1. Семантический разрыв между архитектурой эвм и уровнем решаемых задач

1.1. Физическая и виртуальная эвм

Аппаратура ЭВМ составляет физическую машину. Аппаратная реализация операций в физической ЭВМ обеспечивает функционально-полный базис возможностей для программного выполнения более сложных операций и решения широкого круга задач. Программное обеспечение дополняет физическую машину до виртуальной ЭВМ, которая так называется, поскольку создает иллюзию более мощной физической машины. Изначально ЭВМ развивалась в условиях ограниченной (надежностью и стоимостью) сложности физической машины. Классической стала фон-неймановская модель ЭВМ, характеризующаяся простотой структуры. Она содержит процессор, память и устройство ввода-вывода. Процессор имеет регистр и счетчик адреса команды для последовательного выбора команд, арифметико-логическое устройство (АЛУ) для их выполнения, рабочие регистры для фиксации операндов и результата на входах и выходе АЛУ.

1.2. Семантический разрыв между физической и виртуальной эвм

Программное обеспечение занимает место между пользователем и физической машиной. Повышение paзмерности и сложности решаемых задач стимулирует развитие языков высокого уровня и системного программного обеспечения. Сохранение простой физической машины приводит к росту сложности программного обеспечения, снижению его надежности, повышению стоимости разработки и отладки. Так проявился семантический разрыв между структурой физической машины и организацией вычислений в виртуальной ЭВМ.

В организации вычислений и памяти семантический разрыв проявляется прежде всего в несоответствии непосредственных возможностей физической машины для представления и обработки сложных структур данных, описываемых на языках высокого уровня. В первых моделях ЭВМ вводится индексный регистр для облегчения адресации к элементам массивов. В следующих моделях аппаратная поддержка представления и обработки массивов расширяется введением буферной памяти для хранения индексов элементов многомерных массивов и самих элементов при их частом использовании.

1.3. Уменьшение семантического разрыва

Построение программного обеспечения по принципу вызова подпрограмм обусловило совершенствование физической машины введением аппаратной поддержки обращения к подпрограммам и механизма передачи параметров. Развитие языковых средств, сопровождаемое включением в них векторных операций и возможностей параллельного выполнения вычислений, привело к существенным усложнениям физической машины. Создаются многопроцессорные вычислительные системы и комплексы. Векторная обработка выполняется на векторных и матричных процессорах. Разрабатываются потоковые машины, в которых процесс выполнения команд распараллеливается естественным образом.

Создаются машины языков высокого уровня (BASIC,FORTRAN,PL,PASCAL), в которых к исполнению принимается оператор программы, написанной на языке высокого уровня. Разрабатываются ЭВМ с аппаратной реализацией операционной системы.

1.4. Векторная обработка данных

В основе векторной обработки данных лежит векторизация вычислений, в процессе которой меняется постановка вычислительной задачи преобразованием множества скалярных операций в векторную форму. Данные структурируются в массивы, над которыми выполняются векторные операции, предусматривающие обработку элементов по единым командам. Для выполнения векторных операций в состав ЭВМ включаются матричные или векторные процессоры.

Векторные процессоры используют конвейерный принцип организации вычислений. Конвейер представляет собой последовательно соединенные участки, состоящие из комбинационного преобразователя и регистра, запоминающего результат вычислений в конце такта. С каждым тактом информация переходит из предыдущих участков конвейера в следующие, претерпевая соответствующие преобразования.

Различают линейные конвейеры, соединяющие участки в единую цепочку вычислений, и нелинейные конвейеры, допускающие опережающие и обратные связи между участками. Конвейерные ВУ могут быть однофункциональными, а также многофункциональньми со статической (до вычислительного процесса) или динамической (в процессе вычислений) настройкой на различные задачи. Перенастройка конвейера может осуществляться изменением соединения участков или изменением операций, выполняемых отдельными участками.

Одной из проблем построения конвейера является согласование задержек комбинационных преобразователей различных участков для их работы по единой тактовой частоте. Для понижения частоты работы участка используется его параллельное дублирование. Для согласования задержек вычислений применяется буферизация, которая обеспечивает задержку данных на заданное количество тактов дополнительно введенными участками, состоящими только из регистров.

Конвейер характеризуется временем запуска, т. е. количеством тактов вычисления первого результата и пропускной способностью — количеством результатов, вычисленных за единицу времени.

№108. Основы горизонтальной и вертикальной обработки информации