчики радиосигналов; кроме того, им присваивается уникальный 128-разрядный идентификатор. При получении импульса с внешней антенны они за счет достаточно длинного радиосигнала отправляют ответный импульс со своим номером. В отличие от размера микросхем, спектр их практического применения весьма значителен: снятие штрих-кодов с товаров в магазинах, установка на транспортных средствах, определение цвета кузовов автомобилей перед их покраской в цехе, изучение миграции животных, указание температурного режима стирки предметов одежды и т. д.

Вторая категория в таблице отведена под компьютеры, которыми оснащаются разного рода бытовые устройства. Такого рода встроенные компьютеры, называемые также микроконтроллерами, выполняют функцию управления устройствами и организации их пользовательских интерфейсов. Это: бытовые приборы (будильники, стиральные машины, сушильные аппараты, микроволновые печи, охранные сигнализации); коммуникаторы (беспроводные и сотовые телефоны, факсимильные аппараты); периферийные устройства (принтеры, сканеры, модемы, приводы CD-ROM); развлекательные устройства (видеомагнитофоны, DVDплееры, музыкальные центры, МРЗ-плееры, телеприставки); формирователи изображений (телевизоры, цифровые фотокамеры, видеокамеры, объективы, фотокопировальные устройства); медицинское оборудование (рентгеноскопические аппараты, томографы, кардиомониторы, цифровые термометры); военные комплексы вооружений (крылатые ракеты, межконтинентальные баллистические ракеты, торпеды); торговое оборудование (торговые автоматы, кассовые аппараты); игрушки (говорящие куклы, приставки для видеоигр, радиоуправляемые машинки и лодки).

Все микроконтроллеры можно разделить на два типа: универсальные и специальные. Первые фактически являют собой обычные компьютеры, уменьшенные в размере. Специальные же микроконтроллеры отличаются индивидуальной архитектурой и набором команд, приспособленным для решения определенного круга задач, например, связанных с воспроизведением мультимедийных данных.

Следующая категория — игровые компьютеры. Это, по существу, обычные компьютеры, в которых расширенные возможности графических и звуковых контроллеров сочетаются с ограничениями по объему ПО и пониженной расширяемостью.

Чтобы получить представление об игровых компьютерах, приведу конфигурации трёх популярных моделей этой категории. Первая из них — Sony PlayStation 2. В ней установлен 128-разрядный специализированный RISC-процессор с тактовой частотой 296 МГц (он называется Emotion Engine) на базе архитектуры MIPS IV. Кроме того, PlayStation 2 оснащается модулем памяти емкостью 32 Мбайт, специальной графической микросхемой на 160 МГц, 48-канальной звуковой пла-

47

той и DVD-приводом. Вторая рассматриваемая модель — Microsoft XBOX. В ней устанавливается процессор Intel Pentium III на 733 МГц, 64 Мбайт памяти, графическая микросхема 300 МГц, 256-канальная звуковая микросхема, DVD-привод и жесткий диск емкостью 8 Гбайт. Наконец, третья модель называется Nintendo GameCube. Она комплектуется 32-разрядным процессором Gekko с тактовой частотой 485 МГц (он представляет собой модификацию RISC-процессора IBM PowerPC), памятью объемом 24 Мбайт, графической микросхемой на 200 МГц, 64канальной звуковой микросхемой и фирменным оптическим диском емкостью 1,5 Гбайт.

Основное различие между игровыми компьютерами и ПК состоит не в производительности процессора, а в том, что игровые компьютеры представляют собой закрытые, законченные системы. Расширяемость таких систем при помощи сменных плат не предусмотрена, хотя в некоторых моделях наличествуют интерфейсы

USB и Fire Wire.

В следующую категорию входят персональные компьютеры. Именно они ассоциируются у большинства людей со словом «компьютер». Персональные компьютеры бывают двух видов: настольные и портативные (ноутбуки). Как правило, те и другие комплектуются модулями памяти общей емкостью в сотни мегабайтов, жестким диском с данными на несколько десятков гигабайтов, приводом CD-ROM/DVD, модемом, звуковой картой, сетевым интерфейсом, монитором с высоким разрешением и рядом других периферийных устройств. На них устанавливаются сложные операционные системы, они расширяемы, при работе с ними используется широкий спектр программного обеспечения. Некоторые специалисты называют «персональными» компьютеры с процессорами Intel, отделяя их тем самым от компьютеров, оснащенных высокопроизводительными RISCмикросхемами (такими как Sun UltraSPARC), которые в таком случае именуются «рабочими станциями». На самом деле, особой разницы между этими двумя типами нет.

Центральным компонентом любого персонального компьютера является печатная плата, на которой устанавливаются модули процессора, памяти и устройств ввода-вывода (как-то: звуковая плата и модем), интерфейсы клавиатуры, мыши, дискового привода, сетевой платы и прочих периферийных устройств, а также расширительные гнезда.

Ноутбуки, кроме своей компактности, ничем не отличаются от настольных ПК. В них устанавливаются аналогичные, хотя и меньшие по размеру, аппаратные компоненты. По возможностям выполнения и набору программ настольные и портативные компьютеры не различаются.

К персональным очень близки карманные компьютеры (PDA). Они еще меньше, чем ноутбуки, однако процессор, память, клавиатура, дисплей и боль-

48

шинство других стандартных компонентов персонального компьютера в них присутствуют.

Особую интенсивно развивающуюся группу компьютеров образуют многопользовательские компьютеры, используемые в вычислительных сетях, - серверы. Компьютер, работающий в локальной или глобальной сети, может специализироваться на оказании информационных услуг другим компьютерам, на обслуживании других компьютеров. Такой компьютер и называется сервером от английского слова serve (в переводе - обслуживать, управлять).

Сервер – выделенный для обработки запросов от всех станций вычислительной сети компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др.) и распределяющий эти ресурсы. Такой универсальный сервер часто называют сервером приложений.

Серверы в сети часто специализируются. В классе серверов выделяется подкласс суперсерверов, необходимых в тех случаях, когда, с одной стороны, желательна централизация данных, а с другой стороны, к этим данным необходимо обеспечить доступ очень большому количеству потребителей. Специализированные серверы используются для устранения наиболее "узких" мест в работе сети: создание и управление базами данных и архивами данных, поддержка многоадресной факсимильной связи и электронной почты, управление многопользовательскими терминалами (принтеры, плоттеры) и др.

•Файл-сервер (File Server) используется для работы с файлами данных, имеет объемные дисковые запоминающие устройства, часто на отказоустойчивых дисковых массивах RAID.

Основная задача, решаемая файловыми серверами, - организация хранения, доступа и обмена данными (информацией) между компьютерами, людьми и другими источниками и поставщиками информации.

•Архивационный сервер (сервер резервного копирования, Storage Express System) служит для резервного копирования информации в крупных многосерверных сетях; обычно выполняет ежедневное автоматическое архивирование со сжатием информации от серверов и рабочих станций по сценарию, заданному администратором сети.

•Факс-сервер (Net SatisFaxion) - выделенная рабочая станция для организации эффективной многоадресной факсимильной связи с несколькими факсмодемными платами, со специальной защитой информации от несанкционированного доступа в процессе передачи, с системой хранения электронных факсов.

49

•Почтовый сервер (Mail Server) - то же, что и факс-сервер, но для организации электронной почты, с электронными почтовыми ящиками.

•Сервер печати (Print Server, Net Port) предназначен для эффективного использования системных принтеров.

•Сервер телеконференций имеет систему автоматической обработки видеоизображений и др.

Host-сервер (коммутационная машина) – сервер, установленный в узлах сети и решающий вопросы коммутации и доступа к сетевым ресурсам: модемам, факсмодемам, серверам и др. Host-сервер осуществляет приём сообщений, сборку, правильность передачи, маршрутизацию, разборку и передачу сообщения.

В последние годы появилась практика их объединения в рамках кластеров рабочих станций (Clusters Of Workstations, COW), которые иногда называют просто «кластерами». Они состоят из нескольких персональных компьютеров или рабочих станций, подключенных друг к другу по высокоскоростной сети и снабженных специальным программным обеспечением, которое позволяет направлять их ресурсы на решение единых задач (как правило, научных и инженерных).

Нередко в виде кластеров организуются Web-серверы. Кластеры, реализующие такую схему, часто называют серверными фермами (server farms).

Мэйнфреймы – это большие, мощные, высокопроизводительные компьютеры со значительным объёмом внешней и оперативной памяти. Обычно они работают не намного быстрее, чем мощные серверы, но у них выше скорость процессов ввода-вывода и обладают они довольно большим пространством на диске — 1 Тбайт и более (1 терабайт = 1012 байт).

До последнего времени существовала еще одна крупная категория компьютеров — суперкомпьютеры. Их процессоры работали с очень высокой скоростью, в них устанавливались модули памяти общей емкостью в несколько десятков гигабайтов, высокоскоростные диски и сетевые интерфейсы.

Сейчас, когда вычислительные возможности, аналогичные тем, что предлагают суперкомпьютеры, реализуются в виде кластеров, эта категория компьютеров постепенно отмирает.

4. Переносные компьютеры

Переносные компьютеры – быстроразвивающийся подкласс персональных компьютеров. Большинство переносных компьютеров имеют автономное питание от аккумуляторов, но могут подключаться и к сети.

Клавиатура у некоторых моделей чуть укороченная: 84-86 клавиш, но может иметься разъем для подключения и полной клавиатуры; у некоторых моделей кла-

50