Шпаргалка по предмету "Основы информатики"

1. Классификация вычислительных систем.

Под вычислительной системой (ВС) будем понимать совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей.

Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов вычислительной системы и др. Однако основными из них являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы.

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач. Специализация ВС может устанавливаться различными средствами:

• во-первых, сама структура системы (количество параллельно работающих элементов, связи между ними и т.д.) может быть ориентирована на определенные виды обработки информации: матричные вычисления, решение алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений и т.п. Практика разработки ВС типа суперЭВМ показала, чем выше их производительность, тем уже класс эффективно решаемых ими задач;

• во-вторых, специализация ВС может закладываться включением в их состав специального оборудования и специальных пакетов обслуживания техники.

По типу вычислительные системы различаются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились исторически первыми. Уже при использовании ЭВМ первых поколений возникали задачи повышения производительности, надежности и достоверности вычислений. Для этих целей использовали комплекс машин.

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные - разнотипных. В однородных системах значительно упрощаются разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств. В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы. Упрощается обслуживание систем, облегчаются модернизация и их развитие. Вместе с тем существуют и неоднородные ВС, в которых комплексируемые элементы очень сильно отличаются по своим техническим и функциональным характеристикам. Обычно это связано с необходимостью параллельного выполнения многофункциональной обработки. Так, при построении ММС, обслуживающих каналы связи, целесообразно объединять в комплекс связанные, коммуникационные машины и машины обработки данных. В таких системах коммуникационные ЭВМ выполняют функции связи, контроля получаемой и передаваемой информации, формирования пакетов задач и т.д. ЭВМ обработки данных не занимаются не свойственными им работами по обеспечению взаимодействия в сети, а все их ресурсы переключаются на обработку данных. Неоднородные системы находят применение и в МПС. Многие ЭВМ, в том числе и ПЭВМ, могут использовать сопроцессоры: десятичной арифметики, матричные и т.п.

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного(разобщенного) типов. Обычно такое деление касается только ММС. Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа. Более того, учитывая успехи микроэлектроники, это совмещение может быть очень глубоким. При появлении новых СБИС (сверхбольших интегральных схем) появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.

Совмещенные и распределенные ММС сильно различаются оперативностью взаимодействия в зависимости от удаленности ЭВМ. Время передачи информации между соседними ЭВМ, соединенными простым кабелем, может быть много меньше времени передачи данных по каналам связи. Как правило, все выпускаемые в мире ЭВМ имеют средства прямого взаимодействия и средства подключения к сетям ЭВМ. Для ПЭВМ такими средствами являются нуль-модемы, модемы и сетевые карты как элементы техники связи.

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизованных ВС за это отвечает главная, или диспетчерская, ЭВМ (процессор). Ее задачей являются распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован или эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС. В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ интерес к децентрализованным системам постоянно растет.

В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса исходя из сложившейся ситуации.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые, как правило, используют режим реального масштаба времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных.

Наибольший интерес у исследователей всех рангов (проектировщиков, аналитиков и пользователей) вызывают структурные признаки ВС. От того, насколько структура ВС соответствует структуре решаемых на этой системе задач, зависит эффективность применения ЭВМ в целом. Структурные признаки, в свою очередь, отличаются многообразием: топология управляющих и информационных связей между элементами системы, способность системы к перестройке и перераспределению функций, иерархия уровней взаимодействия элементов. В наибольшей степени структурные характеристики определяются архитектурой системы.

 

 

 

 

 

2. Понятие архитектуры и микроархитектуры. Классификация вычислительных средств по архитектуре (классификация Флинна).

Понятие архитектуры ЭВМ

 К настоящему  времени существенно изменился  подход к созданию вычислительных  машин. Вместо независимой разработки  аппаратуры и средств мат. обеспечения  стала проектироваться такая  система, которая состоит из совокупности  аппаратных программных средств.

 На первый  план выдвигается проблема взаимодействия  аппаратных и программных средств.Именно на основе симбиоза и возникает новое понятие, понятие архитектуры вычислительной машины

  Архитектура вычислительной машины - совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности вычислительных машин и систем при решении соответствующих классов задач.

Микроархитектура — Понятие архитектуры процессора охватывает доступные программистам набор команд, инфраструктуру регистров и хранения данных в памяти, поддерживаемые и развиваемые при переходе от одного поколения процессоров к другому

 Архитектура  вычислительных машин и систем  охватывает достаточно широкий  круг проблем, которые связаны  с построением аппаратного комплекса  и которые учитывают множество  факторов. Наиболее важные: стоимость, сфера применения, функциональные  возможности, удобство эксплуатации.

Основными компонентами архитектуры вычислительных машин и систем принято считать следующие компоненты:

1.Вычислительные  и логические возможности 

1.1Система  команд 

1.2Формат  команд - то, из чего состоит команда 

1.3Способы  адресации 

1.4Назначение  и состав регистров 

2Аппаратные  средства 

2.1Структура 

2.2Организация  памяти 

2.3Организация  ввода-вывода 

2.4Принципы  управления 

3Программное  обеспечение 

3.1ОС 

3.2Языки программирования 

3.3Прикладное  ПО 

Очень часто вместо указанного выше определения архитектуры используется определение в узком смысле, а именно:

Под архитектурой понимают логическое построение вычислительной машины или системы, каким оно представляется программисту, разрабатывающему программы на машинно-ориентированном языке.

Большое разнообразие вычислительных систем породило естественное желание ввести для них какую-то классификацию. Эта классификация должна однозначно относить ту или иную вычислительную систему к некоторому классу, который, в свою очередь, должен достаточно полно ее характеризовать. Таких попыток предпринималось множество. Одна из первых классификаций, ссылки на которую наиболее часто встречаются в литературе, была предложена М. Флинном в конце 60-х годов прошлого века. Она базируется на понятиях двух потоков: команд и данных. На основе числа этих потоков выделяется четыре класса архитектур:

SISD (Single Instruction Single Data) - единственный поток команд и единственный поток данных. По сути дела это классическая машина фон Неймана. К этому классу относятся все однопроцессорные системы.

SIMD (Single Instruction Multiple Data) - единственный поток команд и множественный поток данных. Типичными представителями являются матричные компьютеры, в которых все процессорные элементы выполняют одну и ту же программу, применяемую к своим (различным для каждого ПЭ) локальным данным. Некоторые авторы к этому классу относят и векторно-конвейерные компьютеры, если каждый элемент вектора рассматривать как отдельный элемент потока данных.

MISD (Multiple Instruction Single Date) - множественный поток команд и единственный поток данных. М. Флинн не смог привести ни одного примера реально существующей системы, работающей на этом принципе. Некоторые авторы в качестве представителей такой архитектуры называют векторно-конвейерные компьютеры, однако такая точка зрения не получила широкой поддержки.

MIMD (Multiple Instruction Multiple Date) - множественный поток команд и множественный поток данных. К этому классу относятся практически все современные многопроцессорные системы.

Поскольку в этой классификации все современные многопроцессорные системы принадлежат одному классу, то вряд ли эта классификация представляет сегодня какую-либо практическую ценность. Тем не менее, мы привели ее потому, что используемые в ней термины достаточно часто упоминаются в литературе по параллельным вычислениям

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Микропроцессор. Состав и основные функции.

Микропроцессор — это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех остальных блоков и выполнения арифметических и логических операций над информацией.

Микропроцессор выполняет следующие основные функции:

1.чтение  и дешифрацию команд из основной  памяти;

2.чтение  данных из основной памяти  и регистров адаптеров внешних  устройств;

3.прием и  обработку запросов и команд  от адаптеров на обслуживание  внешних устройств;

4.обработку  данных и их запись в основную  память и регистры адаптеров внешних устройств;

5.выработку  управляющих сигналов для всех  прочих узлов и блоков компьютера.

В состав микропроцессора входят следующие устройства.

1. Арифметико-логическое  устройство предназначено для  выполнения всех арифметических  и логических операций над  числовой и символьной информацией.

2. Устройство  управления координирует взаимодействие  различных частей компьютера. Выполняет  следующие основные функции:

формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;

формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;

получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.

3. Микропроцессорная  память предназначена для кратковременного  хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно  в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится  на регистрах и используется  для обеспечения высокого быстродействия  компьютера, так как основная  память не всегда обеспечивает  скорость записи, поиска и считывания  информации, необходимую для эффективной  работы быстродействующего микропроцессора.