1.Ерлангена

t = (k,d,w), де k – к-ть пристроїв керування; d - к-сть арифметичних пристроїв, які керуються 1 присроєм керування; w – довжина машинного слова;

t = (1,1,w) – машина фон Неймана

t = (kk*, dd*, w w*) – сучасна машина

2. Фанга. Детальний опис на рівні машинних операндів

n – кількість біт у машинному слові

m – кількість слів, які одночасно обробляються у комп’ютерному середовищі

Після застосування такої класифікації стало відомо, що і сучасні системи і ті, що в експлуатації, можуть бути представленими кількома варіантами:

n = m = 1

n > 1, m = 1

n = 1, m > 1

n > 1, m > 1

3. Скиликорна

Основні компоненти :

• Процесор команд (IP)

• Процесор даних (DP)

• Ієрархічна пам’ять (IM)

• Перемикач – абстрактний пристрій для реалізації зв’язку між процессорами та пам'яттю.

Типи зв’язку:

1. зв’язок між 2-ма пристроями єдиного функціонального призначення.

(n-n) попарний зв’язок між пристроями з однією множини і пристроями другої множ.

(1-n) перемикач реалізує обмін між 1 прист. та декількома іншими прист.

(n-n) пристрої мають зв’язок кожний з кожним

За цією класифікацією застосовують 8 позицій для опису комп’ютерних систем:

1. Число IP

2. Число модулів пам’яті (IM)

3. Типи зв’язку для 1-2 (IP-IM)

4. К-ть процесорів даних (DP)

5. Число модулів пім’яті даних (DM)

6. Тип зв’зку для 4-5 (DP-DM)

7. Тип зв'язку між ID -DP

8. 8. Тип зв'язку між DР - DР

DP - генератори адрес, які реалізують різні типи адресації, формування фіз. адрес та інші допоміжні функції як реалізацію ортогонального звернення до пам’яті.

За класиф (3) маємо детальний опис основної комп’ютерної складової структури. Треба зазначити головну мету введення класифікацій:

1. Реалізація аналізу сучасного стану та перспективи існування архітектури

2. Синхронізувати нові шляхи організації архітектури

3. Показати, за рахунок яких структурних особливостей можливе досягнення збільшення продуктивності комп. Систем

30.09.11

Застосування класифікацій визначається метою досліджуваної системи і в різних варіантах вибір типу класифікації розв’язує проблему дослідження у відповідних умовах. Розглянемо приклад побудови системи радіолокаційного стеження за авіаційно-космічними об’єктами. Французька система ПРОПЕР-2 побудована як мультипроцесорна система для обробки даних у реальному часі; у даному випадку це означає, що декілька характеристик, які розраховуються для оперативного керування, повинні бути готові до умовного змінення розташування об’єкту у просторі. Загальна структура системи побудована за принципом резервування обчислень, що полягають у наступному: за заданий час об’єкт може рухатись у 128 напрямках. Головна машина (HOST COMPUTER) пов’язана з комутаційною системою, яка об’єднує 128 комп’ютерів, кожен з котрих виконує обчислення характеристик, які задані, і ці дані поступають на комутаційну систему, яка також пов’язана з HOST COMPUTER’ом . Організація обчислень наступна: 128 процесорів працюють паралельно за відомими програмами, виконуючи обчислення для точки простору. Коли ХОСТ отримує реальні координати об’єкту, він передає їх на 128 комп’ютерів і один з них видає готові результати для головного комп’ютера для подальшого керування. Така система застосовується у повітряних силах Франції. Для аналізу цієї системи важлива її швидкодія. Якщо застосувати класифікацію ЕРЛАНГЕНА (1), то ми отримаємо недостатньо характеристик для такої системи. Якщо застосувати класифікацію СКИЛИКОРНА, то маємо більш точну характеристику.

Загальна кластерна система

Кластерними системами називаються різновид комп’ютерних систем, які мають структурну побудову, головною частиною якої є групова організація. В кожну з груп входить достатня кількість хостів, щоб забезпечити автономну обробку даних з заданою швидкодією.

Загальна структура типового кластеру може бути наступна:

1. ПІ - пристрій інтерпретації команд керування адресним простором.

2. МП (модулі пам’яті) – засоби зберігання даних, комутуються як з зовнішнім каналом, так і з кластерними вузлами.

3. ПД (процесори даних) – головна функція – перетворення даних.

4. КС (кластерна система) – головний структурний компонент кластера, забезпечує комутацію за принципом «кожен з кожним», має власне керування, є найдорожчим елементом кластеру та елементом, який формує кількість ПД та інших компонентів кластеру та задає максимальну кількість елементів, які мають одночасну комутацію за принципом «кожний з кожним».

Для такої системи слід побудувати аналіз на швидкодії структурної підтримки паралельної обробки класифікації типу СКИЛИКОРНА; треба знати довжину даних, бо йдеться про універсальну обробку на комп’ютері, треба розділити точність. Збільшення інших компонентів системи у кластері визначається максимальною кількістю елементів, які може забезпечити КС. Довжина машинного слова буде визначати апаратну складність процесорів, МП, та пропускну здатність КС.

Продуктивність комп’ютерної системи . Типи продуктивності. Фактори, які впливають на продуктивність. Алгоритмічні структури і їх зв'язок з структурами комп’ютерних систем.

Продуктивність комп’ютерної системи визначається як загальна характеристика комп’ютерних засобів, здатність виконувати кількість операції за проміжок часу. За час еволюції ЕОМ цей показник змінюється від десятків до мільярдів за секунду. Для користувача головний показник продуктивності є час знаходження розв’язку задачі. Однак розробники комп’ютерної системи на цей час мають кілька показників продуктивності, які, на їх думку, найбільш детально визначають характеристики:

1. Номінальна продуктивність – всі складові елементи системи працюють одночасно у сприятливих умовах

2. Реальна продуктивність – показник швидкодії системи, який фіксується як середній показник при розв’язанні конкретних реальних задач

3. Пікова продуктивність – максимальна продуктивність

Реалізація паралельної концепції передбачала лінійний характер збільшення продуктивності, але перші ж результати випробування паралельних систем показали, що лінійного зросту не відбувається з кількох факторів:

1. Немає загальної паралельної форми алгоритму розв’язання задач

2. Важливий вплив мають комутаційні операції між процесорами

3. Навіть при природньому паралелізмі задача, яка розв’язується, отримує вплив архітектурно-технологічних чинників, які не відповідають потенційним можливостям початкової задачі

Відповідно до технологій отримання результатів за допомогою комп’ютерних засобів, по-перше, треба побудувати алгоритм та записати його за допомогою відповідних конструкцій в так звану алгоритмічну структуру, яка потім буде за допомогою програми розміщена у засобах реалізації та має бути виконаною. У найпростішому варіанті, алгоритмічна структура – граф з множин переходів та вузлів у відповідності до розв’язання задач. Дослідження алгоритмічних структур визначило дві головні характеристики, які впливають на продуктивність:

1. Залежність по даних. Алгоритмічні структури неможливо організувати у прискореному режимі, якщо виконання операторів залежить від виконання попередніх операторів з кроком виконання не більше як один

2. Залежність по керуванню. В алгоритмічних структурах є альтернативи вибору, без виконання яких неможливо спрогнозувати, по якій гілці алгоритму треба виконувати обчислення

Такі два головні фактори і архітектурно-технологічні обмеження, велика кількість допоміжних операцій визначили загальну характеристику росту продуктивності як логарифмічну. Подальші дослідження нових типів систем, в яких продуктивність була б близька до лінійної залежності, полягає у застосуванні нових структур та архітектур: ТРАСКОМПЮТЕРНІ СИСТЕМИ, СИСТЕМИ З МАСОВИМ ПАРЛЕЛІЗМОМ, КЛАСТЕРНІ СИСТЕМИ. Однак подальші дослідження підтвердили що номінальна продуктивність є досяжною тільки на дуже вузькому класі задач.

Аналіз алгоритмічних структур . Методи підвищення продуктивності.

Типи алгоритмічних структур:

1. Послідовна

2. Послідовно-групова

3. Сильно пов’язані алгоритмічні структури

4. Слабо пов’язані алгоритмічні структури

5. Паралельні структури загального типу

Загальною характеристикою наведених структур є покажчик готовності операндів до включення в операцію. Цей покажчик формується відповідно до попереднього кроку виконання, тобто є результатом. У послідовних алгоритмічних структурах кожна операція перетворює один чи два операнди, які були сформовані попередньою операцією – покажчик готовності 1. В послідовно-групових алгоритмічних структурах є вершини які мають однакові покажчики готовності(Q) і однаковий час виконання(T), тому тут можливе прискорення виконання групових операцій. Для сильно пов’язаних алгоритмічних структур покажчики готовності можуть бути більше одиниці і при аналізі {T, Q} можна визначити оператори які можуть бути виконання одночасно. Для слабо пов’язаних алгоритмічних структур Q>>1. У паралельних структурах загального типу гілки алгоритму не перетинаються Q>>>1 і можливе виконання паралельних гілок.

14.10.11

Аналіз алгоритмічних структур підтверджує, що залежність по даних та керуванню впливають на рівень продуктивності комп’ютерного середовища. Іншими чинниками є особливості структури алгоритму та структури реалізації архітектури ЕОМ. Якщо варіанти нових структур з’являлися дуже повільно, то вдосконалення ПЗ, в тому числі нових алгоритмів обробки, виконувалось набагато швидше. Головна мета – розробка таких алгоритмів , які б мали найменшу арифметичну складність(кількість кроків виконання).

Розглянемо приклад застосування апарату Фур’є та вдосконалення алгоритмів, які його реалізують. Гармонічний аналіз, який є основою цифрової обробки сигналів та зображень, реалізується за допомогою алгоритму дискретного перетворення Фур’є(ДПФ). Якщо розглядати, що такий алгоритм реалізовано архітектурою фон Неймана, то його складність приблизно n² (n – кількість відліків сигналу). З операційної точки зору, ДПФ - обчислення операторів суми пар добутків. Якщо машина фон Неймана буде реалізовувати ДПФ, це буде займати багато часу і не буде можливості реалізувати обробку в реальному часі. Швидке перетворення Фур’є (ШПФ) , складність якого (log₂n), майже 30 років був головним засобом цифрової обробки сигналів. Коли з’явилися паралельні структури ДПФ, було забезпечено складність n*log2(n/2). ШПФ має ітеративний характер і прискорити його неможливо. З цього прикладу виникає теза про те, що досягнення нових рівнів продуктивності залежить від відповідності структури алгоритму структурі комп’ютерних засобів. Таке досягнення у пошуку засобів підвищення продуктивності мало приклади при застосуванні принципів спеціалізації в організації обчислювального процесу в багатьох розв’язаннях для прикладних проблем.

Спеціалізація, як форма організації обчислювального процесу.

Кожні комп’ютерні засоби будуються на наступному принципі:

1) Вузькоспеціалізовані засоби 2) Спеціалізовані засоби 3) Проблемно-орієнтовані засоби 4) Універсальні

Принцип спеціалізації є основою побудови не тільки комп’ютерів, а є загальним принципом в машинобудуванні.

Спеціалізація буває двох типів: предметна та технологічна.

Предметна спеціалізація означає, що засоби реалізації та їх організація складає єдине ціле для отримання кінцевого продукту, при цьому зв’язки між складовими частинами та набір складових частин є постійними. Прикладом може бути промисловий конвеєр: на вході є напівфабрикати, на виході – готовий продукт.

Технологічна спеціалізація передбачає набір необхідних операцій, порядок застосування яких є гнучким. Загальний принцип спеціалізації передбачає, що , якщо можливий розподіл фази виконання обробки, як складові, то така організація забезпечується структурною підтримкою і вважається найбільш продуктивною.

Розглянемо модель виконання команди, яка розподілена на складові:

1. Зчитування команди.

2. Дешифрація типу.

3. Визначення першого операнду.

4. Визначення другого операнду.

5. Виконання команди.

6. Запис результату.

7. Визначення адресси наступної команди.

Якщо розглядати в цілому, то маємо 7 окремих ланок виконання, кожна з яких може бути підтримана апаратно. Фаза виконання команди спеціалізується на 7 етапів, і якщо ми хочемо підвищити продуктивність, то такі апаратні слоти мають працювати безперервно – вже на другому етапі виконання маємо можливість реалізувати обробку іншої команди. На виході спеціалізованого вузла в кожному такті його роботи маємо результат і маємо підвищення продуктивності комп. засоба в цілому. Кожен спеціалізований вузол працює швидше, ніж універсальний, за рахунок виключення загальної структури рішень та зайвих комутацій; також можлива відсутність слотів по дешифрації та налагодження функції виконання, всі функції виконання визначаються апріорі. Керування процесом перетворення тільки апаратне.

Слід зазначити - спеціалізовані структури завжди поступаються універсальним по типам обробки. Аналіз нових структурних розв’язань в сучасних комп’ютерах підтверджує тезу про те, що спеціалізація застосовується на більш доступних рівнях в організації обчислювального процесу. Спеціалізація охоплює не тільки структуру рішення, а й всі доступні рівні, де є теорія, методи та засоби застосування спеціалізованих рішень. Якщо виконуються тільки операції множення, то така форма є найбільш продуктивною. Теорія алгоритмів передбачає отримання значень алгоритму над початковими та вихідними даними. У комп’ютерних засобах є перетворення форми сигналу, які передбачають логарифмічний вихід. Тобто ЦАП має декілька виходів: двійкові дані, логарифмічні дані. Так само розробляються спеціальні системи числення, які забезпечують розв’язання проблем захисту інформації, асоціативно-пошукових операцій, спеціальної форми відображення та ін. Якщо дослідити еволюцію машини фон Неймана, яка мала 5 основних блоків, то вже наступним кроком реалізації спеціалізації була поява в арифметичному пристрої своєї памяті, пристроїв адрес, які сформували структуру процесора сучасних комп’ютерів. Тому до 3 чинників, які впливають на продуктивність, треба додати ступінь спеціалізації архітектури.

Підходи вивчення спеціалізації комп’ютерних засобів – інтенсивний і екстенсивний.

Інтенсивний передбачає, що архітектура повинна базуватися на декількох складних, але потужних слотах, і всі допоміжні спеціалізовані структури повинні забезпечувати їх постійне завантаження.

Екстенсивна обробка передбачає велику кількість процесорних елементів, або перетворення простих засобів за складом з обмеженими функціями та недуже швидкодіючими.

Реалізація першого напрямку має приклади матричних, векторно конвеєрних, кластерних систем. До другого напрямку мають відношення RISC та SISC архітектури, ансамблі процесорних елементів різної конфігурації, ансамблі з регулюючими структурами типу систолічних структур, ансамблі з логічними елементами.

Поява RISC архітектур, в основі яких – процесорний елемент з обмеженою кількістю команд, було обумовлено тим, що після аналізу виконання програм була переважна статистика на користь невеликої кількості операцій: додавання, множення, зсув, маскування, які складали до 90% застосування при реалізації задач. Тому і було вирішено апаратно підтримати ці операції в структурі процесорного елементу, а інші операції реалізувати через базові. Застосування таких структур показало, що якщо траплялась довга операція, то вся перевага розробки структури мала 10-15%. Тому наступним кроком був перехід до SISC структур.

Інший напрям – використання ансамблів з логічними елементами, який міг би замінити виконання операцій через масові потокові перетворення, над масивами операндів. Систолічні структури, які мають регулювання реалізації і використовують базові логічні елементи. Розглянемо приклад роботи систолічного модуля, який виконує перетворення двійкових даних. Модуль має трикутну структуру з однакових складових, кожен складовий модуль має об’єднання логічних елементів «АБО» та «І». На вхід задається послідовність двійкових розрядів, треба визначити операцію яку виконає цей модуль. Модуль виконує операцію ущільненого коду, значення якого дорівнює кількості одиниць у двійковому коді. Кількість тактів роботи - … Впровадження принципу спеціалізації вплинуло на оцінку продуктивності комп’ютерних засобів. Вважається : якщо комп’ютерна система побудована за принципом спеціалізації обчислювального процесу і має достатню структурно-апаратну підтримку, то спеціалізацію та прискорення виконання завдань оцінюють не за логарифмічною функцією, яка була основним критерієм застосування паралельної обробки, а за можливістю розпаралелювання програми, яка реалізована на даному комп’ютерному засобі. Закона Амдала встановлює теоретичну оцінку при застосування певної кількості(Р) процесорів у комп’ютерному засобі. Прискорення, яке можливе при застосуванні розпаралелювання программи на P процесорах визначається за формулою , де α – послідовна частина програми. Якщо програма написана для завдання яке має природний паралелізм, тобто альфа = 0, прискорення можливе таке, яке складає апаратна підтримка – кількість процесорів. Якщо якась частина має послідовний характер виконання, то така формула визначає конкретне значення для конкретних даних.

28.10.11

Закони Амдала передбачають оцінку прискорення, як відносяться частини програми, яка не розпаралелена, до різниці між названою частиною програми та частиною програми, що може бути реалізована паралельно. Якщо представити програму як пул команд, в якому маємо частини, які допускають паралельну реалізацію, то формула прискорення

– еквівалентна кількість команд, час реалізації яких відповідає паралельному виконанню. Якщо всі паралельні частини практично виконуються за один операційний час, то прискорення:

Якщо час виконання різний, то треба враховувати максимальний термін виконання паралельної частини. Паралельне виконання програми може бути реалізовано за допомогою класу паралельних методів, методів конвеєризації та методів багатооперандної обробки. Гіпотетично, оптимальна архітектура комп’ютерного середовища повинна реалізовувати всі методи при розв’язанні одної задачі, однак такої структури не розроблено і на практиці кожна програмна, алгоритмічна структура, не зважаючи на те, що вона має ознаки певного паралелізму, завантажується до структури реалізації, яка налаштовується тільки на один із відомих методів. Структури, які перепрограмовуються на алгебраїчні структури, не дозволяють це робити за короткий час. І саме перепрограмування займає час більший, ніж розв’язання задачі. Технологічний напрямок, так звані ПЛІС, працюють за принципом однорідного налаштування, тобто розв’язок всієї задачі вцілому. Існує напрямок, який відображає кількісну зміну характеристик комп’ютерного середовища, тобто напрямок масштабування , коли параметри комп’ютерного середовища зменшуються, або збільшуються по кількості слотів. Змінюється кількість операційних елементів, запам’ятовуючих пристроїв, в деяких випадках пропускна здатність каналів обміну. Інші приклади на мають переваг, тобто результату по скороченню часу розв’язання задачі, тому такий напрям є на стадіі дослідження.

Морфологічні методи класифікації комп’ютерних засобів, їх аналізу та проектування.

Морфологічні методи – поєднання комбінаторних методів до вибору форм або структур технічних засобів. Головна концепція полягає у формуванні альтернативного простору варіантів структур за допомогою методів комбінаторики, тобто формування множини розв’язань. Основні етапи, які треба виконати, застосовуючи морфологічні методи:

1. Формулювання проблеми, які треба розв’язати

2. Визначення ознак та характеристик, які належать варіанту розв’язання

3. Формується множина ознак характеристик , яка складає морфологічну матрицю або морфологічну скриню, у якій фіксуються всі можливі варіанти

4. Виконання аналізу варіантів і виконання вибірки, реалізує ті, які близькі до аналогу або завдання, яке є головною.

На останньому етапі виконання, оцінка та порівняння аналізу тих варіантів, що є оптимальними до розв’язання поставленої задачі. Головним в названих етапах є формування множинної або морфологічної матриці. Якщо на етапі вибору ознак характеристик маємо якісні набори, то вони складатимуть матрицю:

В якості матриці можуть бути дерева, графи, таблиці, кодові значення з використанням кодових систем числення, а також спеціальні мови морфологічного проектування. Існує окрема мова специфікацій , яка має широке застосування. Розгляд побудови морфологічної матриці за допомогою дерев, які мають 2 типи вершин: «І» та «АБО». Для автоматизації обробки таких дерев існують відповідні програми, метою застосування яких - у відповідності до логіки побудови об’єкту змінювати типи вершин та представляти відповідні варіанти, наприклад узагальнене дерево має наступну структуру: Якщо змінити тип вершин для тієї ж структури, маємо інший варіант комбінацій для тих ознак, які були вибрані. Таким чином дерево представляє логіку побудови системи. Ознаки формують загальну картину призначення системи в цілому. Загальні формування такого апарату призначають принципи дії такої системи відповідно до логічного представлення. Аналіз може бути виконаний на етапі проектування, тому морфологічні методи є потрібні на цьому етапі. Граф та апарат теорії графів також відображає логіку побудови морфологічних систем, Відрізняється від дерев тим, що типи вершин у графі однакові і перехід на ребра виконується при виникненні відповідних умов.