Вычислительные системы

Вычислительная  система.

Вид деятельности, в котором задействован человек как правило, обусловлен решением каких- либо задач. Вычислительные системы также как и человек выполняет или решают задачи в разных областях. В тоже время есть люди, которые работают в нескольких трудовых областях одновременно, либо группа людей работает над решением одной и той же задачи. Так и ВС могут решать одну задачу, две задачи, либо группа объедененных ВС решает одну и ту же задачу. В связи с этим представляется возможным дать классификацию ВС. Но в начале давайте подумаем, что же такое ВС? 

В начале нужно вспомнить, что следует понимать под системой в общем смысле.

Система - это  совокупность элементов, которые находятся  между собой в определенных отношениях и связях и которые образуют определенную целостность, единство какого-либо явления  или предмета исследования (system от греч. - соединенная из частей). Основой этого направления явились труды Л. фон Бертоланфи в области биологии (1937 год). 

Итак можно сформулировать определение, вычислительная система - это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих компьютеров (процессоров), периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенных для подготовки и решения задач пользователя.

Иногда под  ВС понимают совокупность технических  средств ЭВМ, в которую входит не менее двух процессоров, связанных  общностью управления и использования  общесистемных ресурсов (память, периферийные устройства, программное обеспечение  и т.п.)

Общая классификация вычислительных систем. 

По  назначению.

Универсальные предназначаются для решения  широкого класса задач (от математических расчетов до обработки мультимедиа), т.е. такие ВС должны обслуживать  программные приложения, разработанные  для самых разных и далеко отстоящих  друг от друга направлений научных  исследований.

Специализированные ориентированы на решение узкого класса задач. 

По  типу.

Многопроцессорные. В качестве общего ресурса они  имеют общую оперативную память. Параллельная работа процессоров и  использование общей оперативной  памяти обеспечиваются под управлением общей операционной системы. Это позволяет в случае отказа одного из процессора, перераспределить нагрузку между оставшимися процессорами

Многомашинные.

Возможны два  варианта:

обе машины решают одну и ту же задачу и периодически сверяют результаты решения;

обе машины работают параллельно, но обрабатывают собственные  потоки заданий  

Основной недостаток многомашинной ВС - достаточно в  ВС в каждой ЭВМ выйти из строя  по одному устройству (даже разных типов), как вся система становится неработоспособной. 

По  характеру устройств.

Однородные системы  содержат несколько однотипных ЭВМ (или процессоров). Основной недостаток однородных ВС - неполная загруженность  отдельных ЭВМ (процессоров) во время  её работы. В связи с этим недостатком  применяются неоднородные ВС;

Неоднородные. Неоднородные системы содержат разнотипные ЭВМ (или процессоры). 

По  управлению.

Централизованные. Функции управления сосредоточены  в главной ЭВМ (процессор). Ее задачей  являются распределение нагрузки между  элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация  взаимодействия.

Децентрализованные. Функции управления распределены между  ее элементами, т.е.  каждый процессор  или ЭВМ действуют автономно, решая свои задачи.

Смешенные. Совмещаются  процедуры централизованного и  децентрализованного управления.  Т.е. ВС разбивается на группы взаимодействующих  ЭВМ (или процессоров), где в каждой группе осуществляется централизованное управление, а между группами – децентрализованное

Классификация систем параллельной обработки данных по М.Флинну.

Классификация базируется на понятиях двух потоков: команд и данных. На основе числа  этих потоков выделяется четыре класса архитектур:

SISD архитектура;

SIMD архитектура;

MISD архитектура;

MIMD архитектура.         

SISD (Single Instruction Single Data).  Программа принимает один поток данных и выполняет один поток инструкций по обработке этих данных. Иными словами, инструкции выполняются последовательно, и каждая инструкция оперирует минимальным количеством данных (например, сложение двух чисел)  

По большому счету это классическая машина фон  Неймана. К этому классу относятся  все однопроцессорные системы. 

MISD (Multiple Instruction Single Data). Разные потоки инструкций выполняются с одними и теми же данными

Обычно такие  системы не приводят к ускорению  вычислений, так как разные инструкции оперируют одними и теми же данными, в результате на выходе системы получается один поток данных. 

К таким системам относят различные системы дублирования и защиты от сбоев, когда, например, несколько процессоров дублируют  вычисления друг друга для надёжности, а также матричные компьютеры, в которых все элементы процессора выполняют одну и ту же программу. Иногда к этой категории относят  конвейерные архитектуры. 

SIMD (Single Instruction Multiple Data). Один поток инструкций выполняет вычисления одновременно с разными данными

Например, выполняется  сложение одновременно восьми пар чисел. Такие компьютеры называются векторными, так как подобные операции выполняются  аналогично операциям с векторами (когда, например, сложение двух векторов означает одновременное сложение всех их компонентов). Зачастую векторные  инструкции присутствуют в дополнение к обычным «скалярным» инструкциям, и называются SIMD-расширением (или  векторным расширением). Примеры  популярных SIMD-расширений: MMX, 3DNow!, SSE и др. Также к таким системам можно отнести так называемые матричные компьютеры, в которых все элементы процессора выполняют одну и ту же программу. 

MIMD (Multiple Instruction Multiple Data). Разные потоки инструкций оперируют различными данными. Это системы наиболее общего вида, поэтому их проще всего использовать для решения различных параллельных задач

MIMD-системы, в  свою очередь, принято разделять  (классификация Джонсона) на системы  с общей памятью (несколько  вычислителей имеют общую память) и системы с распределенной  памятью (каждый вычислитель имеет свою память) 

Оценить достоинства  вычислительной системы - значит показать, насколько удачно и оправданно были подобраны ее компоненты. В соединении с набором специальных программ вычислительная система становится автоматизированной системой. Так, например, компьютер с программой для бухгалтерии  составляют автоматизированную систему  бухгалтера, а в сочетании с  программой для расчета деталей  машин - автоматизированную систему  проектирования деталей машин и  т. д. Разумеется, и та и другая программы  могут быть в одном и том  же компьютере.

Особенно много  вычислительных систем создается для  решения задач в области обработки  информации (информационно-поисковые  вычислительные системы, информационно-справочные системы) и для управления объектами  производства (управляющие вычислительные системы).

В зависимости  от сущности решаемой задачи к вычислительным системам предъявляются разные требования. Все задачи можно разделить на две категории: на те, что надо решать с максимальной надежностью, безошибочно  и на те, которые надо решать максимально  быстро. Разумеется, системы с высокой  скоростью решения не строят это  в ущерб их надежности. Просто, при  создании одних систем приоритетом  является надежность, а для других - производительность и скорость. Вычислительные системы, которые в состоянии  обрабатывать данные со скоростью их поступления называются системами  реального времени. Это свойство особенно важно для выбора системы  оперативного управления. В других системах, работающих в относительном  масштабе времени, еще необработанные данные постепенно накапливаются.

Персональные  компьютеры

Сложилось определенная специализация компьютеров по их назначению. Супермощные компьютеры применяются решения сложных  математических, военных задач. Сервера предназначены для работы в вычислительных сетях. Персональные компьютеры (что следует из названия) ориентированы на индивидуальную работу, рассчитаны широкий круг пользователей от профессиональных программистов до менеджеров, секретарей фирм, для которых персональный компьютер (ПК) стал таким же естественным помощником в бизнесе как факс и телефон.

Причины успеха ПК объясняются следующими основными  факторами:

индивидуальное  использование;

простота и  доступность;

программное обеспечение, обеспечивающее поддержку всех сфер человеческой деятельности, ориентированное  на конкретную область и конкретного  специалиста;

скорость обработки  информации, создающая эффект реального  времени у пользователя;

надежность и  простота подключения дополнительного  оборудования.

Рассмотрим основные устройства, входящие в состав ПК:

Минимальный комплект ПК составляют:

системный блок;

монитор (дисплей);

клавиатура;

манипулятор «мышь».

Системный блок ПК содержит основные устройства компьютера: процессор и сопроцессор, оперативную  память, системную шину. Идея ПК состоит  в том, что для обеспечения  гибкости и наращиваемости структуры  все основные устройства компьютера подключены к общей информационной шине (системной шине)

Накопители на гибких дисках получили адреса А: и  В:, первый накопитель на жестких дисках получил адрес С: и обычно используется для резиденции операционной системы, последующие накопители (разделы запоминающего пространства одного и того же накопителя, сетевые адреса) адресуются D:, E: и т.д.

Процессор. Самым  главным элементом компьютера является микропроцессор – небольшая (в несколько  сантиметров) электронная схема, выполняющая  все вычисления и обработку информации. Микропроцессор может выполнять  сотни различных операций и делает это со скоростью сотен миллионером  операций в секунду.

Сопроцессор. Выполняет  математические операции с высокой  скоростью и резко повышает производительность компьютера при решении инженерных задач. В микропроцессорах Pentium сопроцессор встроен в микропроцессор.

Оперативная память. Обеспечивает оперативное хранение программ и данных. Имеет высокое  быстродействие и прямую адресацию  до одного байта. Хранит данные только пока компьютер включен.

Контроллеры и  шина. Обеспечивают обмен информацией  между оперативной памятью и  внешними устройствами. Для каждого  внешнего устройства в компьютере имеется  электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером или адаптером. Все контроллеры  и адаптеры взаимодействуют с  процессором через системную  магистраль передачи данных (шину). Единообразие подключения внешних устройств  делает ПК весьма гибким по конфигурации.

Электронные платы. Основной платой ПК является системная  плата (материнская). На ней устанавливаются  микропроцессор, сопроцессор, оперативная  память, шина. Контроллеры и адаптеры выполняются на отдельных платах, которые вставляются в унифицированные  разъемы системной платы –  слоты. Таким образом, наличие свободных  слотов позволяет подключать дополнительные устройства. Также просто решается проблема совершенствования компьютера. Например, для замены устаревшего адаптера монитора на новый достаточно заменить соответствующий контроллер в слоте.

Накопители на дискетах. Обычно ПК содержит один дисковод для дискет 3,5 дюйма емкостью 1,4 Мбайта (диск А:). Возможна установка второго накопителя для дискет размером 5,25 дюйма, емкостью 360 и 1,2 Мбайта (диск В:).

Накопители на жестких дисках. Обычно ПК содержит один дисковод на жестких дисках, который  разбивается на несколько разделов С:, D:,E: и т.д. Скорость работы диска характеризуется двумя основными параметрами: