Основные понятия в области вычислительных систем

1. Основные понятия в области вычислительных систем 1.1 Введение. Основные определения Термин «Вычислительная система» (ВС) появился в 60-е годы, когда понятие «Электронная вычислительная машина» (ЭВМ) уже не отражало с одной стороны всего многообразия средств вычислительной техники, а с другой стороны не различало их по степени сложности. Поэтому интуитивно можно считать, что вычислительная система - это объект, относящийся к средствам вычислительной техники (СВТ) и имеющий более сложную организацию, чем ЭВМ. К сожалению, до настоящего времени скольконибудь удовлетворяющего всех разработчиков СВТ определения ВС не установлено. Однако существует необходимость хотя бы с методической точки зрения различать объекты, относящиеся к понятию ЭВМ и к понятию ВС, при этом понимая, что чѐткой грани, разделяющей эти объекты провести невозможно. Попытаемся внести смысловой оттенок в определение ВС через разъяснение нашего понимания таких терминов, как «система», «структура», «архитектура», толкование которых само по себе вызывает много споров у специалистов по вычислительной технике. В данной области техники термин «система» используется чрезвычайно широко и имеет множество смысловых оттенков. Мы будем понимать под системой объект, представляющий собой единое целое, предназначенный для выполнения определенных функций и состоящий из множества связанных между собой элементов. Под элементами могут пониматься как аппаратные, так и программные средства. Следовательно, такие объекты, как ЭВМ и ВС, являются системами, предназначенными для автоматизированной обработки данных и представляющие собой совокупность программных и аппаратных средств. Для их обозначения используется понятие «система обработки данных» (СОД). На рис. 1.1 представлены виды систем обработки данных, в том числе ВМ (синоним ЭВМ) – вычислительная машина, ВК – вычислительный комплекс. СОД ВМ (ЭВМ) ВС ВК Вычислительная сеть Рис. 1.1 Виды систем обработки данных Структура СОД обычно определяется в виде совокупности трѐх категорий: множество аппаратных элементов, входящих в состав системы, множество связей, объединяющих эти элементы, и алгоритм функционирования системы. В контексте проектирования аппаратных 4 средств вычислительной системы термин «структура» используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения устройств системы. Архитектура СОД может быть определена как совокупность тоже трѐх категорий: сущность информационных потоков, например, существование двух потоков – команд и данных, характер взаимодействия информационных потоков, например, жесткая последовательность команд управляет обработкой данных, способ обработки данных, например, последовательный или параллельный. Следовательно, понятие архитектуры отображает обобщенное определение системы с точки зрения существующих в ней информационных потоков и способа их обработки. Общность архитектуры разных ЭВМ и ВС обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. Реализация конкретной архитектуры ЭВМ и ВС может быть различной: использование разных по физической природе элементов, применение оригинальных решений при разработке устройств системы, еѐ структуры, что приводит, например, к различию систем по стоимости, производительности, но не меняет принципы обработки данных. В настоящее время можно выделить три вида понятий, связанных с термином «архитектура»: фоннеймановская архитектура, усовершенствованная фоннеймановская архитектура, нетрадиционная архитектура. Первый вид определяет класс объектов с архитектурой, которая основана на использовании двух информационных потоков - команд и данных, с чисто последовательным характером обработки данных под управлением заранее составленной последовательности команд (программы). Понятие «усовершенствованная фоннеймановская архитектура» связано с реализацией различных методов распараллеливания потока обработки данных с целью увеличения производительности системы, но не нарушая принципа программного управления. В этом случае можно говорить о том, что этот вид архитектуры отличается от первого только увеличением числа потоков команд и данных в любых сочетаниях. Естественно, в зависимости от числа потоков команд и данных, примененного метода распараллеливания и характера управления множествами потоков «усовершенствование» архитектуры может идти различными путями, приводя к появлению новых типов архитектур в рамках данного вида. Понятие «нетрадиционная архитектура» связано, в частности, с так называемыми потоковыми машинами, которые отличаются новым принципом управления вычислительным процессом и разделяются на два типа архитектур: управляемые потоком данных (нет счетчика команд; устройство управления сложное, обычно выполненное на АЗУ; программы нет как таковой) и управляемые запросами. При этом, по аналогии с фоннеймановской архитектурой, организация вычислений может быть «последовательной» (здесь этот термин используется только с точки зрения аналогии, так как по своей сути потоковые машины строятся с 5 использованием всех видов параллелизма, поэтому последовательные потоковые машины можно рассматривать как вырожденный случай) и параллельной. Таким образом, определяя понятие «вычислительная система» с точки зрения архитектуры, можно сделать вывод о том, что этот класс СОД должен обладать либо усовершенствованной фоннеймановской архитектурой, либо нетрадиционной с параллельной организацией вычислений. При этом ЭВМ обладают либо фоннеймановской архитектурой, либо нетрадиционной с последовательной организацией вычислительного процесса. Для того, чтобы дать более точное определение ЭВМ и ВС, необходимо определить их место среди таких объектов СОД, как ВК и вычислительная сеть. Для этого дадим следующие определения, введѐнные профессором кафедры ВМСиС Дерюгиным А.А [1] при участии автора. 1.Процессор, центральный процессор, центральное процессорное устройство (обозначение на схемах P,CP,CPU) – основная часть ЭВМ, предназначенная для обработки данных и управления этой обработкой в соответствии с последовательностью команд программы. Такой процессор по умолчанию является скалярным. В состав процессора входят: а) арифметико-логическое устройство (ALU), состоящее из одного или нескольких блоков обработки числовых данных с фиксированной и плавающей запятой, блока логических операций, сдвига данных и др.; б) устройства управления (CU – control unit), содержащее счетчик команд (IP – instruction pointer), регистр команд (инструкций,RGI), часто буфер команд, блок преобразования кода операций в коды микроопераций, т.е. в последовательности управляющих сигналов, соответствующих микрооперациям, как для управления работой процессора, так и для управления другими устройствами ЭВМ; в) блок регистров, включая адресуемые регистры общего назначения (регистровую память RGM), регистры управления, в том числе регистр флагов (признаков) и др., а также неадресуемые регистры (дескрипторы и др.); г) интерфейсный блок (IU), предназначенный для реализации связей процессора с другими устройствами ЭВМ. В состав этого блока входит, в частности, узел управления памятью (менеджер памяти), предназначенный для формирования из кода адреса операнда, указанного в команде, физического адреса ячейки памяти, в которой хранится требуемый операнд. 1.1. 1.2. Виды процессоров Суперскалярный процессор (SSP) – процессор, допускающий параллельное (одновременное) выполнение нескольких команд программы. Такой процессор может содержать несколько конвейеров обработки данных. Векторный процессор (VP) – процессор, содержащий специальные блоки обработки данных, предназначенные для выполнения, как 6 скалярных операций, так и операций над векторами в соответствии с векторными командами, входящими в состав системы команд процессора, а также блок векторных регистров (VRG). 1.3. Матричный процессор (MP) – многопроцессорное устройство, предназначенное для выполнения операций над векторами и матрицами. 1.4. Ассоциативный процессор (AP) – специализированный процессор, реализованный на базе ассоциативного запоминающего устройства и предназначенный для одновременного выполнения операций над массивами данных последовательно по разрядам этих данных. 2. Кэш-память (CM) – быстродействующая буферная память небольшой ѐмкости, в которой хранятся команды и данные, необходимые для использования в течение текущего интервала времени. Содержимое CM дублирует содержимое основной (большой) памяти (BM – base memory) и меняется в процессе работы ЭВМ автоматически аппаратным способом. Обмен данными между CM и BM производится строками (блоками). Обычно это 16…64 байта. В состав CM входят: собственно кэш-память и местное устройство управления, включая таблицу, в котрой хранятся адреса тех блоков, которые находятся в кэш-памяти в данный момент. В зависимости от «удаления» от процессора различают CM первого и второго уровней (L1и L2, L –level). Кэш-память первогог уровня может быть общей для команд и данных или раздельной для команд и данных. Кэш-память второго уровня, как правило, общая для команд и данных. 3. Процессорный модуль (PM), вычислительный модуль – устройство, содержащее процессор, кэш-память или, например, локальную память (LM). 4. Внутренняя память (IM – internal memory) – память, предназначенная для приѐма, хранения и выдачи информации, непосредственно используемой (адресуемой) процессором. IM _ это RGM+CM+BM. 5. Внешняя память (EM – external memory) – память, предназначенная для длительного хранения больших объѐмов информации. Для использования этой информации еѐ необходимо переместить во внутреннюю память средствами операционной системы. Внутренняя память является буферной памятью по отношению к внешней памяти. 6. Многопроцессорный модуль (MPM) – функциональное устройство, содержащее вычислительные модули, соединѐнные с кэшпамятью второго уровня. Из PM и MPM могут быть построены многопроцессорные вычислительные системы (МВС) с двухуровневой или трѐхуровневой общей внутренней разделяемой памятью. 7 7. Общая или разделяемая память МВС – это внутренняя память, к ячейкам которой может обращаться любой процессор, входящий в состав МВС. 8. Локальная память (LM) процессора, входящего в состав МВС, это внутренняя память, к ячейкам которой может обращаться только данный процессор. Адресные пространства для общей и локальной памятей не пересекаются. 9. Коммутатор (SW) МВС – аппаратные средства, обеспечивающие взаимодействие между компонентами МВС. В состав коммутатора в явном или неявном виде входит арбитр. В состав СОД могут входить так называемые вспомогательные процессоры. К ним относятся управляющие процессоры, обеспечивающие реализацию функций, служебных по отношению к самой СОД, сервисные процессоры для выполнения функций контроля и диагностики СОД, процессоры ввода-вывода, процессоры телеобработки данных и т.д. Совокупность любых процессоров любого количества, оперативной памяти и каналов ввода-вывода назовѐм центральной частью (ЦЧ) СОД. СОД, включающую в себя одну центральную часть, в состав которой входит один процессор обработки данных любого вида и возможно один или несколько вспомогательных процессоров р, обеспечивающих максимально эффективную работу первого, а также периферийные устройства, назовѐм электронной вычислительной машиной (ЭВМ). СОД, включающую в себя одну ЦЧ, но имеющую более одного процессора обработки данных любого вида, периферийные устройства, назовѐм вычислительной системой (ВС). СОД, включающую в себя несколько ЦЧ, объединенных по каналам ввода-вывода, и общие для них периферийные устройства, назовѐм вычислительным комплексом (ВК). Множество ЭВМ, ВС и ВК объединѐнных линиями связи, назовѐм вычислительной сетью. Настоящее учебное пособие посвящено, в основном, отдельным вопросам, связанным с вычислительными системами с усовершенствованной фоннеймановской архитектурой. При анализе таких систем для количественной оценки их эффективности обычно используется такой показатель, как производительность. Приведем наше толкование данного показателя. При этом будем различать два взаимосвязанных вопроса: какое качество системы отображает это понятие и в чѐм можно измерить это качество. Отвечая на эти вопросы, можно определить производительность как характеристику вычислительной мощности системы, определяющую количество выполненной работы за единицу времени. Таким образом, если имеем в виду вычислительную систему, то под работой можно понимать решение задач. В этом случае производительность есть число задач, выполненных системой в единицу времени. Следовательно, 8 производительность системы будет различной для задач различных классов. Существует большое число методов оценки производительности ВС, связанных с тем или иным классом задач, однако главные из них основаны на использовании специально созданных тестов. Для того, чтобы оценить производительность системы, не привязываясь к классу задач, иногда используют такой показатель, как быстродействие. Хотя этот показатель отражает только техническую сторону вычислительной системы, а иногда характеристику только основного элемента системы - процессора, он достаточно широко распространен. Если в первых ЭВМ быстродействие измерялось в количестве коротких операций в секунду, например, типа «регистр-регистр» или «сложение с фиксированной точкой», то современные ЭВМ и ВС характеризуются числом выполняемых операций с плавающей точкой в секунду, которые получили название флопов (FLOPS). Для специализированных ВС используются другие единицы измерения, например характерные для них операции, транзакции и т.д. Данный курс лекций поможет студентам ответить на такие вопросы как: зачем нужны ВС всѐ большей и большей производительности, как видоизменяются структура и архитектура процессора и самой ВС с целью повышения эффективности использования их аппаратных средств, какими свойствами должно обладать их программное обеспечение, какие новые идеи существуют в области разработки высокопроизводительных вычислительных систем. И как показывает опыт развития средств вычислительной техники, вопросов, на которые пока нет ответов, появляется всѐ больше и больше.