Управление и оптимизация / Osnovi informatsionnikh i komputernikh tekhnologiy 2011

Рис. 4. SIMDархитектура

Управляющий модуль принимает, анализирует и выполняет команды. Все процессорные элементы идентичны и каждый из них представляет собой совокупность управляюще-обрабатывающего органа (быстродействующего процессора) и процессорной памяти небольшой емкости. Процессорные элементы выполняют операции параллельно над разными потоками данных (ПД) под управлением общего потока команд (ПК), вследствие чего такие ЭВМ называются системами с общим потоком команд.

Особенность матричной структуры заключается в том, что имеется множество процессорных элементов, исполняющих одну и ту же команду над различными элементами вектора (потоков данных), объединенных коммутатором. Каждый процессорный элемент включает схемы местного управления, операционную часть, схемы связи и собственную оперативную память. Изменение производительности матричной системы достигается за счет изменения числа процессорных элементов.

Векторно-конвейерная структура компьютера содержит конвейер операций, на котором обрабатываются параллельно элементы векторов и полученные результаты последовательно записываются в единую память. При этом отпадает необходимость в коммутаторе процессорных элементов, служащем камнем преткновения в матричных компьютерах.

Технология MMX представляет собой компромиссное решение, объединяющее пути, используемые в классическом процессоре CISCархитектуры (Pentium), в компьютерах с параллельной SIMD-архитектурой, с добавлением ряда простых (RISC) команд параллельной обработки данных. Она разработана для ускорения выполнения мультимедийных и коммуникационных программ с добавлением новых типов данных и новых инструкций. Технология в полной мере использует параллелизм SIMDархитектуры и сохраняет полную совместимость с существующими операционными системами и приложениями для SISD.

MISD (Multiple Instruction Stream - Single Data Stream) или МКОД -

множество потоков команд и один поток данных. MISD компьютеры представляет собой, как правило, регулярную структуру в виде цепочки

41

последовательно соединенных процессоров П1, П2, ..., ПN, образующих процессорный конвейер (рис. 5). В такой системе реализуется принцип конвейерной (магистральной) обработки, который основан на разбиении всего процесса на последовательно выполняемые этапы, причем каждый этап выполняется на отдельном процессоре.

MIMD (Multiple Instruction Stream - Multiple Data Stream) или МКМД -

множество потоков команд и множество потоков данных. В данную категорию попадают симметричные параллельные вычислительные системы, рабочие станции с несколькими процессорами, кластеры рабочих станций и т.д.

Рис.5. MISD-архитектура

Любая вычислительная система этого класса в частных приложениях может выступать как SISD и SIMD-система.

Многопроцессорные вычислительные системы (МПВС) основаны на объединении процессоров на общем поле оперативной памяти. Это поле называется разделяемой памятью (Shared Memory). Управление обеспечивается одной общей операционной системой. При этом достигаются более быстрый обмен информацией между процессорами, чем между ЭВМ в многомашинных вычислительных системах (комплексах), и более высокая суммарная производительность системы.

Рис.6. MIMD-архитектура

42

По топологии межмодульных функциональных и управляющих связей и организации работы выделяются два типа многопроцессорных систем МКМД (множественный поток команд – множественный поток данных):

−с общей шиной;

−с использованием многовходовой памяти (многошинные-многовходовые вычислительные системы).

ВМПВС с общей шиной (Shared Memory Proccessing –

мультипроцессоры с разделением памяти, SMP-архитектура) все функциональные модули (процессоры П1, П2, ..., ПМ, модули памяти МП1, МП2, .... МПК, устройства ввода-вывода УВВ1, УВВ2, .... УВВМ) подсоединены к одной общей шине межмодульных связей, ширина которой может быть от одного бита до нескольких байтов.

Организация связей между элементами системы на основе общей шины является одним из распространенных способов построения не только многопроцессорных, но и многомашинных вычислительных комплексов небольшой мощности.

ВМПВС с многовходовыми модулями ОП или симметричных МПВС взаимные соединения выполняются с помощью индивидуальных шин, подключающих каждый процессор и каждое устройство ввода-вывода к отдельному входу оперативной памяти. Для этого необходимо, чтобы модули ОП имели по несколько входов и снабжались управляющими схемами для разрешения конфликтов в случаях, когда два или более процессора или устройства ввода-вывода требуют доступа к одному и тому же модулю памяти в пределах одного временного цикла. Число подключаемых элементов системы к одному модулю памяти ограничивается числом его входов.

Принципы построения МПВС с многовходовыми модулями ОП используются в мэйнфреймах.

Вмногомашинных комплексах отдельные компьютеры объединяются либо с помощью сетевых средств, либо с помощью общей внешней памяти (обычно — дисковые накопители большой емкости). Каждая ЭВМ системы имеет свою оперативную память и работает под управлением своей операционной системы. Каждая машина использует другую как канал или устройство ввода-вывода. Обмен информацией между машинами происходит в результате взаимодействия их операционных систем.

Системы с массовым параллелизмом (МРР) состоят из десятков, сотен, а иногда и тысяч процессорных узлов. Строгой границы не существует, однако считается, что при числе процессоров 128 и более система относится к MPP-архитектуре. Большинство MPP-систем имеют как логически, так и физически распределенную между процессорами память. Каждый узел такой системы содержит процессор и модуль памяти, в котором хранится процесс - совокупность команд, исходных и промежуточных данных вычислений, а также системные идентификаторы процесса. Узлы массово-параллельной системы объединяются коммутационными сетями самой различной формы - от простейшей двумерной решетки до гиперкуба или трехмерного тора. В

43

отличие от архитектуры фон Неймана, передача данных между узлами коммутационной сети происходит по готовности данных процесса, а не под управлением некоторой программы. Отсюда еще одно название подобных систем - «системы с управлением потоком данных» (иногда просто «потоковые машины»).

Основные типы данных

Для формализации различного рода информации используют типы данных, которые определяют множество значений и набор операций, которые применимы к ним, а так же способ реализации хранения значений.

Типы данных бывают следующие:

−простые,

−составные.

Простые, в свою очередь, можно подразделить на следующие.

−Перечислимый тип. Может хранить только те значения, которые прямо указаны в его описании.

−Числовой тип. Хранятся числа, к которым могут применяться обычные арифметические операции. При этом внутри данного типа возможна еще более мелкая классификация.

•Целочисленные: со знаком, то есть могут принимать как положительные, так и отрицательные значения; и без знака, то есть могут принимать только неотрицательные значения.

•Вещественные: с запятой (то есть хранятся знак и цифры целой и дробной частей) и с плавающей запятой.

•Числа произвольной точности, обращение с которыми происходит посредством длинной арифметики. Примером языка с встроенной поддержкой таких типов является UBASIC, часто применяемый среди криптографов.

−Символьный тип. Хранит один символ, способ кодирования которого однозначно не определен и могут использоваться различные кодировки.

−Логический тип. Значения этого типа могут принимать два значения: истина (1) и ложь (0), при троичной логике может иметь и третье значение — «не определено» (или «неизвестно»). Переменные этого типа подчиняются законам математической логики. Используется в операторах ветвления и циклах. В некоторых языках является подтипом числового типа.

−Множество – некоторый набор элементов. Допустимы стандартные операции с множествами (аналогично множествам в математике) и проверка на принадлежность элемента множеству. В некоторых языках рассматривается как составной тип.

Составные.

−Массив. Является индексированным набором элементов одного типа. Одномерный массив — это вектор, двумерный массив — матрица. В

44

соответствии с этим определяется нумерация элементов, а так же операции, которые можно производить с элементами данного типа.

−Строковый тип. Хранит строку символов. Аналогом сложения в строковой алгебре является конкатенация (прибавление одной строки в конец другой строки). В языках, близких к бинарному представлению данных, чаще рассматривается как массив символов, в языках более высокой абстракции зачастую выделяется в качестве простого.

−Запись (структура). Набор различных элементов (полей записи), хранимый как единое целое. Возможен доступ к отдельным полям записи. Например, struct в C или record в Pascal.

−Файловый тип. Хранит только однотипные значения, доступ к которым осуществляется только последовательно (файл с произвольным доступом, включённый в некоторые системы программирования, фактически является неявным массивом).

−Класс – тип данных, определяемый программистом.

Другие типы данных. Если описанные выше типы данных представляли какие-либо объекты реального мира, то рассматриваемые здесь типы данных представляют объекты компьютерного мира, то есть являются исключительно компьютерными терминами.

−Указатель. Хранит адрес в памяти компьютера, указывающий на какуюлибо информацию, как правило — указатель на переменную.

−Ссылка – это объект, указывающий на определенные данные.

45

АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА

Организация процессора

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit),

представляет собой микросхему — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Функции процессора:

−обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций (в основе лежит двоичная арифметика);

−программное управление работой устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

−арифметико-логическое устройство;

−шины данных и шины адресов и шины управления;

−регистры;

−счетчики команд;

−кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

−математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – одна из основных функциональных частей процессора, осуществляющая непосредственное преобразование информации. Основными функциональными узлами АЛУ являются: сумматор (используется для выполнения суммирования и других действий над кодами операндов); регистры (используются для хранения кодов операндов на время выполнения действия над ними); сдвигатели (для сдвига кода на один или несколько разрядов вправо или влево); преобразователи (для преобразования прямого кода числа в обратный или дополнительный); комбинационные схемы (для реализации логических операций, мультиплексирования данных, управляемой передачи информации, формирования признаков результата).

Адресная шина. Данные, которые передаются по этой шине трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. Именно из этой шины процессор считывает адреса команд, которые необходимо выполнить, а также данные, с которыми оперируют команды.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и наоборот.

Командная шина. По этой шине из оперативной памяти поступают команды, выполняемые процессором. Команды представлены в виде байтов.

Перечислим основные параметры процессора.

−Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемых процессором за единицу времени. Тактовая частота современных процессоров измеряется в МГц. Количество битов

46

данных, которые может обработать процессор за один прием, характеризуется разрядностью внутренних регистров (регистр - ячейка памяти внутри процессора).

−Разрядность – показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт, определяет скорость работы компьютера.

−Рабочее напряжение.

−Коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты.

−Размер кэш памяти.

oКэш память первого уровня (L1) - самая быстрая, но по объему меньшая, чем у остальных. С ней напрямую работает ядро процессора. Кэш память 1-го уровня имеет наименьшую

латентность (время доступа).

o Кэш память второго уровня (L2) – объем этой памяти значительно больше, чем кэш память первого уровня.

o Кэш память третьего уровня (L3) – кэш память с большим объемом и более медленная, чем L2. С ней работает математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Все операции, выполняемые в АЛУ, можно разделить на следующие группы:

−операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;

−операции двоичной (шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;

−операции десятичной арифметики над числами, представленными в двоично-десятичном коде;

−операции адресной арифметики (при модификации адресов команд);

−операции специальной арифметики (нормализация, сдвиг);

−логические операции;

−операции над алфавитно-цифровыми полями.

Организация памяти

Память – один из блоков ЭВМ, состоящий из запоминающих устройств (ЗУ) и предназначенный для запоминания, хранения и выдачи информации (алгоритма обработки данных и самих данных).

Основными характеристиками отдельных ЗУ являются емкость памяти, быстродействие и стоимость хранения единицы информации (бита).

Функции памяти:

−приём информации из других устройств;

−запоминание информации;

−выдача информации по запросу в другие устройства машины.

47

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory —

память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает.

Основные характеристики модулей оперативной памяти:

−объем памяти;

−время доступа;

−пропускная способность;

−время доступа, т.е. временная задержка между запросом на выдачу какой-либо информации из памяти и ее реальной выдачей;

−разрядность модуля, т.е. ширина той шины, по которой происходит доступ к конкретному модулю, или количество контактов, по которым передаются биты данных.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память

только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом “зашивается” в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS.

BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) —

совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер.

Всостав внешней памяти компьютера входят:

−накопители на жёстких магнитных дисках;

−накопители на гибких магнитных дисках;

−накопители на компакт-дисках;

48

−накопители на магнитооптических компакт-дисках;

−накопители на магнитной ленте (стримеры) и др;

−флеш-накопители.

Характеристики жесткого диска:

−время доступа – время за которое получается доступ к нужному участку диска;

−скорость чтения\записи.

Организация ввода\вывода

Аудиоадаптер (звуковая плата) это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования.

Видеоадаптер — это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS.

Характеристики:

−память,

−частота ядра,

−шина памяти,

−тип памяти,

−поддерживаемая версия DirectX.

Графические акселераторы (ускорители) — специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор от большого объёма операций с видеоданными, так как акселераторы самостоятельно вычисляют, какие пиксели отображать на экране и каковы их цвета.

Фрейм-грабберы, которые позволяют отображать на экране компьютера видеосигнал от видеомагнитофона, камеры, лазерного проигрывателя и др., с тем, чтобы захватить нужный кадр в память и впоследствии сохранить его в виде файла.

TV-тюнеры — видеоплаты, превращающие компьютер в телевизор. TV-тюнер позволяет выбрать любую нужную телевизионную программу и отображать ее на экране в масштабируемом окне. Таким образом, можно следить за ходом передачи, не прекращая работу.

Монитор — устройство визуального отображения информации.

Взависимости от принципа действия, мониторы делятся на:

−мониторы с электронно-лучевой трубкой;

−дисплеи на жидких кристаллах.

Характеристики.

−Размер монитора.

−Разрешающая способность. В графическом режиме работы изображение на экране монитора состоит из точек (пикселов). Количество точек по

49

горизонтали и вертикали, которые монитор, способный воссоздать четко

и раздельно называется его разрешающей способностью.

−Частота регенерации. Этот параметр иначе называется частотой кадровой развертки. Он показывает, сколько раз в секунду монитор может полностью обновить изображение на экране. Частота регенерации измеряется в герцах (Гц).

Видеосистема компьютера состоит из трех компонент:

−монитор (называемый также дисплеем);

−видеоадаптер;

−программное обеспечение (драйверы видеосистемы).

Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток. Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают видеоизображения — выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др.

Клавиатура - это стандартное клавишное устройство ввода, предназначенное для ввода алфавитно-цифровых данных и команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя: с помощью клавиатуры руководят компьютерной системой, а с помощью монитора получают результат.

Периферийные устройства.

Принтер — печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьютера закодированной информации в виде печатных копий текста или графики.

Виды принтеров:

−матричные,

−струйные,

−лазерные.

Современные лазерные принтеры позволяют достичь высокого качества печати, близкого к фотографическому. Основным недостатком лазерных принтеров является высокая цена, но цены имеют тенденцию к снижению.

Основные характеристики лазерных принтеров.

−Скорость печати. Определяется скоростью механического протягивания листа и скоростью обработки данных, поступающих с компьютера. Средняя скорость печати 4-16 страниц за минуту.

−Разрешающая способность. В современных лазерных принтерах достигает 2400 dpi. Стандартным считается значение в 300 dpi.

−Память. Скорость обработки информации зависит от тактовой частоты процессора и объема оперативной памяти принтера. Объем оперативной памяти черно-белого лазерного принтера составляет не меньше 1 Мбайт,

в цветных лазерных принтерах значительно больше.

Сканер — устройство для ввода в компьютер графических изображений. Создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера.

50