metoda_2013

ТЕОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬHЫХ ПРОЦЕССОВ И СТРУКТУР

время вычисления программы, которое характеризуется двумя величинами:

max( p ( ))

2. максимальным временем:

где сумма и максимум берется по всем 2n наборам, а p - время работы программы на одном наборе σ.

Рассмотрим 2 типа программ, которые реализуют логические функции:

операторные

бинарные.

Операторные программы не содержит условных переходов, порядок её команд в точности соответствует нумерации элементов в схеме, а система команд соответствует базису схемы. Элементы схемы нумеруются числами 1… n таким образом, чтобы на любом пути от входа к выходу номера элементов возрастали. При этом номер 1 получит один из входных элементов, а номер n- выходной элемент.

Пусть элемент схемы еi реализует функцию φi и к его входам присоединены выходы элементов еj1, еj2, …, еjm (некоторые из них, возможно, являются входами схемы), тогда выход такого элемента можно записать: ai = φi (еj1, еj2, …, еjm) при i ≠ n, а выход схемы может быть записан:

y = φi (еj1, еj2, …, еjm) при i = n. Такая программа будет реализовывать работу заданной схемы. Проблема синтеза операторных программ сводится к проблеме синтеза схем, то есть к вопросам функциональной полноты и минимизации схем. Поскольку операторная программа не содержит условных переходов, то время её выполнения на любом наборе одно и тоже, отсюда tmax = tср.

Бинарные программы это программы, состоящие из команд типа: y:=δ; δ = {0, 1}и условные переходов.

Бинарные программы обладают двумя достоинствами по сравнению с операторными:

отсутствие промежуточной памяти в процессе работы программы. Это позволяет реализовывать бинарную программу на постоянных элементах памяти.

Более высоким быстродействием.

440

ТЕОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬHЫХ ПРОЦЕССОВ И СТРУКТУР

Пример:

составить для функции f= (x1 V ¬x3)&(x5 & ¬x4 V x2) бинарную и операторную программы.

Решение:

Program binary;

{описание переменных f,x1,x2,x3,x4,x5}

Begin

{ввод переменных x1,x2,x3,x4,x5}

Case x1 of

0:Case x3 of

0:f:=1;

1:f:=0;

End;

1:f:=1;

End;

Case f of

1:Case x5 of

0:Case x2 of

0:f:=0;

1:f:=1;

End;

1:Case x4 of

0:f:=0;

1:f:=1;

End;

End;

End; {вывод f} End.

Операторная программа пишется в базисе {& ¬}. Для этого перепишем заданную функцию, используя формулы де Моргана. f = ¬(¬x1 & x3) & ¬(¬ ( x5 & ¬x4) & ¬x2)

Program operat;

{описание переменных a,b,c,f,x1,x2,x3,x4,x5}

Begin

{вывод переменных x1,x2,x3,x4,x5} a:=1-x1; {¬x1}

b:=a*x3; {¬x1 & x3} b:=1-b; {¬(¬x1 & x3)} a:=1-x4; {¬x4} c:=a*x5; {x5 & ¬x4} c:=1-c; {¬(x5 & ¬x4)} a:=1-x2; {¬x2}

c:=c*a; {¬(x5 & ¬x4)& ¬x2}

441

АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

центров и ЭВМ, ориентированная на использование общих ресурсов.

Ядром является базовая сеть передачи данных (СПД) которая состоит из каналов и узлов сети.

Локальные вычислительные сети (ЛВС) – это совокупность близкорасположенных ЭВМ, которые связаны последовательными каналами оснащены программными средствами, обеспечивающие информационное взаимодействие между процессами в разных ЭВМ.

Режимы обработки данных.

Режимы:

1.Однопрограммная обработка

2.Мультипрограммная обработка

3.Оперативна обработка

4.Пакетная обработка

5.Обработка в реальном масштабе времени

6.Режим телеобработки

Мультипрограммная обработка – в системе обрабатываются сразу несколько задач на устройствах, которые способны функционировать параллельно.

Режим оперативной обработки: Характеристики:

1.Малый объем входных/выходных данных и вычислений, приходящихся на взаимодействие с системой.

2.Высокая интенсивность взаимодействия с системой. (Режим запрос-ответ, режим диалоговый).

Пакетная обработка – характеризуется большим объемом входных/выходных данных и вычислений, приходящихся на одно взаимодействие с системой.

Обработка в реальном масштабе времени – здесь темп инициирования задач и время получения ответа определяется динамическими характеристиками управляемого объекта.

Режим телеобработки – взаимодействие пользователей осуществляется через линии связи. Требует специальных методов доступа.

Сформулируйте различия между многомашинными вычислительными комплексами и вычислительными сетями.

Первое отличие - размерность. В состав многомашинного вычислительного комплекса входят обычно две, максимум три ЭВМ, расположенные преимущественно в одном помещении.

443

АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Вычислительная сеть может состоять из десятков и даже сотен ЭВМ, расположенных на расстоянии друг от друга от нескольких метров до десятков, сотен и даже тысяч километров.

Второе отличие - разделение функций между ЭВМ. Если в многомашинном вычислительном комплексе функции обработки данных, передачи данных и управления системой могут быть реализованы в одной ЭВМ, то в вычислительных сетях эти функции распределены между различными ЭВМ.

Третье отличие - необходимость решения в сети задачи маршрутизации сообщений. Сообщение от одной ЭВМ к другой в сети может быть передано по различным маршрутам в зависимости от состояния каналов связи, соединяющих ЭВМ друг с другом.

2.Уровни комплексирования устройств в вычислительных системах. Постройте структурную схему ПЭВМ, состоящей из двух процессоров. Покажите на ней используемые уровни комплексирования. Ответ поясните.

Уровни комплексирования устройств в вычислительных системах.

Для построения вычислительных систем необходимо, чтобы модули были совместимы. Выделяют 3 уровня совместимости: аппаратный, программный, информационный.

Уровни совместимости:

1.аппаратный;

подключаемая друг к другу аппаратура должна иметь единые стандартные средства соединения (кабели, число проводов в них, единое назначение проводов, разъемы, заглушки, адаптеры, платы, перемычки);

параметры электрических сигналов, которыми обмениваются технические средства, должны быть согласованы (амплитуда, длительность, способы модуляции);

алгоритмы взаимодействия не должны вступать в противоречия друг с другом;

2.программный;

программы, передаваемые от одного технического средства к другому, должны быть правильно поняты и выполнены.

3.информационный;

передаваемые информационные массивы должны одинаково интерпретироваться в устройствах (алфавиты,

444

АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

форматы, структуры и разметки файлов должны быть стандартизованы).

Уровни комплексирования (Все 5 используются в суперЭВМ):

1.прямого управления (интерфейс используется для передачи коротких сообщений и процессы прерываются внешними прерывателями, данные не пересекаются);

2.общей оперативной памяти (для оперативного взаимодействия процессоров. Чем меньше устройств – тем больше взаимодействие);

3.каналов ввода-вывода (для передачи больших объемов информации между блоками ОЗУ, обмен происходит через адаптер канал-канал; обычно сопрягаются селекторные каналы);

4.устройства управления внешними устройствами (в устройстве внешнего управления используются двухканальные переключатели, которые позволяют подключать устройство внешнего управления одной машины к селекторным каналам

других машин); общие внешние устройства (для подключения отдельных

устройств, которые являются уникальными и дорогими).

Дополнительно

В создаваемых ВС стараются обеспечить несколько путей передачи данных, что позволяет достичь необходимой надежности функционирования, гибкости и адаптируемости к конкретным условиям работы. Эффективность обмена информацией определяется скоростью передачи и возможными объемами данных, передаваемыми по каналу взаимодействия. Эти характеристики зависят от средств, обеспечивающих взаимодействие модулей и уровня управления процессами, на котором это взаимодействие осуществляется. Сочетание различных уровней и методов обмена данными между модулями ВС наиболее полно представлено в универсальных суперЭВМ и больших ЭВМ, в которых сбалансирование использовались все методы достижения высокой производительности. В этих машинах предусматривались следующие уровни комплексирования:

1)прямого управления (процессор - процессор);

2)общей оперативной памяти;

3)комплексируемых каналов ввода-вывода;

4)устройств управления внешними устройствами (УВУ);

5)общих внешних устройств.

На каждом из этих уровней используются специальные технические и программные средства, обеспечивающие обмен информацией.

445

АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Уровень прямого управления служит для передачи коротких однобайтовых приказов-сообщений. Последовательность взаимодействия процессоров сводится к следующему. Процессор-инициатор обмена по интерфейсу прямого управления (ИЛУ) передает в блок прямого управления байтсообщение и подает команду «прямая запись». У другого процессора эта команда вызывает прерывание, относящееся к классу внешних. В ответ он вырабатывает команду «прямое чтение» и записывает передаваемый байт в свою память. Затем принятая информация расшифровывается и по ней принимается решение. После завершения передачи прерывания снимаются, и оба процессора продолжают вычисления по собственным программам. Видно, что уровень прямого управления не может использоваться для передачи больших массивов данных, однако оперативное взаимодействие отдельными сигналами широко используется в управлении вычислениями. У ПЭВМ типа IBM PC этому уровню соответствует комплексирование процессоров, подключаемых к системной шине.

Уровень общей оперативной памяти (ООП) является наиболее предпочтительным для оперативного взаимодействия процессоров. В этом случае ООП эффективно работает при небольшом числе обслуживаемых абонентов.

Уровень комплексируемых каналов ввода-вывода

предназначается для передачи больших объемов информации между блоками оперативной памяти, сопрягаемых в ВС. Обмен данными между ЭВМ осуществляется с помощью адаптера «канал-канал» (АКК) и команд «чтение» и «запись». Адаптер - это устройство, согласующее скорости работы сопрягаемых каналов. Обычно сопрягаются селекторные каналы (СК) машин как наиболее быстродействующие. Скорость обмена данными определяется скоростью самого медленного канала. Скорость передачи данных по этому уровню составляет несколько Мбайт в секунду. В ПЭВМ данному 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 машины к селекторным каналам различных ЭВМ. По команде «зарезервировать» канал - инициатор обмена имеет доступ через УВУ к любым накопителям на дисках НМД или на магнитных лентах НМЛ. На рис. 10.4 схематически показано, что они управляются одним УВУ. На самом деле УВУ магнитных дисков и

446

АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

лент -совершенно различные устройства. Обмен канала с накопителями продолжается до полного завершения работ и получения команды «освободить». Только после этого УВУ может подключиться к конкурирующему каналу. Только такая дисциплина обслуживания требований позволяет избежать конфликтных ситуаций.

На четвертом уровне с помощью аппаратуры передачи данных (АПД) (мультиплексоры, сетевые адаптеры, модемы и др.) имеется возможность сопряжения с каналами связи. Эта аппаратура позволяет создавать сети ЭВМ.

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

Пять уровней комплексирования получили название логических потому, что они объединяют на каждом уровне разнотипную аппаратуру, имеющую сходные 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 операционной системой по указаниям -директивам пользователя, при генерации ОС и по указаниям диспетчера-оператора вычислительного центра. Различные уровни комплексирования позволяют создавать самые различные структуры ВС.

Второй логический уровень позволяет создавать многопроцессорные ВС. Обычно он дополняется и первым уровнем, что позволяет повышать оперативность взаимодействия процессоров. Вычислительные системы сверхвысокой производительности должны строиться как многопроцессорные. Центральным блоком такой системы является быстродействующий коммутатор, обеспечивающий необходимые подключения абонентов (процессоров и каналов) к общей оперативной памяти.

Уровни 1, 3, 4, 5 обеспечивают построение разнообразных машинных комплексов. Особенно часто используется третий в комбинации с четвертым. Целесообразно их дополнять и первым уровнем.

Пятый уровень комплексирования используется в редких специальных случаях, когда в качестве внешнего объекта используется какое-то дорогое уникальное устройство. В противном случае этот уровень малоэффективен. Любое внешнее устройство - это недостаточно надежное устройство точной механики, а значит, выгоднее использовать четвертый

447

АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

уровень комплексирования, когда можно сразу управлять не одним, а несколькими внешними устройствами, включая и резервные.

Сочетание уровней и методов взаимодействия позволяет создавать самые различные многомашинные и многопроцессорные системы.

3.Методы улучшения ОКОД структуры. Степень, уровни и виды параллелизма. Какой из видов параллелизма реализуется в современных универсальных процессорах (например, в процессоре Pentium)? Ответ обоснуйте.

Методы улучшения ОКОД структуры.

1. ОКОД (SISD, одиночный поток команд одиночный поток данных). Такое структурное построение характерно для классических машин фон Неймана.

Функционирование в виде линейного процессора. ОУ, ОсП (основная память), УУ

Линейная организация вычислительного процесса обуславливает весьма низкую эффективность аппаратных средств (велик

коэффициент простоя) Для повышения работы такой структуры применяются методы локального параллелизма – совмещенная

или опережающая выборка команд, расслоение памяти, но, как правило, это требует дополнительных аппаратных затрат.

Степень, уровни и виды параллелизма.

Степень параллелизма – порядок числа параллельно работающих устройств при условии, что количество обрабатывающих устройств неограниченно.

Низкая степень – от 2 до 10 процессоров; Средняя степень – 10 – 100 процессоров; Высокая степень – 100 – 10000 процессоров;

Сверхвысокая степень – 104 – 106 процессоров (нейросистемы).

От степени параллелизма зависят:

Архитектура вычислительной машины, особенно система коммутации;

448

АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Организация взаимодействия параллельно работающих процессоров;

Методы обмена данными между процессорами и памятью.

Уровень параллелизма – схемный аппаратный уровень, на котором осуществляется распараллеливание обработки данных и организация параллельных вычислений.

Уровни параллелизма:

На уровне логических вентилей и элементов памяти; Уровень логических схем и простых автоматов с памятью; Уровень регистров и интегральных схем памяти; Уровень элементарных микропроцессоров;

Уровень микропроцессоров, реализующих крупные операции;

Уровень вычислительных машин, процессоров и программ; Параллельные вычислительные системы строят по принципу

модульного наращивания и расширения. Виды параллелизма.

Среди способов параллельной обработки данных выделяют следующие направления:

1)Совмещение во времени различных этапов разных задач (мультипрограммная обработка);

2)Одновременное решение различных задач или частей одной задачи (конвейерная обработка).

Виды параллелизма:

Естественный параллелизм.

Задача обладает естественным параллелизмом, если в её исходной постановке она сводится к операциям над многомерными векторами, матрицами или решетчатыми функциями.

Параллелизм множества объектов –частн. случай естественного парал-ма.

Его смысл в том, что задача состоит в обработке информации о различных, но однотипных объектах, обрабатываемых по одной и той же программе.

Этот вид параллелизма характеризуется параметрами: Суммарная длина программы;

Sn=1..mk, где mk – количество вариантов программы на к-том

449