Показать развитие и классификацию однопроцессорных архитектур

1. 
   Показать развитие и классификацию однопроцессорных архитектур.
   

Исторически первыми появились однопроцессорные архитектуры. Классическим примером однопроцессорной архитектуры является архитектура фон Неймана со строго последовательным выполнением команд: процессор по очереди выбирает команды программы и также по очереди обрабатывает данные. По мере развития вычислительной техники архитектура фон Неймана обогатилась сначала конвейером команд (рис. 1.2), а затем многофункциональной обработкой и по классификации М. Флина получила обобщенное название SISD (Single Instruction Single Data — один поток команд, один поток данных).

Многопотоковая обработка на нескольких внутренних ядрах

SISD

Векторная обработка

Однопроцессорные архитектуры

Архитектура фон Неймана

Конвейерная обработка команд

Многофункциональная обработка

Технология Hyper-Threading

SIMD
Рис..1.2. Развитие и классификация однопроцессорных архитектур

Архитектуры класса SISD охватывают те уровни программного параллелизма, которые связаны с одинарным потоком данных.

Параллелизм циклов и итераций тесно связан с понятием множественности потоков данных и реализуется векторной обработкой. В классификации компьютерных архитектур М. Флина выделена специальная группа однопроцессорных систем с параллельной обработкой потоков данных – SIMD (Single Instruction Multiple Data, один поток команд – множество потоков данных).

Ведущие поставщики микропроцессоров ищут пути повышения их производительности за счет многопотоковой обработки информации на нескольких внутренних ядрах процессора. Ярким примером является технология Hyper-Threading (HT), разработанная фирмой Intel, и позволяющая на одном физическом процессоре создавать два логических процессора, на которых могут выполняться параллельно два программных потока (threads), использующих в один и тот же момент времени разные блоки процессора.

2. 
   Классификация архитектуры SISD с краткой характеристикой классов.
   

Архитектура SISD породила целый ряд архитектур: CISC, RISC, VLIW, архитектуру с суперскалярной обработкой и EPIC-концепцию (рис.1.3).

SISD

CISC

RISC

Суперскалярная обработка

VLIW

EPIC

CISC – система команд RISC – ядро

Рис. 1.3. Классификация архитектуры SISD

Компьютеры с CISC (Complex Instruction Set Computer) архитектурой имеют комплексную (полную) систему команд, под управлением которой выполняются всевозможные операции типа «память – память», «память – регистр», «регистр – память», «регистр – регистр».

Компьютеры с RISC (Reduced Instruction Set Computer) архитектурой содержат набор простых, часто употребляемых в программах команд. Основными являются операции типа «регистр — регистр».

Суперскалярная обработка. Смысл этого термина заключается в том, что в аппаратуру процессора закладываются средства, позволяющие одновременно выполнять две или более скалярные операции, т. е. команды обработки пары чисел. Суперскалярная архитектура базируется на многофункциональном параллелизме и позволяет увеличить производительность компьютера пропорционально числу одновременно выполняемых операций.

VLIW-архитектура связана с кардинальной перестройкой всего процесса трансляции и исполнения программ. Уже на этапе подготовки программы компилятор группирует несвязанные операции в пакеты, содержимое которых строго соответствует структуре процессора. Сформированные пакеты операций преобразуются компилятором в командные слова, которые по сравнению с обычными инструкциями выглядят очень большими. Отсюда и название этих суперкоманд и соответствующей им архитектуры — VLIW.

Концепция EPIC (Explicity Parallel Instruction Computing – вычисления с явным параллелизмом команд, где «явным» означает явно указанным при трансляции) разработана совместно фирмами Intel и Hewlett Packard и имеет ту же значимость, что и CISC- и RISC-архитектуры.

3. 
   Основные характерные черты CISC-архитектуры.
   

большое число команд (более 200);

переменная длина команд (от 1 до 13 байт);

значительное число способов адресации и форматов команд;

сложность команд и многотактность их выполнения;

наличие микропрограммного управления, что снижает быстродействие и усложняет процессор.

4. 
   Основные характерные черты RISC-архитектуры.
   

сокращенное число команд;

большинство команд выполняется за один машинный такт;

постоянная длина команд;

небольшое количество способов адресации и форматов команд;

для простых команд нет необходимости в использовании микропрограммного управления;

большое число регистров внутренней памяти процессора.

5. 
   Основные характерные черты суперскалярной обработки.
   

- базируется на многофункциональном параллелизме

- аппаратный механизм выборки команд из буфера инструкций

- динамический план вычислений

- относительная сложность аппаратной реализации

6. 
   Основные характерные черты VLIW-архитектуры.
   

- формирование пакетов операций

- высокий уровень параллелизма на уровне команд

- статический анализ программы и предварительное создание плана вычислений

- нет необходимости создания сложных аппаратных устройств

7. 
   Основные отличительные черты EPIC-концепции.
   

большое количество регистров (128 64-разрядных регистров общего назначения);

использование простых инструкций, сгруппированных по три, одинаковой длины, образующих длинные командные слова LIW (long instruction words);

переупорядочиванием и оптимизацией команд, так же как и во VLIW, занимается компилятор, а не процессор;

команды из разных ветвей узлового ветвления снабжаются предикатными полями (полями условий) и запускаются параллельно;

загрузка по предположению (загрузка данных до того, как они потребуются, т. е. заранее);

масштабируемость архитектуры до большого количества функциональных устройств.

8. 
   Классификация способов организации SIMD-архитектуры с пояснениями.
   

Рис. 1.4. Классификация способов организации SIMD-архитектуры

Суть матричной структуры заключается в том, что имеется множество процессорных элементов, исполняющих одну и ту же команду над различными элементами матрицы, объединенных коммутатором.

В отличие от матричной, векторно-конвейерная структура компьютера содержит конвейер операций, на котором обрабатываются параллельно элементы векторов и полученные результаты последовательно записываются в единую память.

Еще одним примером SIMD - архитектуры является технология MMX. Она разработана для ускорения выполнения мультимедийных и коммуникационных программ. В ММХ используются 4 новых типа данных и 57 новых инструкций. Команды ММХ выполняют одну и ту же функцию с различными частями данных, например: 8 байт графических данных передаются в процессор как одно упакованное 64-х разрядное число и обрабатываются одной командой.

Следующим шагом по пути использования SIMD-архитектуры в микропроцессорах фирмы Intel (Pentium III) явились потоковые SIMD-расширения (SSE), которые реализуют 70 новых SIMD-инструкций, оперирующих со специальными 128-битными регистрами. Каждый из этих регистров хранит 4 вещественных числа одинаковой точности. Таким образом, выполняя операцию над двумя регистрами, SSE фактически оперирует четырьмя парами чисел, т.е. благодаря этому процессор может выполнять до четырех операций одновременно.

Несколько раньше то же самое (но в меньшем объеме) было сделано фирмой AMD – расширение 3DNow!, которое было реализовано уже в процессорах К6-2 с введением 21 новой инструкции, оперирующих с 64-битными регистрами.

Процессор Pentium IV с ядром North Wood поддерживает расширенный набор SIMD-команд под кодовым наименованием SSE-2, который значительно расширяет версию набора SSE. Набор SSE-2 включает в себя 144 новые инструкции, специально ориентированные на обработку больших входящих потоков данных. В процессоре Pentium 4 с ядром Prescott появилось еще 13 новых инструкций набора SSE-3. Основной упор делается на то, что многие операции, ранее требовавшие написания целого фрагмента программы, теперь реализуются с помощью одной-двух инструкций SSE-2, SSE-3.

9. 
   В чем суть матричного и векторно-конвейерного способов организации SIMD-архитектуры?
   

Суть матричной структуры заключается в том, что имеется множество процессорных элементов, исполняющих одну и ту же команду над различными элементами матрицы, объединенных коммутатором. Основная проблема заключается в программировании обмена данными между процессорными элементами через коммутатор.

В отличие от матричной, векторно-конвейерная структура компьютера содержит конвейер операций, на котором обрабатываются параллельно элементы векторов и полученные результаты последовательно записываются в единую память. При этом отпадает необходимость в коммутаторе процессорных элементов, служащем камнем преткновения в матричных компьютерах.

10. 
    В чем суть ММХ-технологии и потоковых SIMD-расширений?
    

Еще одним примером SIMD - архитектуры является технология MMX, которая существенно улучшила архитектуру микропроцессоров фирмы Intel. Она разработана для ускорения выполнения мультимедийных и коммуникационных программ. В ММХ используются 4 новых типа данных и 57 новых инструкций. Команды ММХ выполняют одну и ту же функцию с различными частями данных, например: 8 байт графических данных передаются в процессор как одно упакованное 64-х разрядное число и обрабатываются одной командой.

Следующим шагом по пути использования SIMD-архитектуры в микропроцессорах фирмы Intel (Pentium III) явились потоковые SIMD-расширения (SSE), которые реализуют 70 новых SIMD-инструкций, оперирующих со специальными 128-битными регистрами. Каждый из этих регистров хранит 4 вещественных числа одинаковой точности. Таким образом, выполняя операцию над двумя регистрами, SSE фактически оперирует четырьмя парами чисел, т.е. благодаря этому процессор может выполнять до четырех операций одновременно.

Несколько раньше то же самое (но в меньшем объеме) было сделано фирмой AMD – расширение 3DNow!, которое было реализовано уже в процессорах К6-2 с введением 21 новой инструкции, оперирующих с 64-битными регистрами.

Данное направление получило развитие и в следующих поколениях процессоров фирм Intel и AMD. Процессор Pentium IV с ядром North Wood поддерживает расширенный набор SIMD-команд под кодовым наименованием SSE-2, который значительно расширяет версию набора SSE. Набор SSE-2 включает в себя 144 новые инструкции, специально ориентированные на обработку больших входящих потоков данных. В процессоре Pentium 4 с ядром Prescott появилось еще 13 новых инструкций набора SSE-3. Основной упор делается на то, что многие операции, ранее требовавшие написания целого фрагмента программы, теперь реализуются с помощью одной-двух инструкций SSE-2, SSE-3.

Фирма AMD в процессор Athlon ввела расширение 3DNow!, добавив еще 24 SIMD-инструкции.

11. 
    Перечислить технико-эксплуатационные характеристики компьютера.
    

Очень часто при сравнении компьютеров пользуются отношением производительности к стоимости.

К другим технико-эксплуатационным характеристикам ЭВМ относятся:

разрядность обрабатываемых слов и кодовых шин интерфейса;

типы системного и локальных интерфейсов;

тип и емкость оперативной памяти;

тип и емкость накопителя на жестком магнитном диске;

тип и емкость накопителя на гибком магнитном диске;

тип и емкость кэш-памяти;

тип видеоадаптера и видеомонитора;

наличие средств для работы в компьютерной сети;

наличие и тип программного обеспечения;

надежность ЭВМ;

стоимость;

габариты и масса.

12. 
    Функциональные возможности, области применения, основные производители мэйнфреймов.
    

Большие ЭВМ за рубежом часто называют мэйнфреймами (Mainframe). Мэйнфрейм – это высокопроизводительная вычислительная система с большим объемом оперативной и внешней памяти, поддерживающая многопользовательский (от 16 до 1000 пользователей), мультипрограммный и мультизадачный режимы работы. Система способна разделять свои ресурсы между большим количеством пользователей, каждый из которых располагает лишь терминалом, лишенным собственных вычислительных мощностей. Мэйнфреймы обладают высокой пропускной способностью при обработке данных, высокоинтеллектуальным интерфейсом обмена с внешними устройствами (канальная архитектура), высокоразвитым механизмом программной и аппаратной защиты кода и данных, а также средствами восстановления после сбоев и отказов (программных и аппаратных). При отказах и сбоях существует возможность отключения отдельных блоков при их неисправности без прерывания решения задач. Производительность мэйнфреймов колеблется от одной до десяти тысяч MIPS.

Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление — использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей — часто отмечается специалистами среди наиболее актуальных.

Родоначальником больших ЭВМ является фирма IBM. По её стандартам (IBM 360, 370) в последние несколько десятилетий развивались ЭВМ этого класса в большинстве стран мира. В нашей стране было создано семейство больших машин ЕС ЭВМ.

Среди лучших современных разработок мэйнфреймов за рубежом следует в первую очередь отметить: IBM ES/9000 (созданные в 1990 г.), IBM S/390 (1997 г.), IBM Z990 (2003 г.), японские компьютеры CS8800 фирмы Fujitsu, а также немецкие мэйнфреймы С2000 фирмы Comparex.

13. 
    Функциональные возможности, пути развития, современные разработки супер-ЭВМ.
    

Супер-ЭВМ — мощные, высокоскоростные вычислительные машины (системы) с производительностью от сотен миллионов до десятков триллионов операций с плавающей запятой в секунду. Супер-ЭВМ выгодно отличаются от больших универсальных ЭВМ по быстродействию числовой обработки, а от специализированных машин, обладающих высоким быстродействием в сугубо ограниченных областях, возможностью решения широкого класса задач с числовыми расчетами.

В настоящее время развитие суперкомпьютеров идет по следующим направлениям: векторно-конвейерные компьютеры, параллельные компьютеры с общей памятью, массивно-параллельные системы с распределенной памятью, кластерные системы.

Два раза в год формируется официальный список пятисот самых мощных суперкомпьютеров мира – Top500.

Top 500:

1. IBM BlueGeneL 131000 процессоров 280,6 TFLOPS

Порог вхождения в top500 составил 2,737 Тфлопс. В каких рыночных нишах будет востребована подобная производительность? Прежде всего это проектирование самолетов и ракет, создание лекарств, предсказание погоды и природных катаклизмов, повышение эффективности электростанций и надежности автомобилей (преимущественно путем моделирования их столкновений) и фундаментальные научные исследования.

14. 
    Функциональные возможности, назначение, платформы рабочих станций.
    

Изначально рабочие станции (WS) ориентируются на профессиональных пользователей. Рабочие станции, используя те же процессоры и практически не отличаясь от ПК по внешнему виду, обладают рядом специфических характеристик, не свойственных ПК, таких, как расширяемость оперативной памяти (до 6 Гбайт в старших моделях), поддержка профессиональной двух- и трехмерной графики и многодисковых конфигураций, большой объем и быстродействие жесткого диска, использование двух процессоров (в старших моделях), наличие адаптера для сетей Gigabit Ethernet, применение памяти с коррекцией ошибок четности. Благодаря этому у них выше производительность, надежность и больше графических возможностей, чем у ПК.

Традиционными областями применений рабочих станций является работа с компьютерной графикой (трехмерная анимация, создание трехмерных моделей, визуализация различных процессов), автоматизированное проектирование, издательская деятельность. Также WS применяются для осуществления сложных расчетов в самых различных областях науки, при моделировании различных процессов.

На сегодняшний день большинство WS начального уровня базируется на платформе Wintel. Станции на базе процессоров Intel Pentium IV и Xeon занимают все большую долю рынка WS среднего и высшего класса. «Классическими» рабочими станциями считаются компьютеры на базе процессоров архитектуры RISC с UNIX-подобными операционными системами. Основные производители рабочих станций (Sun, HP/Compag, IBM, SGI) имеют собственные линейки RISC-процессоров и старшие модели WS делают на их основе.

На этом фоне значительным событием стало объединение компаний HP и Compag, которые пока не прекращают использовать свои собственные серии RISC-процессоров для WS.

Примеры наиболее используемых WS в 2003 г. приведены в табл.1.4.

Важным событием в развитии WS явилась совместная разработка HP и Intel архитектуры IA-64, реализующая концепцию EPIC. Линейка процессоров IA-64 Itanium, Itanium 2, Madison нацелена на использование в рабочих станциях и серверах. Компании Sun и IBM продолжают развивать RISC-архитектуру, причем последняя разработка IBM – Power 5, реализующая технологию CMP (Chip Multi Processing – многопроцессорная микросхема), выглядит серьезным соперником в сфере высокопроизводительных вычислений.

Другим конкурентом 64-битным процессорам Intel может стать 64-разрядный процессор AMD Hummer, однако, по мнению аналитиков, если это и произойдет, это будет сфера персональных компьютеров и рабочих станций начального уровня.

15. 
    Классификация микро-ЭВМ с краткой характеристикой классов.
    

Микро-ЭВМ

Серверы

Рабочие станции

Персональные компьютеры

Встраиваемые микро-ЭВМ

Серверы - компьютеры, выполняющие служебные функции в сети (хранение файлов и обеспечение доступа к ним пользователей (клиентов), маршрутизация потоков данных, управление печатью сетевого принтера, обработка писем электронной почты, рассылка факсов и т.д.)

Рабочая станция — это однопользовательская система с мощным одним или несколькими процессорами и многозадачной ОС, имеющая развитую графику с высоким разрешением, большую дисковую и оперативную память и встроенные сетевые средства.

Персональные компьютеры (ПК) – это однопользовательские микро-ЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

Встраиваемые микро-ЭВМ входят составным элементом в промышленные и транспортные системы, технические устройства и аппараты, бытовые приборы. Они способствуют существенному повышению их эффективности функционирования, улучшению технико-экономических и эксплуатационных характеристик.

16. 
    Классификация серверов с пояснениями.
    

Серверы

Файл-серверы

Серверы приложений

Серверы внешних устройств

Серверы Internet (Web-серверы)

Рис. 1.8. Классификация серверов по функциональному назначению

Серверы

Начального уровня

Среднего уровня

Корпоративного уровня

Рис. 1.9. Классификация серверов по функциональным возможностям (мощности)

Серверы

На основе настольного ПК

Специальная серверная организация

На основе рабочей станции

На основе мэйнфрейма

Рис. 1.10. Классификация серверов по способу организации

17. 
    Классификация серверов по функциональному назначению.
    

По функциональному назначению серверы можно подразделить (рис. 1.8) на файл-серверы, серверы приложений (чаще всего используются для баз данных и поддержки документооборота), серверы внешних устройств (печати, сканирования, факсимильной связи) и серверы Internet или Web-серверы.

Серверы

Файл-серверы

Серверы приложений

Серверы внешних устройств

Серверы Internet (Web-серверы)

Рис. 1.8. Классификация серверов по функциональному назначению

Крупные и мелкие предприятия и офисы обладают вычислительными сетями различной мощности. Кроме того, существуют разные требования к функциям, выполняемым компьютерной сетью, если одной организации достаточно иметь один файловый сервер, то для другой требуется полный спектр Internet-сервисов, таких так обеспечение получения и отправки электронной почты для всех сотрудников, хостинг (возможность размещения) Web-сайта или FTP файлового архива. Поэтому не существует «универсального» сервера, способного выполнять любые, совершенно различные задачи одинаково быстро и эффективно.