№9. Архитектура фон Неймана – основные признаки.
В каждой области науки и техники существуют некоторые фундаментальные идеи или принципы, которые определяют ее содержание и развитие. В компьютерной науке роль таких фундаментальных идей сыграли принципы, сформулированные независимо друг от друга двумя гениями современной науки - американским математиком и физиком Джоном фон Нейманом и советским инженером и ученым Сергеем Лебедевым.
Принято считать, что первый электронный компьютер ENIACбыл изготовлен в США в 1946 г. (если мы на минуточку забудем, что уже в 1941 году цифровая машинаZ1 иZ2 Конрада Цузе расчитывала траекторию ракет обстреливающих Лондон). Блестящий анализ сильных и слабых сторон проектаENIACбыл дан в отчете Принстонского института перспективных исследований "Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства" (июнь 1946 г.). Этот отчет, составленный выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом и его коллегами по Принстонскому институту Г. Голдстайном и А. Берксом, представлял проект нового электронного компьютера. Идеи, высказанные в этом отчете, известные под названием "Неймановских Принципов", оказали серьезное влияние на развитие компьютерной техники.
Сущность "Неймановских Принципов" состояла в следующем:
Двоичная система счисления- компьютеры на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;
Принцип программного управления и хранимой в памяти программы - компьютер работает под управлением программы, программа должна размещаться в одном из блоков компьютера - в запоминающем устройстве (первоначально программа задавалась путем установки перемычек на коммутационной панели);
Принцип однородности - команды, так же как и данные, с которыми оперирует компьютер, хранятся в одном блоке памяти и записываются в двоичном коде, то есть по форме представления команды и данные однотипны и хранятся в одной и той же области памяти;
Принцип адресности – основная память структурно состоит из нумерованных ячеек, т.е.доступ к командам и данным осуществляется по адресу. Трудности физической реализации запоминающего устройства большого быстродействия и большой памяти требуют иерархической организации памяти;
В компьютере используется параллельный принцип организации вычислительного процесса(операции над двоичными кодами осуществляются одновременно над всеми разрядами).
В Советском Союзе работы по созданию электронных компьютеров были начаты несколько позже. Первый советский электронный компьютер был изготовлен в Киеве в 1953 г. Он назывался МЭСМ (малая электронная счетная машина), а его главным конструктором был академик Сергей Лебедев, автор проектов компьютеров серии БЭСМ (большая электронная счетная машина).
Самой важной отличительной чертой модели фон Неймана был и остается принцип единой линейной памяти,которая адресуется последовательными адресами и в которойкоманды неотличимы от данных.Структура ЭВМ фон Неймана приведена на рис. 3.2.
Память Процессорное устройство
Командное слово – i
Командное слово – i+1
Данные – j Данные – j+1 _________________________________________________________________________________
Выполнение
команд
Периферийные
устройства
Рис. 3.2 Модель фон Неймана
Представления данных как чисел и соответствующий характер команд с самого начала определили выбор архитектуры, ориентированной на числовую обработку. Обычно в этих ЭВМ данные представляются в виде скалярных данных, векторов и матриц. Числа в ЭВМ представляются как целые.
Таким образом, ЭВМ с архитектурой фон Неймана, это ЭВМ с управлением потоком команд. Принято считать, что ВМ с архитектурой фон Неймана присущи следующие особенности:
1. единая, последовательно адресуемая память (обычные скалярные однопроцессорные системы, при этом наличие конвейера не меняет дела);
2. память является линейной и одномерной (одномерная – имеет вид вектора слов, память состоит из ячеек фиксированной длины и имеет линейную структуру адресации); 3. отсутствует явное различие между командами и данными;
4. ход выполнения вычислительного процесса определяется только централизованными и последовательными командами или, другими словами, управление потоком команд (выбрать адрес команды – выбрать данные – произвести действие и т.д.);
5. назначение данных не является их неотъемлемой, составной частью, назначение данных определяется логикой программы.
Нет никаких средств, позволяющих отличить набор битов, представляющих число с плавающей точкой, от набора битов, являющихся строкой символов. Если процессор извлекает из ОП команду сложения чисел с плавающей точкой и над ними выполняется сложение согласно правилам арифметики с плавающей точкой, хотя в действительности они могут быть просто строкой символов. Снова обратимся к "принципам Неймана". Существенно подчеркнуть, что центральное место среди "принципов Неймана" занимает предложение об использовании двоичной системы счисления, что было обусловлено рядом обстоятельств. Во-первых, несомненными арифметическими достоинствами двоичной системы счисления, ее "оптимальным" согласованием с "булевой" логикой и простотой технической реализации двоичного элемента памяти (триггера).
Однако на определенном этапе развития компьютерной техники было обнаружено ряд недостатков классической двоичной системы счисления. Первым из них является так называемая "проблема представления отрицательных чисел". Как известно, отрицательные числа непосредственно не могут быть представлены в классической двоичной системе счисления, использующей только две двоичные цифры 0 и 1, без дополнительных "ухищрений". Основным "ухищрением" является использование специальных кодов для представления отрицательных чисел - обратного или дополнительного.
Второй недостаток двоичной системы счисления - ее "нулевая избыточность". Дело в том, что если в процессе передачи, хранения или обработки двоичной кодовой комбинации, например 10011010, под влиянием "помех", действующих в "канале", произойдет искажение данной кодовой комбинации и она перейдет в кодовую комбинацию 11010010 (искажения отдельных битов подчеркнуты), то, поскольку комбинация 11010010 (как и любая другая двоичная кодовая комбинация) является "разрешенной" в классической двоичной системы счисления, то не существует способа обнаружить данную ошибку без дополнительных "ухищрений", то есть без использования специальных методов избыточного кодирования.
Третий недостаток более серьезен. Применение двоичной булевой логики необходимо приводит к появлению условия синхронности в процессорах. Двоичная логика не включает в себя условие завершения функции, а это значит, что она может существовать только на фоне соответствующей временной диаграммы. Другими словами наряду с потоком данных и команд должен существовать поток управляющих импульсов, или «стробов», поступающих от системных часов. Последствия этого явления очень значительны и будут рассмотрены позже.
№36. Анализ производительности эвм, пути развития. Увеличение производительности эвм, за счет чего?
А почему суперкомпьютеры считают так быстро? Вариантов ответа может быть несколько, среди которых два имеют явное преимущество: развитие элементной базы и использование новых решений в архитектуре компьютеров. Попробуем разобраться, какой из этих факторов оказывается решающим для достижения рекордной производительности. Обратимся к известным историческим фактам. На одном из первых компьютеров мира - EDSAC, появившемся в 1949 году в Кембридже и имевшем время такта 2 микросекунды (2*10-6 секунды), можно было выполнить 2*n арифметических операций за 18*n миллисекунд, то есть в среднем 100 арифметических операций в секунду. Сравним с одним вычислительным узлом современного суперкомпьютера Hewlett-Packard V2600: время такта приблизительно 1.8 наносекунды (1.8*10-9 секунд), а пиковая производительность около 77 миллиардов арифметических операций в секунду. Что же получается? Более чем за полвека производительность компьютеров выросла почти в 800 миллионов раз. При этом выигрыш в быстродействии, связанный с уменьшением времени такта с 2 микросекунд до 1.8 наносекунд, составляет лишь около 1000 раз. Откуда же взялось остальное? Ответ очевиден - использование новых решений в архитектуре компьютеров. Основное место среди них занимает принцип параллельной обработки команд и данных, воплощающий идею одновременного (параллельного) выполнения нескольких действий.
Параллельные системы
Итак, пути повышения производительности ВС заложены в ее архитектуре. С одной стороны это совокупность процессоров, блоков памяти, устройств ввода/вывода ну и конечно способов их соединения, т.е. коммуникационной среды. С другой стороны, это собственно действия ВС по решению некоторой задачи, а это операции над командами и данными. Вот собственно и вся основная база для проведения параллельной обработки. Параллельная обработка, воплощая идею одновременного выполнения нескольких действий, имеет несколько разновидностей: суперскалярность, конвейеризация, SIMD – расширения, Hyper Threading, многоядерность. В основном эти виды параллельной обработки интуитивно понятны, поэтому сделаем лишь небольшие пояснения. Если некое устройство выполняет одну операцию за единицу времени, то тысячу операций оно выполнит за тысячу единиц. Если предположить, что есть, пять таких же независимых устройств, способных работать одновременно, то ту же тысячу операций система из пяти устройств может выполнить уже не за тысячу, а за двести единиц времени. Аналогично система из N устройств ту же работу выполнит за 1000/N единиц времени. Подобные аналогии можно найти и в жизни: если один солдат вскопает огород за 10 часов, то рота солдат из пятидесяти человек с такими же способностями, работая одновременно, справятся с той же работой за 12 минут (параллельная обработка данных), да еще и с песнями (параллельная обработка команд).
Конвейерная обработка. Что необходимо для сложения двух вещественных чисел, представленных в форме с плавающей запятой? Целое множество мелких операций таких, как сравнение порядков, выравнивание порядков, сложение мантисс, нормализация и т.п. Процессоры первых компьютеров выполняли все эти "микрооперации" для каждой пары аргументов последовательно одна за одной до тех пор, пока не доходили до окончательного результата, и лишь после этого переходили к обработке следующей пары слагаемых. Идея конвейерной обработки заключается в выделении отдельных этапов выполнения общей операции, причем каждый этап, выполнив свою работу, передавал бы результат следующему, одновременно принимая новую порцию входных данных. Получаем очевидный выигрыш в скорости обработки за счет совмещения прежде разнесенных во времени операций.
Суперскалярность. Как и в предыдущем примере, только при построении конвейера используют несколько программно-аппаратных реализаций функциональных устройств, например два или три АЛУ, три или четыре устройства выборки.
Hyper Threading. Перспективное направление развитие современных микропроцессоров, основанное на многонитевой архитектуре. Основное препятствие на пути повышения производительности за счет увеличения функциональных устройств – это организация эффективной загрузки этих устройств. Если сегодняшние программные коды не в состоянии загрузить работой все функциональные устройства, то можно разрешить процессору выполнять более чем одну задачу (нить), чтобы дополнительные нити загрузили – таки все ФИУ (очень похоже на многозадачность).
Многоядерность. Можно, конечно, реализовать мультипроцессирование на уровне микросхем, т.е. разместить на одном кристалле несколько процессоров (Power 4). Но если взять микропроцессор вместе с памятью как ядра системы, то несколько таких ядер на одном кристалле создадут многоядерную структуру. При этом в кристалле интегрируются функции (например, интерфейсы сетевых и телекоммуникационных систем) для выполнения которых обычно используются наборы микросхем (процессоры Motorola MPC8260, Power 4).
По каким же направлениям идет реализация высокопроизводительной вычислительной техники в настоящее время? Основных направлений четыре.
1. Векторно-конвейерные компьютеры. Конвейерные функциональные устройства и набор векторных команд - это две особенности таких машин. В отличие от традиционного подхода, векторные команды оперируют целыми массивами независимых данных, что позволяет эффективно загружать доступные конвейеры, т.е. команда вида A=B+C может означать сложение двух массивов, а не двух чисел. Характерным представителем данного направления является семейство векторно-конвейерных компьютеров CRAY куда входят, например, CRAY EL, CRAY J90, CRAY T90 (в марте 2000 года американская компания TERA перекупила подразделение CRAY у компании Silicon Graphics, Inc.).
2. Массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью. Идея построения компьютеров этого класса тривиальна: возьмем серийные микропроцессоры, снабдим каждый своей локальной памятью, соединим посредством некоторой коммуникационной среды - вот и все. Достоинств у такой архитектуры масса: если нужна высокая производительность, то можно добавить еще процессоров, если ограничены финансы или заранее известна требуемая вычислительная мощность, то легко подобрать оптимальную конфигурацию и т.п.
Однако есть и решающий "минус", сводящий многие "плюсы" на нет. Дело в том, что межпроцессорное взаимодействие в компьютерах этого класса идет намного медленнее, чем происходит локальная обработка данных самими процессорами. Именно поэтому написать эффективную программу для таких компьютеров очень сложно, а для некоторых алгоритмов иногда просто невозможно. К данному классу можно отнести компьютеры Intel Paragon, IBM SP1, Parsytec, в какой-то степени IBM SP2 и CRAY T3D/T3E, хотя в этих компьютерах влияние указанного минуса значительно ослаблено. К этому же классу можно отнести и сети компьютеров, которые все чаще рассматривают как дешевую альтернативу крайне дорогим суперкомпьютерам.
3. Параллельные компьютеры с общей памятью. Вся оперативная память таких компьютеров разделяется несколькими одинаковыми процессорами. Это снимает проблемы предыдущего класса, но добавляет новые - число процессоров, имеющих доступ к общей памяти, по чисто техническим причинам нельзя сделать большим. В данное направление входят многие современные многопроцессорные SMP-компьютеры или, например, отдельные узлы компьютеров HP Exemplar и Sun StarFire.
4. Кластерные системы. Последнее направление, строго говоря, не является самостоятельным, а скорее представляет собой комбинации предыдущих трех. Из нескольких процессоров (традиционных или векторно-конвейерных) и общей для них памяти сформируем вычислительный узел. Если полученной вычислительной мощности не достаточно, то объединим несколько узлов высокоскоростными каналами. Подобную архитектуру называют кластерной, и по такому принципу построены CRAY SV1, HP Exemplar, Sun StarFire, NEC SX-5, последние модели IBM SP2 и другие. Именно это направление является в настоящее время наиболее перспективным для конструирования компьютеров с рекордными показателями производительности.