Архитектура ЭВМ

     Векторные операции, использующие различные ФУ и регистры, могут выполняться  параллельно.

7. Факторы, снижающие производительность векторных ЭВМ. Возможность  векторной обработки  программ

 

     Некоторый фрагмент программы может быть обработан  в векторном режиме, если для его  выполнения могут быть использованы векторные команды (соответственно полная или частичная векторизация). Поиск таких фрагментов в программе  и их замена на векторные команды  называется векторизацией программы. Для векторизации необходимы вектора-аргументы + независимые операции над ними. Кандидаты для векторизации - это самые внутренние циклы программы.

     Пример. Нужно выполнить независимую  обработку всех элементов поддиагональной  части массива; в этом случае можем  векторизовать по строкам, можем  по столбцам, но не можем обработать все данные сразу в векторном  режиме из-за нерегулярности расположения элементов поддиагональной части  массива в памяти. Пример векторизуемого фрагмента, для которого выполнены все указанные условия:  

     Do i=1,n

     A(i) = A(i) + s

     EndDo 

     Пример  невекторизуемого фрагмента (очередная  итерация не может начаться, пока не закончится предыдущая):  

     Do i=1,n

     A(i) = A(i-1)+s

     End Do 

8. Препятствия для векторизации

 

     Препятствий для векторизации конкретного цикла  может быть много, вот лишь некоторые  из них:

     Зависимость по данным (предыдущий фрагмент).

     Отсутствие  регулярно расположенных векторов:  

     Do i=1,n

     ij = FUNC(i)

     A(i) = A(i)+B(ij)

     End Do 

     Присутствие цикла, вложенного в данный - для  реализации такого фрагмента нет  соответствующих векторных команд.[3]

     Вызов неизвестных подпрограмм и функций:  

     Do i=1,n

     CALL SUBR(A,B)

     End Do

7. Использование параллельных вычислительных систем. Закон Амдала

 

     Предположим, что в вашей программе доля операций, которые нужно выполнять  последовательно, равна f, где 0<=f<=1 (при  этом доля понимается не по статическому числу строк кода, а по числу  операций в процессе выполнения). Крайние  случаи в значениях f соответствуют  полностью параллельным (f=0) и полностью  последовательным (f=1) программам. Так  вот, для того, чтобы оценить, какое  ускорение S может быть получено на компьютере из 'p' процессоров при данном значении f, можно воспользоваться законом Амдала:

     Если 9/10 программы исполняется параллельно, а 1/10 по-прежнему последовательно, то ускорения  более, чем в 10 раз получить в принципе невозможно вне зависимости от качества реализации параллельной части кода и числа используемых процессоров (ясно, что 10 получается только в том  случае, когда время исполнения параллельной части равно 0).

     Посмотрим на проблему с другой стороны: а какую  же часть кода надо ускорить (а значит и предварительно исследовать), чтобы  получить заданное ускорение? Ответ  можно найти в следствии из закона Амдала: для того чтобы ускорить выполнение программы в q раз необходимо ускорить не менее, чем в q раз не менее, чем (1-1/q)-ю часть программы. Следовательно, если есть желание ускорить программу в 100 раз по сравнению с ее последовательным вариантом, то необходимо получить не меньшее ускорение не менее, чем на 99.99% кода, что почти всегда составляет значительную часть программы!

8. Конвейерная и суперскалярная обработка

 

     Разработчики  архитектуры компьютеров издавна  прибегали к методам проектирования, известным под общим названием "совмещение операций", при котором  аппаратура компьютера в любой момент времени выполняет одновременно более одной базовой операции. Этот общий метод включает два  понятия: параллелизм и конвейеризацию. Хотя у них много общего и их зачастую трудно различать на практике, эти термины отражают два совершенно различных подхода. При параллелизме совмещение операций достигается путем  воспроизведения в нескольких копиях аппаратной структуры. Высокая производительность достигается за счет одновременной  работы всех элементов структур, осуществляющих решение различных частей задачи.

     Конвейеризация (или конвейерная обработка) в  общем случае основана на разделении подлежащей исполнению функции на более  мелкие части, называемые ступенями, и  выделении для каждой из них отдельного блока аппаратуры. Так обработку  любой машинной команды можно  разделить на несколько этапов (несколько  ступеней), организовав передачу данных от одного этапа к следующему. При  этом конвейерную обработку можно  использовать для совмещения этапов выполнения разных команд. Производительность при этом возрастает благодаря тому, что одновременно на различных ступенях конвейера выполняются несколько  команд. Конвейерная обработка такого рода широко применяется во всех современных  быстродействующих процессорах.

     Конвейеризация  увеличивает пропускную способность  процессора (количество команд, завершающихся  в единицу времени), но она не сокращает  время выполнения отдельной команды. В действительности, она даже несколько  увеличивает время выполнения каждой команды из-за накладных расходов, связанных с управлением регистровыми станциями. Однако увеличение пропускной способности означает, что программа  будет выполняться быстрее по сравнению с простой неконвейерной  схемой.[4]

9. Принципы  управления внешними устройствами. Понятие интерфейса ввода-вывода

 

     Производительность  ЭВМ определяется:

1. Возможностями процессора (МГц)
2. Емкостью ОЗУ
3. Техническими данными устройств периферии 4) способом организации взаимодействия устройств с ЭВМ.

     Особенности, которые надо учесть при разработке УВВ:

• Возможность реализации машин с переменным составом оборудования
• Возможность одновременной работы процессора по заданной программе и выполнения перифириыйными устройствами процедур ввода-вывода.
• Необходимость упростить операции ввода-вывода
• Обеспечение возможности автоматического распознавания ситуаций в перифирийных устройствах.

     Виды средств для обеспечения интерфейса:

1. специальные управляющие сигналы и их последовательности
2. устройства сопряжения
3. физическая среда передачи данных (каналы связи)
4. программы, реализующие обмен данными.

     Интерфейс – комплекс линий и шин, сигналов, электр. схем, алгоритмов и программ.

1. Типы  интерфейсов

 

     Деление в зависимости от типов соединяющих  устройств. Различают:

• внутренний интерфейс (системная шина, и т.п.)
• интерфейс ввода-вывода (сопряжение с внешними устройствами)
• интерфейсы межмашинного обмена (вычислительные сети)
• интерфейса человек-машина.

10. Управление  обменом данными

 

     Классифицируется  на основе участия ЦП в обмене. Три способа управления обменом:

1. Асинхронный режим. Суть: Опрос ЦП-ом перифирийного устройства. Такой режим снижает производительность ЭВМ. При большом быстродействии перифирийного устройства процессор может не успеть организовать обмен данными.
2. Синхронный режим. Процессор выполняет основную роль по организации обмена. Но когда устройство занято, то он выполняет другие операции. При наступлении сбоя – вызов прерывания.
3. DMA. Установка связи и передача данных между основной памятью и внешними устройствами – контроллер прямого доступа к памяти. Программирование DMA-контроллера: 1) В него передаются адреса основной памяти и количество передаваемых данных 2) ЦП от DMA-контроллера отключается, и может выполнять другую работу 3) Об окончании обмена контроллер сообщает процессору.

     ПДП обеспечивает выполнение следующих  функций: 1) освобождение процессора от управления операциями ввода-вывода 2) позволяет параллельно организовать выполнение программы и ввод-вывод.[5]

11. Понятие подхода открытых систем. Свойства открытых систем

 

     Открытые  системы – основа развития информационных технологий сегодня. ОС – это система, которая состоит из компонент, взаимодействующих  через стандартные интерфейсы. Общие  свойства ОС: 1) Расширяемость/масштабируемость 2) portability/мобильность

     3) interoperability (способность взаимодействия с другими системами)

     4) driveability – легкость управления

1. Профили стандартов открытых систем

 

     Интеграция  в открытые системы должна соответствовать  профилям стандартов ОС (на интерфейсы). Профиль – это набор согласованных  стандартов, интерфейсов, компонентов  на каждом уровне системы. Данный набор  обеспечивает совместимость этих компонентов.

     Структура ОС содержит 5 групп компонентов:

1. управление/менеджмент (системное администрирование, безопасность, управление ресурсами, конфигурация, сетевое управление)
2. пользовательский интерфейс
3. системные интерфейся для программ – это интерфейсы между прикладными программами и между прикладными программами и операционной системой.
4. формат информации и данных
5. интерфейсы коммуникаций

     Европейская рабочая группа предлагает 6 стандартов:

1. Среда рабочих станций
2. Среда серверов процессов
3. Среда серверов данных
4. Среда транзакций
5. Среда реального времени
6. Среда суперкомпьютера

     Кроме этого существует необходимость  формирования вертикальных профилей, которые ориентированы на область  применения. Наша классификация ОС: (профилей)

1. Интегрированные производственные системы
2. Информационные системы с … доступом к ресурсам
3. Системы автоматизации учреждений
4. Системы автоматизации банков
5. Системы научных исследований (САПР)
6. Определение систем связи и передачи данных

12. Архитектура открытых систем

 

     Архитектура ОС является иерархическим описанием  ее внешнего облика и каждого компонента.

1. интерфейс
2. учет интересов проектировщика системы
3. учет интересов системного программиста
4. учет интересов разработчика аппаратуры интерфейса оборудования, составляющего архитектуру типовых средств. В данное понятие входит:
1. Система команд процессора
2. Организация памяти
3. Ввод-вывод
4. Физическая реализация системной шины, шин памяти, интерфейсы внешних устройств, физический уровень передачи данных и физический уровень среды хранения.