МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

О.Я.Кравец, Е.С.Подвальный

ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ: КОМПОНЕНТЫ, ТЕХНОЛОГИИ, РЕАЛИЗАЦИЯ

Учебное пособие

Воронеж 2003

ББК 32.973.202я73

К78

Кравец О.Я., Подвальный Е.С. Организация вычислительных систем: компоненты, технология, реализация: Учебное пособие. - Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2003. 136 с.

Учебное пособие охватывает круг вопросов, связанных с основами построения современных вычислительных систем. Рассмотрены принципы организации основных компонент вычислительных систем, исследованы современные технологии, дан краткий перечень способов реализации высокопроизводительных компьютеров.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 220100 "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети", 351400 "Прикладная информатика (по отраслям)" при изучении дисциплины «Организация ЭВМ, комплексов и компьютерных сетей», а также может быть полезно и для студентов непрофильных специальностей в качестве введения в проблемы построения информационно-вычислительных систем и методы управления ими.

Учебное пособие подготовлено на магнитном носителе в текстовом редакторе MS Word 97 и содержится в файле «текст_архитектура_2.doc».

Табл. 9. Ил. 22. Библиогр.: 7 назв.

Рецензенты: Кафедра прикладной математики Липецкого государственного технического университета;

докт. техн. наук, проф. С.А.Баркалов

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

ББК 32.973.202я73

 Кравец О.Я., Подвальный Е.С., 2002

 Оформление. Воронежский государственный технический университет, 2002

Содержание

Введение 6

7. Иерархия памяти 7

7.1. Основы 7

7.2. Организация кэш-памяти 8

7.2.1. Параметры описания кэш-памяти и ее иерархия 8

7.2.2. Увеличение производительности кэш-памяти 12

7.3. Принципы организации основной памяти в современных компьютерах 14

7.3.1. Общие положения 14

7.3.2. Увеличение разрядности основной памяти 16

7.3.3. Память с расслоением 16

7.3.4. Использование специфических свойств динамических ЗУПВ 18

7.4. Виртуальная память и организация защиты памяти 19

7.4.1. Концепция виртуальной памяти 19

7.4.2. Страничная организация памяти 20

7.4.3. Сегментация памяти 22

8. Современные микропроцессоры 23

8.1. Процессоры с архитектурой 80x86 и Pentium 23

8.2. Особенности процессоров с архитектурой SPARC компании Sun Microsystems 27

8.2.1. SuperSPARC 28

8.2.2. HyperSPARC 31

8.2.3. MicroSPARC-II 35

8.3. Процессоры PA-RISC компании Hewlett-Packard 37

8.3.1. PA 7100 37

8.3.2. PA 7200 44

8.4. Процессор MC88110 компании Motorola 45

8.5. Особенности архитектуры MIPS компании MIPS Technology 48

8.6. Особенности архитектуры Alpha компании DEC 53

8.7. Особенности архитектуры POWER компании IBM и PowerPC компаний Motorola, Apple и IBM 60

8.7.1. Архитектура POWER 60

8.7.2. Эволюция архитектуры POWER в направлении архитектуры PowerPC 64

8.7.3. PowerPC 601 65

8.7.4. Процессор PowerPC 603 66

8.7.5. PowerPC 604 68

8.7.6. PowerPC 620 69

9. Организация ввода/вывода 70

9.1. Общие положения 70

9.2. Системные и локальные шины 71

9.2.1. Центральная шина 71

9.2.2. Стандарты шин 75

9.3. Устройства ввода/вывода 80

9.3.1. Основные типы устройств ввода/вывода 80

9.3.2. Магнитные и магнитооптические диски 81

9.3.3. Дисковые массивы и уровни RAID 86

9.3.4. Устройства архивирования информации 90

10. Многопроцессорные системы 92

10.1. Классификация систем параллельной обработки данных 92

10.2. Модели связи и архитектуры памяти 98

10.3. Многопроцессорные системы с общей памятью 100

10.3.1. Мультипроцессорная когерентность кэш-памяти 101

10.3.2. Альтернативные протоколы 104

10.4. Основы реализации 106

11. Системы высокой готовности и отказоустойчивые системы 111

11.1. Основные определения 111

11.2. Подсистемы внешней памяти высокой готовности 116

11.3. Требования, предъявляемые к системам высокой готовности 118

11.3.1. Конфигурации систем высокой готовности 118

11.3.2. Требования начальной установки системы 120

11.3.3. Требования к системному программному обеспечению 121

11.3.4. Журнализация файловой системы 121

11.3.5. Изоляция неисправного процесса 121

11.3.6. Мониторы обработки транзакций 122

11.3.7. Другие функции программного обеспечения 122

11.3.8. Требования высокой готовности к прикладному программному обеспечению 122

11.3.9. Требования к сетевой организации и к коммуникациям 123

11.4. "Кластеризация" как способ обеспечения высокой готовности системы 124

11.4.1. Базовая модель VAX/VMS кластеров 124

11.4.2. Системное программное обеспечение VAX-кластеров 126

11.4.3. Критерии оценки кластеров Gartner Group 127

11.4.4. Кластеры Alpha/OSF компании DEC 128

11.4.5. UNIX-кластеры компании IBM 129

11.4.6. Кластеры AT&T GIS 131

11.4.7. Кластеры Sequent Computer Systems 132

11.4.8. Системы высокой готовности Hewlett-Packard 133

11.4.9. Кластерные решения Sun Microsystems 135

11.4.10. Отказоустойчивые решения Data General 136

Список использованных источников 138

Введение

Учебное пособие охватывает круг вопросов, связанных с основами построения современных вычислительных систем. Рассмотрены принципы организации основных компонент вычислительных систем, исследованы современные технологии, дан краткий перечень способов реализации высокопроизводительных компьютеров.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 220100 "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети", 351400 "Прикладная информатика (по отраслям)", а также может быть полезно и для студентов непрофильных специальностей в качестве введения в проблемы построения информационно-вычислительных систем и методы управления ими.

Учебное пособие ориентировано на изучение дисциплин «Организация ЭВМ, комплексов и систем», «Микропроцессоры», «Периферийные устройства» и ряда других.

Учебное пособие в основном следует изложению обзора «Современные высокопроизводительные компьютеры», В.Шнитман.

Предлагаемое читателю учебное пособие покрывает вторую часть соответствующей дисциплины и является логическим продолжением пособия тех же авторов «Организация вычислительных систем: архитектура, конвейеризация, параллелизм» (Воронеж: ВГТУ, 2002). Следствием продолжающегося характера пособия является продолжающаяся нумерация разделов.

Седьмой раздел содержит описание иерархии памяти. В восьмом дан обзор современных микропроцессоров. Организации ввода/вывода посвящен девятый раздел. Многопроцессорные системы являются основой десятого раздела. Системы высокой готовности и отказоустойчивые системы раскрываются в одиннадцатом разделе.

В написании подраздела 7.2 принимал участие А.В.Пономарев, 7.4 – С.Р.Прохончуков, 11.3 – А.Н.Черепухин.

7. Иерархия памяти

7.1. Основы

В основе реализации иерархии памяти современных компьютеров лежат два принципа: принцип локальности обращений и соотношение стоимость/производительность. Принцип локальности обращений говорит о том, что большинство программ к счастью не выполняют обращений ко всем своим командам и данным равновероятно, а оказывают предпочтение некоторой части своего адресного пространства.

Иерархия памяти современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем более высокий уровень меньше по объему, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на байт, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащем уровне и так далее, пока мы не достигнем основания иерархии.

Иерархия памяти обычно состоит из многих уровней, но в каждый момент времени мы имеем дело только с двумя близлежащими уровнями. Минимальная единица информации, которая может либо присутствовать, либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называется блоком. Размер блока может быть либо фиксированным, либо переменным. Если этот размер зафиксирован, то объем памяти является кратным размеру блока.

Успешное или неуспешное обращение к более высокому уровню называются соответственно попаданием (hit) или промахом (miss). Попадание - есть обращение к объекту в памяти, который найден на более высоком уровне, в то время как промах означает, что он не найден на этом уровне. Доля попаданий (hit rate) или коэффициент попаданий (hit ratio) есть доля обращений, найденных на более высоком уровне. Иногда она представляется процентами. Доля промахов (miss rate) есть доля обращений, которые не найдены на более высоком уровне.

Поскольку повышение производительности является главной причиной появления иерархии памяти, частота попаданий и промахов является важной характеристикой. Время обращения при попадании (hit time) есть время обращения к более высокому уровню иерархии, которое включает в себя, в частности, и время, необходимое для определения того, является ли обращение попаданием или промахом. Потери на промах (miss penalty) есть время для замещения блока в более высоком уровне на блок из более низкого уровня плюс время для пересылки этого блока в требуемое устройство (обычно в процессор). Потери на промах далее включают в себя две компоненты: время доступа (access time) - время обращения к первому слову блока при промахе, и время пересылки (transfer time) - дополнительное время для пересылки оставшихся слов блока. Время доступа связано с задержкой памяти более низкого уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания канала между устройствами памяти двух смежных уровней.

Чтобы описать некоторый уровень иерархии памяти надо ответить на следующие четыре вопроса:

1. Где может размещаться блок на верхнем уровне иерархии? (размещение блока).

2. Как найти блок, когда он находится на верхнем уровне? (идентификация блока).

3. Какой блок должен быть замещен в случае промаха? (замещение блоков).

4. Что происходит во время записи? (стратегия записи).