Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы информатики, организации ЭВМ, вычислительных и информационных систем. Учебное пособие
.pdf
Центральный контроллер играет роль коммутатора, распре-
деляющего потоки информации между процессором, памятью,
устройством отображения и остальными узлами компьютера.
Кроме этого в состав микросхемы центрального контроллера включены устройства, которые поддерживают работу компьютера. К
ним относятся системный таймер; устройство прямого доступа к
памяти, которое обеспечивает обмен данными между внешними
устройствами и памятью и периоды, когда это не требуется процес-
сору; устройство обработки прерываний, которое обеспечивает
быструю реакцию процессора на запросы внешних устройств, име-
ющих данные для передачи.
Функциональный контроллер — это СБИС, которая содержит
контроллеры для подключения стандартных внешних устройств,
таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав
этого контроллера входит такое устройство, как аудиокар-
та, позволяющая получить на внешних динамиках высококаче-
ственный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.
Для подключения специфических устройств часть обшей шины, соединяющая центральный и функциональный контроллеры,
имеет слоты расширения для установки плат контроллеров.
Архитектуры многопроцессорных вычислительных систем
Персональные компьютеры позволяют реализовать многие
компьютерные технологии, начиная от работы в Интернете, и кончая построением анимационных трехмерных сцен. Однако существуют задачи, объем вычислений которых превышает возможности
персональною компьютера. Для их решений применяются компьютеры с гораздо более высоким быстродействием. Для получения вы-
сокого быстродействия на существующей элементной базе используются архитектуры, в которых процесс обработки распараллелива-
ется и выполняется одновременно на нескольких обрабатывающих
устройствах. Существует три основных подхода к построению ар-
хитектур таких компьютеров: многопроцессорные, магистраль-
ные и матричные архитектуры.
Архитектура простых многопроцессорных систем выполняется
по схеме с обшей шиной. Два или более процессоров и один или не-
90
сколько модулей памяти размешены на общей шине. Каждый про-
цессор, для обмена с памятью, проверяет, свободна ли шина, и, если
она свободна, он занимает ее. Если шина занята, процессор ждет,
пока она освободится. При увеличении числа процессоров производительность системы будет ограничена пропускной способностью
шины. Чтобы решить эту проблему, каждый процессор снабжается
собственной локальной памятью (рис. 32), куда помешаются тексты
исполняемых программ и локальные переменные, обрабатываемые
данным процессором. Общее запоминающее устройство исполь-
зуется для хранения общих переменных и общего системного программного обеспечения. При такой организации нагрузка на общую
шипу значительно снижается.
Рис. 32 – Архитектура многопроцессорной вычислительной
системы с общей шиной
Один из процессоров выделяется для управления всей систе-
мой. Он распределяет задания на исполнение программ между процессорами и управляет работой общей шины.
Периферийный процессор осуществляет обслуживание внешних устройств при вводе и выводе информации из обшей памяти.
Он может быть того же типа, что и остальные процессоры, но
обычно устанавливается специализированный процессор, предназначенный для выполнения операций управления внешними
устройствами.
Магистральный принцип является самым распространенным
при построении высокопроизводительных вычислительных систем.
91
Процессор такой системы имеет несколько функциональных обрабатывающих устройств, выполняющих арифметические и логические операции, и быструю регистровую память для хранения обрабатываемых данных. Данные, считанные из памяти, размещаются в
регистрах и из них загружаются в обрабатывающие устройства. Результаты вычислений помешаются в регистры и используются как
исходные данные для дальнейших вычислений. Таким образом, по-
лучается конвейер преобразования данных: регистры – обрабаты-
вающие устройства – регистры – ... . Архитектура магистрального
суперкомпьютера приведена на рис. 33. Число функциональных
устройств равно шести («Сложение», «Умножение» и т.д.), однако в
реальных системах их количество может быть иным. Устройство
планирования последовательности выполнения команд распределяет данные, хранящиеся в регистрах, на функциональные устройства
и производит запись результатов снова в регистры. Конечные результаты вычислений записываются в общее запоминающее
устройство.
Рис. 33 – Архитектура магистрального суперкомпьютера
В матричной вычислительной системе процессоры объединя-
ются в матрицу процессорных элементов. В качестве процессорных
элементов могут использоваться универсальные процессоры, имеющие собственное устройство управления, или вычислители, содержащие только АЛУ и выполняющие команды внешнего устройства управления. Каждый процессорный элемент снабжен локальной памятью, хранящей обрабатываемые процессором данные, но
92
при необходимости процессорный элемент может производить об-
мен со своими соседями или с общим запоминающим устройством.
В первом случае, программы и данные нескольких задач или
независимых частей одной задачи загружаются в локальную память
процессоров и выполняются параллельно.
Во втором варианте все процессорные элементы одновременно
выполняют одну и ту же команду, поступающую от устройства обработки команд на все процессорные элементы, но над разными
данными, хранящимися в локальной памяти каждого процессорного
элемента. Вариант архитектуры с общим управлением показан на
рис. 34. Обмен данными с периферийными устройствами выполняется через периферийный процессор, подключенный к общему за-
поминающему устройству.
3.3. Классификация ЭВМ [9]
Классификация ЭВМ может быть проведена по многим при-
знакам:
по назначению,
Рис. 34 – Архитектура матричной вычислительной системы
с общим управлением
93
по внутренней архитектуре
по производительности и вычислительной мощности
по принципу действия и формой обрабатываемой информации
а также ряду других параметров, которые могут иметь значе-
ние в каждом конкретном случае.
По принципу действия ЭВМ классифицируются на
Аналоговые ВМ;
Цифровые ВМ;
Гибридные ВМ.
Критерий такой классификации – форма представления обрабатываемой информации. Аналоговые вычислительные маши-
ны работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой форме), то есть в виде непрерывного ряда значений какой-
либо физической величины: силы тока, напряжения (чаще всего),
угла поворота какого-либо механизма и т.п – рис. 35.
Рис. 35 – Аналоговый сигнал
Цифровые вычислительные машины работают с информацией,
представленной в дискретной форме – в виде двоичного кода – рис.
36.
Рис. 36 – Цифровой (двоичный) сигнал
Гибридные вычислительные машины – аналого-цифровые ВМ,
сочетающие в себе достоинства АВМ и ЦВМ. Точнее будет говорить о гибридной вычислительной системе, так как структурная
схема аналого-цифровых машин включает в себя собственно АВМ и
ЦВМ, а также набор устройств, преобразующих информацию из
94
одной формы в другую. Одна из машин является основной, отсюда
деление гибридных ВС на аналого-ориентированные и цифро-
ориентированные. Гибридные вычислительные машины используют для управления сложными технологическими объектами (ядерным реактором, сталеплавильной печью), а также для описания
случайных процессов или управления динамическими системами в
реальном времени (например, решение задач самонаведения крыла-
тых ракет).
По назначению ЭВМ принято классифицировать на
Общего назначения (универсальные);
Проблемно-ориентированные (для решения круга задач не-
которой предметной области);
Специализированные (для решения узкого круга задач, мно-
гие алгоритмы реализованы аппаратно).
По производительности компьютеры можно условно разбить
на три класса: суперкомпьютеры; мэйнфреймы; микрокомпьютеры.
Суперкомпьютеры — компьютеры с производительностью
свыше 100 млн операций в секунду. Применяются для решения таких задач, как моделирование физических процессов, гидрометеорология, космические исследования и других задач, которые требуют огромных объемов вычислений. Выполняются обычно по многопроцессорной архитектуре, имеют большой набор внешних
устройств, и, как правило, выпускаются небольшими партиями для
конкретной задачи или конкретного заказчика. Обычно важность
решаемой задачи такова, что основным параметром суперкомпьютера является его высокая производительность, а такие параметры,
как стоимость, размеры или вес, не являются определяющими.
Мэйнфреймы – компьютеры с производительностью от 10 до
100 млн операций и секунду. Они используются для решения таких
задач, как хранение, поиск и обработка больших массивов данных,
построение трехмерной анимационной графики, создание рекламных роликов, выполняют роль узлов глобальной сети, используемой
торговыми или компьютерными фирмами с большим потоком запросов. Выполняются по многопроцессорной архитектуре с обшей
шиной и небольшим числом мощных процессоров. Конструктивно
выполняются и виде одной стойки или в настольном варианте.
95
Микрокомпьютеры — компактные компьютеры универсаль-
ного назначения, в том числе и для бытовых целей, имеющие про-
изводительность до 10 млн. операций в секунду.
Микрокомпьютеры или персональные компьютеры, можно
классифицировать по конструктивным особенно-
стям: стационарные (настольные) и переносные.
Переносные компьютеры, и спою очередь, можно разделить на:
портативные (laptop),
блокноты (notebook)
карманные (Palmtop).
Портативные компьютеры по размеру близки к обычному
портфелю, они в настоящее время, уступают место более компактным. Блокноты по размеру близки к книге крупного формата и
имеют массу до 3 кг. Карманные компьютеры в настоящее время
являются самыми маленькими персональными компьютерами. Они
не имеют внешней памяти на магнитных дисках, она заменена на
энергонезависимую электронную память. Карманный компьютер
можно использовать как словарь-переводчик, органайзер или записную книгу.
Наиболее сложным представляется классификация ЭВМ по
внутренней архитектуре, которую сформулировали М. Флинн и
Р. Хокни. Данная классификация базируется на понятии потока, под
которым понимается последовательность элементов, команд (работ)
или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков
команд и потоков данных М.Флинн выделяет 4 класса архитектур:
SISD (Single instruction single data) – одиночный поток работ
(команд) и одиночный поток данных. К этому классу относятся
классические последовательные машины фон-неймановского типа.
Схема потоков работ и данных в связи с устройством управления
ЭВМ показана на рис. 37
Рис. 37 – Схема архитектуры SISD
где: УУ – устройство управления ЭВМ
ПР – поток работ (команд)
96
ПД – поток данных
MISD – (Multiple instruction single data) – множественный поток
команд и одиночный поток данных. Определение подразумевает
наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один
и тот же поток данных. К данному классу относятся первые многоядерные компьютеры, поскольку в современных параллельно обрабатываются несколько потоков данных. Схема потоков работ и данных представлена на рис. 38. Расшифровка аналогична предыдуще-
му рисунку.
Рис. 38 – Схема архитектуры МISD
SIMD – (Single instruction multiple data) – одиночный поток ко-
манд и множественный поток данных. В архитектурах подобного
рода в одном потоке команд содержатся векторные команды. Это
позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над
многими данными – элементами вектора. Схема потоков работ и
данных представлена на рис. 39.
Рис. 39 – Схема архитектуры SIМD
MIMD – (Multiple instruction multiple data) – множественный
поток команд и множественный поток данных. Этот тип архитектуры предполагает, что в вычислительной системе есть несколько
устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и
работающих каждое со своим потоком команд и данных. Схема по-
токов работ и данных представлена на рис. 40.
97
Рис. 40 – Схема архитектуры МIМD
3.4. Основные характеристики ЭВМ [10]
Характеристики ЭВМ можно оценивать, как минимум с двух
позиций – со стороны разработчиков аппаратного и программного
обеспечения или со стороны пользователей ЭВМ, которые обычно
не являются профессионалами в области вычислительной техники.
Для пользователей наиболее важны аспекты, касающиеся их взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со
следующих групп характеристик:
• технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств,
особенности эксплуатации и др.);
• характеристики и состав функциональных модулей базовой
конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических
и программных средств; возможность изменения структуры;
• состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг
(операционная система или среда, пакеты прикладных программ,
средства автоматизации программирования).
Одной из важнейших характеристик ЭВМ является
ее быстродействие, которое характеризуется числом команд, вы-
полняемых ЭВМ за одну секунду. Поскольку в состав команд ЭВМ
включаются операции, различные по длительности выполнения и
по вероятности их использования, то имеет смысл характеризовать
его или средним быстродействием ЭВМ, или предельным (для са-
мых ―коротких‖ операций типа ―регистр-регистр‖). Современные
вычислительные машины имеют очень высокие характеристики по
98
быстродействию, измеряемые десятками и сотнями миллионов опе-
раций в секунду.
Реальное или эффективное быстродействие, обеспечиваемое
ЭВМ, значительно ниже, и оно может сильно отличаться в зависимости от класса решаемых задач. Сравнение по быстродействию
различных типов ЭВМ, резко отличающихся друг от друга своими
характеристиками, не обеспечивает достоверных оценок. Поэтому
очень часто вместо характеристики быстродействия используют
связанную с ней характеристику производительности - объем ра-
бот, осуществляемых ЭВМ в единицу времени. Например, можно
определять этот параметр числом задач, выполняемых за определенное время. Однако сравнение по данной характеристике ЭВМ
различных типов может вызвать затруднения. Поскольку оценка
производительности различных ЭВМ является важной практической задачей (хотя такая постановка вопроса также не вполне кор-
ректна), были предложены к использованию относительные харак-
теристики производительности. Так, например, фирма Intel для
оценки процессоров предложила тест, получивший название индекс
iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). При его
определении учитываются четыре главных аспекта производитель-
ности: работа с целыми числами, с плавающей точкой, графикой и
видео.
Другой важнейшей характеристикой ЭВМ являет-
ся емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряет-
ся количеством структурных единиц информации, которое может
одновременно находиться в памяти. Этот показатель позволяет
определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти. Наименьшей структурной единицей ин-
формации является бит - одна двоичная цифра.
Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти
и емкость внешней памяти. В настоящее время персональные ЭВМ
могут иметь емкость оперативной памяти, равную 4-32 Гбайтам.
Этот показатель очень важен для определения, какие программные
пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в
машине.
Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Емкость
жесткого диска может достигать нескольких Тбайтов. Емкость
внешней памяти характеризует объем программного обеспечения и
99
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]