«А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Учебно-методический комплекс под редакцией профессора Пятибратова А.П. Москва, 2009 УДК 004 ББК 32.973.202 П 994 ...»

Одним из самых популярных стандартов для передачи и воспроизведения звука был и остается MP3, обеспечивающий компактность MP3-файлов, высокое качество звука и простоту использования. Однако держатели патентов корпорация Thomson и Frauenhofer Institut ввели новый платный порядок использования стандарта, что немедленно вызвало разработку альтернативных бесплатных стандартов.

1.6. Вычислительные системы 1.1.6. Классификация вычислительных систем В связи с кризисом классической структуры компьютера дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) компьютеров. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений, до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.

Термин «вычислительная система» появился в начале – середине 60-х годов с появлением ЭВМ третьего поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу – интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых решений, как в структуре используемых вычислительных средств, так и в методах управления ими.

Отражая эти новшества, и появился термин «вычислительная система». Он не имеет единого толкования в литературе, его часто даже используют применительно к однопроцессорным компьютерам. Однако общим здесь является подчеркивание возможности построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ.

Под вычислительной системой (ВС) будем понимать совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации.

Определение Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Самыми важными предпосылками появления и развития вычислительных систем служат экономические факторы. Анализ характеристик ЭВМ различных поколений показал, что в пределах интервала времени, характеризующегося относительной стабильностью элементной базы, связь стоимости и производительности ЭВМ выражается квадратичной зависимостью – «законом Гроша»:

Построение вычислительных систем позволяет существенно сократить затраты, так как для них существует линейная формула:

где Сэвм, Свс – соответственно стоимость ЭВМ и ВС;

К1 и К2 – коэффициенты пропорциональности, зависящие от технического уровня развития вычислительной техники;

Пэвм, Пi – производительность ЭВМ и i-го из n комплектующих вычислителей (ЭВМ или процессоров).

На рис. 7 представлены графики изменения стоимости вычислений для ЭВМ и ВС.

Для каждого поколения ЭВМ и ВС существует критический порог сложности решаемых задач Пкр, после которого применение автономных ЭВМ становится экономически невыгодным, неэффективным. Критический порог определяется точкой пересечения двух приведенных зависимостей.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Рис. 7. Зависимость стоимости Свс и Сэвм от производительности Кроме выигрыша в стоимости следует учитывать и дополнительные преимущества. Наличие нескольких вычислителей в системе позволяет совершенно по-новому решать проблемы надежности, достоверности результатов обработки, резервирования, централизации хранения и обработки данных, децентрализации управления и т.д.

В настоящее время накоплен большой практический опыт в разработке и использовании ВС самого разнообразного применения. Эти системы очень сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками. Различия наблюдаются уже на уровне структуры.

Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов вычислительной системы и др. Однако основными из них являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы.

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач По типу вычислительные системы разделяются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились исторически первыми. Основные различия ММС заключаются, как правило, в организации связи и обмене информацией между ЭВМ комплекса. Каждая из них сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС. Любая другая подключаемая ЭВМ комплекса рассматривается как периферийное специальное оборудование. В зависимости от территориальной разобщенности ЭВМ и используемых средств сопряжения обеспечивается различная оперативность их информационного взаимодействия Многопроцессорные системы (МПС) строятся при объединении нескольких процессоров. В качестве единого ресурса они имеют оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечивается под управлением единой операционной системы. По сравнению с ММС здесь достигается наивысшая оперативность взаимодействия вычислителей-процессоров. Многие исследователи считают, что использование МПС является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений [25, 28].

Однако МПС имеет и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с ресурсами ООП. При большом количестве комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров обращаются с операциями типа «чтение» и «запись» к одним и тем же областям памяти. Помимо процессоров к ООП также подключаются все каналы (процессоры ввода-вывода), средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП. От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения МПС. Это решение должно обеспечиваться аппаратурно-программными средствами. Процедуры взаимодействия очень усложняют структуру ОС МПС. Накопленный опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе комплексируемых процессоров.

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают объединение однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные – разнотипных. В однородных системах значительно упрощается разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств. В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы.

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного (разобщенного) типов. Обычно такое деление касается только ММС. Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа. Более того, учитывая успехи микроэлектроники, это совмещение может быть очень глубоким. При появлении новых СБИС появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизованных ВС за это отвечает главная, или диспетчерская ЭВМ (процессор). Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован или эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС. В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ, интерес к децентрализованным системам постоянно растет.

В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые, как правило, используют режим реального времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы 1.6.2. Архитектура вычислительных систем Основным отличием ВС от компьютеров является наличие в их структурах нескольких вычислителей (компьютеров или процессоров). Поэтому они способны выполнять параллельные вычисления.

Поскольку ВС появились как параллельные системы, то рассмотрим классификацию архитектур c этой точки зрения. Такая классификация архитектур была предложена М. Флинном в начале 60-х годов. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма:

независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Согласно данной классификации существует четыре основных архитектуры ВС, представленных на рис. 8:

1. одиночный поток команд – одиночный поток данных (ОКОД), в английской аббревиатуре Single Instruction Single Data, SISD – одиночный поток инструкций – одиночный поток данных;

2. одиночный поток команд – множественный поток данных (ОКМД), или Single Instruction Multiple Data, SIMD – одиночный поток инструкций – одиночный поток 3. множественный поток команд – одиночный поток данных (МКОД), или Multiple Instruction Single Data, MISD – множественный поток инструкций – множественный поток данных;

4. множественный поток команд – множественный поток данных (МКМД), или Multiple Instruction Multiple Data, MIMD -множественный поток инструкций – множественный поток данных.

Рис. 1.1.9. Архитектура ВС: а ОКОД (SISD) – архитектура; б ОКМД (SIMD) – архитектура;

в МКОД (MISD) – архитектура; г МКМД (MIMD) – архитектура Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, то есть системы с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода информации и процессора. Закономерности организации вычислительного процесса в этих структурах достаточно хорошо изучены.

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные: процессорные элементы, входящие в систему, идентичны, и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними. Векторный или матричный тип вычислений является необходимым атрибутом любой суперЭВМ.

Архитектура МКОД предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Однако в большинстве алгоритмов очень трудно выявить подобный, регулярный характер в вычислениях. Кроме того, на практике нельзя обеспечить и «большую длину» такого конвейера, при которой достигается наивысший эффект. Вместе с тем конвейерная схема нашла применение в так называемых скалярных процессорах суперЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.

Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают с различными программами и с индивидуальным набором данных. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра.

Построение вычислительной системы любого типа предполагает, что модули, объединяемые в систему, должны быть совместимы. Понятие совместимости включает три аспекта: аппаратурный, или технический, программный и информационный. Техническая (HardWare) совместимость предусматривает выполнение следующих условий:

• подключаемая друг к другу аппаратура должна иметь единые стандартные, унифицированные средства соединения: кабели, число проводов в них, единое назначение проводов, разъемы, заглушки, адаптеры, платы и т.д.;

• параметры электрических сигналов, которыми обмениваются технические устройства, должны соответствовать друг другу: амплитуды импульсов, полярность, длительность и т.д.;

• алгоритмы взаимодействия (последовательности сигналов по отдельным проводам) не должны вступать в противоречие друг с другом.

Последний пункт тесно связан с программной совместимостью. Программная совместимость (SoftWare) требует, чтобы программы, передаваемые из одного технического средства в другое (между ЭВМ, процессорами, между процессорами и внешними устройствами) были правильно поняты и выполнены другим устройством.

Если обменивающиеся устройства идентичны друг другу, то проблем обычно не возникает. Если взаимодействующие устройства относятся к одному и тому же семейству ЭВМ, но стыкуются разные модели, то совместимость обеспечивается «снизу-вверх», то есть ранее созданные программы должны выполняться и на новейших моделях, но не наоборот. Если же стыкуемая аппаратура имеет совершенно разную систему команд, то следует обмениваться исходными модулями программ с последующей их трансляцией.

Информационная совместимость предполагает, что передаваемые информационные массивы будут одинаково интерпретироваться стыкуемыми модулями ВС. Должны быть стандартизированы алфавиты, разрядность, форматы, структура и разметка файлов, томов и т.д.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы 1.6.3. Типовые структуры вычислительных систем Классификация уровней программного параллелизма включает в себя шесть позиций:

•независимые задания, •отдельные части заданий, программы и подпрограммы, •циклы и итерации, •операторы и команды, •фазы отдельных команд.

Для каждой из них имеются специфические свойства параллельной обработки, апробированные в различных структурах вычислительных систем. Заметим, что данный перечень совершенно не затрагивает этапы выбора алгоритмов решения, на которых могут анализироваться альтернативные алгоритмы (а значит и программы), дающие различные результаты.

Для каждого вида параллельных работ имеются структуры вычислительных средств, используемые в различных вычислительных системах. Верхние три уровня, включающие независимые задания, шаги или части заданий и отдельные программы, имеют единое средство параллельной обработки – мультипроцессирование, то есть многопроцессорные вычислительные системы, относящиеся к архитектуре МКМД. Программные циклы и итерации требуют использования векторной обработки (архитектура ОКМД). Операторы и команды, выполняемые ЭВМ, ориентированы на многофункциональную обработку (МКОД). Параллельная обработка фаз последовательно выполняемых команд приводит к организации конвейера команд, что реализовано во всех современных ЭВМ, включая ПК.

Рассмотрим возможные структуры вычислительных систем, которые обеспечивают перечисленные виды программного параллелизма.

ОКОД – структуры. Однопроцессорные структуры ВС Можно перечислить много улучшений классической структуры ЭВМ, ставших в настоящее время определенными стандартами при построении новых ЭВМ: иерархическое построение памяти ЭВМ, появление сверхоперативной памяти и кэш-памяти, относительная и косвенная адресация памяти, разделение процессов ввода-вывода и обработки задач, появление систем прерывания и приоритетов и т.д.

Этому также способствовали успехи последних лет в микроэлектронике и системотехнике. Большие интегральные схемы (БИС), к которым относятся все современные микропроцессоры, аккумулируют в своем составе самые последние достижения, способствующие увеличению быстродействия и производительности компьютера. Очень многие аппаратные идеи и схемы заимствованы из структур ранних поколений, включая большие ЭВМ и даже суперЭВМ. В аппаратуру серверов и ПК все больше внедряются решения, связанные с параллельными вычислениями, что делает их по существу вычислительными системами.

Например, раньше только суперЭВМ объединяли в своем составе суперскалярную и векторную (матричную) обработку. Теперь же эти свойства характерны практически для всех современных микропроцессоров различных производителей (Pentium IV фирмы Intel, Athlon – фирмы AMD, Alpha фирмы Dell, Ultra Spark – фирмы Sun, PA-RISC фирмы Hewlett Packard, Power PC фирмы IBM, MIPS фирмы SGI и др.).

Если компьютер способен одновременно выполнять несколько последовательных команд программы, то он называется суперскалярным.

Определение Суперскалярность обычно присуща RISC-процессорам (Reduced Instruction Set Computing, то есть процессорам с сокращенным набором команд.). Процессоры этого класса имеют значительно больший состав регистров общего назначения – регистров сверхоперативной памяти, что и определяет улучшенные возможности параллельной работы последовательности команд программы.

К RISC-архитектуре традиционно относят микропроцессоры фирм AMD и Dell.

Упрощенный состав операций микропроцессора обеспечивает более простое построение его ядра и соответственно повышенную скорость работы. В RISC-структурах основу системы команд составляют наиболее употребительные, «короткие» операции типа алгебраического сложения. Сложные операции выполняются как подпрограммы, состоящие из простых операций. Это позволяет значительно упростить внутреннюю структуру процессора, уменьшить фазы дробления конвейерной обработки и увеличить частоту работы конвейера. Но здесь необходимо отметить, что за эффект приходится расплачиваться усложнением процедур обмена данными между регистрами сверхоперативной памяти и кэш-памяти с оперативной памятью.

Микропроцессоры фирмы Intel изначально относились к CISC-процессорам (Complete Instruction Set Computing – вычисления с полной системой команд). В компьютерах этой группы большую долю команд составляют команды типа «память-память», в которых операнды и результаты операций находятся в оперативной памяти. Время обращения к памяти и время вычислений соотносится примерно 5:1. В RISC-машинах с большой сверхоперативной памятью большой удельный вес составляют операции «регистр-регистр», и отношение времени обращения к памяти к времени вычислений составляет 2 к 1 [25].

Эволюция микропроцессоров показывает, что постепенно оба направления начинают сближаться, что и в схемах Pentium’ов последних выпусков отчетливо формируется RISC-ядро и расширяется сверхоперативная память. Однако испытания самых мощных микропроцессоров фирм Intel и AMD показали, что ядро Athlon примерно в два раза быстрее, чем у Pentium, но более медленная (примерно вдвое) кэш-память.

Суперскалярность затрагивает и организацию конвейера последовательно выполняемых команд: формирование адреса команды, выбор команды, формирование адресов и выбор операндов, выполнение команды, запись результата. Однако примитивная организация памяти компьютеров (память линейна и одномерна) не позволяет организовывать длинные и эффективные конвейеры. Линейные участки современных программ редко превышают 10-15 последовательно выполняемых команд. Поэтому конвейер часто перезапускается, что сильно снижает производительность компьютера в целом.

Многофункциональная обработка также нашла свое место при построении компьютеров. Например, даже в ПК, построенных на микропроцессорах Athlon и Pentium, могут включаться специализированные средства обработки: умножители, делители, сопроцессоры или блоки десятичной арифметики, сопроцессоры обработки графической и аудио-информации и др. Все они совместно с центральным процессором компьютера создают своеобразные микроконвейеры, целью которых является повышение скорости вычислений.

Другой модификацией классической структуры ЭВМ являются VLIWкомпьютеры (Very Large Instruction Word – очень длинное командное слово). Компьютеры этого типа выбирают из памяти суперкоманды, включающие несколько команд программы. Здесь возможны варианты.

В самом простом случае это приводит к появлению буфера команд (кэш-команд) с целью ускорения конвейера операций. По этому принципу работает кэш-память 1-го уровня, часть которой используется для ускоренной выборки команд, а другая – для данных. В более сложных случаях в состав суперкоманд стараются включать параллельные Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы команды, несвязанные общими данными. Если процессор ЭВМ при этом построен из функционально независимых устройств (устройства алгебраического сложения, умножения, сопроцессоры), то в этом случае обеспечивается максимальный эффект работы ЭВМ. Но это направление связано с кардинальной перестройкой процессов трансляции и исполнения программ. Здесь значительно усложняются средства автоматизации программирования.

VLIW-компьютеры могут выполнять суперскалярную обработку, то есть одновременно выполнять две или более команды. В целом ряде структур суперЭВМ использовалась эта идея. Отметим, что и в Pentium последних выпусков имеется возможность выполнения до десятка команд одновременно. Эта реализация имеет две цели:

• уменьшение отрицательного влияния команд деления вычислительного процесса путем выполнения независимых команд двух различных ветвей программы. При этом в какой-то степени исключаются срывы конвейера в обработке команд программы;

• одновременное выполнение нескольких команд (независимых по данным и регистрам их хранения), например, команд пересылки и арифметических операций.

Векторная или матричная обработка предполагает обработку одной командой нескольких комплектов операндов. Внутри одной архитектуры начинают просматриваться черты другой. Подобные команды относятся к архитектуре SIMD (Single Instruction – Multiple Data, одиночный поток команд – множественный поток данных). Истоки этой технологии можно обнаружить в операциях работы со строковыми (символьными) данными. Векторные процессоры имелись у всех суперЭВМ. В современных компьютерах, построенных на микропроцессорах, этот вид обработки реализован своеобразно.

Он получил название MMX- и SSE-технологий. Их введение связано с ориентацией на работу с видео-, аудио- и графической информацией. В приложениях с этими типами данных очень велика доля циклов, участков программ, повторяемых многократно.

Занимая примерно 10% от объема всего приложения, на их выполнение может уйти до 90% общего времени выполнения [14]. Включение операций, относящихся к SIMD, позволяет значительно ускорить вычисления.

Технология MMX появилась в 1997 году в микропроцессорах Pentium II. В зависимости от контекста она расшифровывается как multi-media extensions (мультимедийные расширения) или как matrix math extensions (матричные математические расширения), что не особенно противоречит друг другу, если учесть, что операции этой группы работают с целыми числами.

MMX включает 57 различных команд, позволяющих выполнять следующие операции над несколькими операндами с изменяемыми форматами данных:

– арифметические операции типа сложения, вычитания, умножения и комбинация операций умножения и сложения;

– сравнение данных на равенство и по величине;

– преобразование форматов данных;

– логические операции над 64-битовыми операндами;

– пересылку данных между регистрами MMX, между регистрами MMX и регистрами CPU (центральным процессором), регистрами MMX и памятью;

– очистку и подготовку регистров MMX.

В качестве операндов этих новых операций можно использовать:

–упакованные байты (Packed byte) – 8 байтов;

–упакованные слова (Packed word) – четыре слова по 16 разрядов;

–упакованные двойные слова (Packed doubleword) – два двойных слова по 32 разряда;

–учетверенное слово (Quadword) – 64-битное слово.

Таким образом, одна команда MMX может одновременно обрабатывать 1, 2, 4 и операндов различной разрядности. Для выполнения новых операций фирма Intel решила использовать в своих микропроцессорах блок плавающей арифметики FPU (Floating Point Unit). Место размещения операндов – младшие 64 разряда регистров MMX0-MMX (80-разрядные регистры FPU). Совмещение регистров MMX и FPU создавало ограничения на чередование команд MMX и FPU. Иногда приходилось сохранять, а затем восстанавливать состояния регистров разных приложений. Кроме того, выигрыш от применения операций MMX уменьшался за счет необходимости предварительной упаковки и последующей распаковки данных.

При появлении следующих поколений микросхем Pentium (Pentium III – 1999 г. и т.д.) было проведено обновление технологии MMX. Предварительно оно получило название MMX-2, а затем SSE (Streaming SIMD eXtensions – потоковые расширения SIMD).

В новые модели микропроцессоров был введен новый блок из восьми 128-разрядных регистров XMM (eXtended Multi Media). Операции с плавающей точкой аппаратно были полностью отделены от мультимедийных данных. Количество операций SSE было расширено на 70 новых инструкций в дополнение к существующим MMX.

Новый комплекс операций позволял эффективнее работать с данными мультимедиа. Новый формат регистров обеспечивал расширение числа операндов, одновременно обрабатываемых одной командой, и лучше соответствовал 80-битным стандартам MPEG-2, ускоряя вычисления.

В микропроцессоре Pentium IV он получил очередное расширение, получившее название SSE-2. Изменения определялись в основном введением новых типов 128-битных операндов:

– упакованных пар вещественных чисел двойной точности;

– упакованных целых чисел: 16 байт, 8 слов, 4 двойных слова по 32 разряда, 2 учетверенных слова по 64 разряда.

Все регистры можно использовать как в векторных, так и в скалярных инструкциях. Часть инструкций предназначается для управления эффективной работой кэшпамять.

При появлении технологии MMX фирмы AMD и Cyrix (Via) лицензировали у Intel, переработали и стали использовать аналогичные решения в своих разработках.

Первая реализация в К6-2 микропроцессорах фирмы AMD получила название 3Dnow!.

Здесь была введена 21 инструкция для мультимедийных типов данных. В процессорах следующих поколений Athlon и Duron набор инструкций 3Dnow! претерпел изменение и был дополнен еще 5 операциями для обработки чисел с плавающей точкой и 19 операциями, аналогичными наборам SSE.

Увеличение в структурах процессоров числа регистров и объема быстродействующей кэш-памяти первого уровня позволяет осуществить параллельную обработку нескольких независимых друг от друга команд (Explitly Parallel Instruction Computing, EPIC).

Выпуск в конце 2002 г. нового процессора Pentium IV с тактовой частотой 3,06 ГГц, поддерживающего Hyper-Threading, то есть реализацию в одном физическом процессоре нескольких логических стал одним из впечатляющих достижений Intel. Это позволяет при задержках обработки одной программы (трейда – нити, подзадачи) переключаться на выполнение команд другой программы1. Для осуществления этого потребовалось увеличить число транзисторов ядра микропроцессора на 5 %, и получить выигрыш, соизмеримый с 30-процентным увеличением кэш-памяти. Новые микропроцессоры предполагается использовать не только в серверах, но и в настольных ПК.

Многопроцессорные структуры ВС ОКМД – структуры. Для реализации программного параллелизма, включающего циклы и итерации, используются матричные или векторные структуры. В них эффективно решаются задачи матричного исчисления, задачи решения систем алгебраических http://www.homepc.ru/offlini/2002/78/22520/ Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы и дифференциальных уравнений, задачи теории поля, геодезические задачи, задачи аэродинамики. Теоретические проработки подобных структур относятся к концу 50-60-м гг. Данные структуры очень хорошо зарекомендовали себя при решении перечисленных задач, но они получились очень дорогими по стоимости и эксплуатации. Кроме того, в тех случаях когда структура параллелизма отличалась от матричной, возникает необходимость передачи данных между процессорами через коммутаторы. При этом эффективность вычислений резко снижается. Подобные структуры могут использоваться как сопроцессоры в системах будущих поколений.

МКОД-структуры большой практической реализации не получили. Задачи, в которых несколько процессоров могли эффективно обрабатывать один поток данных, в науке и технике неизвестны. С некоторой натяжкой к этому классу можно отнести фрагменты многофункциональной обработки, например, обработку на разных процессорах команд с фиксированной и плавающей точкой.

Как фрагмент такой структуры, можно рассматривать локальную сеть персональных компьютеров, работающих с единой базой данных, но, скорее всего, это частный случай использования МКМД-структуры.

МКМД-структуры являются наиболее интересным классом структур вычислительных систем. После разочарований в структурах суперЭВМ, основанных на различном сочетании векторной и конвейерной обработки, усилия теоретиков и практиков сосредоточены на этом направлении.

Уже из названия МКМД-структур видно, что в данных системах можно найти все перечисленные виды параллелизма. Этот класс дает большое разнообразие структур, сильно отличающихся друг от друга своими характеристиками (рис. 9).

Важную роль здесь играют способы взаимодействия компьютеров или процессоров в системе. В сильно связанных системах достигается высокая оперативность взаимодействия процессоров посредством общей оперативной памяти. При этом пользователь имеет дело с многопроцессорной организацией. Наиболее простыми по строению и организации функционирования являются однородные, симметричные структуры.

Они обеспечивают простоту подключения процессоров и не требуют очень сложных централизованных операционных систем, размещаемых на одном из процессоров.

Рис. 9. Типовые структуры ВС в МКМД-классе Однако при построении таких систем возникает много проблем с использованием общей оперативной памяти. Число объединяемых процессоров не может быть велико, оно не превышает 16. Для уменьшения числа обращений к памяти и конфликтных ситуаций может использоваться многоблочное построение ОП, функциональное закрепление отдельных блоков за процессорами, снабжение комплексируемых процессоров собственной памятью типа кэш. Но все эти методы не решают проблемы повышения производительности ВС в целом. Аппаратурные затраты при этом существенно возрастают, а производительность систем увеличивается незначительно.

Появление мощных микропроцессоров типа Pentium привело к экспериментам по созданию многопроцессорных систем на их основе. Так, для включения мощных серверов в локальные сети персональных компьютеров была предложена несколько измененная структура использования ООП – SMP (Shared Memory multiProcessing – мультипроцессирование с разделением памяти). На общей шине оперативной памяти можно объединить несколько микропроцессоров.

Слабосвязанные МКМД-системы могут строиться как многомашинные комплексы или использовать в качестве средств передачи информации общее поле внешней памяти на дисковых накопителях большой емкости.

Невысокая оперативность взаимодействия заранее предопределяет ситуации, в которых число межпроцессорных конфликтов при обращении к общим данным и друг к другу было бы минимальным. Для этого необходимо, чтобы компьютеры комплекса обменивались друг с другом с небольшой частотой, обеспечивая автономность процессов (программы и данные к ним) и параллелизм их выполнения. Только в этом случае обеспечивается надлежащий эффект. Эти проблемы решаются в компьютерных сетях.

Успехи микроинтегральной технологии и появление БИС и СБИС позволяют расширить границы и этого направления. Можно построить системы с десятками, сотнями и даже тысячами процессорных элементов, размещая их в непосредственной близости. Если каждый процессор системы имеет собственную память, то он также будет сохранять известную автономию в вычислениях. Считается, что именно такие системы займут доминирующее положение в мире компьютеров ближайшие 10-15 лет. Подобные ВС получили название систем с массовым параллелизмом (Mass-Parallel Processing, MPP) Все процессорные элементы в таких системах должны быть связаны единой коммутационной средой. Нетрудно видеть, что здесь возникают проблемы, аналогичные ОКМД системам, но на новой технологической основе.

Передача данных в МРР – системах предполагает обмен не отдельными данными под централизованным управлением, а подготовленными процессами (программами вместе с данными). Этот принцип построения вычислений уже не соответствует принципам программного управления классической ЭВМ. Передача данных процесса по его готовности больше соответствует принципам построения «потоковых машин» (машин, управляемых потоками данных). Подобный подход позволяет строить системы с громадной производительностью и реализовывать проекты с любыми видами параллелизма, например, перейти к «систолическим вычислениям» с произвольным параллелизмом.

Однако, для этого необходимо решить целый ряд проблем, связанных с описанием и программированием коммутаций процессов и управления ими. Математическая база этой науки в настоящее время практически отсутствует.

1.6.4. Кластеры Вычислительные системы, как мощные средства обработки заданий пользователей, широко используются не только автономно, но и в сетях ЭВМ в качестве серверов.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы С увеличением размеров сетей и их развитием возрастают плотности информационных потоков, нагрузка на средства доступа к сетевым ресурсам и на средства обработки заданий. Круг задач, решаемый серверами, постоянно расширяется, становится многообразным и сложным. Чем выше ранг сети, тем более специализированными они становятся. Администраторы сетей должны постоянно наращивать их мощь и количество, оптимизируя характеристики сети под возрастающие запросы пользователей.

В сетях первых поколений серверы строились на основе больших и очень дорогих ЭВМ (mainframe), выпускаемых целым рядом компаний: Digital Equipment, Tandem, влившихся в корпорацию Compaq, IBM, Hewlett-Packard. Все они работали под управлением ОС Unix и способны были объединяться для совместной работы.

Как и во всякой развивающейся технологии, сложные универсальные серверы различных фирм-изготовителей должны были уступить место стандартным массовым решениям. Успехи микроэлектроники, повсеместное применение ПК, широкое распространение Internet/Intranet-технологий позволили перейти к более простым и дешевым системам, например, на основе платформы Wintel. Опыт создания серверов на основе SMP- и MPP-структур показал, что они не обеспечивают хорошей адаптации к конкретным условиям функционирования, остаются дорогими и сложными в эксплуатации.

Одним из перспективных направлений здесь является кластеризация, то есть технология, с помощью которой несколько серверов, сами являющиеся вычислительными системами, объединяются в единую систему более высокого ранга для повышения эффективности функционирования системы в целом.

Определение Целями построения кластеров служат:

– улучшение масштабируемости (способность к наращиванию мощности);

– повышение надежности и готовности системы в целом;

– увеличение суммарной производительности;

– эффективное перераспределение нагрузок между компьютерами кластера;

– эффективное управление и контроль работы системы и т.п.

Улучшение масштабируемости, или способность к наращиванию мощности предусматривает, что все элементы кластера имеют аппаратную, программную и информационную совместимость. В сочетании с простым и эффективным управлением изменение оборудования в идеальном кластере должно обеспечивать соответствующее изменение значений основных характеристик: добавление новых процессоров, дисковых систем должно сопровождаться пропорциональным ростом производительности, надежности и т.п. В реальных системах эта зависимость имеет нелинейный характер.

Масштабируемость SMP- и MPP-структур достаточно ограничена. При большом числе процессоров в SMP-структурах возрастает число конфликтов при обращении к общей памяти, а в MPP-структурах плохо решаются задачи преобразования и разбиения приложений на отдельные задания процессорам. В кластерах же администраторы сетей получают возможность увеличивать пропускную способность сети за счет включения в него дополнительных серверов, даже уже из числа работающих, с учетом того, что балансировка и оптимизация нагрузки будут выполняться автоматически.

Следующей важной целью создания кластера является повышение надежности и готовности системы в целом. Именно эти качества способствуют популярности и развитию кластерных структур. Избыточность, изначально заложенная в кластеры, способна их обеспечить. Основой этого служит возможность каждого сервера кластера работать автономно, но в любой момент он может переключиться на выполнение работ другого сервера в случае его отказа.

Коэффициент готовности систем рассчитывается по формуле:

где Tp – полезное время работы системы;

To – время отказа и восстановления системы, в течение которого она не могла выполнять свои функции.

Большинство современных серверов имеет 99-процентную готовность. Это означает, что около четырех дней в году они не работают. Подчеркнем, что готовность 99,9%, достигаемая обычно спаркой серверов – основного и резервного – означает годовой простой около 500 минут; 99,999% – пять минут, а 99,9999% – 30 секунд.

Появление критически важных приложений в областях бизнеса, финансов, телекоммуникаций, здравоохранения и др. требует обеспечения коэффициента готовности не менее, чем «заветные пять девяток» и даже выше.

Повышение суммарной производительности кластера, объединяющего несколько серверов, обычно не является самоцелью, а обеспечивается автоматически. Ведь каждый сервер кластера сам является достаточно мощной вычислительной системой, рассчитанной на выполнение им всех необходимых функций в части управления соответствующими сетевыми ресурсами. С развитием сетей все большее значение приобретают и распределенные вычисления. При этом многие компьютеры, в том числе и серверы, могут иметь не очень большую нагрузку. Свободные ресурсы домашних компьютеров, рабочих станций локальных вычислительных сетей, да и самих серверов можно использовать для выполнения каких-либо трудоемких вычислений. При этом стоимость создания подобных вычислительных кластеров очень мала, так как все их составные части работают в сети и только при необходимости образуют виртуальный (временный) вычислительный комплекс.

Совокупные вычислительные мощности кластеров могут быть сравнимы с мощностями суперЭВМ и даже превышать их при неизмеримо меньшей стоимости. Такие технологии применительно к отдельным классам задач хорошо отработаны. Например, существует задача анализа сигналов, принимаемых радиотелескопами, с целью поиска внеземных цивилизаций; имеется проект distributed.net, реализующий алгоритм дешифрования, и др. Круг подобных задач не очень широк, но число одновременно привлекаемых компьютеров для этих целей может быть громадным: десятки, сотни и даже тысячи.

Работа кластера под управлением единой операционной системы позволяет оперативно контролировать процесс вычислений и эффективно перераспределять нагрузки на компьютеры кластера.

Управление такими проектами требует создания специального клиентского и серверного программного обеспечения, работающего в фоновом режиме. Компьютеры при этом периодически получают задания от сервера, включаются в работу и возвращают результаты обработки. Последние версии браузеров еще более упрощают процесс взаимодействия, так как на клиентской машине можно активизировать выполнение различных программ-сценариев (скриптов).

Эффективное управление и контроль работы системы подразумевает возможность работы отдельно с каждым узлом, отключения вручную или программно его для модернизации или ремонта с последующим возвращением его в работающий кластер.

Эти операции скрыты от пользователей, которые просто не замечают их. Кластерное ПО, интегрированное в операционные системы серверов, позволяет работать с узлами как с единым пулом ресурсов (Single System Image – SSI), внося необходимые общие изменения с помощью одной операции для всех узлов.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Какие же средства имеются для построения кластеров?

Существуют различные методы и средства построения надежных систем с резервированием. Они рассматриваются как по отношению к средствам обработки, так по отношению к средствам хранения данных. Например, есть источники бесперебойного питания и резервные блоки питания, способные устранять влияние сбоев и отказов в электроснабжении. Имеются также дисковые массивы RAID, обеспечивающие непрерывную обработку запросов к информации, хранящейся на дисках, даже в случае выхода из строя одного или нескольких из них. Но более интересны средства обработки.

Кластеры объединяют несколько серверов под единым управлением. Все новые серверы, как правило, являются многопроцессорными и относятся к SMP-структурам, что обеспечивает возможность многоступенчатого переключения нагрузки отказавшего элемента как внутри кластера, так и внутри сервера. Существуют серверы с различным количеством процессоров (от двух до шестнадцати). Фирма Sun работает даже над созданием 64-процессорной SMP-модели сервера. IBM предполагает с появлением микропроцессора Itanium II выпустить SMP-систему, рассчитанную на 16 процессоров. Напротив, фирма Dell считает, что применение более восьми процессоров в SMP-структуре применять нецелесообразно из-за трудностей преодоления конфликтов при обращении их к общей оперативной памяти.

Большой интерес к построению кластеров проявляет фирма Microsoft. В связи широкой популярностью операционных систем Windows NT и старше, предназначенных для управления сетями крупных предприятий, появились различные варианты кластерного обеспечения. Предполагается, что оно будет поддерживать до 16 и более узлов в кластере.

Унификация инженерно-технических решений предполагает соответственно и стандартизацию аппаратных и программных процедур обмена данными между серверами. Для передачи управляющей информации в кластере используются специальные магистрали, имеющие более высокие скорости обмена данными. В качестве такого стандарта предлагается интеллектуальный ввод-вывод (Intelligent Input/Output, I2O). Спецификация I2O определяет унифицированный интерфейс, освобождая процессоры и их системные шины от обслуживания периферии.

Как и у любой новой технологии, у кластеризации имеются свои недостатки:

– задержки разработки и принятия общих стандартов;

– большая доля нестандартных и закрытых разработок различных фирм, затрудняющих их совместное использование;

– трудности управления одновременным доступом к файлам;

– сложности с управлением конфигурацией, настройкой, развертыванием, оповещениями серверов о сбоях и т.п.

1.7. Перспективы развития компьютеров Несомненно, что одним из главных факторов достижения высокого быстродействия, а значит и высокой производительности, ЭВМ является построение их на новейшей элементной базе. Смена поколений ЭВМ в значительной степени связана с переходами на новые поколения элементной базы, знаменующие достижения новых частотных диапазонов работы схем в рамках доступных технологий. Элементная база служит показателем технического уровня развития страны, общества, цивилизации. Успехи в создании новой элементной базы определяются передовыми научными и техническими достижениями целого ряда наук (физики, химии, оптики, механики, др.). Качество элементной базы является показателем технического прогресса.

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в циклическом послойном изготовлении частей электронных схем по циклу «программа – рисунок – схема». По программам на напыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев. На основе этого создается пространственная твердотельная структура. Например, первые типы СБИС типа Pentium включали в себя около 3,5 миллионов транзисторов, размещаемых в пятислойной структуре. Процессоры Intel Pentium IV имеют 55 млн. транзисторов, а Intel Itanium II – 221 млн. транзисторов. В новейших микросхемах количество слоев доходит до 20-25.

Новые литографии и сверхточные технологии. Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. До последнего времени доминирующей оставалась оптическая литография, когда послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносились световым лучом. В настоящее время ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами примерно 400-900 мм2 для процессоров (например, Pentium) и 200-400 мм2 для схем памяти. Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,18..0,13 мкм. Дальнейшие успехи микроэлектроники связываются с электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет выйти на размеры 0,10 мкм и менее. Основные производители микропроцессоров Intel и AMD уже планируют переход на топоразмер 0,065 мкм. Для сравнения можно привести такой пример.

Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на толщине 100 мкм могут вычерчиваться от нескольких сотен до тысяч линий.

Сверхчистые материалы и высоковакуумные технологии. Новые высокие технологии порождают целый ряд проблем. Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур. Действительно, достаточно мельчайшей пылинки при изготовлении микросхемы, как она попадает в брак.

Поэтому новые заводы по производству микросхем представляют собой уникальное оборудование, размещаемое в «сверхчистых помещениях», микросхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в замкнутых миниатмосферах. Миниатмосфера создается, например, сверхчистым азотом или другим инертным газом при давлении менее 10-4 мм ртутного столба.

Борьба с потребляемой и рассеиваемой мощностью. Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой Wn и рассеиваемой Wp мощностью. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза, их объемы изменяются в 8 раз. Пропорционально этим цифрам должны меняться и значения Wn и Wp, в противном случае схемы будут «перегреваться» и выходить из строя. По данным фирмы Intel, за последние 10 лет быстродействие выпускаемых ею процессоров выросло в 5-6 раз, а энергопотребление в 18 (!) раз (сравнивались характеристики процессоров i486 и Pentium IV). До настоящего времени основой построения всех микросхем была и остается КМОП-технология (комплементарные схемы, то есть совместно использующие n- и p-переходы, в транзисторах со структурой «металл – окисел – полупроводник»).

Известно, что W = UI. Напряжение питания современных микросхем снизилось до 2V. Появились схемы с напряжением питания менее двух вольт, что уже выходит за рамки принятых стандартов. Дальнейшее понижение напряжения нежелательно, так как в электронных схемах всегда должно быть обеспечено необходимое соотношение «сигнал-шум», гарантирующее устойчивую работу компьютера.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Протекание тока по микроскопическим проводникам сопряжено с выделением большого количества тепла. Поэтому, создавая сверхбольшие интегральные схемы, проектировщики вынуждены снижать тактовую частоту работы микросхем. Исследования показали, что использование максимальных частот работы возможно только в микросхемах малой и средней интеграции. Максимальная частота f max = 10 11 10 12 Гц доступна очень немногим материалам: кремнию (Si), арсениду галлия (GaAs) и некоторым другим.

Именно они чаще всего используются в качестве подложек в микросхемах.

Таким образом, переход к конструированию ЭВМ на СБИС и ультра-СБИС должен сопровождаться снижением тактовой частоты работы схемы. Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счет архитектурных решений, либо за счет новых принципов построения и работы микросхем. Так как микросхемы СБИС не могут работать с высокой тактовой частотой, то в компьютерах будущих поколений их целесообразно объединить в системы. При этом несколько СБИС должны работать параллельно, а слияние работ в системе должны обеспечивать сверхскоростные ИС (ССИС), которые не могут иметь высокой степени интеграции.

Перечисленные проблемы развития современной микроэлектронной базы указывают, что изготовление микросхем подходит к предельным характеристикам. Строительство каждого нового завода по производству микросхем обходится уже в миллиарды долларов. «Выход годных новых микросхем» измеряется единицами процентов даже у таких признанных лидеров, как Intel и AMD. Давление пределов заставляет производителей искать альтернативные пути развития, которых просматривается не очень много.

1.7.1. Альтернативные пути развития элементной базы С целью увеличения скорости работы микросхем большие исследования проводятся в области использования явления сверхпроводимости и туннельного эффекта – эффекта Джозефсона. Работа микросхем при температурах, близких к абсолютному нулю (0°K = -273,15°С) позволяет достигнуть f max, при этом Wp = Wn = 0. Здесь очень интересны результаты по использованию «теплой сверхпроводимости». Оказывается, что для некоторых материалов, в частности для солей бария, явление сверхпроводимости наступает уже при температурах около -150°С и выше. Высказывались соображения, что могут быть получены материалы, имеющие сверхпроводимость при температурах, близких к комнатной. Тематика исследовательских работ и их результаты в этом направлении повсеместно являются закрытыми. Однако с уверенностью можно сказать, что появление таких элементов знаменовало бы революцию в развитии средств вычислительной техники новых поколений.

Поскольку микроэлектроника подходит к пределам, то зондируются и качественно новые пути. Наиболее интенсивные исследования проводятся по следующим направлениям:

– создание молекулярных и биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

– разработка квантовых компьютеров;

– разработка оптических компьютеров.

Рассмотрим основные принципы их построения.

Молекулярные компьютеры. Во многих странах проводятся опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и реагировать на воздействия током, светом и т.п. Например, ученые фирмы Hewlett-Packard и Калифорнийского университета (UCLA) доказали принципиальную возПринципы построения компьютера можность создания молекулярной памяти на основе молекул роксана1. Продолжаются работы по созданию логических схем, узлов и блоков. По оценкам ученых, подобный компьютер будет в 100 млрд. раз экономичнее современных микропроцессорных устройств. Основная проблема заключается в обеспечении устойчивости сложных структур.

Биокомпьютеры и нейрокомпьютеры. Идея создания подобных устройств базируется на основе теории перцептрона – искусственной нейронной сети, способной обучаться. Инициатором этих идей был Ф. Розенблат. Он указал, что структуры, обладающие свойствами мозга и нервной системы, позволяют получить целый ряд преимуществ:

• параллельность обработки информационных потоков;

• способность к обучению и настройке;

• способность к автоматической классификации;

• более высокую надежность;

• ассоциативность обработки.

Компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, могут искать нужные решения посредством самопрограммирования, на основе соответствия множеств входных и выходных данных. В настоящее время уже созданы и используются программные нейропакеты, которые доказывают принципиальную возможность построения подобных машин на СБИС. Принцип построения и работы перцептрона описан в [45].

Квантовые компьютеры. Принцип работы элементов квантового компьютера основан на способности электрона в атоме иметь различные уровни энергии Е0, Е1,…Еn.

Переход электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий связан с поглощением кванта электромагнитной энергии – фотона. При излучении фотона осуществляется обратный переход. Всеми подобными переходами можно управлять, используя действие электромагнитного поля от атомного или молекулярного генератора. Этим исключаются спонтанные переходы электронов с одного уровня на другой.

Основным строительным блоком квантового компьютера служит qubit (Quantum Bit), который может иметь большое число состояний. Для таких блоков уже определен логически полный набор элементарных функций. Известны эксперименты по созданию RISC-процессора на RSFQ-логике (Rapid Single Flux Quantum) и проекты создания петафлопных (1000 триллионов операций в секунду) компьютеров2. Фирма Intel объявила о начале разработок квантового компьютера.

Оптические компьютеры. Идея построения оптического компьютера давно волнует исследователей. Многие устройства компьютеров уже используют оптику в своем составе:

сканеры, дисплеи, лазерные принтеры, оптические диски CD-ROM и DVD-ROM. Появились и успешно работают оптоволоконные линии связи. Остается разработать устройство обработки информации с использованием световых потоков. Способность света параллельно распространяться в пространстве дает возможность создавать параллельные устройства обработки. Это позволит на много порядков ускорить быстродействие компьютеров.

Пока отсутствуют проекты создания чисто оптических процессоров, но уже проводятся эксперименты по проектированию оптоэлектронных и оптонейронных отдельных устройств.

Чем же сейчас знаменуется состояние элементной базы?

На рубеже 2002-2003 гг. произошли достаточно важные события. Процессор Pentium преодолел частотный рубеж в 3,06 ГГц и наконец-то появился коммерческий 64разрядный микропроцессор Intel Itanium II, ранее известный под кодовым названием McKinley. Новая модель выполнена на базе 0,18-микронной (стареющей) технологии. Но http://www.zdnet.ru/printreviews.asp?ID=89.

http://www.submarine.ru /print.cfm?Id=42; http://www.osp.ru/cw/2001/33/033_1.htm.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы уже запланирован выпуск следующих моделей процессоров под кодовыми названиями Madison и Deerfield (2003 год, 0,13-микронная технология), а также Montecito (2004 год, 0,09-микронная технология).

Самый «крупный» Intel-процессор Itanium II предназначается для комплектования серверов, имеет не очень высокую частоту 1,2 ГГц, ориентирован на обработку крупных массивов данных и выполнение транзакций, требовательных к вычислительным ресурсам, что свойственно большинству современных приложений, применяемых в деловой и научно-исследовательской сферах. Процессор использует 400-мегагерцевую, 128разрядную системную шину с пропускной способностью 6,4Гбайт/с. Имеются кэш уровня L1 объемом 32 Кбайта; кэш уровня L2 объемом 256 Кбайт; кэш уровня L3 объемом Мбайта. Конвейер обработки команд имеет длину 8 стадий (у Pentium IV количество стадий равно 20) и состоит из 11 каналов, что позволяет параллельно выполнять несколько программ или нитей – threads одной программы. В процессоре имеется несколько исполнительных блоков и 328 регистров сверхоперативной памяти (128 основных, 128 для операций с плавающей точкой, 64 предикативных регистра и 8 регистров ветвления). Все это позволяет процессору выполнять до 6 команд за один системный такт. На базе данных микросхем можно создавать системы, включающие до 32 процессоров в симметричной многопроцессорной (SMP) конфигурации и до 512 процессоров при построении кластерных систем.

1 Содержание понятия архитектура компьютера:

а) определенная организация технических средств компьютера;

б) определенная организация программных средств компьютера;

в) иерархическое многоуровневое построение аппаратно-программных средств компьютера с возможностями многовариантной реализации каждого уровня.

2. Составные части компьютера:

а) комплекс технических средств компьютера;

б) совокупность аппаратно-программных средств компьютера и их связей;

в) набор технических средств и программ, управляющих ими.

3. По каким техническим характеристикам осуществляется оценка и выбор компьютера?

а) по стоимости;

б) по времени решения задач (быстродействию);

в) по комплексу характеристик, включающих отношение стоимости к времени решения задач, надежность, удобства в работе и т.п.

4. Основные тенденции развития компьютеров:

а) совершенствование структуры компьютера и отдельных его устройств;

б) улучшение всего спектра эксплутационно-технических характеристик компьютера (быстродействие, качество программных средств, надежность, снижение стоимости и др.).

в) повышение скорости работы отдельных устройств компьютера.

5. Основной принцип построения компьютера:

а) принцип модульности технических и программных средств;

б) принцип программного управления;

в) принцип иерархии построения и управления.

6. Какова роль сетевых компьютеров?

а) специализированное устройство для подключения пользователя к компьютерной сети;

б) устройство обработки данных в сетях;

в) устройство быстрого доступа к сетевым ресурсам.

7. Вычислительные системы отличаются от компьютера а) наличием параллельных вычислений;

б) усложнением состава аппаратных и программных средств;

в) использованием более сложных операционных систем и сложных режимов работы.

8. Общий ресурс и источник конфликтов многопроцессорных вычислительных систем образует а) совокупную мощность процессоров;

б) общую оперативную память;

в) объединение периферийных устройств.

9. Лучшая оперативность взаимодействия вычислителей (компьютеров или процессоров) достигается в системах:

а) многопроцессорных;

б) многомашинных;

в) смешанных.

10. Надежность и повышенная готовность кластера обеспечиваются:

а) избыточностью компьютеров, объединяемых в кластер, и возможностью перераспределения нагрузок в сети;

б) гибкой системой связей в кластере;

в) специфическим программным обеспечением, управляющим кластером.

Тренировочные задания к разделу 1. Представьте десятичное число А10=360. а) в двоичной, восьмеричной и шестнадцатеричной системах счисления;

2. Закодировать кодом ASCII:

а) номер своей учебной группы;

б) свои фамилию, имя, отчество и номер домашнего телефона Результаты кодирования запишите шестнадцатеричными цифрами и проверьте средствами пакета Norton Commander или Windows Commander.

3. Рассчитать годовое время простоя сервера, если его коэффициент готовности составляет:

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы ТЕМА 2.

Функциональная и структурная организация эвм Все устройства ЭВМ делятся на центральные и периферийные. Центральные устройства – полностью электронные, периферийные устройства могут быть либо электронными, либо электромеханическими с электронным управлением.

В состав центральных устройств ЭВМ входят центральный процессор, основная память и ряд дополнительных узлов, выполняющих служебные функции.

В центральных устройствах основным узлом, связывающим микропроцессорный комплект в единое целое, является системная магистраль. Она состоит из трех типов шин:

шины данных (ШД), шина адреса (ША), шины управления (ШУ). В сотав системной магистрали входят регистры защелки, в которых запоминается передаваемая информация, шинные формирователи, шинные арбитры, определяющие очередность доступа к системной магистрали, и др.

Логика работы системной магистрали, количество разрядов (линий) в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций, возникающих при одновременном обращении различных устройств ЭВМ к системной магистрали, образуют интерфейс системной шины.

Определение Периферийные устройства делятся на два вида: внешние ЗУ (НМД, НГМД, НМЛ) и устройства ввода-вывода (УВВ): клавиатура, дисплей, принтер, мышь, адаптер каналов связи и др.

2.1. Организация функционирования ЭВМ с магистральной архитектурой Управляющая работой ЭВМ программа перед началом выполнения загружается операционной системой в основную память. Адрес первой выполняемой команды передается микропроцессору (МП) и запоминается в счетчике команд.

Начало работы процессора заключается в том, что адрес из счетчика команд (в котором всегда хранится адрес очередной команды) выставляется на шину адреса системной магистрали. Одновременно на шину управления выдается команда выборка из основной памяти (ОП), которая воспринимается основной памятью. Получив с шины управления системной магистрали команду, основная память считывает адрес с шины адреса, находит ячейку с этим номером и ее содержимое выставляет на шину данных, а на шину управления выставляет сигнал о выполнении команды. Процессор, получив по шине управления сигнал об окончании работы ОП, вводит число с шины данных на внутреннюю магистраль МП, и через нее пересылает введенную информацию в регистр команд.

В регистре команд полученная команда разделяется на кодовую и адресную части.

Код команды поступает в блок управления для выработки сигналов, настраивающих МП на выполнение заданной операции и для определения адреса следующей команды (который сразу заносится в счетчик команд). Адресная часть команды выставляется на шину адреса системной магистрали (СМ) и сопровождается сигналом «выборка из ОП» на шине управления. Выбранная из ОП информация через шину данных поступает на внутреннюю магистраль МП, с которой вводится в арифметико-логическое устройство (АЛУ). На этом заканчивается подготовка МП к выполнению операции и начинается ее выполнение в АЛУ.

Результат выполнения операции выставляется микропроцессором на шину данных, на шину адреса выставляется адрес ОП, по которому этот результат необходимо записать, а на шину управления выставляется команда запись в ОП. Получив с шины управления команду, ОП считывает адрес и данные с системной магистрали, организует запись данных по указанному адресу и после выполнения команды выставляет на шину управления сигнал, обозначающий, что число записано. Процессор, получив этот сигнал, начинает выборку очередной команды: выставляет адрес из счетчика команд на шину адреса, формирует команду выборка из ОП на шине управления и т.д.

В каждом цикле, получив команду в регистр команд и выделив код операции, процессор определяет, к какому устройству она относится. Если команда должна выполняться процессором, организуется ее выполнение по описанному циклу. Если же команда предназначена для выполнения в другом устройстве ЭВМ, центральный процессор (ЦП) передает ее соответствующему устройству. Процесс передачи команды другому устройству предусматривает следующие действия: ЦП выставляет на шину адреса СМ адрес интересующего его устройства. По шинам управления передается сигнал «поиск устройства». Все устройства, подключенные к системной магистрали, получив этот сигнал, читают номер устройства с шины адреса и сравнивают его со своим номером. Устройства, для которых эти номера не совпадают, на эту команду не реагируют. Устройство с совпавшим номером, вырабатывает сигнал отклика по шине управления. ЦП, получив сигнал отклика, в простейшем случае выставляет имеющуюся у него команду на шину данных и сопровождает ее по шине управления сигналом «передаю команду». Получив сигнал о приеме команды, ЦП переходит к выполнению очередной своей команды, выставляя на шину адреса содержимое счетчика команд.

В более сложных случаях, получив сигнал, что устройство откликнулось, прежде чем передавать команду, ЦП запрашивает устройство о его состоянии. Текущее состояние устройства закодировано в байте состояния, который откликнувшееся устройство передает процессору через ШД системной магистрали. Если устройство включено и готово к работе, то байт состояния – нулевой. Наличие в нем единиц свидетельствует о нештатной ситуации, которую ЦП пытается проанализировать и в необходимых случаях извещает оператора о сложившейся ситуации.

Взаимодействие МП с внешними устройствами предусматривает выполнение логической последовательности действий, связанных с поиском устройства, определением его технического состояния, обменом командами и информацией. Эта логическая последовательность действий вместе с устройствами, реализующими ее, получила название интерфейс ввода-вывода.

Определение Для различных устройств могут использоваться разные логические последовательности действий, поэтому интерфейсов ввода-вывода может в одной и той же ЭВМ использоваться несколько. Если их удается свести к одному, универсальному, то такой интерфейс называется стандартным. В IBM PC есть три стандартных интерфейса для свяВычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы зи ЦП с внешними устройствами: параллельный (типа Centronics) и два последовательных (типа RS-232 и USB).

Интерфейсы постоянно совершенствуются, поэтому с появлением новых ЭВМ, новых внешних устройств и даже нового программного обеспечения появляются и новые интерфейсы. Так, в программном обеспечении, разработанном ведущими фирмами (в том числе фирмой Microsoft) все шире используется новый интерфейс «Plug and Play»

(Включи – и играй), который предназначен для облегчения системной настройки ЭВМ при подключении новых устройств к машине. Этот интерфейс позволяет подключить с помощью кабеля новое устройство, а после включения ЭВМ ее программное обеспечение автоматически определяет состав подключенных устройств, их типы и настраивает машину на работу с ними без вмешательства системного оператора.

Если при обращении ЦП к внешнему устройству продолжение выполнения основной программы ЦП возможно только после завершения операции ввода-вывода, то ЦП, запустив внешнее устройство, переходит в состояние ожидания и находится в нем до тех пор, пока внешнее устройство не сообщит ему об окончании обмена данными. Это приводит к простою большинства устройств ЭВМ, так как в каждый момент времени может работать только одно из них. Такой режим работы получил название однопрограммного: в каждый момент времени все устройства находятся в состоянии ожидания, и только одно устройство выполняет основную (и единственную) программу.

Для ликвидации таких простоев и повышения эффективности работы оборудования внешние устройства сделаны автономными: получив от ЦП необходимую информацию, они самостоятельно организуют свою работу по обмену данными. Процессор же, запустив внешнее устройство, пытается продолжить выполнение программы.

При необходимости (если встретятся соответствующие команды) он может запустить в работу несколько других устройств (так как внешние устройства работают значительно медленнее процессора). Если же ему приходится переходить в режим ожидания, то, пользуясь тем, что в ОП может одновременно находиться не одна, а несколько программ, ЦП переходит к выполнению очередной программы. При этом создается ситуация, когда в один и тот же момент времени различные устройства ЭВМ выполняют либо разные программы, либо разные части одной и той же программы, такой режим работы ЭВМ называется многопрограммным.

2.2. Организация работы ЭВМ при выполнении задания пользователя Организация процессов ввода, преобразования и отображения результатов в ЭВМ относится к сфере системного программного обеспечения. Это сложные процессы, которые чаще всего делаются «прозрачными», т.е. незаметными для пользователя. Один из них – реализация задания пользователя: профессиональный пользователь (программист) пишет задание для ЭВМ в виде программы на алгоритмическом языке. Написанное задание (программа) представляет собой исходный модуль, сопровождаемый управляющими предложениями, указывающими операционной системе ЭВМ, на каком языке написана программа и что с ней надо делать. Если программа пишется на алгоритмическом языке, то управляющие предложения – на языке управления операционной системой (в Windows всех версий это скрипты, оформляемые в виде командных файлов).

Исходный модуль перед исполнением должен быть переведен на внутренний язык машины. Эта операция выполняется специальной программой – транслятором (рис. 10): интерпретатором или кампилятором Рис. 10. Обработка заданий операционной системой татор Результат работы компилятора может быть записан в библиотеку объектных модулей (БОМ) или передан другим программам для дальнейшей обработки, поскольку полученная машинная программа не готова к исполнению по двум причинам. Вопервых, она содержит неразрешенные внешние ссылки (т.е. обращение к программам, которые не содержатся в исходном модуле, но необходимы для работы основной программы, например, к стандартным программам алгоритмического языка, таким как извлечение квадратного корня, вычисление тригонометрических функций и т.д.). Во-вторых, объектный модуль представляет собой машинную программу в условных адресах: каждый объектный модуль начинается с адреса 0h, тогда как для исполнения программа должна быть «привязана» к конкретным физическим адресам основной памяти.

Недостающие программы должны быть взяты из библиотек компилятора (которые могут быть написаны в виде исходных или объектных модулей) и добавлены к основной программе. Эту операцию выполняет редактор связей. В результате работы редактора связей образуется загрузочный модуль (ЗМ), который помещается в соответствующую библиоВычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы теку программ (БЗМ). В загрузочном модуле все ссылки разрешены, т.е. он содержит все необходимые стандартные программы, но привязки к памяти у загрузочного модуля нет.

Привязка к памяти загрузочного модуля производится программой выборки, которая переносит загрузочный модуль из библиотеки загрузочных модулей (обычно хранящейся на магнитном носителе) в основную память, и во время этого переноса корректирует адреса, учитывая, с какого адреса основной памяти размещается загрузочный модуль. После перемещения загрузочного модуля в основную память программа выборки инициирует ее выполнение.

Представление машинной программы в виде исходных, объектных и загрузочных модулей позволяет реализовать наиболее эффективные программные комплексы. Например, если по одной и той же программе необходимо много раз производить расчеты, то неэффективно тратить каждый раз время на трансляцию и редактирование программы: ее нужно оформить в виде загрузочного модуля и хранить в соответствующей библиотеке. При обращении к такой программе сразу будет вызываться программа выборки для загрузки соответствующего модуля (а этапы компиляции и редактирования связей будут опускаться) – время на выполнение программы существенно сократится.

Если же программа только отлаживается или после каждого просчета ее нужно будет модернизировать, то получение загрузочного модуля и обращение к программе выборки будут лишними операциями. Для их обхода вместо редактора связей может быть применен загрузчик – программа, сочетающая в себе функции редактирования связей и загрузки полученной машинной программы в основную память для исполнения. Но при использовании загрузчика многократные просчеты по программе проводить невыгодно, так как каждый раз приходится выполнять лишние операции редактирования связей.

2.3. Центральные устройства ЭВМ 2.3.1. Состав, устройство и принцип действия основной памяти Комплекс технических средств, реализующих функцию памяти, называется запоминающим устройством (ЗУ). ЗУ необходимы для размещения в них команд и данных.

Они обеспечивают центральному процессору доступ к программам и информации.

Запоминающие устройства делятся на основную, или оперативную, память (ОП), сверхоперативную память (СОЗУ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Основная память включает в себя два типа устройств: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, или RAM – Random Access Memory) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, или ROM – Read Only Memory).

ОЗУ предназначено для хранения переменной информации. Оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными и может работать в режимах записи, чтения, хранения.

ПЗУ содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислительных операций, например, стандартные программы и константы. Эта информация заносится в ПЗУ перед установкой микросхемы в ЭВМ. Основными операциями, которые может выполнять ПЗУ, являются чтение и хранение.

Функциональные возможности у ОЗУ шире, чем у ПЗУ. Но ПЗУ сохраняет информацию при отключении питания (т.е. является энергонезависимой памятью).

В современных ЭВМ микросхемы памяти (ОП и СОЗУ) изготавливают из кремния по полупроводниковой технологии с высокой степенью интеграции элементов на кристалле (микросхемы памяти относятся к так называемым «регулярным» схемам, что позволяет сделать установку элементов памяти в кристалле (чипе) настолько плотной, что размеры элементов памяти становятся сопоставимыми с размерами отдельных молекул).

Основной составной частью микросхемы является массив элементов памяти (ЭП), объединенных в матрицу накопителя.

Каждый элемент памяти может хранить 1 бит информации и имеет свой адрес.

ЗУ, позволяющие обращаться по адресу к любому ЭП в произвольном порядке, называются запоминающими устройствами с произвольным доступом.

При матричной организации памяти реализуется координатный принцип адресации ЭП, в связи с чем адрес делится на две части (две координаты) – X и Y. На пересечении этих координат находится элемент памяти, чья информация должна быть прочитана или изменена.

ОЗУ связано с остальным микропроцессорным комплектом ЭВМ (рис. 11) через системную магистраль (СМ).

Рис. 11. Структурная схема ОЗУ Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы По шине управления передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить.

По шине данных передается информация, записываемая в память или считываемая из нее.

По шине адреса передается адрес участвующих в обмене элементов памяти (поскольку данные передаются машинными словами, а один ЭП может воспринять только один бит информации, блок элементов памяти состоит из n матриц ЭП, где n – количество разрядов в машинном слове). Максимальная емкость памяти определяется количеством линий в шине адреса системной магистрали: если количество линий обозначить m, то емкость памяти (т.е. количество ЭП, имеющих уникальные адреса) определяется как 2m. Так, в IBM PC XT шина адреса СМ содержала 20 линий. Поэтому максимальный объем ОП в этих машинах равен 220 = 1 Мбайт. В IBM PC AT (с микропроцессором i80286) СМ содержала 24 линии, поэтому объем ОП был увеличен до 16 Мбайт. Начиная с МП i80386, шина данных содержит 32 линии. Максимальный объем ОП увеличился до 232 = 4 Гб.

Микросхемы памяти могут строиться на статических (SRAM) и динамических (DRAM) ЭП. В качестве статического ЭП чаще всего выступает статический триггер.

В качестве динамического ЭП может использоваться электрический конденсатор, сформированный внутри кремниевого кристалла.

Статические ЭП способны сохранять свое состояние (0 или 1) неограниченное время (при включенном питании). Динамические ЭП с течением времени теряют записанную в них информацию (например, из-за саморазряда конденсатора), поэтому они нуждаются в периодическом ее восстановлении – в регенерации.

Микросхемы элементов памяти динамических ОЗУ отличаются от аналогичных ЭП статических ОЗУ меньшим числом компонентов в одном элементе памяти, в связи с чем – имеют меньшие размеры и могут быть более плотно упакованы в кристалле. Однако из-за необходимости регенерации информации динамические ОЗУ имеют более сложные схемы управления.

Основными характеристиками ОЗУ являются объем и быстродействие.

В современных ПЭВМ ОЗУ имеет модульную структуру. Увеличение объема ОЗУ обычно связано с установкой дополнительных модулей на 16, 32, 64, 128, 256, 512 Мбайт и 1 Гбайт. Время доступа к модулям DRAM составляет 60-70 нс.

Микросхемы ПЗУ также построены по принципу матричной структуры накопителя. Функции ЭП в них выполняют перемычки в виде проводников, полупроводниковых диодов или транзисторов. В такой матрице наличие перемычки может означать «1», а ее отсутствие – «0». Занесение информации в микросхему ПЗУ называется ее программированием, а устройство, с помощью которого заносится информация, – программатором. Программирование ПЗУ заключается в устранении (прожигании) перемычек по тем адресам, где должен храниться «0». Обычно схемы ПЗУ допускают только одно программирование, но специальные микросхемы – репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) – допускают их многократное стирание и занесение новой информации.

Этот вид микросхем относится к энергонезависимым, т.е. может длительное время сохранять информацию при выключенном питании (стирание микросхемы происходит либо за счет подачи специального стирающего напряжения, либо за счет воздействия на кристалл ультрафиолетового излучения, для этого в корпусе микросхемы оставляется прозрачное окно).

Сверхоперативные ЗУ используются для хранения небольших объемов информации и имеют значительно меньшее (в 2-10 раз) время считывания/записи, чем основная память. СОЗУ обычно строятся на регистрах и регистровых структурах.

Регистр представляет собой электронное устройство, способное при включенном питании хранить занесенное в него число неограниченное время. Наибольшее распространение получили регистры на статических триггерах.

По назначению регистры делятся на регистры хранения и регистры сдвига. Информация в регистры может заноситься и считываться либо параллельно, сразу всеми разрядами, либо последовательно, через один из крайних разрядов с последующим сдвигом занесенной информации.

Сдвиг записанной в регистр информации может производиться вправо или влево.

Если регистр допускает сдвиг информации в любом направлении, он называется реверсивным.

Регистры могут быть объединены в единую структуру. Возможности такой структуры определяются способом доступа и адресации регистров. Если к любому регистру можно обратиться для записи/чтения по его адресу, такая регистровая структура образует СОЗУ с произвольным доступом.

Безадресные регистровые структуры могут образовывать два вида устройств памяти: магазинного типа и память с выборкой по содержанию (ассоциативные ЗУ).

Память магазинного типа образуется из последовательно соединенных регистров (рис. 12).

Если запись в регистровую структуру (рис. 12а) производится через один регистр, а считывание – через другой, то такая память является аналогом линии задержки и работает по принципу «первым вошел – первым вышел» (FIFO – first input, first output).

Если же запись и чтение осуществляются через один и тот же регистр (рис. 12б), такое устройство называется стековой памятью, работающей по принципу «первым вошел – последним вышел» (FILO – first input, last output).

Рис. 12. Регистровая структура магазинного типа При записи числа в стековую память сначала содержимое стека сдвигается в сторону последнего, К-го регистра (если стек был полностью заполнен, то число из К-го регистра теряется), а затем число заносится в вершину стека – регистр 1. Чтение осуществВычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы ляется тоже через вершину стека, после того, как число из вершины прочитано, стек сдвигается в сторону регистра 1.

Стековая память получила широкое распространение. Для ее реализации в ЭВМ разработаны специальные микросхемы. Но часто работа стековой памяти эмулируется в основной памяти ЭВМ: с помощью программ операционной системы выделяется часть памяти под стек (в IBM PC для этой цели выделяется 64 Кбайта). Специальный регистр микропроцессора (указатель стека) постоянно хранит адрес ячейки ОП, выполняющей функции вершины стека. Чтение числа всегда производится из вершины стека, после чего указатель стека изменяется и указывает на очередную ячейку стековой памяти (т.е.

фактически стек остается неподвижным, а перемещается вершина стека). При записи числа в стек сначала номер ячейки в указателе стека модифицируется так, чтобы он указывал на очередную свободную ячейку, после чего производится запись числа по этому адресу. Такая работа указателя стека позволяет реализовать принцип «первым вошел – последним вышел».

В стек может быть загружен в определенной последовательности ряд данных, которые впоследствии считываются из стека уже в обратном порядке, на этом свойстве построена система арифметических преобразований информации, известная под названием «логики Лукашевича».

Память с выборкой по содержанию является безадресной. Обращение к ней осуществляется по специальной маске, которая содержит поисковый образ. Информация считывается из памяти, если часть ее соответствует поисковому образу, зафиксированному в маске. Например, если в такую память записана информация о людях, содержащая данные о месте жительства (включая город), и необходимо найти сведения о жителях определенного города, то название этого города помещается в маску и дается команда чтение – из памяти выбираются все записи, – относящиеся к заданному городу.

В микропроцессорах ассоциативные ЗУ используются в составе кэш-памяти для хранения адресной части команд и операндов исполняемой программы. При этом нет необходимости обращаться к ОП за следующей командой или требуемым операндом, достаточно поместить в маску необходимый адрес: если искомая информация имеется в СОЗУ, то она будет сразу выдана. Обращение к ОП будет необходимо лишь при отсутствии требуемой информации в СОЗУ. За счет такого использования СОЗУ сокращается число обращений к ОП, а это позволяет экономить время.

Кэш-память может быть размещена в кристалле процессора или выполнена в виде отдельной микросхемы или модуля, содержащего несколько микросхем (внешняя кэшпамять).

Встроенная кэш-память (I уровня) в процессорах Pentium имеет объем 16-32 Кбайт.

Внешняя кэш-память (II уровня) имеет объем 256 Кбайт-1 Мбайт и работает с 64-битными словами.

2.3.2. Центральный процессор ЭВМ Основу центрального процессора ПЭВМ составляет микропроцессор (МП) – обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к ОП и ВНУ и для управления ходом вычислительного процесса.

Определение В настоящее время существует большое число разновидностей микропроцессоров, различающихся назначением, функциональными возможностями, структурой, исполнением. Наиболее существенными классификационными различиями между ними чаще всего выступают:

– назначение (микропроцессоры для серверов и мощных приложений; МП для персональных компьютеров и т.д.);

– количество разрядов в обрабатываемой информационной единице (8-битные, 16битные, 32-битные, 64-битные и др.);

– технология изготовления (0.5 мкм – технология; 0.35 мкм; 0.25 мкм; 0.18 мкм; 0. мкм; 0.07 мкм и т.д.).

Среди МП для серверов и мощных приложений прочное место завоевали RISCпроцессоры (Reduce Instruction Set Computing) с сокращенной системой команд. Система команд таких МП содержит ограниченное число (порядка 50) очень простых команд. За счет этого упрощаются схемы управления микропроцессором и сокращаются его размеры. На кристалле МП (чипе) освобождается место, которое используется для размещения кеш-памяти большого объема. Наличие такой памяти внутри чипа позволяет сократить количество обращений к основной памяти, а это приводит к повышению быстродействия ЭВМ в 2-10 раз, так как обращение к кеш-памяти, расположенной внутри чипа, требует меньших затрат времени. Для повышения производительности RISC-процессоры обычно работают с машинными словами очень большой длины (не менее 64 бит).

К числу RISC-процессоров относятся микропроцессоры «SPARC» и «UltraSPARC»

фирмы Sun Microsystems, «Alpha» фирмы Compaq, «MIPS» фирмы Silicon Graphics. Консорциум фирм IBM-Motorola-Apple разрабатывает и выпускает МП «Power PC», или сокращенно «PPC». Фирма Intel (INTegrated ELectronics) совместно с Hewlett Packard разрабатывает RISC-процессор «P7» с тактовой частотой более 900 МГц, обеспечивающий совместимость с 32-битными МП. Прогнозируется, что два из этих микропроцессоров (PPC и P7) в модифицированном виде будут использоваться до 2025 года.

Микропроцессоры для персональных компьютеров обычно относятся к CISCпроцессорам (Complete Instruction Set Computing) с полной системой команд, насчитывающей до 250 единиц. К их числу относятся 8-битные микропроцессоры i8080, i (с буквы i начинаются названия МП, выпускаемых фирмой Intel), Z80 (с буквы Z начинаются названия МП фирмы Zilog) и др. 16-битные микропроцессоры i8086, i8088; 32битные – i80386, i80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium IV, которые совместимы по командам и форматам данных снизу вверх. Эти микропроцессоры используются в различных модификациях IBM PC.

Два из этих микропроцессоров – i8086 и i8088 являются родоначальниками серии микропроцессоров, получивших сокращенное наименование «x86» (все последующие типы МП основываются на них и лишь развивают их архитектуру). По назначению и функциональным возможностям эти два микропроцессора одинаковы. Различаются они только разрядностью шины данных системной магистрали: МП i8086 имеет 16-битную шину данных, а i8088 – 8-битную. В связи с этим выборка команд и операндов из основной памяти производится за разное число машинных циклов. С точки зрения функциональных возможностей существенного значения эти различия не имеют, поэтому и упоминают о них, как правило, вместе: 8086/8088.

МП 8086/8088 имеет базовую систему команд. В следующей модификации МП фирмы Intel – 80186 реализована расширенная система команд. Расширение системы команд продолжается во всех новых моделях, но кроме этого в каждой новой модели вводятся дополнительные архитектурные решения: в 80286 введен встроенный блок управления ОП, работающей в виртуальном режиме (что позволило увеличить предельно Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы допустимый объем виртуальной памяти до 4 Гбайт при 16 Мбайтах физической) и блоки, позволяющие реализовать мультизадачность: блок защиты ОП и блок проверки уровня привилегий, присваиваемых каждой задаче. Кроме того, во всех последующих моделях вводятся и совершенствуются средства, позволяющие повысить производительность МП:

совершенствуются конвейер команд и встроенный блок управления ОП, вводится микропрограммное управление операциями, прогнозирование переходов по командам условной передачи управления, скалярная архитектура ЦП (арифметический конвейер) и мультискалярная архитектура (несколько параллельно работающих арифметических конвейеров, одновременно выполняющих несколько машинных операций, благодаря чему появляется возможность за один такт МП выполнять более одной машинной операции). Начиная с 80486, в кристалле МП размещается арифметический сопроцессор для операций с плавающей точкой.

Все эти усовершенствования позволяют сделать персональную ЭВМ IBM PC мультипрограммной, многопользовательской (МП 80286 позволял работать с 10 терминалами;

80386 – с 60) и многозадачной. С помощью операционной системы стало возможным реализовать работу в режиме SVM (системы виртуальных машин), т.е. на одной ПЭВМ реализовать множество независимых виртуальных машин (МП 80386 позволял в этом режиме реализовать работу до 60 пользователей, каждому из которых предоставлялась отдельная виртуальная ПЭВМ IBM PC на МП 8086).

Начиная с МП i80586, цифровая характеристика микропроцессора заменена названием. Этот микропроцессор получил название «Pentium».

Тактовая частота микропроцессора Pentium быстро выросла с 60 МГц до МГц. В этот микропроцессор встроено два внутренних кэша: кэш команд и кэш данных (каждый по 8 Кбайт), в нем реализовано «интеллектуальное» управление потреблением мощности: при работе с малой нагрузкой МП автоматически переключается в режим малого потребления электроэнергии; если ЭВМ в течение большого промежутка времени не используется совсем, МП переходит в «режим покоя». Экономия электроэнергии приводит к снижению нагрева микропроцессора, а следовательно – к увеличению срока его службы.

Разработан новый тип микропроцессора – Pentium MMX (MultiMedia Extention), в котором реализована архитектура вычислительных систем класса SIMD, введено 57 новых команд, необходимых для обработки аудио, видео и телекоммуникационной информации.

Следующая разновидность микропроцессоров – Pentium Pro – имела в том же корпусе кэш-память второго уровня объемом 256-512 Кбайт. Кроме того, в этом микропроцессоре система команд х86 транслировалась в RISC-команды (три х86-команды преобразовывались в 12 RISC-команд), исполнявшиеся параллельно работающими блоками вычислений.

В последующих разновидностях микропроцессоров (Pentium II, Pentium III, Pentium IV) вводится ряд усовершенствований, позволяющих повысить тактовую частоту, емкость сверхоперативной памяти, быстродействие и надежность функциональных блоков. Тактовая частота, например, быстро проходила ряд: 533, 566, 600, 633, 667, 700, 733, 766, 800, 850, 866 МГц, 1, 1.13, 1.4, 1.5 ГГц и выше. Ведутся работы по освоению технологии SiGe, позволяющей освоить выпуск микросхем, работающих в диапазоне частот 20-50 ГГц.

Объем кэша 1 уровня вырос до 16 + 16 = 32 Кбайт. Начиная с Pentium Pro, все последующие модели обеспечивают выполнение команд с изменением последовательности, суть которой заключается в том, что мультискалярная архитектура (т.е. наличие в составе микропроцессора нескольких параллельно работающих арифметических конвейеров) допускает, что при параллельном выполнении команд программы один из конвейеров может выполнить свою работу раньше, чем ее закончат другие – и процесс вычислений вынужден останавливать конвейер в ожидании получения необходимых результатов. Такие ситуации нарушают естественную последовательность выполнения команд программы.

Ведущие фирмы – производители ЭВМ с целью совершенствования выпускаемой ими продукции активно ведут научные исследования, о чем свидетельствуют данные, приведенные в таблице 3.

Творческая деятельность компьютерных фирм в 1997 г.

Например, фирмой IBM были получены патенты по такой тематике: применение в микросхемах медных проводников вместо алюминиевых (50 патентов), что позволяет увеличить степень интеграции микросхем, повысить их тактовую частоту, снизить энергопотребление, рассеиваемую мощность и стоимость изготовления; группа патентов, позволяющая в накопителе на жестких магнитных дисках достигнуть плотности записи 10 Мбит на 1 кв. дюйм – что позволило фирме создать НЖМД емкостью 1 Гбайт размером с пуговицу средней величины; группа патентов, обеспечивающая запись и чтение нескольких сторон CD за счет перефокусировки лазерного луча (без переворачивания компакт-диска);

патент на клавиши, чувствительные к силе нажатия, и др. В результате выполнения таких работ с 1998 года IBM выпускает микропроцессоры PPC 750 с медной разводкой.

Постоянный научный поиск ведется в области технологии изготовления больших интегральных схем. Основными направлениями совершенствования являются увеличение плотности монтажа (т.е. сокращение физических размеров компонентов ИС), повышение быстродействия и надежности.