11. Системы эвм: вычислительные системы и сети, сопроцессоры, мультипроцессорные вычислительные системы, матричные и конвейерные вычислительные системы, связные устройства, модемы, протоколы обмена.

На рис. показана блок-схема ВС (вычислительной сети). В верней части блок-схемы показано ОЗУ, разделенное на отдельные блоки. Каждый блок имеет свое местное устройство управления оперативной памяти. Нумерация страниц в ОЗУ и быстрой ВЗУ делается сквозной. Обмен между ОЗУ и быстрой ВЗУ (МД) происходит сравнительно большими объемами информации достаточно быстро и оперативно. Программирование упрощается, так как пользователю дают весь объем памяти (ОЗУ + МД) для прямой поячеечной адресации. Такие адреса носят названия виртуальных. Физическими адресами данных являются только адреса ОЗУ. В первом блоке ОЗУ размещена резидентная часть ОС (часть блоков ОС которые часто используются). Под системой коммутации располагаются процессоры: центральный процессор (ЦП) и периферийные процессоры ввода-вывода (ППВВ), выполняющие функции обмена между ОЗУ и периферийными устройствами. Простейшие ППВВ, по терминологии для отечественных ЭВМ, также называют каналами. Левый канал подключен к ВЗУ. Поскольку скорость передачи данных высокая и, следовательно, время обмена короткое, канал поддерживает связь ОЗУ с выбранным ВЗУ все время, пока не закончится обмен. Поэтому этот канал называется селекторным, то есть канал выбирает устройство на все время обмена. К правому каналу подключены более медленные периферийные устройства ввода вывода (УВВ). Чтобы полностью использовать пропускную способность канала, его снабжают своим быстродействующим ЗУ и системой переключения с одного УВВ на другое. Этот канал работает в 2 такта: во-первых, он накапливает данные из УВВ в ячейках памяти, закрепленных за этим УВВ, переключаясь, по мере готовности передать или принять данные, с одного УВВ на другое, а во-вторых, обменивается более крупными порциями данных между своим буферным ЗУ и ОЗУ. Этот тип канала за способность к быстрому переключению получил название мультиплексного. Для стандартизации подключения всех ВЗУ и УВВ к магистралям, идущим от каналов к устройствам, все электрические параметры этих магистралей стандартизированы. Этот стандарт называется главным интерфейсом ВС.

И нтерфейс - это стандарт на сопряжение информационных блоков, определяющий число линий в этом сопряжении, назначение каждой линии, тип передаваемой по каждой линии информации и направление передачи, кодировку информации, передаваемой по линиям, все электрические и временные параметры сигналов и конструктивы соединения (разъемы). Устройство, согласующее главный интерфейс и интерфейс устройства называется адаптером. В некоторых случаях адаптер получается достаточно сложным и в тоже время может использоваться в каждый момент времени только с одним устройством, например одним диском из нескольких имеющихся в селекторном канале. Такое устройство, совмещающее функции адаптера и мультиплексора, называется контроллером (К1 и К2 на рис.)

Математический сопроцессор предназначен для расширения вычислительных возможностей центрального процессора — выполнения арифметических, тригонометрических, экспоненциальных и логарифмических операций. Применение сопроцессора повышает производительность вычислений в сотни раз. С программной точки зрения сопроцессор и процессор выглядят как единое целое. Физически сопроцессор может быть отдельной микросхемой, или располагаться прямо на кристалле центрального процессора.

Конвейерная и векторная обработка. Основу конвейерной обработки составляет раздельное выполнение некоторой операции в несколько этапов (за несколько ступеней) с передачей данных одного этапа следующему. Производительность при этом возрастает благодаря тому, что одновременно на различных ступенях конвейера выполняются несколько операций. Конвейеризация эффективна только тогда, когда загрузка конвейера близка к полной, а скорость подачи новых операндов соответствует максимальной производительности конвейера Векторные операции обеспечивают идеальную возможность полной загрузки вычислительного конвейера.

При выполнении векторной команды одна и та же операция применяется ко всем элементам вектора (или чаще всего к соответствующим элементам пары векторов). Для настройки конвейера на выполнение конкретной операции может потребоваться некоторое установочное время, однако затем операнды могут поступать в конвейер с максимальной скоростью, допускаемой возможностями памяти. Таким образом, главный принцип вычислений на векторной машине состоит в выполнении некоторой элементарной операции или комбинации из нескольких элементарных операций, которые должны повторно применяться к некоторому блоку данных. Таким операциям в исходной программе соответствуют небольшие компактные циклы.

Матричная обработка. Машины типа SIMD. Машины типа SIMD состоят из большого числа идентичных процессорных элементов, имеющих собственную память. Все процессорные элементы в такой машине выполняют одну и ту же программу. Очевидно, что такая машина, составленная из большого числа процессоров, может обеспечить очень высокую производительность только на тех задачах, при решении которых все процессоры могут делать одну и ту же работу. Модель вычислений для машины SIMD очень похожа на модель вычислений для векторного процессора: одиночная операция выполняется над большим блоком данных.

Модели вычислений на векторных и матричных ЭВМ настолько схожи, что эти ЭВМ часто обсуждаются как эквивалентные.

Машины типа MIMD. Термин "мультипроцессор" покрывает большинство машин типа MIMD и (подобно тому, как термин "матричный процессор" применяется к машинам типа SIMD) часто используется в качестве синонима для машин типа MIMD. В мультипроцессорной системе каждый процессорный элемент (ПЭ) выполняет свою программу достаточно независимо от других процессорных элементов. Процессорные элементы, конечно, должны как-то связываться друг с другом, что делает необходимым более подробную классификацию машин типа MIMD. В мультипроцессорах с общей памятью (сильносвязанных мультипроцессорах) имеется память данных и команд, доступная всем ПЭ. С общей памятью ПЭ связываются с помощью общей шины или сети обмена. В противоположность этому варианту в слабосвязанных многопроцессорных системах (машинах с локальной памятью) вся память делится между процессорными элементами и каждый блок памяти доступен только связанному с ним процессору. Сеть обмена связывает процессорные элементы друг с другом.

Базовой моделью вычислений на MIMD-мультипроцессоре является совокупность независимых процессов, эпизодически обращающихся к разделяемым данным. Многопроцессорные машины с SIMD-процессорами. Многие современные супер-ЭВМ представляют собой многопроцессорные системы, в которых в качестве процессоров используются векторные процессоры или процессоры типа SIMD. Такие машины относятся к машинам класса MSIMD.

Связь между процессорами. Одной из отличительных особенностей многопроцессорной вычислительной системы является сеть обмена, с помощью которой процессоры соединяются друг с другом или с памятью. Существуют две основные модели межпроцессорного обмена: одна основана на передаче сообщений, другая - на использовании общей памяти. В многопроцессорной системе с общей памятью один процессор осуществляет запись в конкретную ячейку, а другой процессор производит считывание из этой ячейки памяти. Чтобы обеспечить согласованность данных и синхронизацию процессов, обмен часто реализуется по принципу взаимно исключающего доступа к общей памяти методом "почтового ящика".

В архитектурах с локальной памятью непосредственное разделение памяти невозможно. Вместо этого процессоры получают доступ к совместно используемым данным посредством передачи сообщений по сети обмена. Эффективность схемы коммуникаций зависит от протоколов обмена, основных сетей обмена и пропускной способности памяти и каналов обмена.

В сетях с коммутацией каналов и в сетях с коммутацией пакетов по мере возрастания требований к обмену следует учитывать возможность перегрузки сети. Здесь межпроцессорный обмен связывает сетевые ресурсы: каналы, процессоры, буферы сообщений. Объем передаваемой информации может быть сокращен за счет тщательной функциональной декомпозиции задачи и тщательного диспетчирования выполняемых функций.

Имеется две альтернативных организации адресации устройств памяти и связанных с этим два альтернативных метода для передачи данных между процессорами. Физически отдельные устройства памяти могут адресоваться как логически единое адресное пространство, что означает, что любой процессор может выполнять обращения к любым ячейкам памяти, предполагая, что он имеет соответствующие права доступа. Такие машины называются машинами с распределенной разделяемой (общей) памятью (DSM - distributed shared memory).

В альтернативном случае, адресное пространство состоит из отдельных адресных пространств, которые логически не связаны, и доступ к которым не может быть осуществлен аппаратно другим процессором. В таком примере каждый модуль процессор-память представляет собой отдельный компьютер, поэтому такие системы называются многомашинными (multicomputers).

С каждой из этих организаций адресного пространства связан свой механизм обмена. Для машины с единым адресным пространством это адресное пространство может быть использовано для обмена данными посредством операций загрузки и записи. Поэтому эти машины и получили название машин с разделяемой (общей) памятью. Для машин с множеством адресных пространств обмен данными должен использовать другой механизм: передачу сообщений между процессорами; поэтому эти машины часто называют машинами с передачей сообщений.

Модем предназначен для передачи сигнала по «выделенной» линии на большие расстояния. Информация передается в двоичной последовательной форме.

П рием: определяют середину интервала и на ней берут значение – получают сигнал.

При передаче на большие расстояния (1 км) накладываются внешние помехи и сопротивление кабеля. На большие расстояния лучше передавать высокочастотные сигналы.

f₁, f₂ – частоты.

Источник (модулятор): 1 преобразовал в f₁.

Приемние (демодулятор): f₁ преобразовал в 1.

Н едостатки: при расхождении частоты на 5% генератор практически не работает. Если в модемах расхождение на 1-2%, большая вероятность ошибок.

Преимущество: можно связать абсолютно разные объекты, и при этом не нужно никаких специализированных линий (только телефонная).

Установка соединеия между модемами: модемы договариваются между собой о взаимно одинаковых частотах.

При передаче сигнала используются различные алгоритмы против воздействия помех. Например: избыточное кодирование (5 + 1 бит на четность).

Для повышения скорости передачи информации вводят кодирование пар бит: 00, 01, 10, 11 вместо 0, 1 (см. рис. слева). В этом случае скорость передачи возрастает в 2 раза.

13.

13. Организация памяти ЭВМ: Иерархия ЗУ. Понятие основной памяти. Блочная организация основной памяти. Расслоение памяти. ОЗУ (принцип действия, область применения, классификация). ПЗУ (принцип действия, область применения, классификация). Стековая память. Ассоциативная память. Кэш-память. Способы отображения основной памяти на кэш-память. Внешняя память (область применения, основные характеристики, принцип действия, основные виды ВЗУ).

Системы памяти современных ЭВМ представляют собой совокупность аппаратных средств, предназначенных для хранения используемой в ЭВМ информации. К этой информации относятся обрабатываемые данные, прикладные программы, системное ПО и служебная информация различного назначения. К системе памяти можно отнести и программные ср-ва, организующие управление ее работой в целом, а также драйверы различных видов запоминающих устройств.

Память представляет собой одну из важнейших подсистем ЭВМ, во многом определяющую их производительность.

Иерархия запоминающих устройств.