Структуры вычислительных систем

Понятие «вычислительная система» предполагает наличие множества процессоров или законченных вычислительных машин, при объединении которых используется один из подходов.

Рис. 1.9. Структура вычислительно системы с общей памятью

В вычислительных системах с общей памятью (рис.1.9) имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы. Связь процессоров с памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего вырождающейся в общую шину. Достоинством данной схемы является возможность обмена информацией между процессорами без дополнительных операций, что обеспечивается за счёт доступа к общим областям памяти. Данная структура применяется в многопроцессорных системах и не используется в многомашинных системах.

Локальная память

Локальная память

Локальная память

…

Процессор

Процессор

Процессор

Коммуникационная сеть

Рис.1.10. Структура распределённой вычислительной системы.

Альтернативный вариант организации – распределённая система (многомашинная ВС), где общая память вообще отсутствует, а каждый процессор обладает собственной локальной памятью (рис. 1.10). Часто такие системы объединяют отдельные ВМ. Обмен информацией между составляющими системы обеспечивается пересылкой сообщений через коммуникационную сеть. Подобная вычислительная система является эффективной только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе. Подобное построение ВС снимает ограничения, свойственные общей шины, но приводит к дополнительным издержкам на пересылку сообщений между процессорами и машинами.

А рхитектура с параллельными процессорами (рис.1.11). Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе, то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.

Рис. 1.11. Архитектура с параллельными процессорами

Глава 2. Цифровой логический уровень

1. Представление информации в вычислительных системах

В вычислительных машинах применяется двоичная система счисления, обеспечивающая минимизацию количества базовых элементов (вентилей) при построении ВМ. Оптимальным основанием системы счисления (P) по критерию «минимум аппаратных расходов» является основание натурального логарифма ℮≈2,72, для ВМ принято P=2.

Двоичную систему счисления используют по следующим причинам:

• для ее реализации нужны технические устройства с 2 устойчивыми состояниями (наличие/отсутствие тока);

• представление информации посредством только двух состояний надежно, помехоустойчиво;

• возможность применения аппарата Булевой алгебры для выполнения логических преобразований информации;

• двоичная арифметика проще десятичной.

Информация в ВМ кодируется, как правило, в двоичной или двоично-десятичной системе счисления. В двоично-десятичной системе счисления каждая цифра числа в десятичной системе счисления представляется как двоичное число, записанное в 4 бита (уплотненный формат) либо в один байт (зонный формат). На рис.2.1 приведен пример перевода числа из десятичной в двоично – десятичную систему счисления. Двоично – десятичная арифметика сложнее двоичной используется в основном в задачах учетно – статистического характера, требующих хранения, обработки и пересылки десятичной информации.

9 8 7 5

00010000

00001000

00000111

00000011

Рис. 2.1. Перевод числа из десятичной системы счисления в двоично - десятичную систему счисления

В зависимости от способа изображения чисел системы счисления делятся на позиционные и непозиционные. В позиционной системе счисления количественное значение каждой цифры зависит от её места (позиции) в числе. В непозиционной системе счисления цифры не меняют своего количественного значения при изменении их расположения в числе. В вычислительной технике применяется позиционная система счисления. Количество различных цифр (Р), используемых для изображения числа в позиционной системе счисления, называется основанием системы счисления. В общем случае запись любого смешанного числа в системе счисления с основанием Р будет представлять собой ряд вида:

a _m-1P ^m-1+ a _m-2P ^m-2+...+ a ₁P ¹+a ₀P ⁰+ a _-1P ^-1+ a _-2P ^-2+...+ a _–s P ^-s,

где нижние индексы определяют местоположение цифры в числе (разряд):

• положительные значения индексов – для целой части числа (m разрядов);

• отрицательные значения индексов – для дробной части числа (s разрядов).

Двоичная система счисления имеет основания Р=2 и использует для представления информации всего две цифры : 0 и 1 .

Пример: 101110,101=1*2⁵+0*2⁴+1*2³+1*2²+1*2¹+0*2⁰+1*2^-1+0*2^-2+1*2^-3

=46,625₁₀