Ильин А.А., Евсюков В.В., Ильин Р.А. Информатика
Подождите немного. Документ загружается.
–
31
–
С середины шестидесятых до середины семидесятых созданы и
использовались ЭВМ третьего поколения на основе микросхем малой степени
интеграции. Именно в это время был изобретен первый микропроцессор
(1969г.), а в 1971 году появился четырехразрядный процессор Intel 4004,
содержащий 2300 транзисторов на одном кристалле, с тактовой частотой 108
кГц и быстродействием около 60000 операций/сек. С этого момента
и до
настоящего времени Intel лидирует в области развития микропроцессорной
техники. В этот период была разработана концепция RISC- процессора
(Reduced Instruction Set Computer), однако распространение RISC- процессоры
получили в 80-х годах. С начала семидесятых годов началось производство
отечественных машин Единой Серии (ЕС ЭВМ), программно совместимых друг
с другом. Габариты ЭВМ уменьшались, появилась возможность работы на
ЭВМ с
удаленных терминалов. В конце шестидесятых годов были созданы
знаменитые мини-ЭВМ PDP-11 и серия машин IBM System 370.
Четвертое поколение ЭВМ приходится на период с середины
семидесятых до середины восьмидесятых годов. Элементной базой ЭВМ
служили большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные микросхемы.
Появляются компьютеры на микропроцессорах. Кристалл i8088 (IBM) был
использован в известном персональном компьютере IBM PC (1981г.). Он
имел
16-разрядный процессор с частотой 4.77МГц и быстродействием около 0,33
млн. операций/сек, ОЗУ до 640 Кбайт, накопитель на гибких магнитных дисках
с форм-фактором 5.25 дюйма. В качестве операционной системы
использовалась PC_DOC 1.0 (MS-DOS). Компьютер имел открытую
архитектуру, что способствовало в дальнейшем появлению IBM PC-
совместимых компьютеров. Начинается массовое производство ПК.
Одновременно разрабатываются и совершенствуются мощные
многопроцессорные
вычислительные системы.
Эпоха компьютеров пятого поколения началась с середины
восьмидесятых годов. С этого времени имела место огромная миниатюризация
элементной базы. Количественные изменения повлекли за собой качественные.
Произошел резкий рост производительности компьютеров. Появляются 32- и
64-разрядные процессоры. Создаются компьютеры с десятками, а затем и
сотнями параллельно работающих процессоров. Реализуется векторно-
конвейерная структура
обработки данных. Разрабатываются нейроподобные
вычислительные системы. Наступил период широкомасштабного внедрения
компьютерных сетей. Пятое поколение компьютеров ориентировано на
интеллектуализацию информационных технологий, включая возможность
самообучения, ассоциативную обработку информации, реализацию
нейросетевых систем, обеспечение взаимодействия с компьютером на
естественном языке пользователя и т.п.
–
32
–
Среди ряда технических характеристик, определяющих свойства ЭВМ и
ВС, для большинства главной является производительность (вычислительная
мощность). Основными направлениями достижения высокой
производительности являются: повышение быстродействия входящих в состав
системы модулей; усиление эффективности процесса обмена данными между
модулями системы, а также между модулями и внешней средой; организация
параллельной работы модулей как в процессе
обработки данных, так и при их
вводе и выводе конечных результатов.
Среди ряда критериев, используемых при классификации современных
ЭВМ и ВС, важнейшими являются: типы потенциально решаемых на ЭВМ и
ВС задач и их вычислительные возможности. В соответствии с типом
решаемых задач ЭВМ и ВС подразделяются на универсальные и
специализированные.
Универсальные
ЭВМ и ВС ориентированы для решения широкого круга
задач, встречающихся в различных областях человеческой деятельности. Для
них характерны высокая производительность, широкий диапазон
представления данных, высокая точность вычислений, возможность обработки
данных по любым алгоритмам, развитая структура системы ввода-вывода для
подключения широко спектра внешних устройств.
Специализированные ЭВМ и ВС применяются как при
выполнении
разнообразных узкоспециализированных задач, так и при реализации
определенных видов функций; подобная специализация позволяет упростить
структуру устройств и понизить их стоимость. Они широко используются в
военной, аэрокосмической, телекоммуникационной и других отраслях, когда
важную роль играют существенные ограничения по массе, размерам,
потребляемой электроэнергии. Значительно применение однокристальных
ЭВМ в качестве микроконтроллеров при
управлении техпроцессами.
Перспективным направлением развития специализированных ЭВМ и ВС
является использование нейросетевых технологий при создании
интеллектуальных систем. Нейросетевые системы, реализованные в виде
специализированных плат расширения, называют нейроускорителями.
Системы, реализованные в виде функционально законченных
специализированных вычислительных устройств, называют
нейрокомпьютерами. Элементной базой перспективных нейровычислителей
служат: нейрочипы, представляющие собой процессорные матрицы
(систолические процессоры)
на основе RISC–процессоров, встраиваемые
микроконтроллеры, программируемая логика, транспьютеры (транспьютер –
микросхема, содержащая процессор, средства межпроцессорной связи,
собственное ОЗУ и средства доступа к ВЗУ), цифровые сигнальные
процессоры. Эффективное применение нейрокомпьютеров характерно, в
частности, для случаев, требующих резкого сокращения времени обработки
–
33
–
при решении пространственных задач повышенной размерности, например при
проведении ситуационного анализа в экономике, обработке изображений,
слежении за движущимися объектами, распознавании образов, распаковке
сжатых аудио- и видеоданных, маршрутизации информационных потоков и др.
Классификация универсальных ЭВМ в соответствии с их
вычислительными возможностями приведена на рис.2.1.
СуперЭВМ представляют собой наиболее мощные ЭВМ,
ориентированные на
достижение максимальной производительности.
Потребителями суперЭВМ являются крупные университеты и государственные
учреждения. Стоимость отдельных экземпляров суперЭВМ достигает сотен
миллионов долларов.
ЭВМ и ВС
СуперЭВМ
МэйнфреймКластер ПК
СпецЭВМ
Рис.2.1. Классификация ЭВМ и ВС
Высокопроизводительные приложения в различных областях
(космологии, гидрологии, молекулярной биологии и т.д.) требуют огромных
компьютерных ресурсов: быстродействия 0,2-20 TFLOPS; 100-200 Гбайт
основной памяти, 1-2 Тбайт дисковой памяти; 0,2-0,5 Гбайт/с по пропускной
способности
Согласно 23-у выпуску рейтинга TOP500 (составляется каждые полгода
учеными Университета штата Теннеси и Университета Мангейма) в первой
половине 2004 г. на 1-м месте находится суперкомпьютер Earth-Simulator
фирмы NEC с производительностью 35,86 TFLOPS. В первой десятке наиболее
производительных компьютеров - 8 производства США, по одному компьютеру
из Японии (7-е место) и Китая (10-е место, производительность компьютера 8
TFLOPS). Российский суперкомпьютер МВС 1000М производительностью
743,6 GFLOPS занимает в списке 391-е место. Высокая вычислительная
мощность суперкомпьютеров достигается за счет применения в
них сотен, а в
самых производительных моделях - тысяч процессоров. Тестирование
суперкомпьютеров осуществляется посредством решения сложных систем
линейных уравнений (используется бенчмарк-тест Linpack).
В области высокопроизводительных систем в процессе их развития имела
место эволюция архитектур: от векторных систем (PVP) к машинам с массовым
параллелизмом (МПП) и далее к машинам с симметричным
мультипроцессированием на
базе разделяемой памяти (SMP).
–
34
–
Мэйнфрейм (mainframe) – любая большая ЭВМ. Мэйнфреймы - это
класс больших ЭВМ, занимающих нишу между суперЭВМ, с одной стороны, и
мощными ПК, с другой стороны.
Основное отличие мэйнфреймов от ПК заключается в следующем:
мэйнфреймы обеспечивают высокий уровень надёжности благодаря
избыточности аппаратного обеспечения; ОС для мэйнфреймов
оптимизированы под пакетный режим обработки данных; программы для
них
пишутся на широко известных языках третьего поколения.
Около двадцати лет назад наиболее популярными типами ЭВМ были
мэйнфреймы семейства IBM-360/370 (у нас отечественные аналоги - серия ЕС).
Обработка данных с помощью мэйнфреймов имела свои преимущества, в
определенной мере утраченные позже, в эпоху ПК. К ним, в частности,
относились: возможность коллективного использования ресурсов
и
оборудования (центрального процессора, ОЗУ, ВУ); централизованное
хранение данных. Однако недостатком мэйнфреймов было отсутствие
персонализации рабочей среды пользователя. Архитектура «клиент-сервер»
является в определенной степени возвратом к прежней мэйнфреймовой
модели.
Распространенным типовым представителем систем уровня мэйнфреймов
является серия IBM ES/9000. Так ЭВМ ES/9021 model9000 имеет 6 векторных
процессоров, основную память в 9 Гбайт, производительность в тысячи MIPS,
256
каналов ввода/вывода с использованием оптико-волоконных кабелей.
Одним из важнейших направлений использования мэйнфреймов является
применение в качестве больших серверов вычислительных сетей.
Мэйнфреймы – это мощный фундамент с требуемыми уровнями безопасности
и надёжности, на котором базируется большинство Internet-технологий.
Традиционно мэйнфреймы находят эффективное применение при решении
крупных научных, технических задач, при проведении ситуационного
моделирования в экономике, что предполагает наличие больших
вычислительных ресурсов.
Кластер представляет собой совокупность компьютеров, объединенных в
рамках некоторой сети для решения единой задачи с обеспечением высокого
уровня производительности и надежности. Кластерная технология организации
ВС с использованием нескольких ЭВМ как единого целого с целью повышения
быстродействия вычислительной платформы и увеличения надежности
системы в целом явилась альтернативой дорогих уникальных решений,
реализуемых в классе суперЭВМ типа IBM SP, Intel Paragon, Cray T3D/T3E и
ряде других.. В отличие от глобальных сетей на кластерном уровне
конфигурирование общего пространства доступных ресурсов производится за
счёт единой политики администрирования в рамках кластера.
–
35
–
В качестве вычислительных узлов обычно используют доступные на
рынке однопроцессорные ЭВМ, двух- или четырехпроцессорные SMP-
серверы. Состав и мощность узлов могут изменяться даже в рамках одного
кластера, что позволяет создавать неоднородные системы. В качестве
коммуникационного канала могут использоваться обычные сетевые
технологии (Ethernet, ATM и др.), разделяемые шины ввода-вывода (SCSI или
PCI) и другие интерфейсы.
Типовым примером решения можно считать
вычислительный кластер НИВЦ МГУ им. М. Ломоносова, включающий 12
двухпроцессорных серверов “Эксимер” на базе процессоров Intel Pentium
III/500 МГц и обеспечивающий суммарную пиковую производительность 12
GFLOPS. Вычислительные узлы кластера (12 узлов) соединены
однонаправленными каналами сети SCI и одновременно подключены к
центральному серверу через сеть Fast Ethernet и коммутатор. Максимальная
скорость обмена в приложениях пользователей составляет
более 80 Мбайт/с, а
время латентности (интервал времени между запросом и ответом) около 5,6
мкс.
Специализированные ЭВМ находят широкое применение в различных
сферах человеческой деятельности, в том числе, на транспорте (управление в
широком смысле автомобилями, самолетами и др.), в здравоохранении
(различного рода медицинское оборудование), в управлении технологическими
процессами (специализированные контроллеры) и
др. Велика роль
специализированных ЭВМ в обеспечении требуемого уровня
обороноспособности страны. Как правило, в специализированных решениях
основное внимание при разработке уделяется усилению тех или иных частных
характеристик, например, малому энергопотреблению, высокой
вибростойкости, работоспособности в большом температурном диапазоне,
повышенной надежности и др.
Персональный компьютер предназначен для индивидуального
использования.
По характеру выполняемых
в рамках компьютерных сетей функций
используемые ЭВМ подразделяются на серверы и рабочие станции.
Сервер представляет собой ЭВМ в составе компьютерной сети,
осуществляющую управление этой сетью или её частью и предоставляющую
свои ресурсы в коллективное пользование.
Основными предъявляемыми к серверу требованиями являются:
производительность, безотказность и управляемость. Стандартом де-факто для
универсальных серверов
среднего уровня в последние годы стало
использование как минимум двухпроцессорных систем на базе
специализированных серверных плат, а также RAID-контроллеров, SCSI-
дисков и сдвоенных источников питания с возможностью “горячей” замены
(без выключения питания).
–
36
–
В настоящее время на системных платах серверов в основном используют
чипсет Server Works Server Set III LE, обеспечивающий поддержку двух
независимых 64 битных PCI-шин с частотой системной шины 133 МГц. Плата
обеспечивает поддержку как одно, так и двухпроцессорной SMP-конфигурации
(Symmetric Multi-Processing); максимально поддерживаемый объем ОЗУ
составляет 4 Гбайт. В серверах устанавливают как несколько
высокоскоростных SCSI-дисков, так и дисковый RAID-массив,
обеспечивающие как
безотказность в работе, сохранение данных, так и
повышение производительности системы в целом. Технология Load Balancing
позволяет на базе нескольких серверных сетевых карт со стандартом Fast
Ethernet или одной многопортовой сетевой карты организовать единый канал с
высокой пропускной способностью.
Современные серверы осуществляют автоматический перезапуск ОС при ее
зависании, используют средства восстановления данных при аварийных
ситуациях
в соответствии с заранее заданными администратором
последовательностями действий (сценариями).
Среди серверов популярно семейство из шести оптимизированных
моделей серии AS/400 (IBM). В них используются 64-разрядные RISC-
процессоры шестого поколения, которые работают не только в качестве
центрального процессора (можно установить от одного до 24 процессоров), но
и на всех контроллерах ввода-вывода и картах памяти. Серверы платформы
IBM AS/400 являются единственным в области компьютерной индустрии
продуктом, получившим национальную премию США за качество (премия
вручается продуктам, существенно облегчающих жизнь всему человечеству).
Рабочие станции (work station) представляют собой ЭВМ со средствами
поддержки работы в компьютерной сети и специализированные для
выполнения задач в определенных предметных областях
В общем случае универсальную ЭВМ можно представить в
виде единой
совокупности функциональных модулей (устройств) для обработки и хранения
данных, коммуникационной среды для доставки данных и различного ПО
(рис.2.2).
Применительно к сложным вычислительным системам их обобщенная
структура определяется аналогичным образом в виде ряда взаимосвязанных
специализированных подсистем: процессорной (процессоры, основная память и
системный интерфейс), внешней памяти (внешние запоминающие устройства и
их интерфейсы), ввода-вывода (устройства для ввода и вывода данных, а также
внешние интерфейсы), видеоподсистемы (дисплеи, графические ускорители).
Каждая из подсистем органично включает в себя как аппаратные (hard), так и
поддерживающие их программные (soft) средства. Конкретное наполнение той
или иной подсистемы и ее функциональные возможности определяются
классом задач, на решение которых ориентирована
та или иная система.
–
37
–
Модульный принцип построения ЭВМ и ВС обеспечивает реализацию
одного из важных свойств современных систем - масштабируемости,
позволяющего как расширять функциональные возможности самой системы,
так и создавать более сложные системы из совокупности менее сложных.
Устройства
ввода
Процессор
Интерфейс
Внешние
запоминающие
устройства
Устройства
вывода
Основная
память
Рис.2.2. Обобщенная структура ЭВМ
Процессор – функционально законченное программно-управляемое
устройство, предназначенное для обработки данных. Основное
функциональное назначение процессора - обработка данных с максимальной
производительностью, а также реализация основных функций по управлению
системой в целом.
Понятие микропроцессор акцентирует внимание на технической
реализации процессора в виде сверхбольшой интегральной микросхемы
(СБИС). Основными функциями
процессора являются: выборка команд из
основной памяти, их дешифрация и выполнение; обслуживание запросов от
внешних устройств (ВУ); чтение данных из ВУ и вывод на них результатов
обработки; формирование сигналов управления различными устройствами
ЭВМ. Для ускорения процессов выполнения специализированных трудоемких
вычислительных операций при обработке данных в ряде случаев
дополнительно применяют специализированные
процессоры - сопроцессоры,
выполненные в виде отдельных микросхем (например, математический
сопроцессор для выполнения операций с плавающей точкой).
Важнейшими параметрами устройств памяти являются: быстродействие,
объем памяти, надежность хранения данных и стоимость единицы памяти. С
учетом оптимизации этих параметров в общей иерархии структуры памяти
ЭВМ выделяют основную память, состоящую из оперативного (ОЗУ) и
постоянного (ПЗУ) запоминающих устройств, и внешние запоминающие
устройства (ВЗУ).
–
38
–
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и чтения
программ и данных, необходимых для организации процесса обработки данных
в текущий момент времени. Как системные программы, так и пользовательские
приложения перед их непосредственным выполнением загружаются в ОЗУ и
запускаются оттуда. Помимо собственно обрабатываемых данных и программ в
ОЗУ размещаются промежуточные результаты обработки, не
требующие
последующего сохранения. Эффективное использование быстродействующей
электронной памяти позволяет резко повысить производительность системы в
целом, благодаря уменьшению количества обращений к другим
медленнодействующим типам ВЗУ. Главным достоинством ОЗУ является
возможность обращения к любой ячейке памяти по конкретному адресу с
минимальным временем доступа, достигающим уровня десятка наносекунд.
Критичность объема памяти особенно актуальна
при работе в многозадачном
режиме, при этом недостаточный её объем приводит к резкому замедлению
скорости их решения либо решение вообще становится невозможным. Известно
утверждение, что для операционной системы Windows много памяти не бывает.
ПЗУ используется для хранения неизменяемых данных и программ и
допускает только режим их считывания. В частности, оно применяется для
хранения программы BIOS (Basic Input-Output System - базовая система ввода-
вывода). В отличие от ОЗУ память в ПЗУ является энергонезависимой.
На внешние запоминающие устройства ВЗУ возлагаются функции
надежного и долговременного хранения данных и программного обеспечения
(ПО), а также осуществление операций чтения/записи с высокой скоростью.
Внешняя память включает в себя все виды накопителей (винчестер; стример
;
дисководы для работы с дискетами, CD-ROM, CD-RW, DVD, магнитооптикой и
др.), а также контроллеры для управления ими. Накопитель – это устройство
для записи/чтения данных на носитель определенного вида. Различают
накопители со съемными носителями (дискеты, магнитные ленты, оптические
диски и др.) и с фиксированными носителями (винчестеры).
Устройства для ввода и вывода данных обеспечивают обмен
данными с
внешней средой, включая взаимодействие с пользователем. К устройствам
ввода относятся клавиатура, манипулятор типа мышь, сканер, графический
планшет и др. К устройствам вывода относятся дисплей, принтер,
графопостроитель (плоттер) и др. Многие устройства способны выполнять
функции как ввода, так и вывода. К подобным устройствам относятся средства
межмашинной связи и телекоммуникаций (
сетевой адаптер, модем), сенсорный
экран и др. С учетом специфики применения отдельно можно выделить
средства мультимедиа, включающие в себя устройства речевого ввода и
вывода на базе звуковых плат, графические ускорители, специализированные
видеоконтроллеры с возможностью ввода в ЭВМ изображений с выхода
–
39
–
видеокамеры (видеомагнитофона), TV-тюнеры для приема и просмотра на
дисплее телевизионных программ и др.
Для сопряжения различных устройств ЭВМ между собой используется
интерфейс, представляющий собой совокупность электрических линий связи,
схем сопряжения с компонентами ЭВМ, а также протоколов передачи и
преобразования сигналов.
Огромное различие в быстродействии центрального ядра (процессора и
основной памяти)
и других устройств ЭВМ предопределяет усиленное
внимание к организации передачи данных, что позволяет сбалансировать
производительность ядра и пропускную способность средств ввода-вывода.
Отличительной особенностью современных ЭВМ является наличие в их
составе специализированных средств, предназначенных для организации связи
и управления передачей данных между внешними устройствами и центральным
ядром. В зависимости от сложности
ЭВМ они могут быть реализованы в виде
канала ввода-вывода (периферийного процессора) в больших ЭВМ, канала
прямого доступа к памяти в персональных компьютерах (КПДП),
программного канала в простейших ЭВМ и устройствах.
Физически каналы ввода-вывода реализуются на основе
специализированных процессоров (процессоры ввода-вывода), имеющих
собственную систему команд, ориентированную на непосредственное
управление операциями по вводу и выводу данных. Основными
характеристиками периферийных процессоров являются пропускная
способность (количество байт данных, передаваемых в единицу времени) и
нагрузочная способность (число одновременно обслуживаемых устройств).
Использование каналов ввода-вывода позволяет освободить процессор от
непосредственного управления вводом-выводом данных, обеспечить
унификацию процесса подключения ВУ, реализовать режим их параллельной
работы
, что приводит к росту производительности системы.
Современное базовое решение организации ввода-вывода в наиболее
массовом классе ЭВМ – персональных компьютерах (ПК) использует общую
шину ввода-вывода и общую память, разделяя во времени доступ к общим
ресурсам с помощью механизма арбитража. Для него характерно ограничение
из-за пропускной способности шины PCI, снижение производительности
подключенных к шине устройств, при ее захвате одним из них; значительной
вероятности зависания системы из-за случайной порчи кодов программ или
данных при совместном использовании памяти. Рост производительности
компьютера может быть достигнут увеличением тактовой частоты шины PCI,
использованием системных плат с возможностью параллельной установки до
четырех процессоров, построением систем ввода-вывода по
новой архитектуре
Next Generation I/O (NGIO). Эта архитектура предусматривает отдельный
механизм ввода-вывода, основанный на быстродействующем канале,
–
40
–
подключенном с одной стороны к ОЗУ, а с другой, связанным с
периферийными контроллерами ВУ, что полностью разделяет работу
процессора и ВУ (фактически данное решение во многом воспроизводит
функционирование каналов ввода-вывода, используемых в больших ЭВМ).
Канал включает в себя несколько контроллеров прямого доступа к памяти и
контроллер высокоскоростного последовательного интерфейса.
Периферийный
контроллер служит интерфейсом между высокоскоростным
каналом и относительно медленным интерфейсом ВУ (SCSI, Ethernet и др.) и
инициирует процесс прямого доступа к памяти.
Для обеспечения возможности оперативного реагирования на запросы и
эффективного использования процессора при наличии нескольких
протекающих параллельно во времени процессов, требующих в произвольные
моменты времени обслуживания со стороны процессора в ЭВМ
реализована
система прерываний. В общем случае прерывание представляет собой сигнал,
по которому процессор узнает о совершении асинхронного события. При этом
исполнение текущей последовательности команд временно прекращается
(прерывается), а вместо нее начинает выполняться другая последовательность
команд, соответствующая данному прерыванию, т.е. осуществляется обработка
прерывания. События, вызывающие прерывания, могут быть обусловлены
рядом
причин, возникающих как внутри ЭВМ, так и во внешней среде. В связи
с большим числом различных запросов прерывания (их число в современных
ЭВМ достигает сотен) между ними устанавливаются приоритетные
соотношения, определяющие порядок (очередность) обработки запросов
прерываний и устанавливающие право запроса того или иного вида прерывать
ту или иную выполняемую программу. Устройства
, предназначенные для
осуществления быстрой предопределенной реакции на возникающие сигналы
прерывания, называют контроллерами прерываний. Основными их
функциями являются: запоминание информации о текущем состоянии
выполняемой программы на момент ее останова; активизация программы,
реализующей обработку конкретного прерывания; восстановление
информации по прерванной программе для продолжения ее выполнения после
завершения обработки прерывания.
При программно-управляемой
передаче данных весь процесс происходит
под управлением процессора, выполняющего специальную программу
процедуры ввода-вывода. Все передаваемые между ОЗУ и ВУ данные
пересылаются непосредственно через процессор. Операция ввода-вывода
инициируется текущей выполняемой командой процессора или запросом
прерывания от ВУ. При пересылке блоков данных процессору необходимо для
каждого передаваемого слова (байта) выполнять ряд
команд, обеспечивающих
буферизацию данных (временное их хранение), подсчет количества
передаваемых данных, формирование текущих адресов ячеек памяти для