Иформационно-логические основы вычислительных машин их функциональная и структурная организация

Классификация компьютеров по областям применения

ЭВМ можно классифицировать по областям применения следующим образом:

· Персональные компьютеры и рабочие станции

· X-терминалы

· Серверы

· Мейнфреймы

· Кластерные архитектуры

Персональные компьютеры и рабочие станции. Персональные компьютеры (ПК) появились в результате эволюции миникомпьютеров при переходе элементной базы машин с малой и средней степенью интеграции на большие и сверхбольшие интегральные схемы. ПК – это прежде всего «дружественный интерфейс», проблемно-ориентированные среды и инструментальные средства для автоматизации разработки прикладных программ, низкая стоимость и т.д.

Создание RISC-процессоров и микросхем памяти большой емкости привело к формированию настольных систем высокой производительности, которые также известны как рабочие станции. Ориентация рабочих станций на профессиональных пользователей привела к тому, что рабочие станции - это хорошо сбалансированные системы, в которых высокое быстродействие сочетается с большим объемом оперативной и внешней памяти, высокопроизводительными внутренними магистралями, высококачественной и быстродействующей графической подсистемой и разнообразными устройствами ввода/вывода. Это свойство выгодно отличает рабочие станции среднего и высокого класса от ПК и сегодня.

В последнее время быстрый рост производительности ПК на базе новейших микропроцессоров в сочетании с резким снижением цен на эти изделия и развитием технологии стирает грань между ПК и рабочими станциями. ПК в настоящее время имеют достаточную производительность, а рабочие станции чаще на базе UNIX имеют программное обеспечение, способное выполнять большинство функций, которые ассоциируются с понятием ПК.

Х-терминалы. Вычислительные системы обладающие минимальным набором средств обработки информации и ориентированные, главным образом, на организацию взаимодействия пользователя с высокопроизводительной вычислительной системой (сервером), которая и осуществляет обработку информации.

Серверы. Прикладные многопользовательские коммерческие и бизнес-системы, крупные издательские системы, сетевые приложения и системы обслуживания коммуникаций все более требуют перехода к модели организации системы «клиент-сервер» и распределенной обработке данных. В распределенной модели «клиент-сервер» часть работы выполняет сервер, а часть пользовательский компьютер (клиент). Существует несколько типов серверов, ориентированных на разные применения: файл-сервер, сервер базы данных, принт-сервер, вычислительный сервер, сервер приложений. Таким образом, тип сервера определяется видом ресурса, которым он владеет (файловая система, база данных, принтеры, процессоры или прикладные пакеты программ). В зависимости от числа пользователей и характера решаемых ими задач требования к составу оборудования и программного обеспечения сервера, к его надежности и производительности сильно варьируются.

Современные серверы высокой мощности характеризуются:

· наличием двух или более центральных процессоров RISC, реже CISC;

· многоуровневой шинной архитектурой, в которой запатентованная высокоскоростная системная шина связывает между собой несколько процессоров и оперативную память, а также множество стандартных шин ввода/вывода, размещенных в том же корпусе;

· поддержкой технологии дисковых массивов RAID;

· поддержкой режима симметричной многопроцессорной обработки, которая позволяет распределять задания по нескольким центральным процессорам или режима асимметричной многопроцессорной обработки, которая допускает выделение процессоров для выполнения конкретных задач.

Мейнфреймы. Мейнфрейм – это синоним понятия «большая универсальная ЭВМ». Мейнфреймы и до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Они могут включать один или несколько процессоров, каждый из которых, в свою очередь, может оснащаться векторными сопроцессорами (ускорителями операций с суперкомпьютерной производительностью).

Основными поставщиками мейнфреймов являются известные компьютерные компании IBM (ведущая роль), Amdahl, ICL, Siemens Nixdorf и др. В архитектурном плане мейнфреймы представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. При этом основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные процессоры (в терминологии IBM - селекторные, блок-мультиплексные, мультиплексные каналы и процессоры телеобработки) обеспечивают работу с широкой номенклатурой периферийных устройств.

Стремительный рост производительности персональных компьютеров, рабочих станций и серверов создал тенденцию перехода с мейнфреймов на компьютеры менее дорогих классов: миникомпьютеры и многопроцессорные серверы. Эта тенденция получила название "разукрупнение" (downsizing). Однако этот процесс в самое последнее время несколько замедлился. Основной причиной возрождения интереса к мейнфреймам эксперты считают сложность перехода к распределенной архитектуре клиент-сервер, которая оказалась выше, чем предполагалось. Кроме того, многие пользователи считают, что распределенная среда не обладает достаточной надежностью для наиболее ответственных приложений, которой обладают мейнфреймы.

Главным недостатком мейнфреймов в настоящее время остается относительно низкое соотношение производительность/стоимость.

Кластерные архитектуры. Двумя основными проблемами построения вычислительных систем для критически важных приложений, являются обеспечение высокой производительности и продолжительного функционирования систем. Наиболее эффективный способ достижения заданного уровня производительности – применение параллельных масштабируемых архитектур. Задача обеспечения продолжительного функционирования системы имеет три составляющих: надежность, готовность и удобство обслуживания. Наиболее эффектиными в этом плане являются кластерные системы. Термин «кластеризация» можно определить как реализация объединения машин, представляющегося единым целым для операционной системы, системного программного обеспечения, прикладных программ и пользователей. Машины, кластеризованные вместе таким способом могут при отказе одного процессора очень быстро перераспределить работу на другие процессоры внутри кластера.

Первой концепцию кластерной системы анонсировала компания DEC, определив ее как группу объединенных между собой вычислительных машин, представляющих собой единый узел обработки информации. VAX-кластер представляет собой слабосвязанную многомашинную систему с общей внешней памятью, обеспечивающую единый механизм управления и администрирования. В настоящее время на смену VAX-кластерам приходят UNIX-кластеры. При этом VAX-кластеры предлагают проверенный набор решений, который устанавливает критерии для оценки подобных систем.

Лекция 3

Любая вычислительная система включает следующие узлы:

· Арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции.

· Устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программ.

· Запоминающее устройство (память) для хранения программ и данных.

· Внешние устройства для ввода–вывода информации (ВУ).

Рис. 2. Логическая организация ЭВМ Одинарные линии называют управляющие связи, двойные – информационные.

В общих чертах работу вычислительной системы можно описать следующим образом: устройство управления инициирует процесс чтения из памяти очередной команды программы, расшифровывает ее и подключает необходимые для ее выполнения цепи и устройства (АЛУ или ВУ), после чего цикл повторяется для выполнения следующей команды. Таким образом, все действия в ЭВМ выполняются под управлением программы, хранящейся в памяти. В связи с этим основным принципом работы ЭВМ является принцип программного управления.

Описанный принцип работы и структура ЭВМ – это классическая организация вычислительной системы, известная под названием неймановской архитектуры. Характерным ее отличием является то, что для хранения программ и данных используется одно и то же пространство памяти, т.е. содержимое ячейки памяти интерпретируется оператором обработки информации, в качестве которого в простейшем случае выступает процессор. Другим типом архитектуры является т.н. гарвардская архитектура, в которой память программ и память данных разделены и имеют собственные адресные пространства и способы доступа к ним.

Подсистема ввода-вывода в простейшем случае представлена набором адресуемых буферных схем и регистров (портов), через которые осуществляется связь с внешними и внутренними аппаратными средствами системы. Подсистема ввода-вывода обычно использует единый механизм адресации портов, размещаемых в специальном пространстве ввода-вывода. В некоторых системах для размещения пространства ввода-вывода выделяется область в пространстве памяти данных – т.н. отраженный на память ввод-вывод. Организация доступа к портам в таких системах ничем не отличается от процесса записи-считывания данных в ячейки памяти. В других системах пространство ввода-вывода размещается в специальном логически изолированном от других пространств данных пространстве - т.н. изолированный ввод-вывод. В этом случае для доступа к портам необходимы специальные команды ввода-вывода.

Современные ЭВМ могут иметь различную архитектуру, но обязательно содержат в своей структуре рассмотренные элементы и используют основной принцип функционирования ЭВМ, дополненный новыми принципами, к которым можно отнести принципы модульности, магистральности и микропрограммируемости.

Модульность – это способ построения компьютера на основе набора модулей. Модулем называется конструктивно и функционально законченный электронный блок в стандартном исполнении. Это означает, что с помощью модуля может быть реализована какая-то функция либо самостоятельно, либо совместно с другими модулями.

Магистральность – это способ соединения между различными модулями компьютера, когда входные и выходные устройства модулей соединяются одними и теми же проводами, совокупность которых называется шиной. Магистраль компьютера состоит из нескольких групп шин, разделяемых по функциональному признаку - шина адреса, шина данных, шина управления.

Микропрограммируемость – это способ реализации принципа программного управления. Суть его состоит в том, что принцип программного управления распространяется и на реализацию устройства управления. Другими словами, устройство управления строится точно так же, как и весь компьютер, только на микроуровне, т.е. в составе устройства управления имеется своя память, называемая управляющей памятью или памятью микрокоманд, свой "процессор", свое устройство управления и т. д.

Использование рассмотренных принципов и объединение в одном устройстве, названом центральный процессор (ЦП), АЛУ и УУ, привели к видоизмененной структуре современной ЭВМ, изображенной на рис. 3.

Рис. 3 Модульная структура современной ЭВМ

Наиболее распространенной является структура вычислительной системы (ВС), имеющая две или три (в большинстве случаев) общих магистрали (шины), к которым под воздействием устройств управления могут поочередно подключаться, входящие в систему узлы (см. рис. 4).

Рис. 4. Трехмагистральная организация ЭВМ

В приведенной на рис. 4 схеме, обработку информации осуществляет ЦП, синхронизируемый тактовыми импульсами устройства синхронизации. Обмен информацией между МП и остальными блоками ВС осуществляется по трем магистралям (шинам): адресной, данных и управляющей. Магистраль адреса (МА, ША) служит для передачи кода адреса, по которому производится обращение к устройствам памяти ввода-вывода и прочим внешним устройствам. Обрабатываемая информация и результаты вычислений передаются по магистрали данных (МД, ШД). Магистраль управления (МУ) передает управляющие сигналы на все блоки ВС, настраивая устройства, участвующие в выполняемой команде, на нужный режим работы.

Использование в ВС трех магистралей обеспечивает высокое быстродействие и упрощает процесс вычисления. Возможно построение ВС с одной или двумя магистралями, по которым последовательно передаются код адреса и обрабатываемая информация, но при этом значительно возрастает время выполнения команды и усложняется организация обмена информацией между узлами.

Дата добавления: 2014-01-11