Міністерство освіти і науки України

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ХОЛОДУ

Рибалов Б.О., Лозович О.М.

КОМП’ЮТЕРНІ СИСТЕМИ

Посібник до виконання лабораторних робіт

Одеса 2008

Рибалов Б.О., Лозович О.М. Комп’ютерні системи Посібник до виконання лабораторних робіт. Одеська державна академія холоду, 2008. – 38 с.

Посібник розроблено згідно з робочою навчальною програмою дисципліни «Комп’ютерні системи» для студентів спеціальності 6.091501 «Комп’ютерні системи та мережі» за напрямом підготовки 0915 «Комп’ютерна інженерія».

Призначено для виконання лабораторних робіт студентами по закріпленню окремих тем дисципліни. Наведено перелік теоретичних питань для поглибленого опрацювання з посиланнями на літературу, яка є в бібліотеці ОДАХ.

Рецензент: Плотніков В.М., д.т.н., професор, завідувач кафедри інформаційно-управляючих систем ОДАХ

Завідувач кафедри інформаційно-

комунікаційних технологій

д.т.н., професор Г.С. Гайворонська

ОДАХ

ЗМІСТ

Одеса 2008 1

ЗМІСТ 3

1. Вступ: мета, завдання, структурно-логічне місце дисципліни в навчальному процесі. 4

2. Анотований зміст дисципліни 4

3. Зміст навчального (лекційного) матеріалу 5

Лабораторна робота №1. Класифікація комп’ютерних систем. 6

Лабораторна робота №2. Вивчення архітектури комп'ютерних систем 10

Лабораторна робота №3. Вивчення структури комп'ютерних систем. 16

Лабораторна робота №4. Вивчення принципу роботи конвеєрних комп’ютерних систем. 18

Лабораторна робота №5. Моделювання комп’ютерних систем за допомогою програми-емулятора. 24

Лабораторна робота №6. Вивчення кластерних структур. 26

Лабораторна робота №7 Застосування закону Амдаля при створенні комп’ютерних систем. 31

Лабораторна робота №8. Багатозадачний режим роботи комп’ютерної системи. 33

Посібник до виконання лабораторних робіт 37

1. Вступ: мета, завдання, структурно-логічне місце дисципліни в навчальному процесі.

Дисципліна "Комп’ютерні системи" є однією з базових дисциплін підготовки бакалаврів за напрямом 0915 "Комп'ютерна інженерія".

Метою викладання дисципліни "Комп’ютерні системи" є одержання студентами знань про принципи побудови і використання обчислювальних систем.

Головні задачі вивчення дисципліни полягають у придбанні студентами:

• знань теорії комп’ютерних систем;

• умінь розробляти архітектури комп’ютерних систем (КС);

• умінь виконувати організацію обчислень в КС.

Ця дисципліна узагальнює та систематизує знання і навички, які отримали студенти при вивченні цілого циклу дисциплін, а саме "Дискретна математика", "Комп'ютерна електроніка", "Комп'ютерна схемотехніка", "Архітектура комп'ютерів".

Комплекс знань та умінь, отриманих студентами при вивченні "Комп’ютерних систем" необхідний для подальшого навчання і придбання навичок при вивченні наступних дисциплін: "Проектування комп'ютерних систем", "Комп’ютерні мережі", «Паралельні та розподілені обчислювання».

2. Анотований зміст дисципліни

Комп’ютерна система це сукупність взаємозалежних і одночасно функціонуючих апаратурно-програмних обчислювачів, що здатна не тільки реалізувати (паралельний) процес рішення складного завдання, але й апріорі й у процесі роботи автоматично настроюватися й перебудовуватися з метою досягнення адекватності між своєю структурно-функціональною організацією й структурою й характеристиками розв’язуваного завдання.

Засоби даного напрямку ґрунтуються на принципі масового паралелізму при обробці інформації. Комп’ютерні системи (у концептуальному плані) є діалектичною протилежністю ЕОМ, їхнє функціонування засноване на імітації роботи не окремих людей, зайнятих розрахунками, а колективів людей-обчислювачів. Це дозволяє перебороти бар’єр продуктивності, що існує для ЕОМ, досягти високої надійності й живучості, здійснювати рішення завдань, значно поліпшити техніко-економічні показники. Даний напрямок адекватно враховує поточні досягнення в технології БІС і орієнтований на застосування напівпровідникових пластин з більшим числом елементів обробки інформації.

Дисципліна складається з основних розділів: класифікація комп’ютерних систем (КС); архітектури комп’ютерних систем; організація обчислень в КС; організація пам’яті та уведення-виведення в комп’ютерних системах; топології КС; експлуатація та діагностика, надійність і контроль у комп’ютерних системах.

3. Зміст навчального (лекційного) матеріалу

Рекомендована література

1. Хорошевский В.Г. Архітектура вычислительных систем. М.: Учебное пособие для вузов, 2005. – 512 с.

2. Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. - СПб.:-Петербург, 2002.- 608 с.

3. Грегори Р. Эндрюс. Основы многопоточного параллельного и распределенного программирования. : Пер с англ. -.М.: Издательский дом “Вильямс”, 2003. - 512 с.

4. Ладыгин И.И., Белоцицкий Н.С. Основы построения вычислительных систем. М.: Издательство МЭИ, 1992. 70 с.

Лабораторна робота №1. Класифікація комп’ютерних систем.

Мета роботи: Вивчити основну класифікацію комп’ютерних систем (КС), а також ознайомитись з іншими існуючими класифікаціями КС.

Теоретичні відомості:

Велика різноманітність обчислювальних систем, породила безліч класифікацій. Одна з перших класифікацій, посилання на яку найбільше часто зустрічаються в літературі, була запропонована М.Фліном наприкінці 60- х років минулого століття. Вона базується на поняттях двох потоків: команд і даних. На основі числа цих потоків виділяється чотири класи архітектур:

• SISD (Single Instruction Single Data) – єдиний потік команд і єдиний потік даних. У загальному випадку, це класична машина Фон-Неймана. До цього класу відносять усі однопроцесорні системи.

• SIMD (Single Instruction Multiple Data) – єдиний потік команд і множинний потік даних. Представниками є матричні комп'ютери, у яких усі процесорні елементи виконують ту саму програму, застосовувану до своїх, різним для кожного процесорного елементу, локальним даним. Деякі автори до цього класу відносять і векторно-конвеєрні комп'ютери, якщо кожний елемент вектора розглядати як окремий елемент потоку даних.

• MISD (Multiple Instruction Single Date) – множинний потік команд і єдиний потік даних . М. Флін не зміг привести жодного прикладу реально існуючої системи, що працює на цьому принципі. Деякі автори як представники такої архітектури називають векторно-конвеєрні комп'ютери, однак така точка зору не одержала широкої підтримки.

• MIMD (Multiple Instruction Multiple Date) – множинний потік команд і множинний потік даних. До цього класу ставляться практично всі сучасні багатопроцесорні системи.

Тип архітектури SISD — "один потік команд — один потік даних", умовно зображено на рисунку 1.1.

В ЕОМ класичної архітектури ведеться послідовна обробка команд і даних. Команди надходять одна за іншою, за винятком крапок розгалуження програми, і для них з ОЗП або регістрів так само послідовно надходять операнди. Однієї команді або операції, відповідає один необхідний їй набір операндів, і як правило, два для бінарних операцій.

Рисунок 1.1 Комп’ютерна система типу SISD

Тип архітектури SIMD — "один потік команд — багато потоків даних" зображено на рисунку 1.2.

Рисунок 1.2. Комп’ютерна система типу SIMD

ПЕ – процесорний елемент.

У комп'ютерних системах даного типу, однією командою обробляється набір даних, множина даних, вектор, і виробляється безліч результатів. Це векторні й матричні системи, у яких по одній команді виконується одна й та сама операція над усіма елементами масиву — вектора або матриці, розподіленими між процесорними елементами або процесорами.

До типу MISD — «багато потоків команд — один потік даних» відносять векторний конвеєр, звичайно в складі обчислювальної системи, щоб підкреслити основний використовуваний принцип обчислень. На векторному конвеєрі виробляється послідовна обробка одного потоку даних багатьма обробними пристроями, станціями конвеєра. Принцип роботи показано на рисунку 1.3 (ПУ – пристрій управління).

Рисунок 1.3. Комп’ютерна система типу MISD

Також існують наступні класифікації:

• Доповнення до класифікації Фліна Ванга и Брігса: конкретизація класів SISD, SIMD, MIMD.

• Класифікація Енслоу;

• Класифікація Фенга: дві прості чисельні характеристики паралелізму, послівний і поразрядний паралелізм

• Класифікація Шора: шість «типових архітектур» обчислювальних систем.

• Класифікація Хендлера: кількісний опис паралелізму на трьох різних рівнях обробки даних, виконання програми, виконання команд, обробка бітів.

• Класифікація Хокні: конкретизація класу MIMD.

• Класифікація Шнайдера: конкретизація класа SIMD, основна ідея - виділення етапів вибірки й безпосередньо виконання в потоках команд і даних.

• Класифікація Джонсона: чотири класа MIMD-комп’ютерів, комп'ютери із загальною або розподіленою пам'яттю, запрограмовані за допомогою передачі повідомлень або поділюваних змінних.

• Класифікація Базу: послідовність рішень, прийнятих на етапі проектування архітектури.

• Класифікація Кришнамарфі: чотири якісні характеристики паралелізму, ступінь гранулярності паралелізму, спосіб реалізації, топологія й природа зв'язку процесорів, спосіб керування процесорами.

• Класифікація Скілікорна: опис архітектури комп'ютера як абстрактної структури, що складається з компонентів 4 типів (процесор команд, процесор даних, ієрархія пам'яті, комутатор).

• Класифікація Дазгупти: побудова схем архітектур із семи базових понять.

• Класифікація Дункана.

Хід роботи:

1. В залежності від варіанта, зобразите графічно принцип роботи комп'ютерної системи.

2. Складіть таблицю, порівняльних характеристик, комп’ютерної системи, які дані у вашому варіанті.

3. Внесіть у протокол лабораторної роботи структурну схему комп’ютерної системи і зрівняльну характеристику. Поясніть, різницю у продуктивності двох систем.

Таблиця 1.1

№ варіанта	Тип комп’ютерної системи	Комп’ютерна система для зрівняльної характеристики
1	Класифікація Фенга	Класифікація Фліна SISD
2	Класифікація Дункана.	Класифікація Фліна MISD
3	Класифікація Дазгупти	Класифікація Фліна SIMD
4	Класифікація Скілікорна	Класифікація Фліна SISD
5	Класифікація Кришнамарфі	Класифікація Фліна MISD
6	Класифікація Базу	Класифікація Фліна SIMD
7	Класифікація Хендлера	Класифікація Фліна SISD
8	Класифікація Хокні	Класифікація Фліна MISD
9	Класифікація Шора	Класифікація Фліна SIMD
10	Класифікація Шнайдера	Класифікація Фліна SISD
11	Класифікація Енслоу	Класифікація Фліна SIMD
12	Класифікація Джонсона	Класифікація Фліна MISD

Контрольні запитання:

1. Що називається комп’ютерною системою?

2. По яким ознакам класифікуються комп’ютерні системи?

3. Що таке комп’ютер в Фон-Неймоновському розумінні?

4. Поясніть принцип роботи системи MIMD.

5. Поясніть принцип роботи системи SIMD.

6. Поясніть принцип роботи системи SISD.

7. Поясніть принцип роботи системи MISD.

8. Які ще класифікації, окрім класифікації Фліна ви знаєте?

9. Чому класифікацію Фліна необхідно було доповнити?

10. Дайте визначення вектору даних.

11. Поясніть поняття «потік команд» і «потік даних».

12. До якої класифікації, відносять існуючі однопроцесорні системи?