Основные понятия. Головні поняття і визначення теорії обчислювальних систем

Головні поняття і визначення теорії обчислювальних систем

Введення до теорії обчислювальних систем.

ЛЕКЦИЯ №10

Данная лекция знакомит с основными понятиями, задачами и предметом исследования теории вычислительных систем.

План:

1. Головні поняття і визначення теорії обчислювальних систем.

2. Задачі аналізу, ідентифікації, синтезу обчислювальних систем.

1.1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ

Теория вычислительных систем – инженерная дисциплина, объединяющая методы решения задач проектирования и эксплуатации ЭВМ, вычислительных комплексов, систем и сетей.

Предмет теории. Предметом исследования в теории вычислительных систем являются вычислительные системы в аспектах их производительности, надежности и стоимости. В системе выделяются следующие составляющие:

1) технические средства, определяемые конфигурацией системы – составом устройств и структурой связей между ними;

2) режим обработки, определяющий порядок функционирования системы;

3) рабочая нагрузка, характеризующая класс обрабатываемых задач и порядок их поступления в систему.

Когда ЭВМ, вычислительный комплекс, система или сеть исследуется в целом, как органическое единство составляющих во взаимодействии с окружающей средой, и при этом проявляются общесистемные свойства и характеристики, говорят, что исследование проводится на системном уровне. Представление исследуемых объектов (ЭВМ, комплексы, системы и сети) на системном уровне – наиболее характерная черта теории вычислительных систем.

Предметом исследования может быть функционирование процессора, внешнего запоминающего устройства и канала ввода – вывода, обмен данными между уровнями памяти, планирование, обработка, системный ввод – вывод и др. При этом свойства элементов и подсистем изучаются применительно к целям исследования всей системы, например к оценке производительности, и рассматриваются как части системы, функционирующие во взаимодействии с остальными частями.

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 сколько-нибудь 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 чёткой 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).

ВМ – вычислительная машина

ВК – вычислительный комплекс

Структура СОД обычно определяется в виде совокупности трёх категорий: множество аппаратных элементов, входящих в состав системы, множество связей, объединяющих эти элементы, и алгоритм функционирования системы. В контексте проектирования аппаратных средств вычислительной системы термин «структура» используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения устройств системы.

Архитектура СОД может быть определена как совокупность тоже трёх 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, её 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 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 введём следующие определения.

Процессорный элемент (ПЭ) - это устройство, обеспечивающее непосредственную обработку данных по заданной программе. Соответствующие программе управляющие сигналы и обрабатываемые данные процессорный элемент получает из устройства управления и оперативной памяти СОД, в состав которой он входит. По существу ПЭ - это арифметико-логическое устройство (АЛУ) с небольшим количеством регистров. Чаще всего разрядность ПЭ не превышает 16-и.

Процессор (П) в отличие от ПЭ имеет в своём составе одно или несколько АЛУ разрядностью более 16-и, большое количество различного назначения регистров, устройство управления и КЭШ.

Центральный процессор (ЦП) - это устройство обработки данных, обладающее локальной памятью большой ёмкости, позволяющей ему вести обработку сложных частей или целой программы независимо (в определённых рамках) от других устройств СОД. Иногда такие процессоры называют вычислительными модулями.

В состав СОД могут входить так называемые вспомогательные процессоры (ВПр). 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 назовём 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 ВПр, обеспечивающих максимально эффективную работу первого, а также периферийные устройства, назовём электронной вычислительной машиной (ЭВМ).

СОД, включающую в себя одну ЦЧ, но имеющую более одного процессора обработки данных любого вида, периферийные устройства, назовём вычислительной системой (ВС).

СОД, включающую в себя несколько ЦЧ, объединенных по каналам ввода-вывода, и общие для них периферийные устройства, назовём вычислительным комплексом (ВК).

Множество ЭВМ, ВС и ВК объединённых линиями связи, назовём 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 чём 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, 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.

В целом в теории вычислительных систем выделяют 3 основных задачи:

1. Задача анализа ВС.

2. Задача идентификации ВС.

3. Задача синтеза.

Дата добавления: 2014-01-14