Принципи фон Неймана та Лєбєдєвапобудови КС.

КС як об'єктдослiдження.

Знати: поняття КС, характеристики КС як об'єктадослiдження, стратегiя керування в КС, задачiTeopiї КС.

ЭВМ – комплекс аппаратуры, обеспечивающей реализацию команд над информацией, который является достаточным для выполнения некоторого класса алгоритма.

Компьютерная система - система, состоящая из одной или нескольких ЭВМ и набора программ, обеспечивающих выполнение возложенных на систему функций.

Компьютерная система характеризуется:

1) Множеством данных, которые поступают в систему и множеством данных, которые формируются на выходе.

2) Функциями системы, которые задают правила отображения множества входных на множество выходных данных.

3) Структурой системы, которая определяет вход и выход системы, перечень устройств и связи между ними, перечень алгоритмов и порядок их взаимодействия между собой и аппаратурой системы.

Программное обеспечение включает в себя прикладные и управляющие программы.Для выполнения таких программ используется специальный набор устройств, который поочередно распределяется между программами. Поэтому чтобы предусмотреть механизм управления порядком выполнения программ, используется набор управляющих программ. Управляющие программы обеспечивают необходимый порядок взаимодействия прикладных программ между собой и с оборудованием КС.

Порядок распределения вычислительных процессов в пространстве и времени определяется стратегией управления вычислительными процессами в КС. Стратегия управления задает алгоритм планирования работ в системе, который реализуют управляющие программы. Таким образом, внутреннюю организацию КС можно рассматривать как совокупность трех основных компонентов: прикладных программ, управляющих программ и оборудования.

При создании КС необходимо определить ее структуру и номенклатуру алгоритмов, которые наилучшим образом отвечают назначению системы.

Задачей теории КС является разработка методов синтеза оптимальных структур ЭВМ и стратегий управления вычислительными процессами вплоть до приборов.

 

Принцип дiї КС.

Знати: структурна схема КС, складовi КС, їх призначення, принцип фон Неймана.

ЭВМ содержит следующие общие составляющие:

арифметико-логическое устройство, память, управляющее устройство, устройство ввода данных в машину, устройство вывода результатов расчетов и терминал управления.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) делает арифметические и логические преобразования над машинными словами, поступающие к нему, то есть кодами определенной длины, представляющие собой числа или другой вид информации.

Запоминающее устройство - это блок ЭВМ, предназначенный для временного (оперативная память) и продолжительного (постоянная память) хранения программ, входных и результирующих данных, а также промежуточных результатов. Информация в оперативной памяти сохраняется временно лишь при включенном питании, но оперативная память имеет большее быстродействие. В постоянной памяти данные могут сохраняться даже при отключенном компьютере, но скорость обмена данными между постоянной памятью и центральным процессором, в подавляющем большинстве случаев, значительно меньше.

Управляющее устройство (УУ) автоматически без участия человека управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, которые приказывают выполнить те или иные действия, в частности, включает АЛУ на выполнение некоторой операции.

Большинство современных КС работают по принципам, которые сформулированы Джоном фон Нейманом, и поэтому относятся к типу фон-неймановского. К этим принципам относятся:

Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются автоматически процессором одна за другой в установленном порядке. После выполнения некоторой команды счетчик команд (ЛК) увеличивает адрес следующей команды. Есть команды (безусловного и условного переходов), которые могут изменять адрес команды в ЛК.

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в той же памяти. Процессор не различает, что именно хранится в ячейке памяти, поэтому над командами можно выполнять те же действия, что и над данными. Поэтому программа при выполнении может изменять сам себя

Принцип адресности. Основная память состоит из пронумерованных ячеек и процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка памяти. Поэтому области памяти можно именовать и обращаться к ним за этим именем.

На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.

 

Базовi шляхи пiдвищенняпродуктивностi та надiйностi КС.

3 шляхи органiзацiїпаралельнихобчислень, поняттянезалежних гiлок, надiйнiсть, iнтенсивнiсть вiдмов, вiдмовостiйкiсть, апаратне та програмнемасштабуваннясистеми.

Повышение продуктивности

 

Общий метод повышения производительности заключается в организации параллельных вычислений, т.е. одновременное решение задач или сочетании во времени этапов решения одной задачи.

 

Различают 3 способа организации параллельных вычислений:

1) Сочетание во времени различных этапов различных задач - возможен в однопроцессорных системах.

2) Одновременное решения различных задач или частей задачи - возможен лишь при наличии нескольких обрабатывающих устройств для каждой подзадачи. Здесь выделяют несколько типов параллелизма:

Естественный параллелизм независимых задач: в систему поступает несколько несвязанных потоков от различных задач.

Параллелизм независимыхветвей: при решении задачи могут быть выделены отдельные независимые части (ветви), которые при наличии нескольких обрабатывающих устройств могут выполняться параллельно и независимо друг от друга. Ветви называются независимыми, если:

- ни одна входная переменная ветви не является исходной для другой ветви (отсутствие функциональных связей);

- Ветви не производят запись в те же ячейки памяти;

- Условия выполнения одной ветви не зависят от результатов или признаков, полученных в другой ветке (независимость за управлением);

- Обе ветви должны выполняться по различным блокам программы (программная независимость).

Недостатки: сложность выделения независимых ветвей.

Решаемые задачи: матричная алгебра, линейное программирование, спектральная обработка сигналов, прямые и обратные преобразования Фурье.

Параллелизм объектов или данных:

по одной и той же программе должны обрабатываться данные, получаемые от различных источников, например, от однотипных датчиков, установленных на нескольких объектах.

3) Конвейерная обработка, при которой операция разбивается на несколько частей, каждая из которых обрабатывается блоком процессора, специализирующейся именно на данном типе операций.

 

Повышение надёжности

Надежность - свойство системы выполнять возложенные на нее функции в заданных условиях функционирования.Важная характеристика надежности - интенсивность отказов - среднее число отказов за единицу времени.Если система содержит n элементов, а λ_i - интенсивность отказа i -го блока, то интенсивность отказов в системе:

Наработка на отказ - средний промежуток времени между двумя смежными отказами:

При этом вероятность того, что за время t произойдет отказ, равна:

Повышение надежности основано на принципе предотвращения неисправностей путем снижения интенсивности отказов и сбоев за счет применения электронных схем и компонентов с высокой и сверхвысокой степени интеграции, снижения уровня помех, облегченных режимов работы схем, обеспечение тепловых режимов их работы, а также за счет совершенствования методов сбора аппаратуры.

 

Отказоустойчивость - это такое свойство вычислительной системы, которая обеспечивает ей как логической машине возможность продолжения действий, заданных программой, после возникновения неисправностей.

Введение отказоустойчивости требует избыточного аппаратного и программного обеспечения. Направления, связанные с предотвращением неисправностей и с отказоустойчивость - основные в проблеме надежности. Концепции параллельности и отказоустойчивости вычислительных систем естественным образом связаны между собой, поскольку в обоих случаях требуются дополнительные функциональные компоненты. Поэтому, собственно, на параллельных вычислительных системах достигается как наиболее высокая производительность, так и очень высокая надежность. Имеющиеся ресурсы избыточности в параллельных системах могут гибко использоваться как для повышения производительности, так и для повышения надежности. Структура современных многопроцессорных и многомашинного систем приспособлена к автоматической реконфигурации и обеспечивает возможность продолжения работы системы после возникновения неисправностей.

Понятие надежности включает не только аппаратные средства, но и программное обеспечение. Главной целью повышения надежности систем является целостность данных, хранящихся в них.

Масштабируемость является возможностью наращивать количество и мощности процессоров, объемов оперативной и внешней памяти и других ресурсов вычислительной системы. Масштабируемость должна обеспечиваться архитектурой и конструкцией компьютера, а также соответствующими средствами программного обеспечения.

Добавление каждого нового процессора в действительно масштабируемой системе должно давать прогнозируемое увеличение производительности и пропускной способности при приемлемых затратах. Одна из основных задач при построении масштабируемых систем является минимизация стоимости расширения компьютера и упрощение планирования. В идеале добавления процессоров в систему должно вести к линейному росту ее производительности. Однако это не всегда так. Потери производительности могут возникать, например, при недостаточной пропускной способности шин данных из-за роста трафика между процессорами и основной памятью, а также между памятью иустройствами ввода / вывода. Реальное увеличение производительности трудно оценить заранее, поскольку оно в значительной степени зависит от динамики поведения прикладных задач.

Масштабируемость программного обеспечения затрагивает все его уровни от простых механизмов передачи сообщений до работы с такими сложными объектами как мониторы транзакций и среда прикладной системы. В частности, программное обеспечение должно минимизировать трафик межпроцессорного обмена, который может препятствовать линейному росту производительности системы. Аппаратные средства (процессоры, шины и устройства ввода / вывода) является лишь частью масштабируемой архитектуры, на которой программное обеспечение может обеспечить предсказуемый рост производительности. Важно понимать, что простой переход, например, на более мощный процессор может привести к перегрузке других компонентов системы. Это означает, что действительно масштабируемая система должна быть сбалансирована по всем параметрам.

 

 

Apxiтeктypaнаборукоманд.

Знати: акумуляторна, стекова, peгіcтрівзагальногопризначення, CISC, RISC, VLIW, EPICархiтектури, їхознаки.

Аккумуляторная архитектура В этой архитектуре основой арифметико-логического устройства является единственный регистр, который называется аккумулятором. Типичная команда выбирает операнд из оперативной памяти и использует его в операции с аккумулятором, где, при необходимости, уже должен находиться второй операнд. Результат остается в аккумуляторе. Система имеет две команды, которые могут работать с оперативной памятью. Одна команда необходима для загрузки в аккумулятор процессора из оперативной памяти, а вторая - для записи кода из аккумулятора в память.

Типичный пример последовательности машинных команд для такого процессора имеет вид:

load Ра;загрузка у акумулятор з ОП

addPb;складання

storeРс;запис результату в ОП

Здесь Ра и Pb представляют адреса полей оперативной памяти, в которых находятся приложения, а Рс - адрес поля для записи результата.

Дальнейшее развитие аккумуляторной архитектуры привело к появлению архитектуры аккумулятор и регистры, в которой в состав процессора вместе с аккумулятором входили несколько дополнительных регистров. Они использовались в основном как индексные.

 

Команды стековой архитектуры в основном относятся к безадресным. Для хранения операндов используется стек, который входит в состав процессора. Оба операнда выбираются из вершины стека, над ними выполняется действие, которое задается командой, результат остаётсякак новая вершина стека. В систему команд входят две одноадресные команды, которые обеспечивают копирование данных в вершину стека с поля оперативной памяти, а также выбор кода с вершины стека и запись в поле оперативной памяти.

push Ра;записпершого операнда у вершину стека з ОП

pushPb;запис другого операнда у вершину стека з ОП

add;складання

popРс;вибір результату з вершини стека і запис в ОП

 

Архитектура регистров общего назначения отличается тем, что процессор располагает набор высокоскоростных регистров, который принято называть регистровой

памятью или регистровый файл. В отличие от стековой архитектуры, операнды команд могут выбираться из любого регистра и записываться в любой регистр процессора.

Различают две большие группы архитектуры регистров общего назначения: с полным и сокращенным набором команд. Эти группы являются идеализированными (модельными). Любой реальный процессор фактически занимает некоторое промежуточное положение с преобладанием особенностей той или иной модели.

К архитектуре регистров общего назначения относится и так называемая теговая архитектура, отличительной особенностью которой является наличие связанного с каждым стандартным полем оперативной памяти аппаратно управляемого тега. В данном случае тег - это некоторый признак, определяющий типы данных, допустимых для поля, а также множеством команд, применяемых к нему.

 

CISC-архитектура. Особенностью этой разновидности архитектуры является наличие отдельной машинной команды для каждого возможного действия по обработке данных.

Для CISC характерно:

- Сравнительно небольшое число регистров общего назначения;

- Большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и для выполнения которых необходимо несколько тактов работы процессора;

- Большое количество методов адресации;

- Большое количество форматов команд различной разрядности;

- Преобладание двухадресных формата команд;

- Наличие команд обработки типа регистр-память;

- Развитый механизм адресации операндов, включает различные методы косвенной адресации.

К архитектуре CISC относятся системы команд семейств IBM 360/370, VAX, Intel 80x86, в том числе система команд машины IBM PC с процессором i8086.

RISC-архитектура - компьютер с сокращенным набором инструкций. В этом подходе предполагается включение в систему команд процессора только простых действий, которые часто встречаются. Реализация сложных операций над данными осуществляется с помощью последовательностей простых команд.

Система команд такого компьютера содержит только микрокоманды. Для архитектуры RISC характерно:

- Она построена на архитектуре, отделяющей команды обработки от команд работы с памятью;

- Упор на эффективную конвейерную обработку;

- Система команд разрабатывалась так, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт);

- С целью повышения производительности логика выполнения команд ориентируется на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию;

- Для упрощения логики декодирования команд используются команды фиксированной длины и фиксированного формата;

- Большой регистровый файл: 32 и более регистров общего назначения;

- Частое использование трехадресных команд, дополнительно дает возможность хранить большое количество переменных в регистрах без их последующей перезагрузки;

- Использование только простых способов адресации (регистровая, прямая, непосредственная).

К RISС-архитектуре относят семейства SUN SPARC, Аlpha, Power PC, MIPS и некоторые другие....

Архитектура VLIW является разновидностью RISС-архитектуры. Архитектура процессоров этой группы - суперскалярная, с наличием большого количества арифметико-логических функциональных блоков. Основным ее отличием является возможность объединения нескольких простых команд в так называемые связи. Команды, которые в нее входят, должны быть независимы друг от друга, то есть их можно выполнять одновременно, параллельно. Таким образом, из нескольких независимых машинных команд транслятор формирует одно «очень длинное командное слово».

VLIW используют специальную систему команд и поэтому несовместимы с системой команд процессоров семейства Intel 80x86.

Архитектура EPIC является развитием VLIW-архитектуры. Отличительной чертой EPIC-архитектуры является устранение отмеченных недостатков VLIW-архитектуры, требовавших, например включение группы пустых команд для заполнения машинных тактов, возникающие при реализации параллельного выполнения некоторых команд.

Характерные особенности EPIC-архитектуры:

- Хорошая масштабируемость функциональных блоков процессора;

- Параллелизм, явно задается в машинном коде

- Предикативной выполнения команд.

Количество процессоров, входящих в состав одной вычислительной системы, уже в настоящее время исчисляется десятками тысяч. Поэтому проблеме масштабируемости в архитектуре EPIC уделяется много внимания.

Задание параллелизма в команде EPIC-архитектуры призвано упростить и ускорить работу процессора, а предиктативное выполнение фактически превращает обработку разветвлений на параллельное выполнение нескольких линейных фрагментов программы, лишает конвейерную схему от проблем с очисткой и заполнением конвейера.

 

КС як об'єктдослiдження.

Знати: поняття КС, характеристики КС як об'єктадослiдження, стратегiя керування в КС, задачiTeopiї КС.

ЭВМ – комплекс аппаратуры, обеспечивающей реализацию команд над информацией, который является достаточным для выполнения некоторого класса алгоритма.

Компьютерная система - система, состоящая из одной или нескольких ЭВМ и набора программ, обеспечивающих выполнение возложенных на систему функций.

Компьютерная система характеризуется:

1) Множеством данных, которые поступают в систему и множеством данных, которые формируются на выходе.

2) Функциями системы, которые задают правила отображения множества входных на множество выходных данных.

3) Структурой системы, которая определяет вход и выход системы, перечень устройств и связи между ними, перечень алгоритмов и порядок их взаимодействия между собой и аппаратурой системы.

Программное обеспечение включает в себя прикладные и управляющие программы.Для выполнения таких программ используется специальный набор устройств, который поочередно распределяется между программами. Поэтому чтобы предусмотреть механизм управления порядком выполнения программ, используется набор управляющих программ. Управляющие программы обеспечивают необходимый порядок взаимодействия прикладных программ между собой и с оборудованием КС.

Порядок распределения вычислительных процессов в пространстве и времени определяется стратегией управления вычислительными процессами в КС. Стратегия управления задает алгоритм планирования работ в системе, который реализуют управляющие программы. Таким образом, внутреннюю организацию КС можно рассматривать как совокупность трех основных компонентов: прикладных программ, управляющих программ и оборудования.

При создании КС необходимо определить ее структуру и номенклатуру алгоритмов, которые наилучшим образом отвечают назначению системы.

Задачей теории КС является разработка методов синтеза оптимальных структур ЭВМ и стратегий управления вычислительными процессами вплоть до приборов.

 

Принцип дiї КС.

Знати: структурна схема КС, складовi КС, їх призначення, принцип фон Неймана.

ЭВМ содержит следующие общие составляющие:

арифметико-логическое устройство, память, управляющее устройство, устройство ввода данных в машину, устройство вывода результатов расчетов и терминал управления.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) делает арифметические и логические преобразования над машинными словами, поступающие к нему, то есть кодами определенной длины, представляющие собой числа или другой вид информации.

Запоминающее устройство - это блок ЭВМ, предназначенный для временного (оперативная память) и продолжительного (постоянная память) хранения программ, входных и результирующих данных, а также промежуточных результатов. Информация в оперативной памяти сохраняется временно лишь при включенном питании, но оперативная память имеет большее быстродействие. В постоянной памяти данные могут сохраняться даже при отключенном компьютере, но скорость обмена данными между постоянной памятью и центральным процессором, в подавляющем большинстве случаев, значительно меньше.

Управляющее устройство (УУ) автоматически без участия человека управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, которые приказывают выполнить те или иные действия, в частности, включает АЛУ на выполнение некоторой операции.

Большинство современных КС работают по принципам, которые сформулированы Джоном фон Нейманом, и поэтому относятся к типу фон-неймановского. К этим принципам относятся:

Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются автоматически процессором одна за другой в установленном порядке. После выполнения некоторой команды счетчик команд (ЛК) увеличивает адрес следующей команды. Есть команды (безусловного и условного переходов), которые могут изменять адрес команды в ЛК.

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в той же памяти. Процессор не различает, что именно хранится в ячейке памяти, поэтому над командами можно выполнять те же действия, что и над данными. Поэтому программа при выполнении может изменять сам себя

Принцип адресности. Основная память состоит из пронумерованных ячеек и процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка памяти. Поэтому области памяти можно именовать и обращаться к ним за этим именем.

На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.

 

Принципи фон Неймана та Лєбєдєвапобудови КС.

Знати: принципипобудови КС за фон Нейманом та Лєбєдєвим.

Принципы Фон-Неймона:

1) Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления

2) Программа должна размещаться в одном из блоков машины - в запоминающем устройстве, который должен иметь надлежащую емкость и отвечать скоростям выборки команд и записи данных.

3) Программа так же как числа записывается в двоичном коде. Таким образом, по форме

представление команды и данные однотипны, что ведет к следующим последствиям: промежуточные данные вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же

устройстве, что и программа, - числовая форма записи программы позволяет машине производить операции над величинами,

которыми закодированы команды программы.

 

Принципы построения КС Лебедева:

- Состав ЭВМ должен содержать устройства арифметики, памяти, ввода-вывода информации, управления.

- Программа вычислений кодируется и хранится в памяти подобно чисел; вычисления должны выполняться автоматически на базе программы, хранящейся в памяти

- Кроме арифметических вводятся логические операции: сравнение, условного и безусловного переходов, конъюнкция, дизъюнкция и отрицание, - память следует строить по иерархическому принципу;

- Для вычислений используются вычислительные методы решения задач.

На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.