12. 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.

Интерфейс - 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 (387-й), подключаемой к локальной шине основного процессора, или располагаться прямо на кристалле центрального процессора (486+). В любом случае сопроцессор исполняет только свои специфические команды, а всю работу по декодированию инструкций и доставке данных осуществляет CPU. Сопроцессор может выполнять вычисления параллельно с работой центрального процессора, не обращая внимание и на переключение задач в защищенном режиме. Сопроцессор может работать в реальном и защищенном режиме.

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. Если происходит задержка, то параллельно будет выполняться меньше операций и суммарная производительность снизится. 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. При этом не возникает пауз ни в связи с выборкой новой команды, ни в связи с определением ветви вычислений при условном переходе. 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.

В отличие от ограниченного конвейерного функционирования векторного процессора, матричный процессор (синоним для большинства SIMD-машин) может быть значительно более гибким. Обрабатывающие элементы таких процессоров - это универсальные программируемые ЭВМ, так что задача, решаемая параллельно, может быть достаточно сложной и содержать ветвления. Обычное проявление этой вычислительной модели в исходной программе примерно такое же, как и в случае векторных операций: циклы на элементах массива, в которых значения, вырабатываемые на одной итерации цикла, не используются на другой итерации цикла.

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. Существует большое количество вариантов этой модели. На одном конце спектра - модель распределенных вычислений, в которой программа делится на довольно большое число параллельных задач, состоящих из множества подпрограмм. На другом конце спектра - модель потоковых вычислений, в которых каждая операция в программе может рассматриваться как отдельный процесс. Такая операция ждет своих входных данных (операндов), которые должны быть переданы ей другими процессами. По их получении операция выполняется, и полученное значение передается тем процессам, которые в нем нуждаются. В потоковых моделях вычислений с большим и средним уровнем гранулярности, процессы содержат большое число операций и выполняются в потоковой манере.

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.

Как уже было отмечено, любая крупномасштабная многопроцессорная система должна использовать множество устройств памяти, которые физически распределяются вместе с процессорами. Имеется две альтернативных организации адресации этих 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.

Каждый из этих механизмов обмена имеет свои преимущества. Для обмена в общей памяти это включает:

• Совместимость с хорошо понятными используемыми как в однопроцессорных, так и маломасштабных многопроцессорных системах, механизмами, которые используют для обмена общую память.

• Простота программирования, когда модели обмена между процессорами сложные или динамически меняются во время выполнения. Подобные преимущества упрощают конструирование компилятора.

• Более низкая задержка обмена и лучшее использование полосы пропускания при обмене малыми порциями данных.

• Возможность использования аппаратно управляемого кэширования для снижения частоты удаленного обмена, допускающая кэширование всех данных как разделяемых, так и неразделяемых.

Основные преимущества обмена с помощью передачи сообщений являются:

• Аппаратура может быть более простой, особенно по сравнению с моделью разделяемой памяти, которая поддерживает масштабируемую когерентность кэш-памяти.

• Модели обмена понятны, принуждают программистов (или компиляторы) уделять внимание обмену, который обычно имеет высокую, связанную с ним стоимость.

При оценке любого механизма обмена критичными являются три характеристики производительности:

• Полоса пропускания: в идеале полоса пропускания механизма обмена будет ограничена полосами пропускания процессора, памяти и системы межсоединений, а не какими-либо аспектами механизма обмена. Связанные с механизмом обмена накладные расходы (например, длина межпроцессорной связи) прямо воздействуют на полосу пропускания.

• Задержка: в идеале задержка должна быть настолько мала, насколько это возможно. Для ее определения критичны накладные расходы аппаратуры и программного обеспечения, связанные с инициированием и завершением обмена.

• Упрятывание задержки: насколько хорошо механизм скрывает задержку путем перекрытия обмена с вычислениями или с другими обменами.

Каждый из этих параметров производительности воздействует на характеристики обмена. В частности, задержка и полоса пропускания могут меняться в зависимости от размера элемента данных. В общем случае, механизм, который одинаково хорошо работает как с небольшими, так и с большими объемами данных будет более гибким и эффективным.

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

Прием: 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.

Недостатки: 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 . В этом случае скорость передачи возрастает в 2 раза.

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).

По форме записанной информации запоминающие устройства (ЗУ) делятся на:

аналоговые и

цифровые запоминающие устройства.

По устойчивости записи и возможности перезаписи ЗУ делятся на:

Постоянные (ПЗУ), содержание которых не может быть изменено конечным пользователем (например, BIOS). ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации.

Записываемые (ППЗУ), в которые конечный пользователь может записать информацию только один раз (например, CD-R).

Многократно перезаписываемые (ПППЗУ) (например, CD-RW).

Оперативные (ОЗУ) — обеспечивают режим записи, хранения и считывания информации в процессе её обработки. Быстрые, но дорогие ОЗУ (SRAM) строят на триггерах, более медленные, но более дешёвые разновидности ОЗУ — динамические ЗУ (DRAM) строят на элементах состоящих из ёмкости (конденсатора) и полевого транзистора, используемого в качестве ключа разрешения записи-чтения. В обоих видах ЗУ информация исчезает после отключения от источника питания (например, тока).

По типу доступа:

С последовательным доступом (например, магнитные ленты).

С произвольным доступом (RAM; например, оперативная память).

С прямым доступом (например, жёсткие диски).

С ассоциативным доступом (специальные устройства, для повышения производительности баз данных).

По геометрическому исполнению:

дисковые (магнитные диски, оптические, магнитооптические);

ленточные (магнитные ленты, перфоленты);

барабанные (магнитные барабаны);

карточные (магнитные карты, перфокарты, флэш-карты, и др.)

печатные платы (карты DRAM, картриджи).

По физическому принципу:

перфорационные (с отверстиями или вырезами)

перфокарта

перфолента

с магнитной записью

магнитные сердечники (пластины, стержни, кольца, биаксы)

магнитные диски

Жёсткий магнитный диск

Гибкий магнитный диск

магнитные ленты

магнитные карты

оптические

CD

DVD

HD-DVD

Blu-ray Disc

магнитооптические:

CD-MO

использующие накопление электростатического заряда в диэлектриках (конденсаторные ЗУ, запоминающие электроннолучевые трубки);

использующие эффекты в полупроводниках (EEPROM, флэш-память)

звуковые и ультразвуковые (линии задержки);

использующие сверхпроводимость (криогенные элементы);

другие.

По количеству устойчивых (распознаваемых) состояний одного элемента памяти:

двоичные

троичные

десятичныеОЗУ — техническое устройство, реализующее функции оперативной памяти. ОЗУ большинства современных компьютеров представляет собой модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые ИС ЗУ, организованные по принципу устройств с произвольным доступом. Память динамического типа дешевле, чем статического, и её плотность выше, что позволяет на том же пространстве кремниевой подложки размещать больше ячеек памяти, но при этом её быстродействие ниже. Статическая, наоборот, более быстрая память, но она и дороже. В связи с этим массовую оперативную память строят на модулях динамической памяти, а память статического типа используется для построения кеш-памяти внутри микропроцессора.

(ПЗУ) — энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных. По разновидностям микросхем ПЗУ

По технологии изготовления кристалла:

ROM — (англ. read-only memory, постоянное запоминающее устройство), масочное ПЗУ, изготавливается фабричным методом. В дальнейшем нет возможности изменить записанные данные.

PROM — (англ. programmable read-only memory, программируемое ПЗУ (ППЗУ)) — ПЗУ, однократно «прошиваемое» пользователем.

EPROM — (англ. erasable programmable read-only memory, перепрограммируемое ПЗУ (ПППЗУ)). Например, содержимое микросхемы К537РФ1 стиралось при помощи ультрафиолетовой лампы. Для прохождения ультрафиолетовых лучей к кристаллу в корпусе микросхемы было предусмотрено окошко с кварцевым стеклом.

EEPROM — (англ. electrically erasable programmable read-only memory, электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ). Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях. Одной из разновидностей EEPROM является флеш-память (англ. flash memory).

ПЗУ на магнитных доменах, например К1602РЦ5, имело сложное устройство выборки и хранило довольно большой объём данных в виде намагниченных областей кристалла, при этом не имея движущихся частей (см. Компьютерная память). Обеспечивалось неограниченное количество циклов перезаписи.

NVRAM, non-volatile memory — «неразрушающаяся» память, строго говоря, не является ПЗУ. Это ОЗУ небольшого объёма, конструктивно совмещённое с батарейкой. В СССР такие устройства часто назывались «Dallas» по имени фирмы, выпустившей их на рынок. В NVRAM современных ЭВМ батарейка уже конструктивно не связана с ОЗУ и может быть заменена.

По виду доступа:

С параллельным доступом (parallel mode или random access): такое ПЗУ может быть доступно в системе в адресном пространстве ОЗУ. Например, К573РФ5;

С последовательным доступом: такие ПЗУ часто используются для однократной загрузки констант или прошивки в процессор или ПЛИС, используются для хранения настроек каналов телевизора, и др. Например, 93С46, AT17LV512A.

По способу программирования микросхем (записи в них прошивки):

Непрограммируемые ПЗУ;

ПЗУ, программируемые только с помощью специального устройства — программатора ПЗУ (как однократно, так и многократно прошиваемые). Использование программатора необходимо, в частности, для подачи нестандартных и относительно высоких напряжений (до +/- 27 В) на специальные выводы.

Внутрисхемно (пере)программируемые ПЗУ (ISP, in-system programming) — такие микросхемы имеют внутри генератор всех необходимых высоких напряжений, и могут быть перепрошиты без программатора и даже без выпайки из печатной платы, программным способом.

Применение

В постоянную память часто записывают микропрограмму управления техническим устройством: телевизором, сотовым телефоном, различными контроллерами, или компьютером (BIOS или OpenBoot на машинах SPARC).

BootROM — прошивка, такая, что если её записать в подходящую микросхему ПЗУ, установленную в сетевой карте, то становится возможна загрузка операционной системы на компьютер с удалённого узла локальной сети. Для встроенных в ЭВМ сетевых плат BootROM можно активировать через BIOS.

Ассоциативная память (АП) или Ассоциативное запоминающее устройство (АЗУ) является особым видом машинной памяти, используемой в приложениях очень быстрого поиска. Известна также как память, адресуемая по содержимому, ассоциативное запоминающее устройство, контентно-адресуемая память или ассоциативный массив

Адресуемая содержанием память часто используется в компьютерных сетевых устройствах. Например, когда сетевой коммутатор (switch) получает фрейм данных на один из его портов, это обновляет внутреннюю таблицу с источником MAC-адреса фрейма и порта, на который он был получен. Потом он ищет MAC-адрес назначения в таблице, чтобы определить, на какой порт фрейм должен быть отправлен, и отсылает его на этот порт. Таблица MAC- адресов обычно реализована на двоичной АП, таким образом порт назначения может быть найден очень быстро, уменьшая время ожидания коммутатора.

Кэш— промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из оперативной (ОЗУ) и быстрее внешней (жёсткий диск или твердотельный накопитель) памяти, за счёт чего уменьшается среднее время доступа и увеличивается общая производительность компьютерной системы. Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша. Если в кэше не найдена запись, содержащая затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становится доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.