
- •Понятия эвм и вс. Понятие архитектуры вс
- •Архитектура как набор взаимодействующих компонентов. Архитектура как интерфейс между уровнями физической системы
- •Теория эволюции компьютеров. Закон Мура. Дуализм в развитии техники Теория эволюции компьютеров
- •Дуализм в развитии техники
- •Механическая эра вычислений
- •Счетно-аналитические машины
- •Общее описание и анализ вычислительной машины eniac
- •Общее описание и анализ вычислительной машины edvac Анализ eniac
- •Принципы фон-Неймана. Поколения эвм
- •Многоуровневая компьютерная организация. Уровни для прикладных и системных программистов
- •Многоуровневая компьютерная организация
- •Архитектура системы команд
- •Cisc и risc архитектуры процессоров Архитектура системы команд
- •Cisc и risc архитектуры процессоров
- •Организация risc мп dec Alpha 21x64 Организация risc мп dec Alpha 21x64
- •Развитие архитектур современных мп. Расширение архитектуры x86 Развитие архитектур современных мп
- •Архитектура vliw
- •Архитектура epic
- •Технология ia-64
- •Предпосылки развития вс. Закон Гроша для вс
- •Модель вычислителя
- •Возможности совершенствования эвм
- •Модель коллектива вычислителей
- •Структура коллектива вычислителей
- •Алгоритм работы коллектива вычислителей
- •Принципы технической реализации модели коллектива вычислителей
- •Архитектурные свойства вс Архитектурные свойства вычислительных систем
- •Системы (языки) параллельного программирования Системы (языки) параллельного программирования
- •Параллельные модели программирования. Модель передачи сообщений. Реализация на основе mpi.
- •Параллельные модели программирования. Модель общей памяти. Реализация на основе OpenMp Системы (языки) параллельного программирования
- •1. По назначению (универсальные и специализированные)
- •2. По типу (многомашинные и многопроцессорные) (ниже)
- •3. По типу эвм или процессоров (однородные и неоднородные)
- •4. По степени территориальной разобщенности (сосредоточенные и распределенные)
- •6. По режиму работы вс (оперативные и неоперативные)
- •Многомашинные вс. Режимы работы. Отличия от многопроцессорных вс
- •Классификация Флинна архитектур
- •Основные классы вычислительных систем
- •Параллельные алгоритмы. Параллельная программа. Локальное и глобальное распараллеливание
- •Модель вычислений в виде графа "операции-операнды"
- •Показатели эффективности параллельных вычислений: ускорение, эффективность, масштабируемость
- •Оценка максимально достижимого параллелизма. Закон Амдала. Парадокс параллелизма
- •Многомашинные вс. Режимы работы. Отличия от многопроцессорных вс
- •Уровни комплексирования в вычислительных системах Многомашинные вс. Режимы работы. Отличия от многопроцессорных вс
- •Уровни комплексирования в вс
- •Алгоритмы маршрутизации. Методы передачи данных. Латентность и пропускная способность сети
- •Передача данных между двумя процессорами и широковещательная передача. Реализация точечных методов передачи и широковещательной рассылки в mpi
- •Сложные задачи. Масштабируемость параллельных вычислений. Функция изоэффективности
- •Системы с общей и распределенной памятью. Многоуровневая организация общей памяти
- •Память с чередованием адресов
- •Симметричные (smp) многопроцессорные вс. Архитектура типа uma, coma, numa
- •Мультипроцессор Sun Enterprise 10000
- •Мультипроцессоры numa
- •Векторные системы. Понятие вектора и размещение данных в памяти. Векторный процессор. Pvp-система
- •Структура векторного процессора Структуры типа "память-память" и "регистр-регистр". Ускорение вычислений в векторных системах
- •Вычислительная система star-100
- •Вычислительная система cray c-90
- •Матричные вычислительные системы. Обобщенная модель матричной вс. Интерфейсная вм. Контроллер массива процессоров
- •Вычислительная система illiac IV
- •Ассоциативная память. Ассоциативные вс Ассоциативная память
- •Систолические структуры Систолические структуры
- •Кластеры. Виды кластеров
- •Топологии кластеров. Кластер Beowulf
- •Топологии кластеров
- •Кластер Beowulf
- •Архитектура с массовой параллельной обработкой Системы с массовым параллелизмом (mpp-системы)
Многоуровневая компьютерная организация. Уровни для прикладных и системных программистов
Многоуровневая компьютерная организация
Последовательность команд, описывающих решение определенной задачи, называется программой. Электронные схемы каждого компьютера могут распознавать и выполнять ограниченный набор простых команд.
Эти примитивные команды в совокупности составляют язык, на котором люди могут общаться с компьютером. Такой язык называется машинным языком. Разработчик при создании нового компьютера должен решать, какие команды включить в машинный язык этого компьютера. Это зависит от назначения компьютера, от того, какие задачи он должен выполнять. Обычно стараются сделать машинные команды как можно проще, чтобы избежать сложностей при конструировании компьютера и снизить затраты на необходимую электронику. Так как большинство машинных языков очень примитивны, использовать их трудно и утомительно.
Это простое наблюдение с течением времени привело к построению ряда уровней абстракций, каждая из которых надстраивается над абстракцией более низкого уровня. Именно таким образом можно преодолеть сложности при общении с компьютером.
Многоуровневая компьютерная организация – подход, при котором рассматривается ряд абстракций, каждая из которых надстраивается над абстракцией более низкого уровня.
Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Существуют машины даже с шестью уровнями.
Уровень 0. Цифровой логический уровень. Представляет собой аппаратное обеспечение машины. Его электронные схемы выполняют программы, написанные на языке уровня 1.
Ради полноты нужно упомянуть о существовании еще одного уровня, расположенного ниже уровня 0. Этот уровень не показан на рисунке, так как он попадает в сферу электронной техники. Он называется уровнем физических устройств. На этом уровне находятся транзисторы, которые являются примитивами для разработчиков компьютеров. Объяснять, как работают транзисторы, — задача физики.
Многоуровневая компьютерная организация
Объекты на уровне 0 называются вентилями. Вентили состоят из аналоговых компонентов (транзисторы) и смоделированы как цифровые средства, на входе у которых цифровые сигналы (или набор 0 и 1), а на выходе – результат простых функций («И» или «ИЛИ»). Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16,32 или 64, формируют регистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела. Из вентилей также может состоять сам компьютер.
Уровень 1. Микроархитектурный уровень. Представляет собой локальную память ( совокупность регистров) и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство). АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Основная операция тракта данных состоит в следующем. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например сложения, а результат помещается в один из этих регистров.
На некоторых машинах работа тракта данных контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. На других машинах тракт данных контролируется аппаратными средствами. Раньше этот уровень можно было назвать «уровнем микропрограммирования», потому что раньше он почти всегда был интерпретатором программного обеспечения.
Уровень 2. Уровень архитектуры команд. Этот уровень включает набор машинных команд, которые выполняются микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением.
Уровень 3. Уровень операционной системы. Этот уровень включает набор команд уровня 2. Оставшаяся часть команд интерпретируется операционной системой. Особенности уровня: набор новых команд, собственная организация памяти, способность выполнять две и более программ одновременно и др. При построении третьего уровня возможно больше вариантов, чем при построении первого и второго.
Между третьим и четвертым уровнями есть существенная разница. Нижние три уровня конструируются не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально предназначены для работы интерпретаторов и трансляторов, поддерживающих более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются так называемыми системными программистами, которые специализируются на разработке и построении новых виртуальных машин. Уровни с четвертого и выше предназначены для прикладных программистов, решающих конкретные задачи.
Еще одно изменение, появившееся на уровне 4, — способ, которым поддерживаются более высокие уровни. Уровни 2 и 3 обычно интерпретируются, а уровни 4, 5 и выше обычно, хотя и не всегда, поддерживаются транслятором.
Другое различие между уровнями 1,2,3 и уровнями 4,5 и выше — особенность языка. Машинные языки уровней 1,2 и 3 — цифровые. Программы, написанные на этих языках, состоят из длинных рядов цифр, которые удобны для компьютеров, но совершенно неудобны для людей. Начиная с четвертого уровня, языки содержат слова и сокращения, понятные человеку.
Уровень 4. Уровень языка ассемблера. Представляет собой символическую форму одного из языков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ассемблером.
Уровень 5. Язык высокого уровня. Обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них — BASIC, С, C++, Java, LISP и Prolog. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются компиляторами. Отметим, что иногда также используется метод интерпретации. Например, программы на языке Java обычно интерпретируются.