Основные характеристики ЭВМ. Классификация средств электронной вычислительной техники

     В супер ЭВМ – ОКМД. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединение между процессорами соответствующие реализуемым математическим событиям. Структуры ВС этого типа по существу являются структурами специализированных super – ЭВМ. 
 

МКОД – предполагает построение своеобразного процессорного  конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Прототипом таких вычислений может служить схема любого производственного конвейера, в современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, в которой параллельно работают различные функциональные блоки и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки команды. 

МКМД – все  процессоры системы работают со своими  программами с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. 

Комплексирование  ВС.

1.Понятие совместимости.

2.Пути передачи  данных.

3.Уровень прямого  управления.

4.Уровень общей  оперативной памяти.

5.Уровень комплексируемых  каналов ввода/вывода.

6.Уровень устройств управления внешними устройствами.

7.Уровень общих  внешних устройств.

1.Для построения  вычислительных систем необходимо, чтобы элементы или модули  комплексируемые в систему были  совместимы. Понятие совместимости имеет 3 аспекта: аппаратурный (технический), программный или информационный.

Техническая совместимость  предполагает, что ещё в процессе разработки аппаратуры обеспечиваются следующие условия: 1)подключаемая друг к другу аппаратура должна иметь  единые стандартные унифицированные  средства соединения: кабели, число проводов в них, единое назначение проводов, разъёмы, заглушки, адаптеры, платы и т.д. 2)параметры электрических сигналов, которыми обмениваются технические устройства, тоже должны соответствовать друг к другу: амплитуды импульсов, полярность, длительность и т.д. 3)алгоритмы взаимодействия (последовательность сигналов по отдельным проводам не должны вступать в противоречие друг с другом.  

2.В создаваемых  вычислительных системах стараются  обеспечить несколько путей передачи данных, что позволяет достичь необходимой надёжности функционирования, гибкости и адаптируемости конкретным условием работы. Эффективность обмена информации определяет сложностью передачи и возможными объёмами данных, передаваемых по каналу взаимодействия. 

Машинные  коды

     Прямой код дворичного числа образуется из абсолютного значения этого числа и кода знака (0 - + или 1 - -) перед его старшим числовым разрядом.

A10=10             A2=1010            [A2]n=0:1010-прямой машинный код числа 10.

Обратный код дворичного числа образуется по следующему правилу. Обратный код положительных чисел совпадает с их прямым кодом. Обратный код отрицательного числа содержит единицу в знаковом разряде числа, а знающие разряды числа заменяются на инверсные, т.е. 0-заменяется 1, а 1-0.

А10=5   А2=101  [А2]4-[A2]=0:101              [A2]4=1:101

 Своё название  обратный код чисел получил  потому, что коды цифр отрицательного числа заменены на инверсные. Наиболее важные свойства обратного кода чисел сложения положительного числа с его отрицательным значением в обратном ходе даёт машинную единицу МЕ ОN. Дополнительный код положительных чисел совпадает с его прямым кодом. Дополнительный код отрицательного числа представляет собой результат суммирования обратного кода числа с единицей младшего разряда ((2 – 1) для целых чисел) ((2  ) для дробных чисел).

А10-19А2=(10011)

[А2]n=0:10011

[A2]n=[A2]oк=[A2]ДК=0:10011

А10=-13  А2=-1101

[A2]ок=1:0010

[A2]n[A2]ок=[A2]ДК=1:1101 

      Основные свойства дополнительного кода. Сложение дополнительных кодов положительного числа с его отрицательным значением даёт машинную единицу дополнительного кода. Дополнительный код получил название потому, что представление отрицательных чисел является дополнением прямого кода чисел до машинной единицы дополнительного кода.

Модифицированные  коды и обратные дворичных чисел  отличаются соответственно от обратных и дополнительных кодов удвоенным значением знаковых разрядов знак + в этих кодах кодируется двумя нулевыми знаковыми разрядами, а – двумя единичными разрядами.

А10=9

[A2]n=0:1001          [A2]n=1:1001  

[A2]ок=0:1001        [A2]ок=1:0110

[A2]дк=0:1001        [A2]дк=1:0111

[A2]Мок=00:1001   [A2]Мок=11:0110

[A2]Мдк=00:1001   [A2]Мдк=11:0111 
 

    Программная совместимость (Soft Ware) требует чтобы программы, передаваемые из одного технического средства в другое, были правильно поняты и выполнены другим устройством.

Информационная  совместимость комплексируемых  средств предполагает, что передаваемые информационные массивы будут одинаково  интерпретироваться стыкуемыми модулями ВС. Должны быть стандартизированы алфавиты, разрядность, форматы структура и разметка файлов, томов. В создаваемых ВС стараются обеспечить несколько путей передачи данных, что позволяет достичь необходимой надёжности функционирования, гибкости и адаптируемости к конкретным условиям работы. Эффективность обмена информацией определяется скоростью передачи и возможными объёмами данных, передаваемыми по каналу взаимодействия. Эти характеристики зависят от средств, обеспечивающих взаимодействие модулей и уровня управления процессами, на котором это это взаимодействие осуществляется сочетание различных уровней и методов обмена данными между модулями ВС наиболее плотно представлено в универсальных супер ЭВМ и больших ЭВМ, с которых сбалансировано использовались все методы достижения высокой производительности. В этих машинах предусматривались следующие уровни комплексирования:

1. прямого управления (процессор-процессор);
2. общей оперативной памяти;
3. комплексируемых каналов ввода\вывода;
4. устройств управления внешними устройствами (УВУ);
5. общих внешних устройств.

На каждом из этих уровней используются специальные  технические и программные средства, обеспечивающие обмен информацией.

3.Уровень прямого  управления служит для передачи  коротких однобайтовых приказов сообщений. Последовательность взаимодействия процессоров сводится к следующему. Процессор инициатор обмена по интерфейсу прямого управления байт – сообщения и подаёт команду прямое чтение и записывает передаваемый байт в свою память, затем принятая информация расшифровывается и по ней принимается решение. После завершения передачи прерывания скрываются и оба процессора продолжают вычисления по собственным программам следовательно уровень прямого управления не может использоваться для передачи больших массивов данных, однако оперативные взаимодействия отдельными сигналами широко используется в управлении вычислениями.

4.Является более  предпочтительной для оперативного  взаимодействия процессора. В этом  случае ООП эффективно работает  при небольшом числе обслуживаемых абонентов.

5.Уровень общей  оперативной памяти предназначается  для передачи больших объёмов  информации между блоками оперативной  памяти сопрягаемых в вычислительной системе. Обмен данными между ЭВМ осуществляется с помощью адаптера канал-канал (АКК) и команд чтения и записи. Адаптер – это устройство согласующее скорости работы сопрягаемых сигналов. Обычно сопрягаются селекторные программы (СК) каналы машин, как наиболее быстродействующие. Скорость обмена данными определяется скоростью самого медленного канала. Скорость передачи данных по этому уровню составляет несколько Мб/1сек. В ПЭВМ данному уровню взаимодействия соответствует подключение современной аппаратуры через контролёры адаптеры.

6.Предполагает  использование встроенного в  УВУ двухканального переключателя и команд зарезервировать и освободить. Двухканальный переключатель позволяет УВУ одной машины и селекторными каналами различных ЭВМ. По команде зарезервировать канал инициатор обмена имеет доступ через УВУ к любым накопителям на жёстких дисках и на магнитных лентах. УВУ магнитных дисках и лент совершенно различные устройства обмен канала с накопителями продолжает до полного завершения работ и получения команды освободить. Только после УВУ может подключиться к конкурирующему каналу, только такая дисциплина обслуживания требований позволяет избежать конфликтных ситуаций на 4 уровне с помощью аппаратуры передачи данных (АПД) (мультиплексоры, адаптеры, сетевые модемы) имеется возможность сопряжения с каналами связи – эта аппаратура позволяет создавать сети ЭВМ.

7.Предполагает  использование общих внешних  устройств. Для подключения отдельных устройств используются автономный двухканальный переключатель.

Таблица: 

Типовые структуры вычислительных систем.

1.Структура ВС.

2.Классификация  уровней программного параллелизма.

3.Улучшение классической  структуры ЭВМ.

4.Многофункциональная  обработка.

5.RISC CISC компьютеры.

6.VLIW компьютеры.

7.Средства реализации  программного параллелизма.

1.Каждая структура  вычислительной системы эффективно обрабатывает лишь задачи определённого класса, при этом необходимо, чтобы структура вычислительной системы максимально соответствовало структуре решаемых задач, только в этом случае система обеспечивает максимальную производительность универсальную структуру вычислительной системы одинаково хорошо обрабатывающей задачи любого типа не существует.

2.Классификация  уровней  программного параллелизма.

1.Включает в  себя 7 позиций.

2.Независимые  задания.

3.Отдельные  части задания.

 4.Программы и подпрограммы.

5.Циклы и  итерации.

6.Операторы  и команды.

7.Фазы отдельных  команд.

       Для каждого из них имеются специфические свойства параллельной обработки апробированные в различных структурах вычислительных систем. Для каждого вида параллельных работ имеются структура вычислительных средств используемых в различных системах. Верхние три уровня включающие независимые задания или части заданий и отдельные программы имеют единое средство параллельной обработки. Мультипроцессирование т.е. многопроцессорные вычислительные системы относящиеся                                                  программные циклы и итерации требуют использования векторной обработки (ОКМД). Операторы и команды выполняемые ЭВМ ориентированы на многофункциональную обработку. Параллельная обработка фаз последовательно выполняемых команд приводит к организации конвейера команд. Рассмотрим возможные структуры ВС, которые обеспечивают перечисленные виды программного параллелизма.

3.ОКОД структуры.

     Данный тип архитектуры объединяет любые системы в однопроцессорном (одновременном) варианте. За 50л. развития ЭВТ классическая структура ЭВМ претерпела значительное совершенствование, однако основной принцип программного управления не был нарушен. Данная структура оказалась сосредоточенной вокруг ОП, т.к. именно цепь “процессор ОП” во многом определяет эффективную работу ПК. При выполнении каждой команды необходимо неоднократное обращение к ОП: Выбор команды, операндов, отсылка результатов и т.д. Перечислим несколько улучшений классической структуры ЭВМ ставших в настоящее время определёнными стандартами при построении новых ЭВМ:

      Иерархическое построение памяти ЭВМ, появлении сверхоперативной памяти и КЭШ памяти разделения процессов ввода/вывода и обработки задач появления систем прерывания и приоритетов и т.д. В этом ряду следует рассматривать организацию конвейера последовательно выполняемых команд: Формирование адреса команды, выбор команды, формирование адресов и выбор операндов. Выполнение команды, запись результата, однако примитивная организация памяти (память одномерна и линейна) не позволяет организовать длинный и эффективный конвейер. Линейные участки современных команд, редко превышают десяток полтора последовательно выполняемых команд, поэтому конвейер часто перезапускается, что снимает производительность ЭВМ в целом.

4.Технология  сверхбыстрых интегральных схем.

Многофункциональная обработка обеспечивается следующими специализированными средствами обработки умножителями, делителями, сопроцессорами или блоками десятичной арифметики. Сопроцессорами обработки графической информации и др.

5.RISC и CISC – компьютеры.

       В последние годы широко используются ещё несколько модификаций классической структуры. В связи с достижением в микроэлектронике появилась возможность построения RISC компьютера. Reduced Instruction SET Computing. ЭВМ с сокращённом набором команд. ЭВМ предыдущих поколений не имели большой сверхоперативной памяти, поэтому имели достаточно сложную систему команд. CISC – в этих машинах большую долю команд составляли команды типа “память-память”, в которых операнды и результаты операций находились в оперативной памяти. Время обращения к памяти и время вычислений относились 5 к 1.

В RISC машинах с большой сверхоперативной памятью, большой удалённый вес составляет операции регистр-регистр и отношение времени обращения к памяти по времени вычислений составляет 2 к 1, поэтому в RISC машинах основу системы команд составляет наиболее употребительные «короткие операции» типа алгебрического сложения. Сложные операции выполняются, как подпрограммы состоящие из простых операций – это позволяет значительно упростить внутреннюю структуру процессора, уменьшить фазы дробления конвейерной обработки и увеличить частоту работу конвейера. Недостатки такой системы усложнения процедур обмена данными между регистрами и сверхоперативной памяти и КЭШ памяти с оперативной памятью.