Информационные процессы в компьютере. Архитектура вычислительных систем

Информационные процессы в компьютере. Архитектура вычислительных систем.

Информатика. Базовый уровень: учебник для 10 класса/И. Г. Семакин, Е. К. Хеннер, Т. Ю. Шеина. - 3-е изд. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014.

Из курса основной школы нам известно:

Серийное производство ЭВМ начинается в разных странах в 1950 –х годах. Историю развития ЭВМ принято делить на поколения

Переход от одного поколения к другому связан со сменой элементной базы, на которой создавались машины, с изменением архитектуры ЭВМ, с развитием основных технических характеристик (скорости вычислений, объёма памяти и др.), с изменением области применения и способов эксплуатации машин.

Компьютеры 1 поколения

Компьютеры 2 поколения

Компьютеры 3 поколения

Компьютеры 4 поколения

Под архитектурой ЭВМ понимаются наиболее общие принципы построения компьютера, реализующие программное управление его работой и взаимодействие основных функциональных узлов.

В основе архитектуры ЭВМ разных поколений лежат принципы
Джона фон Неймана.

Информатика. Базовый уровень: учебник для 10 класса/И. Г. Семакин, Е. К. Хеннер, Т. Ю. Шеина. - 3-е изд. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014.

Согласно принципам фон Неймана, исполняемая программа хранится во внутренней памяти – в ОЗУ. Там же находятся данные, с которыми работает программа. Каждая команда программы и каждая величина занимают определенные ячейки памяти.

Элементная база ЭВМ I поколения – электронные лампы,
II поколения – полупроводниковые элементы. Их архитектура схожа и в большей степени соответствовала принципам фон Неймана. Один процессор управлял работой всех устройств.

При однопроцессорной архитектуре ЭВМ, процессор отдав команду внешнему устройству, ожидает завершения её выполнения. При большом числе обращений к внешним устройствам может оказаться, что большую часть времени выполнения программы процессор «простаивает» и, следовательно его КПД оказывается низким. Быстродействие ЭВМ с такой архитектурой находилось в пределах 10-20 тысяч операций в секунду (оп./с).

Использование периферийных процессов

Следующий шаг в развитии архитектуры ЭВМ – отказ от однопроцессорного устройства. На последних моделях машин II поколения, помимо центрального процессора (ЦП), выполнявшего обработку данных, присутствовали периферийные процессоры, которые назывались каналами ввода/вывода. Их задача – в автономном управлении устройствами ввода/вывода и внешней памяти, что освобождало от этой работы центральный процессор. В результате КПД ЦП возрос. Быстродействие некоторых моделей с такой архитектурой составляло от 1 до 3 млн. оп./с.

На всех моделях ЭВМ III поколения, которые создавались на базе интегральных схем (1970-80г.г), использовалась архитектура с одним ЦП и периферийными процессорами внешних устройств. Благодаря совершенствованию элементной базы и др. аппаратных средств на некоторых моделях III поколения достигалось быстродействие до 10 млн. оп./с

Такая многопроцессорная архитектура позволяла реализовать мультипрограммный режим работы: пока одна программа занята вводом/вывода данных, которым управляет периферийный процессор, другая программа занимает центральный процессор, выполняет вычисления.

Архитектура ПК

Для каждого типа и модели устройств используется свой контроллер, а в составе ОС имеется управляющая программа (драйвер устройства)

Для связи между отдельными функциональными узлами ПК используется общая информационная магистраль – системная шина, которая состоит из 3-х частей:
-Шина данных (для передачи данных);
-Шина адреса (для передачи адресов устройств);
- Шина управления (для передачи управляющих сигналов, синхронизирующих работу разных устройств).
Важное достоинство такой архитектуры – возможность подключения к компьютеру новых устройств или замена старых устройств на более современные. Это называется принципом открытой архитектуры.

Каждое ядро способно выполнять функции центрального процессора.
Эта особенность архитектуры позволяет производить на ПК параллельную обработку данных, что существенно увеличивает его производительность.
Выпускаемые в настоящее время микропроцессоры содержат до 8 ядер.

В процессе развития происходят некоторые отклонения от фон-неймановской архитектуры.
Несмотря на нарастающую производительность ЭВМ, которые каждые 4-5 лет по важнейшим показателям практически удваивается, всегда есть классы задач, для которых никакой производительности не хватает. Укажем некоторые из них:
Математические расчёты, лежащие в основе реализации математических моделей многих процессов. Гигантские вычислительные ресурсы, которые нужно реализовать очень быстро, необходимы для более надежного и долгосрочного прогноза погоды, для решения аэрокосмических задач, для решения инженерных задач.
Поиск информации в гигантских БД.
Моделирование интеллекта – при всех фантастических показателях, объем оперативной памяти современных компьютеров составляет лишь малую долю объема памяти человека.
Быстродействие компьютера с одним ЦП имеет физическое ограничение: повышение тактовой частоты процессора ведет к повышению тепловыделения, которое не может быть неограниченным.

Перспективный путь повышения производительности компьютера
Лежит на пути отказа от единственности главных устройств компьютера:
либо процессора, либо оперативной памяти, либо шины, либо всего этого
вместе. Это путь ещё большего отступления от архитектуры фон Неймана.
Чтобы было понятнее, зачем компьютеру несколько процессоров, обсудим
алгоритм решения простейшей математической задачи:
Есть массив из 100 чисел: а1, а2, … а100. Требуется найти их сумму.
Нет ничего проще! И на компьютере и без него мы поступим так: сложим
первые два числа, как –то как то обозначим эту сумму( например, S), затем
прибавим к ней третье, и будем делать это 98 раз. Это пример
последовательного вычислительного процесса. Это его блок-схема

Это очень длительный процесс и мы будем решать задачу не в одиночку, а всем классом

Что надо изменить в устройстве компьютера, чтобы он смог так работать?

Для реализации подобной схемы вычислений компьютеру потребуется 25 процессоров, объединенных в одну архитектуру и способных работать параллельно.
Такие многопроцессорные вычислительные комплексы – реальность сегодняшнего времени.
Но вернемся к описанной выше последовательности действий – в ней есть источники проблем.

Представим, что в схеме мы дорисовали ещё 24 ЦП, соединенных шиной. В этом случае при реализации команды 3 произойдет одновременное обращение 25 процессоров к центральной шине для пересылки результатов сложения в оперативную память. Но шина одна, числа в ней могут передаваться по одному, значит будет очередь на передачу чисел в память.
Вопросы:
Не сведет ли к нулю эта очередь все преимущества от параллельности выполнения операций в шаге 2?
Если преимущества останутся, то насколько они велики?
Окупятся ли расходы на 24 дополнительных процессора?
Выход- ввод в архитектуру нескольких системных шин, а может и нескольких устройств оперативной памяти
Обсуждаемые изменения приводят к «ненеймановской» архитектуре.

Ведущий принцип ненеймановских вычислительных систем:

Отказ от последовательного выполнения операций.
Параллельное программирование: распределение вычислений – способ реализации параллельных вычислений путем использования множества компьютеров, объединенных в сеть (их называют мультикомпьютерными)
Мультипроцессорные системы – образуют единый компьютер, который относится к классу суперкомпьютеров. Достижение параллелизма в них происходит благодаря возможности независимой работы отдельных устройств и их дублирования: несколько процессоров, несколько блоков оперативной памяти, шин и т.д.

Информатика. Базовый уровень: учебник для 10 класса/И. Г. Семакин, Е. К. Хеннер, Т. Ю. Шеина. - 3-е изд. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014.

Информатика. Базовый уровень: учебник для 10 класса/И. Г. Семакин, Е. К. Хеннер, Т. Ю. Шеина. - 3-е изд. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014.

Самый мощный в мире суперкомпьютер «Ломоносов», произведен в
России и работает в Московском государственном университете

Реферат «Архитектура персонального компьютера»
Презентация «Суперкомпьютеры и их применение»
Презентация «Архитектура машин пятого поколения»