Центральный процессор Центральный процессор

Шина

б

Рис. 2.7. Мультипроцессор с одной шиной и одной общей памятью {а); мультипроцессор, в котором для каждого процессора имеется собственная локальная память (б)

Мультипроцессоры имеют преимущество перед другими видами параллельных компьютеров, поскольку с единой разделенной памятью очень легко работать. Например, представим, что программа ищет раковые клетки на сделанном через микроскоп снимке ткани. Фотография в цифровом виде может храниться в общей памяти, при этом каждый процессор обследует какую-нибудь определенную об­ласть фотографии. Поскольку каждый процессор имеет доступ к общей памяти, обследование клетки, которая начинается в одной области и продолжается в дру­гой, не представляет трудностей.

Мультикомпьютеры

Мультипроцессоры с небольшим числом процессоров (< 64) сконструировать до­вольно легко, а вот создание больших мультипроцессоров представляет некото­рые трудности. Сложность заключается в том, чтобы связать все процессоры с па­мятью. Чтобы избежать таких проблем, многие разработчики просто отказались от идеи разделенной памяти и стали создавать системы, состоящие из большого числа взаимосвязанных компьютеров, у каждого из которых имеется своя собствен­ная память, а общей памяти нет. Такие системы называются мультикомпьютерами.

Процессоры мультикомпьютера отправляют друг другу послания (это несколько похоже на электронную почту, но гораздо быстрее). Каждый компьютер не обязатель­но связывать со всеми другими, поэтому обычно в качестве топологий используются

2D, 3D, деревья и кольца. Чтобы послания могли дойти до места назначения, они должны проходить через один или несколько промежуточных компьютеров. Тем не менее время передачи занимает всего несколько микросекунд. Сейчас создаются и запускаются в работу мультикомпьютеры, содержащие около 10 000 процессоров.

Поскольку мультипроцессоры легче программировать, а мультикомпьютеры — конструировать, появилась идея создания гибридных систем, которые сочетают в себе преимущества обоих видов машин. Такие компьютеры представляют иллю­зию разделенной памяти, при этом в действительности она не конструируется и не требует особых денежных затрат. Мы рассмотрим мультипроцессоры и мульти-компьютеры подробнее в главе 8.

Основная память

Память — часть компьютера, где хранятся программы и данные. Можно также упо­треблять термин «запоминающее устройство». Без памяти, откуда процессоры счи­тывают и куда записывают информацию, не было бы цифровых компьютеров со встроенными программами.

Бит

Основной единицей памяти является двоичный разряд, который называется битом. Бит может содержать 0 или 1. Эта самая маленькая единица памяти. (Устройство, в котором хранятся только нули, вряд ли могло быть основой памяти. Необходи­мы по крайней мере две величины.)

Многие полагают, что в компьютерах используется бинарная арифметика, по­тому что это «эффективно». Они имеют в виду (хотя сами это редко осознают), что цифровая информация может храниться благодаря различию между разными

величинами какой-либо физической характеристики, например напряжения или тока. Чем больше величин, которые нужно различать, тем меньше различий между смежными величинами и тем менее надежна память. Двоичная система требует различения всего двух величин, следовательно, это самый надежный метод коди­рования цифровой информации. Если вы не знакомы с двоичной системой счис­ления, смотрите Приложение А.

Считается, что некоторые компьютеры, например большие IBM, используют и десятичную, и двоичную арифметику. На самом деле здесь применяется так назы­ваемый двоично-десятичный код. Для хранения одного десятичного разряда ис­пользуется 4 бита. Эти 4 бита дают 16 комбинаций для размещения 10 различных значений (от 0 до 9). При этом 6 оставшихся комбинаций не используются. Ниже показано число 1944 в двоично-десятичной и чисто двоичной системах счисления; в обоих случаях используется 16 битов:

десятичное: 0001 10010100 0100 двоичное: 0000011110011000

16 битов в двоично-десятичном формате могут хранить числа от 0 до 9999, то есть всего 10000 различных комбинаций, а 16 битов в двоичном формате — 65536 комби­наций. Именно по этой причине говорят, что двоичная система эффективнее.

Однако представим, что могло бы произойти, если бы какой-нибудь гениаль­ный молодой инженер придумал очень надежное электронное устройство, кото­рое могло бы хранить разряды от 0 до 9, разделив участок напряжения от 0 до 10 В на 10 интервалов. Четыре таких устройства могли бы хранить десятичное число от 0 до 9999, то есть 10 000 комбинаций. А если бы те же устройства использовались для хранения двоичных чисел, они могли бы содержать всего 16 комбинаций. Есте­ственно, в этом случае десятичная система была бы более эффективной.

Адреса памяти

Память состоит из ячеек, каждая из которых может хранить некоторую порцию информации. Каждая ячейка имеет номер, который называется адресом, По адре­су программы могут ссылаться на определенную ячейку. Если память содержит п ячеек, они будут иметь адреса от 0 до п-1. Все ячейки памяти содержат одинако­вое число битов. Если ячейка состоит из к битов, она может содержать любую из

2^к комбинаций. На рис. 2.8 показаны 3 различных способа организации 96-битной памяти. Отметим, что соседние ячейки по определению имеют последовательные адреса.

Адрес

Адрес

1 ячейка

Адрес

0 1

2 3

4 С

5 6 7 8 9

10 11 и

и

XI

х

X

X

X

0

1

2 3

4

5

7

гп