Многопроцессорные вычислительные системы

Вычислительная система называется многопроцессорной, если она содержит несколько процессоров, работающих с общей ОП (общее поле оперативной памяти) и управляется одной общей операционной системой. Часто в МПС организуется общее поле внешней памяти.

Многопроцессорные системы представляют собой основной путь построения ВС сверхвысокой производительности. При создании таких ВС возникает много сложных проблем, к которым в первую очередь следует отнести распараллеливание вычислительного процесса (программ) для эффективной загрузки процессоров системы, преодоление конфликтов при попытках нескольких процессоров использовать один и тот же ресурс системы (например, некоторый модуль памяти) и уменьшение влияния конфликтов на производительность системы, осуществление быстродействующих экономичных по аппаратурным затратам межмодульных связей. Указанные вопросы необходимо учитывать при выборе структуры МПС.

На основе многопроцессорности и модульного принципа построения других устройств системы возможно создание отказоустойчивых систем, или, другими словами, систем повышенной живучести. Многомашинные и многопроцессорные системы могут быть однородными и неоднородными. Однородные системы содержат однотипные ЭВМ или процессоры. Неоднородные ММС состоят из ЭВМ различного типа, а в неоднородных МПС используются различные специализированные процессоры, например процессоры для операций с плавающей запятой, для обработки десятичных чисел, процессор, реализующий функции операционной системы, процессор для матричных задач и др. Многопроцессорные системы и ММС могут иметь одноуровневую или иерархическую (многоуровневую) структуру. Обычно менее мощная машина (машина-сателлит) берет на себя ввод информации с различных терминалов и ее предварительную обработку, разгружая от этих сравнительно простых процедур основную, более мощную ЭВМ, чем достигается увеличение общей производительности (пропускной способности) комплекса. В качестве машин-сателлитов используют малые или микро-ЭВМ.

Многомашинные вычислительные системы

Многомашинная вычислительная система содержит несколько ЭВМ, каждая из которых имеет свою основную память и работает под управлением своей операционной системы, а также средства обмена информацией между машинами. Применение многомашинных систем позволяет повысить надежность вычислительных комплексов, однако при этом оборудование комплекса недостаточно эффективно используется для этой цели. Достаточно в каждой ЭВМ выйти из строя одному устройству (даже разных типов), как вся система становится неработоспособной.

Многомашинная вычислительная система содержит две или более одинаковых или разных ЦВМ, каждая со своими каналами и периферийными устройствами, связанных между собой через устройство обмена информацией.

Многомашинные вычислительные системы представляют собой логическое следствие эволюции двух общих тенденций, действующих в области конструирования вычислительных машин: стремления к модульной конструкции и организации одновременной (параллельной) работы различных устройств машины. Эти две тенденции и привели к перерастанию системы модулей отдельной ЭВМ в систему самостоятельных вычислительных средств, которые могут выполнять одновременно различные части одной большой задачи или различные задачи одной системы.

Многомашинная вычислительная система представляет собой комплекс из двух или более ЭВМ, связанных между собой либо общей разделяемой памятью, либо линиями передачи информации.

Многомашинные вычислительные системы - это системы, содержащие несколько одинаковых или различных, относительно самостоятельных компьютеров, связанных между собой через устройство обмена информацией, в частности, по каналам связи. В последнем случае речь идет об информационно-вычислительных сетях.

В многомашинной вычислительной системе - ЭВМ, выполняющая программы под управлением главной ЭВМ.

В многомашинной вычислительной системе каждый компьютер, входящий в систему, имеет классическую архитектуру. Такая система применяется достаточно широко, однако эффект от ее применения может быть получен только при решении задач, имеющих специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

В многомашинных вычислительных системах - одна из ЭВМ, осуществляющая планирование и организацию работ в системе.

В многопроцессорных и многомашинных вычислительных системах используются в основном параллельные интерфейсы для сопряжения отдельных устройств в ЭВМ, и только в отдельных случаях применяются последовательные интерфейсы для подключения периферийных устройств. Параллельные интерфейсы обеспечивают в первую очередь передачу сигналов прерывания, а также отдельных слов (команд) и блоков данных между сопрягаемыми ЭВМ и устройствами.

Рабочий режим многомашинной вычислительной системы, в которой вся основная память и большая часть устройств внешней памяти являются общими для всех центральных процессоров.

ВОПРОС 13

Процессор – отвечает за обработку данных и выполняет вычисления. Т.к. процессор в компьютере не один, то правильней будет его называть центральный процессор (ЦП) или CPU. Кроме ЦП есть графический процессор – GPU.

Характеристики процессора

Производители. На данный момент это Intel и AMD.

Модель (линейка): Для Intel: Pentium, Core2 Quad, Core2 Duo. Для AMD: Athlon 64 X2, Athlon 64 X3, Phenom.

Имя позволяет определить к какой серии относится процессор: для настольных ПК, для серверов или для мобильных устройств.

Частота процессора - это количество элементарных операций, которые процессор может выполнить в течение секунды. Для ЦПУ значение измеряются в гигагерцах (ГГц). Это частота влияет на производительность и быстроту вашего компьютера.

Системная шина (FSB) – канал по которому процессор соединен с другими устройствами компьютера.

Кеш-память — это быстродействующая память, которая хранит информацию из оперативной памяти, для более быстрого доступа к ней.

Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней (маркируются L1, L2 и L3).

Сокет – разъём, в который помещается процессор. Материнская плата должна поддерживать точно такой сокет, какой будет у процессора.

Разрядность. Когда говорят о разрядности процессора х64, это значит, что он имеет 64-разрядную шину данных, и 64 бита он обрабатывает за один такт.

Количество ядер: На данный момент в продаже имеются одно-, двух-, четырёх- и шестиядерные процессоры.

Процессоры Box и Tray. Box подразумевает, что вместе с процессором, вы приобретаете и кулер к нему. Tray – вы покупаете только процессор, кулер докупаете самостоятельно.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – функциональная часть ЭВМ, которая выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти. Оно характеризуется: временем выполнения элементарных операций; средним быстродействием, т.е. количеством арифметических или логических действий (операций), выполняемых в единицу времени (секунду); набором элементарных действий, которые оно выполняет. Важной характеристикой АЛУ является также система счисления, в которой осуществляются все действия.

АЛУ выполняет логические операции, а также арифметические операции в двоичной системе счисления и в двоично-десятичном коде, причем арифметические операции над числами, представленными в форме с плавающей точкой, реализуются в специальном блоке. В некоторых конфигурациях с этой целью используется арифметический сопроцессор. Он имеет собственные регистры данных и управления, работает параллельно с центральным МП, обрабатывает данные с плавающей точкой.

Память микропроцессора состоит из функциональных регистров: регистры общего назначения, указатель команд, регистр флагов и регистры сегментов.

Регистр – внутренне запоминающее устройство процессора для временного хранения обрабатываемой или управляющей информации и быстрого доступа к ней.

Регистры общего назначения используются для хранения данных и адресов. Они обеспечивают работу с данными и адресами. Каждый из таких регистров имеет свое имя.

Указатель команд содержит смещение при определении адреса следующей команды.

Регистр флагов указывает признаки результата выполнения команды.

Регистры сегментов содержат значения селекторов сегментов, определяющих текущие адресуемые сегменты памяти.

Кроме того, регистровая память МП содержит регистры процессора обработки чисел с плавающей точкой, системные и некоторые другие регистры.

Кэш-память – сверхоперативная буферная память, предназначенная для промежуточного хранения наиболее часто используемых процессором данных. Внутренняя кэш-память имеет несколько режимов работы, что обеспечивает гибкость отладки и выполнения рабочих программ.

Шина – устройство, служащее для передачи данных и управляющих сигналов между компонентами компьютера. Шина состоит из линий электрических соединений.

Шина адреса используется для передачи адресов ячеек памяти и регистров для обмена информацией с внешними устройствами.

Шина данных обеспечивает передачу информации между МП, памятью и периферийными устройствами. Шина двунаправленная, т.е. позволяет осуществлять пересылку данных как в прямом, так и в обратном направлении.

Шина управления предназначена для передачи управляющих сигналов – управления памятью, управления обменом данных, запросов на прерывание и т.д.

Системная магистраль выполняется в виде совокупности шин (кабелей), используемых для передачи данных, адресов и управляющих сигналов. Количество линий в адресно-информационной шине определяется разрядностью кодов адреса и данных, а количество линий в шине управления – числом управляющих сигналов, используемых в ЭВМ.

14.Оперативная память (ОП) (или оперативное запоминающее устройство – ОЗУ) – функциональная часть ЭВМ, предназначенная для хранения и (или) выдачи входной информации, промежуточных и окончательных результатов, вспомогательной информации. В памяти машины находятся также программы решения задач, через команды которых осуществляется управление работой всей машины. Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. Оперативная память является энергозависимой: при отключении питания информация в ОП теряется.

С точки зрения физического принципа действия различают динамическую память и статическую память. Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Недостатком этого типа является то, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве. Для этого в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы. Ячейки статической памяти можно представить как электронные микроэлементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Основные параметры, характеризующие память, – емкость и время обращения к памяти.

15.Устройства внешней памяти — внешние запоминающие устройства — весьма разнообразны. Их можно классифицировать по виду носителя, по типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, по методу доступа и т. д.

Наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами являются:

· накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

· накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

· накопители на оптических дисках (CD-ROM).

Реже в качестве устройств внешней памяти персонального компьютера используются запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте — стримеры.

Накопители на дисках — это устройства для чтения и записи с магнитных или оптических носителей. Назначение этих накопителей — хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство.

НЖМД и НГМД различаются лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

В качестве запоминающей среды у магнитных дисков используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два магнитных состояния — два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры 0 и 1. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей — дорожек (треков). Количество дорожек на диске и их информационная емкость зависят от типа диска, конструкции накопителя, качества магнитных головок и магнитного покрытия. Каждая дорожка разбита на секторы. В одном секторе обычно размещается 512 байт данных. Обмен данными между накопителем на магнитном диске и оперативной памятью осуществляется последовательно целым числом секторов. Для жесткого магнитного диска используется также понятие цилиндра — совокупности дорожек, находящихся на одинаковом расстоянии от центра диска.

Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Это означает, что компьютер может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни, находилась головка записи и чтения накопителя.

Все диски — и магнитные, и оптические — характеризуются своим диаметром (форм-фактором). Из гибких магнитных дисков наибольшее распространение получили диски диаметром 3,5(89 мм). Емкость этих дисков составляет 1,2 и 1,44 Мбайт.

Накопители на жестких магнитных дисках получили название «винчестер». Этот термин возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска, имевшего 30 дорожек по 30 секторов каждая, что случайно совпало с калибром охотничьего ружья «винчестер». Емкость накопителя на жестком магнитном диске измеряется в Мбайтах и Гбайтах.

В последнее время появились новые накопители на магнитных дисках — ZIP-диске — переносные устройства емкостью 230-280 Мбайт.

В последние годы самое широкое распространение получили накопители на оптических дисках (CD-ROM). Благодаря маленьким размерам, большой емкости и надежности эти накопители становятся все более популярными. Емкость накопителей на оптических дисках — от 640 Мбайт и выше.

Оптические диски делятся на неперезаписываемые лазерно-оптические диски, перезаписываемые лазерно-оптические диски и перезаписываемые магнитооптические диски. Неперезаписываемые диски поставляются фирмами-изготовителями с уже записанной на них информацией. Запись информации на них возможна только в лабораторных условиях, вне компьютера.

Кроме основной своей характеристики — информационной емкости, дисковые накопители характеризуются и двумя временными показателями:

· временем доступа;

· скоростью считывания подряд расположенных байтов.

Устройства ввода и вывода

Клавиатура (keyboard) – традиционное устройство ввода данных в компьютер. Клавиатурами оснащены как персональные компьютеры, так и терминалы мэйнфреймов. Клавиатура современного компьютера содержит обычно 101 или 102 клавиши, разделенные на 4 блока:

	алфавитно-цифровой блок – содержит клавиши латинского и национального алфавитов, а также клавиши цифр и специальных символов;
	блок управляющих клавиш;
	блок расширенной цифровой клавиатуры;
	блок навигации.

Мышь (mouse) была разработана довольно давно (в 60-х годах), но стала широко использоваться только с приходом в мир персональных компьютеров графического пользовательского интерфейса. Обычно мышь, как и клавиатура, подключается к компьютеру с помощью кабеля. Пользоваться мышью легко – вы передвигаете ее по столу, а на экране компьютера синхронно перемещается курсор. Чтобы активизировать некоторую опцию, нужно щелкнуть левой (left) клавишей мыши. С помощью мыши можно также "рисовать" на экране картинки.

Сенсорные экраны (touch screens) предназначены для тех, кто не может пользоваться обычной клавиатурой. Пользователь может ввести символ или команду прикосновением пальца к определенной области экрана. Сенсорные экраны используются в основном на сладах продукции, в ресторанах, супермаркетах. К примеру, в магазинах Muse Inc. (Бруклин), продающей компакт-диски, можно прослушать желаемую композицию, прикоснувшись пальцем к ее названию на экране компьютера. Слушая выбранную мелодию, вы можете одним прикосновением вызвать список других композиций исполнителя.

Системы распознавания магнитных знаков (Magnetic Inc Character Recognition, MICR) используются в основном в банковской сфере. В нижней части обычного банковского чека находится код, нанесенный специальными магнитными чернилами. В коде содержится номер банка, номер расчетного счета и номер чека. Система считывает информацию, преобразовывает ее в цифровую форму и передает в банк для обработки.
Системы оптического распознавания символов (Optical Character Recognition, OCR) преобразуют специальным образом нанесенную на носитель информацию в цифровую форму.
Сканеры (scanners) преобразуют в цифровую форму графическую информацию (рисунки, чертежи и пр.) и большие объемы текстовой информации. Системы распознавания речи (voice input devices) преобразуют в цифровую форму произносимые пользователем слова. Существует два режима работы подобных устройств. В режиме управления (command mode) вы произносите команды (такие как "открыть документ", "запустить программу" и т.д.), которые выполняются компьютером. В режиме диктовки (dictation mode) можно надиктовывать компьютеру любой текст. К сожалению, точность распознавания речи таких систем оставляет желать лучшего. Человеческий голос имеет множество оттенков, на точность распознавания может повлиять интонация, громкость речь, окружающий шум, даже банальный насморк. Тем не менее, работа над совершенствованием этих устройств ввода информации продолжается и, несомненно, у них большое будущее. Некоторые отделения Почтовой службы США используют системы распознавания речи для повышения эффективности труда работников, занятых упаковкой и сортировкой почтовых грузов. Вместо того чтобы вводить ZIP-код, работник произносит его, в то время как его руки заняты упаковкой.
Сенсорные датчики (sensors) – это устройства для ввода в компьютер пространственной информации. Например, корпорация General Motors использует сенсоры в своих легковых автомобилях для передачи в бортовой компьютер машины данных об окружающем пространстве и маршруте. Сенсорные датчики также нашли применение в системах виртуальной реальности, игровых приставках и симуляторах.
Устройства видеозахвата (video capture devices) представляют собой небольшие цифровые видеокамеры, соединенные с компьютером. Устройства видеозахвата применяются в основном в системах видеоконференций, которые получают все большее распространение. Благодаря развитию локальных сетей и Интернет, появилась возможность организовывать видеоконференцсвязь, находясь в любой точке планеты.