Принципы работы вычислительной системы
2.1. Принципы работы вычислительной системы. Основные этапы развития вычислительной техники. Архитектуры компьютеров.
2.1.1. Понятие вычислительной системы и принципы ее работы. Поколения компьютеров.
Компьютер (от английского computer– вычислитель) принято рассматривать как вычислительную систему (устройство), способную выполнять заданную, четко определенную программой последовательность операций для манипулирования различными типами данных, проведения обработки и преобразований содержащейся в них информации.
Впервые ответ на вопрос: какую систему мы называем компьютер, и какие основные элементы и устройства должны входить в его состав?, был сформулирован американским ученым Джоном фон Нейманом в виде его модели универсального вычислительного устройства «Компьютера фон Неймана», которая, в современном понимании, включает в себя четыре типа компонент:
- Вычисляющее арифметически-логическое устройство. (АЛУ). Сюда относится процессор и дополнительные микросхемы, размещенные с ним на специальной материнской плате (кэш-память, интерфейсы, чипсет, и т, д.).
- Устройство управления. (УУ) Эту функцию обеспечивает, совместно с процессором, набор микросхем материнской платы (чипсет).
- Запоминающее устройство (ЗУ) Блоки памяти для хранения обрабатываемой информации и управляющего работой АЛУ кода программ. В первую очередь это оперативная память (RAM), жесткий диск (винчестер) а также и другие типы накопителей, внутри и вне компьютера.
- Внешние устройства (периферия). Монитор, клавиатура, мышь, принтер, сканер, внешний модем, звуковые колонки и др. устройства, необходимые для ввода в компьютер и вывода из него информации различных типов.
Устройства, включающие в себя все эти компоненты, представляют автоматические средства обработки информации и первоначально назывались электронно- вычислительные машины (ЭВМ) , а в последствии компьютеры . Впервые они появились в начале 50-х годов прошлого века, хотя историю их развития принято отсчитывать с середины сороковых годов , когда почти одновременно в нескольких странах: Англии, США и СССР были созданы первые ЭВМ. Так, в 1946 году, в Пенсильванском университете американскими инженером- электронщиком Д. Эккертом и физиком Д. Моучли был создан «вычислитель» ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)[1]. Первым же, кто еще в 1812 г. сформулировал принцип универсальной вычислительной машины и принцип программного управления вычислениями был английский изобретатель Чарльз Беббидж. Автоматизацию процесса работы ЭВМ обеспечивает принцип программного управления. Согласно этому принципу решение любой задачи компьютер выполняет по программе, которая определяет последовательность его действий. Графиня Августа Ада Лавлейс (дочь поэта Байрона), как считают, создала первую программу, управляющую механическим вычислительным устройством Беббиджа. В её честь назван один из языков программирования – Ада.
Влияние элементной базы на развитие средств вычислительной техники всегда было настолько велико, что впоследствии, в зависимости от типа применяемых конструктивных элементов в ЭВМ, их отнесли к ряду поколений.
Первое поколение ЭВМ (начало50-х—конец 50-х годов) создавалось на электронных лампах, быстродействие их было, как правило, в пределах 2—3 тыс. арифметических операций в секунду. Машины предназначались в основном для решения вычислительных задач. На данном этапе программирование задач выполнялось сначала только в кодах ЭВМ (машинный код), затем появились автокоды и ассемблеры, в определенной мере автоматизирующие процесс программирования. К этому поколению ЭВМ можно отнести: DEDUCE (Англия), ENIAC, MARK-3, (США), М-20, МЭСМ, БЭСМ-1, БЭСМ-2, «Стрела», М-1, М-З, «Минск-1», «Урал-1», «Урал-2», «Урал-3» (СССР) и др. В машинах первого поколения были реализованы логические принципы построения электронно-вычислительных машин архитектуры Джона фон Неймана.
Второе поколение ЭВМ (1960—1965-х годов) конструировали на транзисторах. Новая элементная технология позволила резко повысить надежность ЭВМ, снизить габариты и потребляемую мощность, а также значительно повысить их производительность. Машины нашли широкое применение для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Кроме непосредственного доступа к ЭВМ появился пакетный режим обработки информации, включающий мультипрограммирование.
Стали строить специализированные компьютеры, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д. В рамках второго поколения все более четко проявляется дифференциация ЭВМ на малые, средние и большие, позволившая существенно расширить сферу применения ЭВМ в областях автоматизизации систем управления предприятиями и технологическими процессами. К ЭВМ второго поколения относятся IBM 7090, LARC (США), ATLAS (Англия), М-220, М-222, БЭСМ-4, , БЭСМ-6, Урал-14, Урал-16, Минск-22, Минск-32, БЭСМ-3, МИР-2, Наири, Проминь, Рута (СССР) и др.
Третье поколение ЭВМ (1965- 70-е годы) связывают с появлением ЭВМ с элементной базой на интегральных схемах (ИС) пока относительно малой степени интеграции. Развитие этого поколения серий совместимых ЭВМ, использующие ИС-технологию, началось с создания фирмой IBM (США) ряда компьютеров различной производительности-серии IBM-360/370, совместимых программно снизу вверх, обладающих возрастающими от модели к модели возможностями. Чрезвычайно важным оказалось то, что была достигнута стандартизация систем команд процессоров ЭВМ, что привело к резкому сокращению дублирования разработок программного обеспечения для компьютеров от разных производителей, а также унификацию периферийных устройств ЭВМ. Кроме того, возникли технологии работы с разделением времени и ресурсов компьютера между многими пользователями одновременно.
В СССР была создана серия Единой Системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) совместимая с серией моделей IBM-360/370. Среди других можно отметить серии мини ЭВМ PDP-8, PDP-11, B3500. В нашей стране наряду с серией ЕС ЭВМ были созданы серии малых ЭВМ (СМ ЭВМ), совместимых с известной PDP-серией.
Четвертое поколение ЭВМ (с середины 70-х годов) создано на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, и привело к появлению микро-ЭВМ. Резко возросла производительность и расширились области применения компьютеров. Еще более тесной становится связь структуры машины с ее программным обеспечением, основным становится визуально-графический способ управления работой компьютера, через операционную систему (CP/M,Windows, Unix, Linux и т.д.) – комплекс программ по управлению работой аппаратно-программной части ЭВМ и организации взаимодействия пользователя с ЭВМ.
Машины четвертого поколения можно условно разделить на пять основных классов: микро-ЭВМ и персональные компьютеры (ПК), мини-ЭВМ, специальные ЭВМ, ЭВМ общего назначения и супер-ЭВМ. К особенности применения четвертого поколения следует также отнести и создание больших информационно-вычислительных сетей, объединяющих различные классы и типы ЭВМ, а также информационно-интеллектуальных систем различного назначения.
2.1.2. Архитектура компьютера.
Принято говорить об архитектуре вычислительной системы как общей её логической организации, определяющей структурную, схемотехническую и логическую организацию процессов кодирования и обработки данных, а также принципы взаимодействия её технических средств и программного обеспечения. Архитектура компьютера составляет совокупность основных устройств, узлов и блоков, а также структуру основных управляющих и информационных связей между ними, обеспечивающую выполнение заданных функций.
Одними из наиболее общих свойств архитектуры современных компьютеров являются её открытость и магистрально-модульный принцип построения аппаратно-програм-мных средств.
Магистрально-модульный принцип построения опирается на шинную организацию связей между компонентами (модулями) компьютера. Это обеспечивает открытость системы , то есть возможность изменения и наращивания функций компьютера и разнообразных устройств, удовлетворяющих заданным стандартам, от независимых производителей, на общих шинах компьютера .
Шина (Bus) в компьютере является физическим каналом для передачи данных, адресов и управляющих сигналов между блоками и модулями компьютера, параллельно подсоединенных к ней. Состоит из набора проводников для передачи цифровых электрических сигналов между портами потребителей, принимающих их из шины согласно управляющим сигналам.
2.1.3. Особенности архитектуры современных компьютеров
Архитектура современных компьютеров отличается от классической вышеописанной архитектуры ЭВМ. Процессоры большинства современных компьютеров отличаются суперскалярной, двух и более микропроцессорной (ядерной) структурой, и специальной организацией внутреннего устройства – конвейером. В таких процессорах реализован принцип конвейеризации вычислений, заключающийся в разбиении программы в процессе ее выполнения на этапы с одновременным параллельным выполнением «конвейера» команд. Так, например, при наличии пятиступенчатого конвейера (i486) соответствующие его пять этапов включают:
- выборку команды из памяти;
- декодирование команды;
- генерацию адреса, когда определяются адреса операндов в памяти;
- выполнение операции в АЛУ;
- запись результата.
В результате, на конвейере будут находиться в различных стадиях выполнения сразу пять и более команд одновременно(сейчас десять и более). Скорость вычислений в результате возрастает кратно длине конвейера и тактовой частоте процессора. Согласовать навысшую скорость работы конвейера со значительно более низкоскоростной оперативной памятью позволяют специальные кэши(L1 и L2) . То есть, проблема быстродействия оперативной памяти решается построением многоуровневой памяти. Оперативная память состоит из основной части большой емкости (сотни – тысячи Мбайт) и строится на относительно медленных (более дешевых) элементах, а дополнительная (так называемая кэш-память) состоит из быстродействующих элементов. Данные, к которым чаще всего обращается процессор находятся в кэш-памяти первого уровня L1, работающей на частоте процессора , а больший объем оперативной информации хранится в медленной основной памяти ,скорость обмена которой и кэшем L1 согласуется через кэш L2, работающий с промежуточной скоростью обмена. Архитектура современных компьютеров предусматривает наличие каналов прямого доступа к оперативной памяти для обмена данными с устройствами ввода-вывода без участия центрального процессора, а также передачу большинства функций управления периферийными устройствами специализированным процессорам, разгружающими центральный процессор и повышающим его производительность.
Микропроцессоры, имеющие один конвейер называются скалярными, а два и более – суперскалярными.
2.1.4. Разновидности архитектур компьютеров.
По способам преобразования информации средства вычислительной техники принято разделять на три основных класса: аналоговые, цифровые и гибридные вычислительные машины (системы).
В современной вычислительной технике носителями информации являются электрические сигналы, допускающие две формы модуляции носителя – аналоговую и дискретную. При аналоговой модуляции информации, величины информационных сигналов могут принимать любые допустимые значения из заданного диапазона, плавно без разрывов переходя от одного уровня к другому. При дискретном представлении информации сигналы имеют дискретный (числовой) характер закодированной последовательности отсчетов и могут изменяться в диапазонах, ограниченных лишь числом знаков в их кодировке. При этом , информация различных типов кодируется единообразно.
Аналоговые вычислительные машины (АВМ) высоко производительны в первую очередь, при моделировании решений систем дифференциальных уравнений: в управлении непрерывными процессами; моделировании гидро- и аэродинамических задач; исследовании динамики сложных объектов, электромагнитных полей и т. д., то есть могут решать подобные задачи во много раз быстрее, чем дискретные ЭВМ. Однако АВМ принципиально не могут решать задач, связанных с хранением и обработкой больших объемов информации различного характера (типов) и задач с высокой степенью точности представления данных, с которыми легко справляются цифровые вычислительные машины (ЦВМ), использующие дискретную форму представления информации.
Преимущества вышеперечисленных типов машин совмещает гибридная вычислительная машина (ГВМ), включающая как аналоговые, так и дискретные устройства обработки информации. Однако, включение в состав цифровой вычислительной машины аналоговых устройств не универсально, т.к. во-первых, аналоговые системы не программно управляемы, как цифровые, и в своей структуре воспроизводят модель заданной конкретной специальной системы или устройства (например, станков, манипуляторов, следящих систем и т.д.); во-вторых, требуются аналогово-цифровые устройства (АЦП и ЦАП) для сопряжения аналоговых и дискретных частей, что усложняет машину и оправдывает такой гибрид лишь при целесообразности цифрового управления сложными аналоговыми процессами.
Универсальными для широкого спектра применений в настоящее время являются цифровые вычислительные машины (ЦВМ) называемые компьютерами. В зависимости от устройства, функционального назначения, используемой операционной системы и пр. в настоящее время объективно сложилась следующая классификация компьютеров в порядке роста их функциональности: персональные компьютеры, рабочие станции, серверы, мейнфреймы, кластерные архитектуры, суперкомпьютеры.
Персональные компьютеры (ПК) появились в результате эволюции мини-компьютеров при переходе от элементной базы машин с малой и средней степенью интеграции электронных элементов (ИС, БИС) на большие и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).
ПК справляются с решением широчайшего класса прикладных задач в различных областях человеческой деятельности поддерживая аппаратно создание и применение соответствующего программного обеспечения и информационных технологий. Благодаря относительно низкой стоимости, ПК очень быстро завоевали лидирующие позиции на компьютерном рынке и создали предпосылки для разработки все новых программных средств, ориентированных на конечного пользователя. Прежде всего – это «дружественные пользовательские интерфейсы», а также мощные инструментальные средства и графические проблемно-ориентированные среды для автоматизации разработки прикладных информационных технологий.
Создание RISC-процессоров и микросхем памяти емкостью от 8 до 265 Мб привело к окончательному оформлению настольных 32- разрядных, а затем и 64-разрядных систем высокой производительности в рабочие станции. Первоначальная ориентация рабочих станций на профессиональных пользователей (в отличие от ПК, которые в начале ориентировались на широкого потребителя) привела к тому, что рабочие станции – это специализированные компьютерные системы. В них высокое быстродействие АЛУ сочетается с большим объемом оперативной и внешней памяти, высокопроизводительными внутренними магистралями, особо высококачественной и быстродействующей графической подсистемой и разнообразными специальными устройствами ввода/вывода. Это свойство отличает рабочие станции среднего и высокого класса от ПК общего назначения.
Создание компьютерных сетей и повсеместное широкое использование сетевых компьютерных технологий привело к необходимости создания специализированных компьютеров – серверов. Они предназначены для управления работой компьютерной сети, хранения и предоставления пользователю вычислительных и общих файловых ресурсов, а также периферийных устройств. То есть, сервер обладает увеличенными техническими характеристиками (памятью, быстродействием, мультипрограммным многопользовательским режимом обслуживания рядовых пользователей – клиентов).
В распределенной модели «клиент-сервер» большую часть работы выполняет сервер, а меньшую часть – пользовательский компьютер. Существует несколько типов серверов, ориентированных на разные применения: файл-сервер, сервер базы данных, принт-сервер, вычислительный сервер, сервер приложений. Таким образом, тип сервера определяется видом ресурса, которым он владеет (файловая система, база данных, принтеры, процессоры или прикладные пакеты программ).
2.1.4.4. Мейнфреймы
Мейнфрейм – это синоним понятия «большая универсальная ЭВМ». Мейнфреймы и до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Они могут включать один или несколько процессоров, каждый из которых, в свою очередь, может оснащаться векторными сопроцессорами (ускорителями операций с суперкомпьютерной производительностью). Например, : IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4, VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000.
В плане архитектуры мейнфреймы представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. При этом основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные процессоры обеспечивают работу с широкой номенклатурой периферийных устройств.
2.1.4.5. Кластерные архитектуры
Термин «кластеризация» на сегодня в компьютерной промышленности имеет много различных значений. Строгое определение могло бы звучать так: «объединение машин, представляющихся единым целым для операционной системы, системного программного обеспечения, прикладных программ и пользователей». Кластером называется объединение двух и более серверов, работающее как один сервер для повышения производительности и надежности. Машины, объединенные вместе таким способом, могут при отказе одного процессора очень быстро перераспределить работу на другие процессоры внутри кластера. Это, возможно, наиболее важная задача для многих поставщиков систем высокой надежности и безотказности.
2.1.4.6. Суперкомпьютеры
В середине 2000 г. компания IBM создала один из самых мощных в мире суперкомпьютеров, работающий на скорости 12.3 teraflops (триллионов операций в секунду).
Суперкомпьютер RS/6000 SP занимает площадь размером с баскетбольное поле и для доставки монстра с завода Поугкипси компании IBM в штате Нью-Йорк потребовалось 28 трейлеров. Ориентировочная стоимость RS/6000 SP составляет 110 млн. долларов. С помощью нового суперкомпьютера можно с успехом моделировать многие ядерные процессы, что позволит отказаться от испытания атомного оружия. Хотя считают, что для того, чтобы адекватно моделировать испытания атомного оружия, необходим еще более мощный суперкомпьютер с производительностью 100 teraflops.
RS/6000 SP построен на базе 8192 процессоров, имеет оперативную память размером 6 TB (триллионов байт) и дисковое пространство 160 TB. Для сравнения: RS/6000 SP в 1000 раз мощнее своего знаменитого предшественника «Deep Blue», которому удалось выиграть шахматный матч у чемпиона мира Гарри Каспарова в 1997 г. В рамках проекта ASCI White планируется разработать суперкомпьютеры мощностью 1, 3, 10, 30 и 100 teraflops.
В России в конце 1999 года группа компаний “Эльбрус” заявили о разработке нового супермикропроцессора E2K, в котором была применена новая методика двоичной компиляции. Этот микропроцессор превосходил по производительности лучшие разработки компаний Intel и AMD того времени. Супермикропроцессор E2K входит в состав суперкомпьютера, предназначенного для использования в ЭВМ по заказу Министерства обороны.
[1] Устройством, предшественником ENIAC, по легенде, называлась цифровая вычислительная машина ABC (Atanasoff–Berry Computer),созданная профессором Джоном Атанасовым и студентом Клиффордом Бери в университете штата Айова в начале 40-ых годов. Прототип первой ЭВМ в СССР был создан в г. Киеве под руководством С. Лебедева также в конце 40-ых годов прошлого века.
иииииииииии