1. Цели и задачи дисциплины. Основные понятия архитектуры вс. История развития вс. Экономические факторы появления и развития вычислительных систем.

Эффект, достигаемый за счет применения вычислительной техники, возрастает при увеличении масштабов обработки данных, т. е. концентрации по возможности больших объемов данных и процессов их обработки в рамках одной технической системы. Крупномасштабные системы обработки данных можно создавать, повышая мощность ЭВМ или объединяя многие ЭВМ в вычислительные комплексы (системы) и сети. Настоящий курс связан с дисциплиной "Организация и функционирование ЭВМ". Настоящий курс связан с дисциплиной "Организация и функционирование ЭВМ". Методы проектирования и эксплуатации вычислительных комплексов, систем и сетей разрабатываются в рамках теории вычислительных систем. Теория вычислительных систем (комплексов и сетей) состоит из двух основных разделов: архитектуры систем и метрической теории систем. Исследования архитектуры направлены на выявление:

рациональных вариантов распределения функций между техническими и программными средствами

состава систем и конфигурации связей между ними

способов организации вычислительных процессов

поиск рациональных вариантов построения систем с различными свойствами.

Метрическая ТС направлена на количественную оценку показателей, характеризующих организацию и функционирование систем. Исследует влияние организации и режима функционирования на производительность, надежность, стоимость и другие характеристики. Характерная черта теории вычислительных систем – системотехнический подход к исследованию. Основной принцип системотехники – представление системы как совокупности всех ее частей в тесной связи с окружающей средой и взаимообусловленности всех свойств системы, таких, как производительность, надежность и стоимость.

Задачами изучения дисциплины АВС являются приобретения знаний и умений для:

1. анализа основных типов архитектур современных вычислительных систем (BC) и сетей ЭВМ, принципов их организации и функционирования;

2. качественного и количественного сравнения систем различных типов при анализе их производительности или эффективности применения для решения задач различных классов на основе методов и средств оценивания характеристик ВС и сетей;

3. оценки основных направлениях развития исследований в области архитектуры ВС и наиболее значительных перспективных проектах ВС.

Основные понятия архитектуры ВС. Система–объект, представляющий собой единое целое, предназначенный для выполнения определенных функций и состоящий из множества связанных между собой элементов. К характеристикам системы относятся:

- элемент системы: часть системы, имеющая определенное функциональное назначение (аппаратные, так и программные средства);

- подсистема: сложный элемент системы, состоящий из более простых взаимосвязанных элементов;

- структура системы: описания состава, принципа действия, конфигурации и взаимного соединения элементов и подсистем системы.

- архитектура системы: внутренняя структура системы, которая определяет ее функциональные возможности, а в случае вычислительных систем – и быстродействие;

- вычислительная система:- система, предназначенна для автоматизированной обработки данных и представляющие собой совокупность программных и аппаратных средств.

. Архитектура ВС - совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную организацию системы. В настоящее время можно выделить три вида понятий, связанных с термином «архитектура»: фоннеймановская архитектура, усовершенствованная фоннеймановская архитектура, нетрадиционная архитектура.

История развития ВС. Вычислительные машины за свою полувековую историю прошли стремительный и впечатляющий путь, отмеченный частыми сменами поколений ЭВМ. Первое поколение компьютеров создавалось на лампах в период с 1944 по 1954 гг. В этих компьютерах выполняемая программа уже хранилась в памяти и обработка данных производилась не последовательно по одному двоичному разряду, а параллельно во всех разрядах машинного слова. Второе поколение компьютеров создавалось в период с 1955 по 1964гг. Успехи полупроводниковой технологии привели к смене элементной базы. Запоминающие устройства на магнитных сердечниках, магнитных барабанах и магнитных лентах вытеснили полностью запоминающие устройства на электронно-лучевых трубках и ртутных ультразвуковых линиях задержки, применяемых в компьютерах первого поколения, используется оперативная память на феррит-диодных ячейках. Третье поколение компьютеров разрабатывалось с 1964 по 1974 год на новой элементной базе, осуществился переход от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным схемам. Это привело к следующим факторам:

1. Уменьшились габариты и потребляемая мощность компьютеров, возросла надежность.

2. Расширен набор внешних устройств. В начале 60-х годов появились первые устройства внешней памяти на магнитных дисках. Емкость магнитных дисков была на порядок больше чем емкость магнитных барабанов, применявшихся ранее.

3. Была введена параллельная и конвейерная обработка данных в операционном блоке.

4. Широко используется многопрограммный режим работы и виртуальная память (особая организация управления памятью, которая позволяет рассматривать всю память компьютера, как основную). Развивается иерархия памяти. Оперативная память делится на блоки с независимыми системами управления. Эти блоки могут работать одновременно. Структура оперативной памяти делится на страницы и сегменты. Используется КЭШ память (буферная память, позволяющая согласовать скорости обмена данными быстрых и медленных устройств памяти).

5. Широко разрабатывается класс универсальных компьютеров (мэйнфреймов), повышается эффективность использования компьютеров, используется мультипрограммный режим работы. Мейнфреймы долгое время оставались наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Они строились на одном или нескольких процессорах, каждый из которых мог оснащаться векторными сопроцессорами (ускорителями операций для получения сверхвысокой производительности).

6. На базе универсальных компьютеров стало возможно создание вычислительных систем, обслуживающих удаленных пользователей.

7. Идет унификация технических и программных средств, создаются семейства (ряды) ЭВМ единой системы.

Четвертое поколение компьютеров создавалось на БИС средней интеграции и СБИС. Высокая степень интеграции БИС, повышенное быстродействие, высокая степень надежности, снижение стоимости, все это позволило значительно уменьшить размеры компьютеров, достигнуть быстродействия порядка сотен миллионов операций в секунду, объем основной памяти достиг десятков Мбайт. Основные черты данного этапа следующие:

1. Появился новый класс ЭВМ - микрокомпьютеры. Процессор микрокомпьютера собирался теперь из одной или нескольких микропроцессорных БИС.

2. Развивается производство заказных БИС, выполняющие определенные функции, разрабатываются процессоры ассоциативного типа, в которых основной операцией является операция сравнения.

3. Используются векторно-конвейерные принципы обработки данных. Разрабатываются конвейерные устройства управления с опережающим выполнением команд.

4. Для построения микрокомпьютера стала использоваться открытая архитектура, позволяющая наращивать вычислительную мощность компьютера простым подключением дополнительных модулей.

5. Дополнительно вводятся микросхемы памяти в процессор и микросхемы памяти, обеспечивающие обмен информацией между процессором и внешними устройствами (кэш первого и второго уровней).

6. Компьютеры стали доступны по цене отдельным пользователям. Это привело к широкому производству персональных компьютеров.

7. Тенденция к использованию масштабных приложений дает новую жизнь и суперкомпьютерам. Появляются суперминикомпьютеры, которые довольно скоро вытесняются в управлении производственными процессами промышленными компьютерами с легко наращиваемой структурой и функциями.

8. В это время две тенденции - распределение вычислительных ресурсов, оснащение персональными компьютерами рабочих мест и необходимость объединения вычислительных ресурсов для решения общих задач большого объема - привели к сетевому буму.

9. Для организации компьютерных сетей используется оптоволоконная связь. Разрабатываются принципы построения оптических компьютеров.

В этом процессе развития можно выявить целый ряд закономерностей:

1. весь период развития средств электронной вычислительной техники (ЭВТ) отмечен доминирующей ролью классической структуры ЭВМ (структуры фон Неймана), основанной на методах последовательных вычислений;

2. основным направлением совершенствования ЭВМ является неуклонный рост производительности (быстродействия) и интеллектуальности вычислительных средств;

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

4. 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. Экономические факторы появления и развития вычислительных систем. Самыми важными предпосылками появления и развития вычислительных систем служат экономические факторы. Анализ характеристик ЭВМ различных поколений показал, что в пределах интервала времени, характеризующегося относительной стабильностью элементной базы, связь стоимости и производительности ЭВМ выражается квадратичной зависимостью - ―законом Гроша‖. СЭВМ=К1.П 2эвм Построение же вычислительных систем позволяет существенно сократить затраты, так как для них существует линейная формула: СВС=К2.Пi где Сэвм, Cвс - соответственно стоимость ЭВМ и ВС; К1 и К2 - коэффициенты пропорциональности, зависящие от технического уровня развития вычислительной техники; Пэвм , Пi - производительность ЭВМ и i-roиз n комплектующих вычислителей (ЭВМ или процессоров).