02.09.11

Эволюция развития компьютерных средств, методы исследования. Особенности классификации.

Компьютерные системы считаются основным средством преобразования данных и составляет основной объект компьютерных наук. Основной причиной появления компьютерных систем являеться необходимость постоянного увеличения уровня производительности, надежности и живучести.

Главный принцип увеличения производительности компьютеров был высказан Лебедевым в середине 50х годов, как «Повышение производительности ЭВМ заключается в одновременной работе составных частей» Такой тезис имел уже практическое применение в американских и английских машинах, которые были созданы к тому времени. В этом тезисе указано только временную составляющую. Пространственная реализация не указана, поэтому до сих пор не существует строгой теории одновременной работы компьютерных средств и имеется несколько главных направлений , которые решают только некоторые классы задач.

Общая теория систем определяет систему, как целое объединение части. Относительно технических систем существует следующее определение: Система – это многоэлементная конструкция, элементы которой находятся во взаимодействии.

Определяя систему, как объект исследования, применяют как правило математическое или физическое моделирование.

Модель – это представление в форме, отличной от реальной исследуемых характеристик объекта или процесса. Процесс использования модели составляет моделирование.

Физическое моделирование – определяет использование модели, которое построено с сохранением физической природы исследуемого объекта или процесса.

В математическом моделировании исследуемы характеристики отображаются с помощью формализации теорий, аппарате математики, логики, лингвистики и т. Д. Для математических моделей широко применяется компьютерная техника, в то время, как для физического применяется натуральный эксперимент.

Примеры физического моделирования: Аэродинамические трубы для исследования изделий авиации. Примером математического моделирования служит уравнение.

По общей теории систем в высшем уровне описания является лингвистическо - символический. На таком уровне возможно точное описание предметной области, описание в виде высказываний, возможно в виде применения вербального аппарата, с помощью которого возможно точно представить соотношение целого и части. Такой аппарат высказываний состоит из термов и функторов.

Термы – высказывания об объектах, входящих в систему.

Функторы – отношения между объектами.

По определению Месаровича, система – это множество истинных высказываний.

Опираясь на аппарат термов и функторов , используют другой уровень описания: теоретико-множественный, согласно которому система – это множество объектов, между которыми существуют определенные отношения.

На этом уровне описания систему можно представить в виде набора множеств : C = <x,R>.

Используя теорию множеств, каждое отношение можно представить в виде результата декартового отношения подмножеств объекта x1, входящих в множество X:

r→(x1,x2)

R^n→x1*x2*x3….*xn

Топологический уровень может быть довольно успешно применен, если отношения между объектами являются многозначными функциями и такие отношения можно представить в виде деревьев или ветвей, отражающих все возможные варианты отношений.

Уровень динамики отношений: каждый объект, входящий в систему представим в виде моделей «черного ящика», в котором фиксированные входы и выходы.

На входы можно подать различного вида сигналы: энергетические, информационные и другие.

Фиксируя на выходе измененные или не измененные входные значения, которые появляются с задержкой времени или без, можно составить определенную картину работы всей системы.

Модель системы в виде черного ящика предполагает 2 подхода:

1. Функциональный, который базируется на значениях входа и выхода, по которым предположительно определяется функция системы или отдельно взятого элемента.

2. Структурный: Предполагается частичное воспроизведение внутреннего устройства системы, при этом часть «черного ящика» воспроизводиться в виде моделирования внутреннего механизма.

Существует много методов исследования систем, первым из которых является метод декомпозиции, сущность которого заключается в исследовании системы по методу изучения СИСТЕМА – ПОДСИСТЕМА – ЭЛЕМЕНТ. Подсистемой считается часть системы, объединяющая некоторое количество элементов, работающих под общим управлением системы или автономном режиме.

Элемент – «часть системы», формально не подлежит разделению на составные части. Такой метод исследования направлен прежде всего на уменьшение объема работы, так как позволяет выявить одинаковые части с той или иной степенью гомо- или изо- морфизма, при этом возможен вариант, что для исследования системы достаточно произвести исследование одного элемента или его части.

Определяют открытые системы, как таковые, которые под действием внешней среды могут изменять свое функционирование, структуру или свойства. Если система не изменяет параметры, то она закрытая.

Итак, к общей теории систем, Система - это целое объединяющее составные части, которые работают, реализуя отношения между частями под единым управлением.

Основная задача моделирования состоит в том, чтобы определить какие существенные характеристики можно получить, объединяя объекты в одно целое.

Для компьютерной системы характерна эволюция от единичного объединения ЭВМ-процессоров до объединения в десятки тысяч вычислительных слотов в единую систему.

Каким же образом отличается простое объединение средств от компьютерной системы?

Компьютерная система – это многоэлементная конструкция, элементы которой находятся во взаимодействии, связаны физически и программно и реализуют заданные под единым управлением посредством вычислений.

Даже если система реализует Nпараллельных заданий, не связанных друг с другом, тем не менее распределение ресурсов, контроль надежности, обеспечение живучести, являеться общим системным вопросом и составляет отличительный признак системы от других типов компьютерных средств.

Для изучения и исследования используют прежде всего классификации изучаемых объектов. Для составления классификации компьютерных систем выбирают следующие факторы:

1. Структурные характеристики

2. Тип обработки – преобразование данных

3. Организация вычислительного процесса, включает взаимодействие потоков команд и потоков данных и компьютерной арифметики и алгебры.

4. Целевое назначение компьютерной системы

5. Технологическая реализация

6. Доминанты основного принципа построения (обработка, передача, хранение)

Под архитектурой компьютерной системы понимают совокупность структурно-аппаратной реализации и необходимого программного обеспечения, которое включает математическое, прикладное и программное. В соответствии с этим, компьютерные системы занимают диапазон от полностью структурно-аппаратных до полностью программных систем (виртуальных систем и ЭВМ).

По характеристике универсальности, структурно-аппаратные занимают низший уровень, программные – высший. По уровню производительности – наоборот. Отличие компьютерных средств от уровня системы можно разрешить как добавлением структурно-аппаратных средств, так и добавлением соответствующего программного обеспечения. Вполне корректным явлется то, что на однопроцессорной машине может быть с помощью программного обеспечения организовано программно - ориентированная система. При этом вся совокупность может быть представлена, как компьютерная система.

В настоящее время выделено ряд неотложных задач, решение которых по мнению ЮНЕСКО необходимо решить для прогноза и развития глобального масштаба:

1. Теория и методы прогнозирования

2. Ядерно-магнитный резонанс и атомная энергетика

3. Искусственный интеллект и проблемы человеческого мозга

4. Здоровье населения и медицина

5. Космос

6. Мировой океан

7. Экология

Под все перечисленные проблемы разрабатываются лучшие образцы компьютерных систем и супер ЭВМ. В соответствии с этим, исследования по теории и практике являются актуальными.

Лучшими образцами в Украине являются грид-системы, базовыми элементами которых являются кластерные системы.

16.09.11

Типи комп*ютенорної обробки. Класифікація комп*ютерних систем

Першою комп. моделлю була машина Тюрінга та Паста, яка передбачала перетворення інформ. Шляхом запису у відповідні комірки пам*яті символів або чисел за деяким алгоритмом. Такий тип 1-го комп*ютера передбачав посл. Виконання інструкції і тому визначив тип обробки даних як послідовний – за 1 крок 1 дія. Подальший розвиток комп*ютерів реалізував той досвід який був у машинобудуванні, а саме конвеєрний принцип за яким ланки посл. обробки створював комплексний ланцюг на виході якого був сформований результат. Складові части працювали паралельно і це визначило паралельний – послідовний тип обробки. Маючи великий успіх у технологія стало можливим реалізувати пристрої та системи, які надійно працюють одночасно. Все це є підставою для реалізація паралельному принципу обробки, яка є домінуючою серед сучасних комп’ютерів. Приклади архітектур за типами обробки: посл. обробка втілена в класифікацію архітектур Фон – Неймана, який разом з співробітниками зробив перший крок у створені науки про комп’ютери зробив узагал. у інс. на той час варіантом ЕОМ, а саме архітектури Фон-Неймана називають структуру з 5 блоків, яка має причтрій керування , арифметичний пристрій , пам'ять , пристрій вводу, пристрій виводу. На той час програма була представлена пристрій керування, розшифровував, яка виконувалась чотирма блоками. За 1 цикл виконувалась тільки 1 інструкція керування була апаратним , довжина слова форм. як потрібно для розв’язанні задачі. З появою конвеєрних систем було запропоновано будування роботу пристрою керування та арифметичні пристрої на декількох складових частинах, тобто а арифметичних пристроях керування було кілька кроків по інтерпретації команд. Арифметичні пристрої будуються з декількох функціональних пристроїв, що дозволяють скоротити виконання команди до часової затримки на останньому блоці арифметичному пристрою. Паралельна обробка передбачає деякий ансамбль функції пристроїв, які пов’язані між собою системною комутації або системним запам’ятовуючим пристроєм. Найбільш перспективним вважається паралельний тип обробки за показниками продуктивності та за економ показником. Паралельна обробка охоплює паралел., конвеєрну та багато операндну обробку. Зач. теорія систем передбачає, що паралельна обробка реалізує повтор основної функції обробки за завданням користувача або розробниками системи. Конвеєна – передбачає розділення основної функції обробки на складові функції які мають час виконання на порядок менший ніж основна. Багатооперандний тип обробки передбачає, що декілька функції обробки заміняються єдиним макрооператором, який одночасно викону. Інтегрована обробку над всіма функціями, які склад макро оператор та над даними, які перетворюють складові функції. Такий тип обробки був запропонований Карцевим і Брікон, які запропонований ______ перетворення багатьох початкових даних має за мету тільки 1 результат та слід розглядати роботу комп’ютера як пристрій реалізації інтегрованого обчислення. Приклад таких обчислень:

Такий оператор є типовим для лінійного алгоритму, цифрова обробка сигналів та багатьох обчислень алгоритмі. Якщо задача потребує розв’язань по багатьом гілкам то обчислення одної гілки має ознаки таких обчислень. На даний час не існує інших прикладів комп’ютерної обробки. Інші можливо мають такі фіз. Природу, яка відрізняється від представлення дискретною математикою.

ІІ

Компютерна наука, які інші науки для формування базових понять та законів форм. базовий опис об’єкту дослідження у вигляді класифікацій. Одна з найбільших вдалих або корисних було запропоновано Фліном і будується характеристичних задачах та характеристичних структурах комп*ютерних засобів. По Фліну на комп’ютерний засіб спрямовано 2 потоки: данні, команда. Використані варіанти єдиний потік даних або множ. потік даних,єдиний потік команд таких моделей і атр. 4 варіанти комп’ютерних засобів, які реалізують:ЄДЄК, ЖДМК, МДЄК, МДМК такі варіанти склали таксони по Фліну, які охоплюють вісі існуючі архітектури і як з*ясув. ця класифікація може бути використана як не тільки оператором для аналізу, а й формування нових арх.. комп’ютерних систем Ггаф інтери. кожного таксону:Розклад класифікації Фліна на операційному рівні. ОР комп’ютера засобів орієнтована на бінарну арифметику, тобто операційний вузол, якій реалізує базові операції перетворення 2 операнди на 1 рез. – 1 таксон. Якщо розділяти всі архітектури за класифікацією Фліна то в 1 таксон попадають всі посл. ЕОМ, в 2,3,4 – паралел., посл.- паралелях входять у всі таксони. З цього аналізу можна зробити висновок, що різні типи обробки можна реалізувати кількома варіантами. Є пропозиція у вдосконаленні класифікацію. Поперше, така класифікація загальна, не відпов. Вимогам по аналізу системах комутації, оргінз. запам’ятовуючих пристроїв, не відповів на питання кої довжини машина слова на перетворення засобами. Були створені інші класифікацію, які розв’язують названі проблеми:

1.Ерлангена

t=(k,d,w)

k – к-сть пристр. Керув

d – к-сть ариф. пристр, які кер. 1 прист. керув.

w – довж. Машина слова.

t = (1,1,w) – машина Фон – Неймана

t = (kk*, dd*, w w*) – сучасна машина

2. Фанга. Детальний опис на рівні машинних операндів

n – кількість біт у машинному слові

m – кількість слів які одночасно обробляються у комп. Середовищі

Після застосування такої класифікації стало відомо, що і сучасні системи і ті що все в експлуатації можуть бути представленими кількома варіантами:

n = m = 1 n = 1 m > 1

n > 1 m = 1 n > 1 m > 1

3. С…

Основні компоненти :

• Процесор команд ір

• Проц. Даних ір

• Ієрархічна пам’ять IM DM

• Перемикач – абстрактний пристрій для реалізації зв’язку між процессорами та пам'яттю.

Типи зв’язку:

1. Зв’язок між 2-ма пристроями єдиного функ. признач.

(n-n) попарний зв’язок між пристроями з однією множ. і прист. другої множ.

(1-n) перемикач реалізує обмін між 1 прист. та декількома іншими прист.

(n-n) пристрої мають зв’язок кожний з кожним

За цією класифікацією застосовують 8 позицій для опису комп’ютерних систем:

1. Число IP

2. Число модулів пам’яті IM

3. Типи зв’язку для 1-2 (IP-IM)

4. К-сть проц. даних DP

5. Число модулів пім’яті даних (DM)

6. Тип зв’зку для 4-5 (DP-DM)

7. Тип зв'язку між ID -DP

8. Тип зв'язку між DР - DР

DP - генератори адрес, які реаліз. різні типи адресації, формув. фіз. адрес та інші допоміжні функції як реаліз. ортогонального звернення до пам’яті.

За класиф (3) маємо детал. опис. осн. комп. складової структури. Треба зазначити головну мету введення класифікацій:

1. Реаліз. аналіз. суч. стану та перспективи існ. арх.

2. Синхронізув. нові шляхи організації арх..

3. Показати за рахунок яких структур особл. можливе досягнення збільшення продуктивності комп. систем.

30.09.11

Застосування класифікацій визначається метою досліджуваної системи і в різних варіантах вибір типу класифікації розв’язує проблему дослідження у відповідних умовах. Розглянемо приклад побудови системи радіолокаційного стеження за авіаційно-космічними об’єктами. Французька система ПРОПЕР-2 побудована як мультипроцесорна система для обробки даних у реальному часі у даному випадку; це означає, що декілька характеристик, які розраховуються для оперативного керування, повинні бути готові до умовного змінення розташування об’єкту у просторі. Загальна структура системи побудована за принципом резервування обчислень, що полягають у наступному: за заданий час об’єкт може рухатись у 128 напрямках. Головна машина (HOST COMPUTER) пов’язана з комутаційною системою яка об’єднує 128 комп’ютерів, кожен з котрих виконує обчислення характеристик, які задані, і ці дані поступають на комутаційну систему, яка також пов’язана з HOST COMPUTER’ом . Організація обчислень наступна: 128 процесорів працюють паралельно по відомим програмами, виконуючи обчислення для точки простору. Коли ХОСТ отримує реальні координати об’єкту, він передає їх на 128 комп’ютерів і один з них видає готові результати для головного комп’ютера, для подальшого керування. Така система застосовується у повітряних силах Франції. Для аналізу цієї системи важлива її швидкодія. Якщо застосувати класифікацію ЕРЛАНГЕНА то ми отримаємо недостатньо характеристик для такої системи. Якщо застосувати класифікацію СКИЛИКОРНА, то маємо більш точну характеристику.

Загальна кластерна система

Кластерною називаються різновид комп’ютерних систем, які мають структурну побудову, головною частиною якої є групова організація. В кожну з груп входить достатня кількість хостів, щоб забезпечити автономну обробку даних з заданою швидкодією. Загальна структура типового кластеру може бути наступна: ПІ - пристрій інтерпретації команд керування адресним простором. МП (модулі пам’яті) – засоби зберігання даних, комутуються як з зовнішнім каналом, так і з кластерними вузлами. ПД (процесори даних) – головна функція – перетворення даних. КС (кластерна система) – головний структурний компонент кластера забезпечує комутацію за принципом «кожен з кожним», має власне керування, є найдорожчим елементом кластеру та елементом, який формує кількість ПД та інших компонентів кластеру та задає максимальну кількість елементів, які мають одночасну комутацію за принципом «кожний з кожним». Для такої системи слід побудувати аналіз на швидкодії структурної підтримки паралельної обробки класифікації типу СКИЛИКОРНА; треба знати довжину даних, бо йдеться про універсальну обробку на комп’ютері, треба розділити точність. Збільшення інших компонентів системи у кластері визначається максимальною кількістю елементів, які може забезпечити КС. Довжина машинного слова буде визначати апаратну складність процесорів, МП, та пропускну здатність КС.

Продуктивність комп’ютерної системи . Типи продуктивності. Фактори, які впливають на продуктивність. Алгоритмічні структури і їх зв'язок з структурами комп’ютерних систем.

Продуктивність комп’ютерної системи визначається як загальна характеристика комп’ютерних засобів, здатність виконувати кількість операції за проміжок часу. За час еволюції ЕОМ цей показник змінюється від десятків до мільярдів за секунду. Для користувача головний показник продуктивності є час знаходження розв’язку задачі. Однак розробники комп’ютерної системи на цей час мають кілька показників продуктивності, які на їх думку найбільш детально визначають характеристики

1. Номінальна продуктивність – всі складові елементи системи працюють одночасно у сприятливих умовах

2. Реальна продуктивність – показник швидкодії системи, який фіксується як середній показник при розв’язанні конкретних реальних задач

3. Пікова продуктивність – максимальна продуктивність

Реалізація паралельної концепції передбачала лінійний характер збільшення продуктивності, але перші ж результати випробування паралельних систем показали, що лінійного зросту не відбувається з кількох факторів:

1. Немає загальної паралельної форми алгоритму розв’язання задач

2. Важливий вплив мають комутаційні операції між процесорами

3. Навіть при природньому паралелізмі задача, яка розв’язується, отримує вплив архітектурно-технологічних чинників, які не відповідають потенційним можливостям початкової задачі

Відповідно до технологій отримання результатів за допомогою комп’ютерних засобів, по-перше, треба побудувати алгоритм та записати його за допомогою відповідних конструкцій в так звану алгоритмічну структуру, яка потім буде за допомогою програми розміщена у засобах реалізації та має бути виконаною. У найпростішому варіанті, алгоритмічна структура – граф з множин переходів та вузлів у відповідності до розв’язання задач. Дослідження алгоритмічних структур визначило дві головні характеристики, які впливають на продуктивність:

1. Залежність по даних. Алгоритмічні структури неможливо організувати у прискореному режимі, якщо виконання операторів залежить від виконання попередніх операторів з кроком виконання не більше як один

2. Залежність по керуванню. В алгоритмічних структурах є альтернативи вибору без виконання яких неможливо спрогнозувати, по якій гілці алгоритму треба виконувати обчислення

Такі два головні фактори і архітектурно технологічні обмеження, велика кількість допоміжних операцій визначили загальну характеристику росту продуктивності як логарифмічну. Подальші дослідження нових типів систем, в яких продуктивність була б близька до лінійної залежності, полягає у застосуванні нових структур та архітектур: ТРАСКОМПЮТЕРНІ СИСТЕМИ, СИСТЕМИ З МАСОВИМ ПАРЛЕЛІЗМОМ, КЛАСТЕРНІ СИСТЕМИ. Однак подальші дослідження підтвердили що номінальна продуктивність є досяжною тільки на дуже вузькому класі задач.

Аналіз алгоритмічних структур . Методи підвищення продуктивності.

Типи алгоритмічних структур:

1. Послідовна

2. Послідовно-групова

3. Сильно пов’язані алгоритмічні структури

4. Слабо пов’язані алгоритмічні структури

5. Паралельні структури загального типу

Загальною характеристикою наведених структур є покажчик готовності операндів до включення в операцію. Цей покажчик формується відповідно до попереднього кроку виконання, тобто є результатом. У послідовних алгоритмічних структурах кожна операція перетворює один чи два операнди, які були сформовані попередньою операцією – покажчик готовності 1. В послідовно групових алгоритмічних структурах є вершини які мають однакові покажчики готовності(Q) і однаковий час виконання(T), тому тут можливе прискорення виконання групових операцій. Для сильно пов’язаних алгоритмічних структур покажчики готовності можуть бути більше одиниці і при аналізі {T, Q} можна визначити оператори які можуть бути виконання одночасно. Для слабо пов’язаних алгоритмічних структур Q>>1. У паралельних структурах загального типу гілки алгоритму не перетинаються Q>>>1 і можливе виконання паралельних гілок.

14.10.11

Аналіз алгоритмічних структур підтверджує, що залежність по даних та керуванню впливають на рівень продуктивності комп’ютерного середовища. Іншими чинниками є особливості структури алгоритму та структури реалізації архітектури ЕОМ. Якщо варіанти нових структур з’являлися дуже нові, удосконалення ПЗ в тому числі нових алгоритмів обробки виконувались набагато швидше. Головна мета – розробка таких алгоритмів , які б мали найменшу арифметичну складність(кількість кроків виконання). Розглянемо приклад застосування апарату Фур’є та вдосконалення алгоритмів, які його реалізують. Гармонічний аналіз, який є основою цифрової обробки сигналів та зображень, реалізується за допомогою алгоритму дискретного перетворення Фур’є(ДПФ). Якщо розглядати, що такий алгоритм реалізовано архітектурою фон Неймана, то його складність приблизно n² (n – кількість відліків сигналу). З операційної точки зору, ДПФ - обчислення операторів суми пар добутків. Якщо машина фон Неймана буде реалізовувати ДПФ, це буде займати багато часу і не буде можливості реалізувати обробку в реальному часі. Швидке перетворення Фур’є (ШПФ) , складність якого (log₂n), майже 30 років був головним засобом цифрової обробки сигналів. Коли з’явилися паралельні структури ДПФ, було забезпечено складність n*log2(n/2). ШПФ має ітеративний характер і прискорити його неможливо. З цього прикладу виникає теза про, що досягнення нових рівнів продуктивності залежить від відповідності структури алгоритму структурі комп’ютерних засобів. Таке досягнення у пошуку засобів підвищення продуктивності мало приклади при застосуванні принципів спеціалізації в організації обчислювального процесу в багатьох розв’язаннях для прикладних проблем.

Спеціалізація, як форма організації обчислювального процесу.

Кожні комп’ютерні засоби будуються на наступному принципі:

1) Вузькоспеціалізовані засоби 2) Спеціалізовані засоби 3) Проблемно-орієнтовані засоби 4) Універсальні

Принцип спеціалізації є основою побудови не тільки комп’ютерів, а є загальним принципом в машинобудуванні.

Спеціалізація буває двох типів: предметна та технологічна.

Предметна спеціалізація означає, що засоби реалізації та їх організація складає єдине ціле для отримання кінцевого продукту, при цьому зв’язки між складовими частинами та набір складових частин є постійними. Прикладом може бути промисловий конвеєр: на вході є напівфабрикати, на виході – готовий продукт.

Технологічна спеціалізація передбачає набір необхідних операцій, порядок застосування яких є гнучким. Загальний принцип спеціалізації передбачає, що , якщо можливий розподіл фази виконання обробки, як складові, то така організація забезпечується структурною підтримкою і вважається найбільш продуктивною. Розглянемо модель виконання команди, яка розподілена на складові:

1. Зчитування команди.

2. Дешифрація типу.

3. Визначення першого операнду.

4. Визначення другого операнду.

5. Виконання команди.

6. Запис результату.

7. Визначення адресси наступної команди.

Якщо розглядати в цілому, то маємо 7 окремих ланок виконання, кожна з яких може бути підтримана апаратно. Фаза виконання команди спеціалізується на 7 етапів, і якщо ми хочемо підвищити продуктивність, то такі апаратні слоти мають працювати безперервно – вже на другому етапі виконання маємо можливість реалізувати обробку іншої команди. На виході спеціалізованого вузла в кожному такті його роботи маємо результат і маємо підвищення продуктивності комп. засоба в цілому. Кожен спеціалізований вузол працює швидше, ніж універсальний, за рахунок виключення загальної структури рішень та зайвих комутацій; також можлива відсутність слотів по дешифрації та налагодження функції виконання, всі функції виконання визначаються апріорі. Керування процесом перетворення тільки апаратне.

Слід зазначити - спеціалізовані структури завжди поступаються універсальним по типам обробки. Аналіз нових структурних розв’язань в сучасних комп’ютерах підтверджує тезу про те, що спеціалізація застосовується на більш доступних рівнях в організації обчислювального процесу. Спеціалізація охоплює не тільки структуру рішення, а й всі доступні рівні, де є теорія, методи та засоби застосування спеціалізованих рішень. Якщо виконуються тільки операції множення, то така форма є найбільш продуктивною. Теорія алгоритмів передбачає отримання значень алгоритму над початковими та вихідними даними. У комп’ютерних засобах є перетворення форми сигналу, які передбачають логарифмічний вихід. Тобто ЦАП має декілька виходів: двійкові дання, логарифмічні данні. Так само розробляються спеціальні системи числення,які забезпечують розв’язвння проблем захисту інформації, асоціативно-пошукових операцій, спеціальної форми відображення та ін. Якщо дослідити еволюцію машини фон Неймана, яка мала 5 основних блоків, то вже наступним кроком реалізації спеціалізації була поява в арифметичному пристрої своєї памяті, пристроїв адрес, які сформували структуру процесора сучасних комп’ютерів. Тому до 3 чинників, які впливають на продуктивність, треба додати ступінь спеціалізації архітектури.

Підходи вивчення спеціалізації комп’ютерних засобів – інтенсивний і екстенсивний.

Інтенсивний передбачає, що архітектура повинна базуватися на декількох складних, але потужних слотах, і всі допоміжні спеціалізовані структури повинні забезпечувати їх постійне завантаження.

Екстенсивна обробка передбачає велику кількість процесорних елементів, або перетворення простих засобів за складом з обмеженими функціями та недуже швидкодіючими.

Реалізація першого напрямку має приклади матричних, векторно конвеєрних, кластерних систем систем. До другого напрямку мають відношення RISC та SISC архітектури, ансамблі процесорних елементів різної конфігурації, ансамблі з регулюючими структурами типу систолічних структур, ансамблі з логічними елементами.

Поява RISC архітектур, в основі яких – процесорний елемент з обмеженою кількістю команд, було обумовлено тим, що після аналізу виконання програм була переважна статистика на користь невеликої кількості операцій: додавання, множення, зсув, маскування, які складали до 90% застосування при реалізації задач. Тому і було вирішено апаратно підтримати ці операції в структурі процесорного елементу, а інші операції реалізувати через базові. Застосування таких структур показало, що якщо траплялась довга операція, то вся перевага розробки структури мала 10-15 відсотків. Тому наступним кроком був перехід до SISC структур.

Інший напрям – використання ансамблів з логічними елементами, який міг би замінити виконання операцій через масові потокові перетворення, над масивами операндів. Систолічні структури, які мають регулювання реалізації і використовують базові логічні елементи. Розглянемо приклад роботи систолічного модуля, який виконує перетворення двійкових даних. Модуль має трикутну структуру з однакових складових, кожен складовий модуль має об’єднання логічних елементів «АБО» та «І». На вхід задається послідовність двійкових розрядів, треба визначити операцію яку виконає цей модуль. Модуль виконує операцію ущільненого коду, значення якого дорівнює кількості одиниць у двійковому коді. Кількість тактів роботи - … Впровадження принципу спеціалізації вплинуло на оцінку продуктивності комп’ютерних засобів. Вважається : якщо комп’ютерна система побудована за принципом спеціалізації обчислювального процесу і має достатню структурно-апаратну підтримку, то спеціалізацію та прискорення виконання завдань оцінюють не за логарифмічною функцією, яка була основним критерієм застосування паралельної обробки, а за можливістю розпаралелювання програми, яка реалізована на даному комп’ютерному засобі. Закона Амдала встановлює теоретичну оцінку при застосування певної кількості(Р) процесорів у комп’ютерному засобі. Прискорення, яке можливе при застосуванні розпаралелювання программи на P процесорах визначається за формулою , де альфа – послідовна частина програми. Якщо програма написана для завдання яке має природний паралелізм, тобто альфа = 0, прискорення можливе таке, яке складає апаратна підтримка – кількість процесорів. Якщо якась частина має послідовний характер виконання, то така формула визначає конкретне значення для конкретних данних.

28.10.11

Закони Амдала передбачають оцінку прискорення, як відносяться частини програми, яка не розпаралелена, до різниці між названої частини програми та частини програми, що може бути реалізована паралельно. Якщо представити програму як пул команд, в якому маємо частини, які допускають паралельну реалізацію, то формула прискорення

– еквівалентна кількість комад, час реалізації яких відповідає паралельному виконанню. Якщо всі паралельні частини практично виконуються за один операційний час, то прискорення:

J = h/(h – Summ(Ni+1))

Якщо час виконання різний, то треба враховувати максимальний термін виконання паралельної частини. Паралельне виконання програми може бути реалізовано за допомогою класу паралельних методів, методів конвеєризації та методів багатооперандної обробки. Гіпотетично, оптимальна архітектура комп’ютерного середовища повинна реалізовувати всі методи при розв’язанні одної задачі, однак такої структури не розроблено і на практиці кожна програмно- алгебраїчна структура, не зважаючи на те, що вона має ознаки певного паралелізму, завантаження до структури реалізації, яка налазить тільки на один із відомих методів. Структури, які перепрограмовуються на алгебраїчні структури, не дозволяють це робити за короткий час. І саме перепрограмування займає час більший, ніж розв’язання задачі. Технологічний напрямок, так звані ПЛІС, працюють за принципом однорідного налаштування, тобто розв’язок всієї задачі вцілому. Існує напрямок, який відображає кількісну зміну характеристик комп’ютерного середовища, тобто напрямок масштабування , коли параметри комп’ютерного середовища зменшуються, або збільшуються по кількості слотів. Змінюється кількість операційних елементів, запам’ятовуючих пристроїв, в деяких випадках пропускна здатність каналів обміну. Інші приклади на мають переваг, тобто результат по скороченню часу виконання задачі, тому такий напрям є на стадіі розвитку?????:-)

Морфологічні методи класифікації комп’ютерних засобів, їх аналізу та проектування.

Морфологічні методи – поєднання комбінаторних методів до вибору форм або структур технічних засобів. Головна концепція полягає у формуванні альтернативного простору варіантів структур за допомогою методів комбінаторики, тобто формування множини розв’язань. Основні етапи, які треба виконати, застосовуючи морфологічні методи:

1. Формулювання проблеми, які треба розв’язати

2. Визначення ознак та характеристик, які належать варіанту розв’язання

3. Формується множина ознак характеристик , яка складає морфологічну матрицю або морфологічну скриню, у якій фіксуються всі можливі варіанти

4. Виконання аналізу варіантів і виконання вибірки, реалізує ті, які близькі до аналогу або завдання, яке є головною.

На останньому етапі виконання, оцінка та порівняння аналізу тих варіантів, що є оптимальними до розв’язання поставленої задачі. Головним в названих етапах є формування множинної або морфологічної матриці. Якщо на етапі вибору ознак характеристик маємо якісні набори, то вони складатимуть матрицю:

А1 В1 С1

А2 В2 С2

А3 В3 С3

В якості матриці можуть бути дерева, графи, таблиці, кодові значення з використанням кодових систем числення а також спеціальні мови морфологічного проектування. Існує окрема мова специфікацій , яка має широке застосування. Розгляд побудови морфологічної матриці за допомогою дерев, які мають 2 типи вершин: і та або. Для автоматизації обробки таких дерев існують відповідні програми, метою застосування яких у відповідності до логіки побудови об’єкту, змінювати типи вершин та представляти відповідні варіанти, наприклад узагальнене дерево має наступну структуру: Якщо змінити тип вершин для тієї ж структури, маємо інший варіант комбінацій для тих ознак, які були вибрані. Таким чином дерево представляє логіку побудови системи. Ознаки формують загальну картину призначення системи в цілому. Загальні формування такго апарату призначають принципи дії такої системи відповідно до логічного представлення. Аналіз може бути виконаний на етапі проектування, тому морфологічні методи є потрібні на цьому етапі. Граф та апарат теорії графів також відображає логіку побудови морфологічних систем, Відрізняється від дерев тим, що типи вершин у графі однакові і перехід на ребра виконується при виникненні відповідних умов.