Характеристики scsi

Существует более десятка различных версий интерфейса SCSI. Наиболее существенные из них - SCSI-1, Fast SCSI, Fast Wide SCSI, Ultra SCSI, Ultra 2 SCSI.

Основными характеристиками шины SCSI являются:

• ширина - 8 или 16 бит («narrow» или «wide»);

• частота, с которой тактируется шина;

• физический тип интерфейса (однополярный, дифференциальный, оптика).

На скорость влияют в основном два первых параметра. Обычно они записываются в виде приставок к слову SCSI.

Максимальную скорость передачи устройство-контроллер можно подсчитать, взяв частоту шины, а в случае наличия «Wide» умножить ее на 2 (например, FastSCSI - 10 Мбайт/с, Ultra2WideSCSI -80 Мбайт/с).

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ SCSI

Четыре недавние версии SCSI, а именно SSA (Serial Storage Architecture), FC-AL и Serial Attached SCSI (SAS), отошли от традиционного параллельного стандарта SCSI и ориентированы на передачу данных по последовательным коммуникациям. Основные преимущества последовательного интерфейса - большие скорости передачи данных; «горячее» включение-выключение; лучшая помехозащищенность.

ATA (англ. Advanced Technology Attachment — присоединение по передовой технологии) — параллельный интерфейс подключения накопителей (жёстких дисков и оптических приводов) к компьютеру. В 1990-е годы был стандартом на платформе IBM PC; в настоящее время вытесняется своим последователем — SATA и с его появлением получил название PATA (Parallel ATA).

Первоначальная версия стандарта была разработана в 1986 году фирмой WesternDigitalи по маркетинговым соображениям получила название IDE(англ.IntegratedDriveElectronics— «электроника, встроенная в привод»). Оно подчеркивало важное нововведение: контроллер привода располагается в нём самом, а не в виде отдельной платы расширения, как в предшествующем стандартеST-506 и существовавших тогда интерфейсахSCSIиST-412. Это позволило улучшить характеристики накопителей (за счёт меньшего расстояния до контроллера), упростить управление им (так как контроллер каналаIDEабстрагировался от деталей работы привода) и удешевить производство (контроллер привода мог быть рассчитан только на «свой» привод, а не на все возможные; контроллер канала же вообще становился стандартным

В стандарте АТА определён интерфейс между контроллером и накопителем, а также передаваемые по нему команды.

Интерфейс имеет 8 регистров, занимающих 8 адресов в пространстве ввода-вывода. Ширина шины данных составляет 16 бит. Количество каналов, присутствующих в системе, может быть больше 2. Главное, чтобы адреса каналов не пересекались с адресами других устройств ввода-вывода. К каждому каналу можно подключить 2 устройства (masterиslave), но в каждый момент времени может работать лишь одно устройство.

SATA(англ.SerialATA) — последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации.SATAявляется развитием параллельного интерфейсаATA(IDE), который после появленияSATAбыл переименован вPATA(ParallelATA).

Первоначально стандарт SATAпредусматривал работу шины на частоте 1,5 ГГц, обеспечивающей пропускную способность приблизительно в 1,2 Гбит/с (150 МБ/с). (20%-я потеря производительности объясняется использованием системы кодирования 8B/10B, при которой на каждые 8 бит полезной информации приходится 2 служебных бита). Пропускная способностьSATA/150 незначительно выше пропускной способности шиныUltraATA(UDMA/133). Главным преимуществомSATAпередPATAявляется использование последовательной шины вместо параллельной. Несмотря на то, что последовательный способ обмена принципиально медленнее параллельного, в данном случае это компенсируется возможностью работы на более высоких частотах за счёт большей помехоустойчивости кабеля. Это достигается меньшим числом проводников и объединением информационных проводников в две витые пары, экранированные заземлёнными проводниками. В дальнейшием были выпущены новые стандартыSATA–SATARevision2.x(до 3 Гбит/с) и SATA Revision 3.x (до 6 Гбит/с), совместимые сSATA1.x (в меньшую сторону).

SCSI (англ. Small Computer System Interface) – интерфейс, разработанный для объединения на одной шине различных по своему назначению устройств, таких как жёсткие диски, накопители на магнитооптических дисках, приводы CD, DVD, стримеры, сканеры, принтеры и т. д. Раньше имел неофициальное название Shugart Computer Systems Interface в честь создателя Алана Ф. Шугарта. Теоретически возможен выпуск устройства любого типа на шине SCSI.

После стандартизации в 1986 году SCSI начал широко применяться в компьютерах AppleMacintosh, Sun Microsystems. В компьютерах, совместимых с IBM PC, SCSI не пользуется такой популярностью в связи со своей сложностью и сравнительно высокой стоимостью и применяется преимущественно в серверах.

SCSI широко применяется на серверах, высокопроизводительных рабочих станциях; RAID-массивы на серверах часто строятся на жёстких дисках со SCSI-интерфейсом (однако, в серверах нижнего ценового диапазона всё чаще применяются RAID-массивы на основе SATA). В настоящее время устройства на шине SAS постепенно вытесняют устаревшую шину SCSI.

Serial Attached SCSI (SAS) — компьютерный интерфейс, разработанный для обмена данными с такими устройствами, как жёсткие диски, накопители на оптическом диске и т. д. SAS использует последовательный интерфейс для работы с непосредственно подключаемыми накопителями (англ. Direct Attached Storage (DAS) devices). SAS разработан для замены параллельного интерфейса SCSI и позволяет достичь более высокой пропускной способности, чем SCSI; в то же время SAS совместим с интерфейсом SATA. Хотя SAS использует последовательный интерфейс в отличие от параллельного интерфейса, используемого традиционным SCSI, для управления SAS-устройствами по-прежнему используются команды SCSI. Протокол SAS разработан и поддерживается комитетом T10. Текущую рабочую версию спецификации SAS можно скачать с его сайта. SAS поддерживает передачу информации со скоростью до 3 Гбит/с; ожидается, что к 2010 году скорость передачи достигнет 10 Гбит/с. Благодаря уменьшенному разъему SAS обеспечивает полное двухпортовое подключение как для 3,5-дюймовых, так и для 2,5-дюймовых дисковых накопителей (раньше эта функция была доступна только для 3,5-дюймовых дисковых накопителей с интерфейсом Fibre Channel).

2) Универсальные интерфейсы.

IEEE 1284 (порт принтера, параллельный порт, англ. Line Print Terminal, LPT) — международный стандарт параллельного интерфейса для подключения периферийных устройств персонального компьютера.

В основном используется для подключения к компьютеру принтера, сканера и других внешних устройств (часто использовался для подключения внешних устройств хранения данных), однако может применяться и для других целей (организация связи между двумя компьютерами, подключение каких-либо механизмов телесигнализации и телеуправления).

В основе данного стандарта лежит интерфейс Centronics и его расширенные версии (ECP, EPP). Название «LPT» образовано от наименования стандартного устройства принтера «LPT1» (Line Printer Terminal или Line PrinTer) в операционных системах семейства MS-DOS.

USB(англ.UniversalSerialBus— «универсальная последовательная шина») — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. СимволомUSBявляются четыре геометрические фигуры: большой круг, малый круг, треугольник, квадрат.

Разработка спецификаций на шину USBпроизводится в рамках международной некоммерческой организацииUSBImplementersForum(USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шинойUSB.

Символ USB

Для подключения периферийных устройств к шине USBиспользуется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питанияUSBпозволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шиныUSB, не должна превышать 500 мА).

К одному контроллеру шины USBможно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы. На одной шинеUSBможет быть до 127 устройств и до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого.

В настоящее время наиболее широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB2.0. Уже появились первые устройства с поддержкой интерфейсаUSB3.0, обеспечивающего теоретическую пропускную способность 480 Мбит/с.

IEEE 1394 (FireWire, i-Link) — последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами.

Разъем FireWire 6–pin

Различные компании продвигают стандарт под своими торговыми марками:

• Apple — FireWire

• Sony — i.LINK

• Yamaha — mLAN

• TI — Lynx

• Creative — SB1394

Интерфейс широко используется для подключения внешних дисковых устройств, для создания сети поверх 1394 и для подключения Mini–DVвидеокамер.

3) Интерфейсы для подключения видеоадаптеров прошли путь от шина ISAдоPCI–Express2.0.

ISA (от англ. Industry Standard Architecture, ISA bus) — 8- или 16-разрядная шина ввода/вывода IBM PC-совместимых компьютеров. Служит для подключения плат расширения стандарта ISA. Конструктивно выполняется в виде 62-х или 98-контактного разъёма на материнской плате. Впервые шина ISAпоявилась на компьютерахIBMPC/XTв 1981 году. Это была 8-разрядная шина с частотой до 8 МГц и скоростью передачи данных до 4 МБайт/с (передача каждого байта требовала минимум двух тактов шины). С появлением материнских плат формата ATX шина ISA перестала широко использоваться в компьютерах.

PCI (англ. Peripheral component interconnect, дословно — взаимосвязь периферийных компонентов) — шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера.

Стандарт на шину PCI определяет:

• физические параметры (например, разъёмы и разводку сигнальных линий);

• электрические параметры (например, напряжения);

• логическую модель (например, типы циклов шины, адресацию на шине).

Шина PCI пришла на смену ISA.

AGP (от англ. Accelerated Graphics Port, ускоренный графический порт) — разработанная в 1997 году компанией Intel, специализированная 32-битная системная шина для видеокарты. Появилась одновременно с чипсетами для процессора Intel Pentium MMX чипсет MVP3, MVP5 c Super Socket 7. Основной задачей разработчиков было увеличение производительности и уменьшение стоимости видеокарты, за счёт уменьшения количества встроенной видеопамяти. По замыслу Intel, бо́льшие объёмы видеопамяти для AGP-карт были бы не нужны, поскольку технология предусматривала высокоскоростной доступ к общей памяти.

Основными отличиями AGP от PCI являются:

• работа на тактовой частоте 66 МГц;

• увеличенная пропускная способность;

• режим работы с памятью DMA и DME;

• разделение запросов на операцию и передачу данных;

• возможность использования видеокарт с бо́льшим энергопотреблением, нежели PCI

PCI Express, или PCIe, или PCI-E (также известная как 3GIO for 3rd Generation I/O) – компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.

В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором.

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel после отказа от шины InfiniBand. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года.

Шина PCI Express нацелена на использование только в качестве локальной шины. Так как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и тем более PCI и PCI-X, ожидается, что PCI Express заменит эти шины в персональных компьютерах.

Слоты PCI–Express

Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое lane; это резко отличается от PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной двунаправленной шине.

Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link, и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (x2, x4, x8, x12, x16 и x32) двунаправленных последовательных соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение x1.

Использование подобного подхода имеет следующие преимущества:

• карта PCI Express помещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16);

• слот большего физического размера может использовать не все lane'ы (например, к слоту x16 можно подвести линии передачи информации, соответствующие x1 или x8, и всё это будет нормально функционировать; однако, при этом необходимо подключить все линии «питание» и «земля», необходимые для слота x16).

В обоих случаях, на шине PCI Express будет использовать максимальное количество lane'ов доступных как для карты, так и для слота. Однако это не позволяет устройству работать в слоте, предназначенном для карт с меньшей пропускной способностью шины PCI Express (например, карта x4 физически не поместится в слот x1, несмотря на то, что она могла бы работать в слоте x4 с использованием только одного lane).

PCI Express пересылает всю управляющую информацию, включая прерывания, через те же линии, что используются для передачи данных.

Группа PCI-SIG выпустила спецификацию PCI Express 2.0 15 января 2007 года. Основным нововведением стала увеличенная вдвое пропускная способность – 5 Гбит/с. PCI Express 2.0 используется во всех современных материнских платах.

4) Интерфейсы для ноутбуков.

PCMCIA – спецификация на модули расширения, разработана ассоциацией PCMCIA (англ. Personal Computer Memory Card International Association). Широко используются в ноутбуках, модули расширения, изготовленные в соответствии с этой спецификацией обычно называются «PC-карты» (англ. PC Card). Все карты PC card имеют размер 85,6 мм в длину и 54 мм в ширину.

Интерфейс PCMCIA породил целое поколение карт для хранения информации, использовавших flash-память: CompactFlash, Miniature Card и SmartMedia. Например, электрическая часть спецификации CompactFlash позаимствована из спецификации PCMCIA, что позволяет подключать карты CompactFlash к шине PCMCIA с помощью простейшего переходника, единственная задача которого — согласовать разъёмы.

Ассоциацией PCMCIA подготовлен новый стандарт, призванный заменить PC Card: ExpressCard. Карты расширения стандарта ExpressCard имеют меньший размер, чем PCCard. Для подключения периферийных устройств в ExpressCard используются шины PCI Express и USB 2.0.

5) Интерфейсы для мониторов.

D-subminiature, или D-sub — название электрического разъёма, применяемого, в частности, в компьютерной технике. Название «субминиатюрный» было уместно тогда, когда эти разъёмы только появились, в наше же время эти разъёмы относятся к числу наибольших по размерам из используемых в компьютерах сигнальных разъёмов.

Разъём D-Sub 15

Разъёмы D-sub были изобретены и введены в употребление фирмой ITT Cannon, подразделением ITT Corporation в 1952 году. В принятой этой фирмой системе обозначений буква D обозначает всю серию разъёмов D-sub, а вторая буква используется для указания размера разъёма, исходя из числа стандартных контактов, которые могут разместиться внутри D-образного экрана (A = 15 контактов, B = 25, C = 37, D = 50, E = 9), после чего следует цифра, обозначающая фактическое число используемых контактов, и буква, обозначающая «пол» разъёма (M — male, «папа» , F — female, «мама», P — plug, штепсель или «папа», S — socket, розетка или «мама»). Например, DB25M обозначает разъём D-sub с экраном, вмещающим 25 контактов и фактическим числом контактов, равным 25. Контакты в этих разъёмах находятся на расстоянии 2,74 мм, а ряды находятся на расстоянии 2,84 мм.

Наиболее широко разъёмы D-sub применяются для передачи данных по последовательному интерфейсу RS-232, хотя стандарт рекомендует, но не обязывает использовать для этих целей разъёмы D-sub. Первоначально в RS-232 использовались DB25, но, поскольку многие приложения использовали лишь часть предусмотренных стандартом контактов, стало возможно применять для этих целей 9-штырьковые разъёмы DE9.

Digital Visual Interface, сокр. DVI (англ. цифровой видеоинтерфейс) — стандарт на интерфейс и соответствующий разъём, предназначенный для передачи видеоизображения на цифровые устройства отображения, такие как жидкокристаллические мониторы и проекторы. Разработан консорциумом Digital Display Working Group.

DVI-разъём

Предыдущие стандарты видеоразъёмов, например, VGA — аналоговые и изначально были предназначены для мониторов на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). Они передают сигнал построчно, при этом изменение напряжения означает изменение яркости. Для устройств на ЭЛТ это было нужно для изменения интенсивности луча электронов.

Сущестует три вида DVI:

• DVI-A — только аналоговая передача.

• DVI-I — аналоговая и цифровая передача.

• DVI-D — только цифровая передача.

High-Definition Multimedia Interface (HDMI) — мультимедийный интерфейс высокой чёткости, позволяет передавать цифровые видеоданные высокого разрешения и многоканальные цифровые аудиосигналы с защитой от копирования (HDCP).

Разъём HDMI обеспечивает цифровое DVI-соединение нескольких устройств с помощью соответствующих кабелей. Основное различие между HDMI и DVI состоит в том, что разъём HDMI меньше по размеру, интерфейс оснащён технологией защиты от копирования HDCP (High Bandwidth Digital Copy Protection), а также поддерживает передачу многоканальных цифровых аудиосигналов. Является современной (на 2009 год) заменой аналоговых стандартов подключения, таких как SCART или RCA.

Основными разработчиками и производителями решений с поддержкой HDMI являются компании Intel, AMD, nVidia, Panasonic, Analog Devices, Texas Instruments, Broadcom, Silicon Image, STMicroelectronics, NXP Semiconductors, Analogix Semiconductor, Gennum, MStar Semiconductor, Parade Technologies, RedMere Technology, TranSwitch и Zoran.

Самыми современными версиями данного стандарта являются HDMI 1.4 (выпущен 22 мая 2009) , в котором добавлена поддержка разрешения 2Kх4K (3840×2160 на 24/25/30Гц и 4096×2160 на 24Гц) и HDMI 1.4a(4 марта 2010) с улучшенной поддержкой стереоизображения.

Первый в мире кабель HDMI 1.4, выпущенный компанией Cablesson 22 июня 2009 года.

12. Внешние интерфейсы (последовательный порт; параллельный порт; стандарт USB; интерфейс IEEE)

См. вопр. 11 вопр 8,9,10,11 выделено розовым и зеленым

13. Вычислительная система. Классы архитектур.

Под вычислительной системой (ВС) понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации. [взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации.]

Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

  Таблица 1 – Классификация ВС

Признак классификации
	Многопроцессорная ВС	Многомашинная ВС
Состав структуры	CP*, PM, BM, EM, I/O, SW	ВМ (ЭВМ, МПВС), EM, I/O, SW
Вид связи между элементами структуры (вид  коммутатора)	Матричный SW, многоступенчатый SW,  общая шина	Шинные (многошинный SW и др.) или линковые ( SW с регулярными связями и др. )
Организация памяти	Общая память	Распределенная  память
Способ передачи данных	Параллельный (сильная связь)	Параллельно-последовательный (ослабленная связь)
Приемник передаваемых данных	–	Кэш-память или оперативная память
Инициатор передачи данных	–	Процесс-последователь или процесс-предшественник
Операционная система (ОС), управление	Общая,   централизованное	Копии ОС и общая надстройка,   смешанное
Пространственное размещение элементов структуры	На одной плате или в одном блоке	В одном блоке, в одной стойке и т.д. (в одном  помещении)

 

* CP – центральный процессор (не содержит кэш-памяти СМ); PM – процессорный модуль, т.е. CP+СМ, при этом СМ может быть двухуровневой; BM –  оперативная память, которая может состоять из одного или нескольких модулей ММ (2, 4, 8 …); ММ – модуль оперативной памяти, который представляет собой секционированную память с числом секций, равным числу слов в блоке СМ (обычно 4), ЕМ – внешняя память на магнитных или оптических носителях информации; I/O – устройства ввода/вывода; SW – коммутатор, т.е. совокупность средств, обеспечивающих взаимодействие между элементами структуры. В состав SW помимо ключевых элементов входит устройство управления, выполняющее функции маршрутизации, арбитража и т.п.,  ВМ – вычислительный модуль  (это ЭВМ или МПВС).

Образ единой ВС поддерживается совокупностью как аппаратных, так  и программных средств (операционной системой). Однако приводимая классификация ориентирована главным образом на организацию аппаратных средств.

Схема классификации ВС приведена на рисунке 1.

 

 

Рис. 1

Классификация архитектур вычислительных систем с параллельной обработкой данных

Чтобы дать более полное представление о многопроцессорных вычислительных системах, помимо высокой производительности необходимо назвать и другие отличительные особенности. Прежде всего, это необычные архитектурные решения, направленные на повышение производительности (работа с векторными операциями, организация быстрого обмена сообщениями между процессорами или организация глобальной памяти в многопроцессорных системах и др.).

Понятие архитектуры высокопроизводительной системы является достаточно широким, поскольку под архитектурой можно понимать и способ параллельной обработки данных, используемый в системе, и организацию памяти, и топологию связи между процессорами, и способ исполнения системой арифметических операций. Попытки систематизировать все множество архитектур впервые были предприняты в конце 60-х годов и продолжаются по сей день.

В 1966 г. М. Флинном (Flynn) был предложен чрезвычайно удобный подход к классификации архитектур вычислительных систем. В его основу было положено понятие потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором.

Соответствующая система классификации основана на рассмотрении числа потоков инструкций и потоков данных и описывает четыре архитектурных класса:

-       SISD (Single Instruction Single Data) – 1 поток команд и 1 поток данных.

-       MISD (Multiple Instruction Single Data) – несколько потоков команд и 1 поток данных.

-       SIMD (Single Instruction Multiple Data) – 1 поток команд и несколько потоков данных.

-       MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) – несколько потоков команд и несколько потоков данных.

Рисунок 5.1 – Архитектура SISD, 1 поток команд и 1 поток данных	Рисунок 5.2 – Архитектура MISD, несколько потоков команд и 1 поток данных
Рисунок 5.3 – Архитектура SIMD, 1 поток команд и несколько потоков данных	Рисунок 5.4 – MIMD, несколько потоков команд и несколько потоков данных

SISD (single instruction stream / single data stream) – одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся последовательные компьютерные системы, которые имеют один центральный процессор, способный обрабатывать только один поток последовательно исполняемых инструкций.

В настоящее время практически все высокопроизводительные системы имеют более одного центрального процессора, однако каждый из них выполняет несвязанные потоки инструкций, что делает такие системы комплексами SISD-систем, действующих на разных пространствах данных.

Для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка. В случае векторных систем векторный поток данных следует рассматривать как поток из одиночных неделимых векторов.

Примерами компьютеров с архитектурой SISD могут служить большинство рабочих станций Compaq, Hewlett-Packard и Sun Microsystems.

MISD (multiple instruction stream / single data stream) – множественный поток команд и одиночный поток данных. Теоретически в этом типе машин множество инструкций должно выполняться над единственным потоком данных. До сих пор ни одной реальной машины, попадающей в данный класс, создано не было. В качестве аналога работы такой системы, по-видимому, можно рассматривать работу банка. С любого терминала можно подать команду и что-то сделать с имеющимся банком данных. Поскольку база данных одна, а команд много, мы имеем дело с множественным потоком команд и одиночным потоком данных.

SIMD (single instruction stream / multiple data stream) – одиночный поток команд и множественный поток данных. Эти системы обычно имеют большое количество процессоров (от 1024 до 16384), которые могут выполнять одну и ту же инструкцию относительно разных данных в жесткой конфигурации. Единственная инструкция параллельно выполняется над многими элементами данных.

Примерами SIMD-машин являются системы CPP DAP, Gamma II и Quadrics Apemille.

Другим подклассом SIMD-систем являются векторные компьютеры. Векторные компьютеры манипулируют массивами сходных данных подобно тому, как скалярные машины обрабатывают отдельные элементы таких массивов. Это делается за счет использования специально сконструированных векторных центральных процессоров. Когда данные обрабатываются посредством векторных модулей, результаты могут быть выданы на один, два или три такта частотогенератора (такт частотогенератора является основным временным параметром системы). При работе в векторном режиме векторные процессоры обрабатывают данные практически параллельно, что делает их в несколько раз более быстрыми, чем при работе в скалярном режиме. Примерами систем подобного типа являются, например, компьютеры Hitachi S3600.

MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) – множественный поток команд и множественный поток данных. Эти машины параллельно выполняют несколько потоков инструкций над различными потоками данных.В отличие от упомянутых выше многопроцессорных SISD-машин, команды и данные связаны, потому что они представляют различные части одной и той же задачи. Например, MIMD-системы могут параллельно выполнять множество подзадач с целью сокращения времени выполнения основной задачи.

Большое разнообразие попадающих в MIMD класс вычислительных систем делает классификацию Флинна не полностью адекватной. Действительно, и четырехпроцессорный SX-5 компании NEC, и тысячепроцессорный Cray T3E попадают в этот класс. Это заставляет использовать другой подход к классификации, иначе описывающий классы компьютерных систем.

Другой подход к классификации состоит в разделении вычислительных систем по способам обработки множественного потока команд.

Одним конвейерным устройством обработки, работающем в режиме разделения времени для отдельных потоков. Такая возможность используется в MIMD-компьютерах, которые обычно называют конвейерными или векторными. В основе векторных компьютеров лежит концепция конвейеризации, т.е. явного сегментирования арифметического устройства на отдельные части, каждая из которых выполняет свою подзадачу для пары операндов.

Каждый поток обрабатывается своим собственным устройством. Такая возможность используется в параллельных компьютерах. В основе параллельного компьютера лежит идея использования для решения одной задачи нескольких процессоров, работающих сообща, причем процессоры могут быть как скалярными, так и векторными.

Классификация архитектур вычислительных систем нужна для того, чтобы понять особенности работы той или иной архитектуры, но она не является достаточно детальной, чтобы на нее можно было опираться при создании МВС, поэтому следует вводить более детальную классификацию, которая связана с различными архитектурами ЭВМ и с используемым оборудованием.

. Другие подходы к классификации ВС

Наличие большого разнообразия систем с архитектурой МIМDделает классификацию Флинна не вполне адекватной. Поэтому разрабатывались и другие подходы к классификации.

Классификация Джонсона: предлагается проводить классификацию МIМD-архитектур на основе структуры памяти и реализации механизма взаимодействия и синхронизации между процессорами.

Классификация Базу: любая параллельная ВС может быть однозначно описана последовательностью решений , принятых при её проектировании, а сам процесс проектирования представить в виде дерева. Корень дерева – это ВС, а последующие уровни формируют описание системы, определяя метод реализации алгоритма, параллелизм исполнения команд и способ управления.

Классификация Дункана: из класса параллельных ВС надо исключить ЭВМ, в которых параллелизм заложен лишь на самом низком уровне, включая:

• Конвейеризацию на этапе подготовки и выполнения команд, т.е. частичное перкрытие таких этапов, как дешифрация команды, вычисление адресов операндов и т.д.

• Наличие в архитектуре нескольких независимых функциональных устройств, например, позволяющих параллельно выполнять арифметические и логические операции

• Наличие отдельных процессоров ввода-вывода.

Причина исключения объясняется тем, что если рассматривать компьютеры, реализующие параллелизм только на самом низком уровне, наряду с остальными, то тогда практически все существующие системы можно рассматривать как параллельные.

Дункан определяет параллельную архитектуру как такой способ организации ВС, при котором допускается, чтобы множество процессоров могло работать одновременно, взаимодействуя по мере надобности друг с другом.

Синхронные	Векторные	Матричные
	SIMD
	Систолические	С ассоциативной памятью
MIMD	С распределённой памятью
	С общей памятью
ЭВМ, использующие идею MIMD	MIMD/ SIMD
	Dadaflow
	Reduction
	Wavefront

14. Уровни и средства комплексирования ВС.

При создании ВС стараются обеспечить несколько путей передачи данных, что позволяет достичь надежности, гибкости функционирования ВС. Эффективность обмена информацией определяется скоростью передачи и возможными объёмами данных, передаваемых по каналам взаимодействия. Это зависит от средств, обеспечивающих взаимодействие отдельных элементов, и уровня управления процессами, на котором это взаимодействие осуществляется. Сочетание различных уровней обмена данными между элементами наиболее полно используется в суперЭВМ. Там предусмотрены такие уровни комплексирования:

• Прямого управления (процессор – процессор)

• Общей ОП

• Комплексируемых каналов ввода-вывода

• Устройств управления внешними устройствами

• Общих внешних устройств

На каждом уровне используются специальные ТС и ПС, обеспечивающие обмен информацией.

ОС 1

Процессор 1

Уровень 1

ОС 2

Процессор 2

ОП 1

ОП 1

Каналы связи 1

Каналы связи 2

Внешние устройства 1

Внешние устройства 2

Уровень 2

Уровни 3, 4, 5

Уровень прямого управленияслужит для передачи коротких однобайтовых приказов-сообщений. Процессор-инициатор обмена по интерфейсу прямого управления передаёт в блок прямого управления байт-сообщение и выдаёт команду «прямая запись». В другом процессоре эта команда вызывает прерывание типа «внешнее». В ответ он выдаёт команду «прямое чтение» и записывает передаваемый байт в свою память. Затем принятая информация расшифровывается и по ней принимается решение.когда передача завершится, прерывания снимаются, и оба процессора продолжают выполнять свои программы. Очевидно, что этот уровень не может использоваться для передачи больших массивов данных, но удобен для оперативного взаимодействия сигналами. У ПК этот уровень соответствует комплексированию процессоров, подключаемых к системной шине.

Уровень общей ОПявляется самым предпочтительным для оперативного взаимодействия процессоров. Этот метод эффективен при небольшом числе обслуживаемых абонентов.

Уровень комплексируемых каналов ввода-выводапредназначен для передачи больших объёмов информации между блоками ОП сопрягаемых ЭВМ. Обмен данными между ЭВМ выполняется с помощью адаптера «канал-канал» (АКК) и команд «чтении» и «запись». Адаптер согласует скорости работы сопрягаемых каналов. Скорость обмена данными определяется скоростью самого медленного канала. Скорость передачи данных на этом уровне составляет несколько мегабит в секунду. В ПК этому уровню взаимодействия соответствует подключение периферийной аппаратуры через контроллеры и адаптеры.

Уровень устройств управления внешними устройствами(УВУ) предполагает использование встроенного в УВУ двухканального переключателя и команд «зарезервировать» и «освободить». Двухканальный переключатель позволяет подключать УВУ одной ЭВМ к каналам других ЭВМ. По команде «зарезервировать» канал-инициатор обмена получает доступ через УВУ к любым устройствам внешней памяти. Обмен канала с накопителями продолжается до полного завершения и получения команды «освободить». Только после этого УВУ может подключиться к другому каналу.

На четвёртом уровнекомплексирования с помощью аппаратуры передачи данных (АПД) (мультиплексоры, сетевые адаптеры, модемы и т.д.) обеспечивается возможность сопряжения с каналами связи. Эта аппаратура позволяет создавать сети ЭВМ.

Пятый уровеньпредполагает использование общих внешних устройств. Для подключения отдельных устройств используется автономный двухканальный переключатель.

Пять уровней комплексирования являются логическими, т.к. они объединяют на каждом уровне разнотипную аппаратуру, имеющую похожие методы управления. Каждое из устройств может иметь логическое имя, используемое в прикладных программах. Этим достигается независимость программ пользователей от конкретной физической конфигурации системы. Связь логической структуры программы и конкретной физической структуры ВС обеспечивается ОСом различными средствами: директивами пользователя, при генерации ОС, командами оператора ЭВМ. Разные уровни комплексирования позволяют создавать разные структуры ВС.

Второй логический уровень позволяет создавать многопроцессорные ВС. Обычно он дополняется первым уровнем, что повышает оперативность взаимодействия процессоров. ВС сверхвысокой производительности должны строиться как многопроцессорные. Центральный блок такой системы – быстродействующий коммутатор, обеспечивающий необходимые подключения процессоров и каналов к общей ОП.

Уровни 1, 3, 4, 5 обеспечивают построение различных многомашинных комплексов. Чаще всего используется комбинация 3 и 4. целесообразно дополнять их первым уровнем.

Пятый уровень комплексирования используется в редких специальных случаях, когда в качестве внешнего объекта используется какое-то дорогое уникальное устройство. В других случаях этот уровень малоэффективен. Любое ВУ является недостаточно надёжным, а, значит, если можно управлять не одним, а несколькими ВУ, выгоднее использовать 4-й уровень комплексирования.

15. Классификация архитектуры вычислительных систем с параллельной обработкой данных.

См вопр 13 выделено голубым

16. Обобщенные представления об архитектуре вычислительных машин, систем и сетей

Рассматривая архитектуру ЭВМ, вычислительных систем, суперкомпьютеров и информационно-вычислительных сетей с общих позиций и абстрагируясь от деталей, можно воспользоваться следующей схемой.

DP – процессор данных, IP- процессор команд

Здесь используется принципы классификации Скилликорна, построенной на следующих элементах-объектах:

• процессор команд (IP — Instruction Processor) — функциональное устройство, работающее как интерпретатор команд; в системе, вообще говоря, может отсутствовать;

• процессор данных (DP — Data Processor) — функциональное устройство, работающее как преобразователь данных, в соответствии с арифметическими операциями;

• иерархия памяти (IM — Instruction Memory, DM — Data Memory) — запоминающее устройство, в котором хранятся данные и команды, пересылаемые между процессорами;

• переключатель — абстрактное устройство, обеспечивающее связь между процессорами и памятью.

таким образом, имеются:

• процессоры и блоки памяти — информационно-вычислительная среда;

• средства коммутации и коммуникации — коммуникационно-коммутационная среда.

Все эти компоненты присутствуют как в ЭВМ, так и в вычислительных сетях и системах (суперЭВМ).

17. Процессор. Характеристика и интерфейс.

Процессором называется устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом. Процессор дешифрирует и выполняет команды программы, организует обращения к оперативной памяти, в нужных случаях инициирует работу периферийных устройств, воспринимает и обрабатывает запросы, поступающие из устройств машины и из внешней среды (“запросы прерывания”).

Процессор занимает центральное место в структуре ЭВМ, так как он осуществляет управление взаимодействием всех устройств, входящих в состав ЭВМ.

Выполнение команды (машинной операции) разделено на более мелкие этапы — микрооперации (микрокоманды), во время которых выполняются определенные элементарные действия. Конкретный состав микроопераций определяется системой команд и логической структурой данной ЭВМ. Последовательность микроопераций (микрокоманд), реализующих данную операцию (команду), образует микропрограмму операции.

Для определений временных соотношений между различными этапами операции используется понятие машинного такта. Машинный такт определяет интервал времени, в течение которого выполняется одна или одновременно несколько микроопераций. Границы тактов задаются синхросигналами, вырабатываемыми специальной схемой — генератором синхросигналов.

Таким образом, может быть установлена следующая иерархия этапов выполнения программ в процессоре: программа, команда (микропрограмма), микрооперация (микрокоманда).

В процессор входят: арифметическо-логическое устройство АЛУ, управляющее устройство (управляющий автомат) УУ, блок управляющих регистров БУР, блок регистровой памяти (местная память) и блок связи с ОП и некоторым другим, в том числе внешним по отношению к ЭВМ, оборудованием.

В состав процессора могут также входить и некоторые другие блоки, участвующие в организации вычислительного процесса (блок прерывания, блок защиты памяти, блок контроля правильности работы и диагностики процессора и др.). Оперативная (основная) память выполняется в виде отдельного устройства, хотя в небольших ЭВМ может конструктивно объединяться с процессором и использовать частично его оборудование.

Арифметическо-логическое устройство процессора выполняет логические и арифметические операции над данными. В общем случае в АЛУ выполняются логические преобразования над логическими кодами фиксированной и переменной длины (над отдельными битами, группами бит, байтами и их последовательностями) , арифметические операции над числами с фиксированной и плавающей точками, над десятичными числами, обработка алфавитно-цифровых слов переменной длины и др. Характер выполняемой АЛУ операции задается командой программы.

В процессоре может быть одно универсальное АЛУ для выполнения всех основных арифметических и логических преобразований или несколько специализированных для отдельных видов операций. В последнем случае увеличивается количество оборудования процессора, но повышается его быстродействие за счет специализации и упрощения схем выполнения отдельных операций.

Управляющее устройство (управляющий автомат)вырабатывает последовательность управляющих сигналов, инициирующих выполнение соответствующей последовательности микроопераций, обеспечивающей реализацию текущей команды.

Блок управляющих регистров предназначен для временного хранения управляющей информации. Он содержит регистры и счетчики, участвующие в управлении вычислительным процессом: регистры, хранящие информацию о состоянии процессора, регистр-счетчик адреса команды – счетчик команд (СчК), счетчики тактов, регистр запросов прерывания и др. К блоку управляющих регистров следует также отнести управляющие триггеры, фиксирующие режимы работы процессора.

Для повышения быстродействия и логических возможностей процессора и микропроцессора в их состав включают блок регистровой памяти (местную память) небольшой емкости, но более высокого, чем ОП, быстродействия. Регистры этого блока (или ячейки местной памяти) указываются в командах программы путем укороченной регистровой адресации и служат для хранения операндов, в качестве аккумуляторов (регистров результата операций), базовых и индексных регистров, указателя стека.

Местная память выполняется главным образом на быстродействующих полупроводниковых интегральных ЗУ.

Блок связи (интерфейс процессора) организует обмен информацией процессора с оперативной памятью и защиту участков ОП от недозволенных данной программе обращений, а также связь процессора с периферийными устройствами и внешним по отношению к ЭВМ оборудованием (другими ЭВМ и т.п.).