Классификация компьютеров

В данном разделе рассматривается самая общая классификация компьютеров по их назначению и месту в информационной сети предприятия. Назначение компьютера определяет набор решаемых им задач, на основании которых формируются требования к характеристикам, обеспечиваемым соответствующим составом технических и программных средств.

Персональные компьютеры (ПК), по определению, предназначены для удовлетворения потребностей в вычислительных ресурсах отдельного пользователя. Поскольку пользователем может быть домашняя хозяйка, писатель, художник, композитор, аналитик, программист или разработчик технических устройств, то и требования к вычислительной мощности процессора, объемам оперативной и внешней памяти, составу периферийных устройств и их характеристикам могут существенным образом отличаться. Характерным же для ПК является:

· ориентация на самое широкое применение и наличие некоторого набора стандартных технических средств со средними значениями характеристик, которые могут быть существенно улучшены по желанию пользователя;

· автономное использование ПК и, как следствие, обязательное наличие у каждого компьютера средств ввода и вывода информации и её визуального отображения, таких как клавиатура, мышь, монитор, принтер и других, характерных для решаемых задач;

· индивидуальное использование ресурсов ПК и незначительное использование ресурсов других компьютеров при наличии подключения к информационной сети, например, интернет;

· работа под управлением несетевой операционной системы.

Рабочими станциями называют компьютеры, работающие в сети предприятия. Для рабочих станций характерно:

· ориентация на профессиональных пользователей и решение определенного класса задач, требующая хорошей сбалансированности компьютеров по быстродействию и объемам оперативной и внешней памяти, наличия, как правило, быстродействующих внутренних информационных магистралей, возможно, высококачественной графической системы и специальных устройств ввода и вывода информации;

· подключение к локальной информационной сети и, если требуется, через специальные устройства доступа к глобальным сетям;

· значительное использование вычислительных и информационных ресурсов других компьютеров и возможность предоставления в общее пользование собственных ресурсов;

· коллективное использование внешних устройств ввода и вывода информации, например, принтеров, сканеров, устройств доступа к глобальным сетям;

· работа под управлением как несетевых, так и сетевых операционных систем.

Серверами называют компьютеры, предназначенные для предоставления своих вычислительных и информационных ресурсов в общее пользование и обслуживающие запросы от рабочих станций. Прикладные многопользовательские информационные системы, как правило, требуют распределенной обработки данных и реализуются в архитектуре «клиент-сервер». В такой архитектуре системы часть работ выполняется сервером, а часть рабочей станцией.

Серверы классифицируются как по назначению и типу предоставляемого ими ресурса, например, файловый сервер, сервер базы данных, принт сервер, вычислительный сервер, сервер приложений, так и по масштабу сети, в которой они используются - сервер рабочей группы, сервер отдела, сервер предприятия или корпоративный сервер.

Очевидно, что в зависимости от числа пользователей и типа решаемых задач требования к оборудованию и программному обеспечению сервера, его надежности и производительности меняются в достаточно широких пределах. Характерным же является следующее:

· работа под управлением сетевой операционной системы;

· наличие в составе оборудования сетевых карт, обеспечивающих требуемые скорости и объемы обмена данными;

· наличие быстродействующего процессора или нескольких - от двух до нескольких десятков и сотен, процессоров для обеспечения необходимой вычислительной мощности;

· высокие требования к объемам оперативной и внешней памяти;

· мощные блоки питания для возможности установки дополнительных плат расширения функциональных возможностей и дисковых накопителей;

· применение устройств бесперебойного питания;

· невысокие требования к устройствам ввода и визуального отображения информации для управления сервером и даже, возможно, частичное или полное их отсутствие.

Мейнфреймы до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Они представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных высокоскоростными магистралями передачи данных. Основная вычислительная нагрузка, естественно, ложится на центральные процессоры, каждый из которых, как правило, оснащается высокопроизводительными векторными сопроцессорами ускорителями операций, а периферийные процессоры обеспечивают работу с сетью и широкой номенклатурой периферийных устройств.

Первоначально мейнфреймы ориентировались на централизованную модель вычислений, работали под управлением патентованных операционных систем и имели ограниченные возможности для объединения в единую систему оборудования различных фирм изготовителей. Однако повышенный интерес потребителей к открытым системам, построенным на базе международных стандартов и позволяющим эффективно использовать все преимущества такого подхода, подвинул поставщиков мейнфреймов существенно расширить возможности своих операционных систем в направлении совместимости. Современные мейнфреймы обеспечивают соответствие стандартным спецификациям открытых систем, возможность использования протоколов сетевого взаимодействия OSI и TCP/IP и даже предоставляя возможность работы под управлением операционной системы другого производителя.

Стоимость мейнфреймов может составлять десятки и сотни тысяч долларов. Следует учитывать, что их эксплуатация также обходится недешево. Несмотря на то, что рост производительности многопроцессорных серверов создал предпосылки перехода с мейнфреймов на более простые вычислительные архитектуры, все же для целого ряда задач есть объективные причины, когда их использование оправдано или даже является единственно возможным техническим решением. Основными причинами использования мейнфреймов является то, что, во-первых, организация и эксплуатация распределенных вычислительных систем оказалась задачей существенно более сложной, чем предполагалось. Во-вторых, многие специалисты и пользователи считают, что распределенная вычислительная среда не обладает достаточной надежностью при решении ответственных задач.

Очевидно, что выбор мейнфрейма в качестве центральной вычислительной машины информационной системы возможен только после глубокого анализа задач и требований заказчика, рассмотрения альтернативных решений и долгосрочного прогнозирования развития прикладной системы.

Кластерные архитектуры обязаны своим появлением проблемам построения вычислительных систем высокой производительности и продолжительного функционирования для критически важных приложений, связанных с обработкой транзакций, управлением базами данных и обслуживанием телекоммуникаций. Очевидно, что эти проблемы являются общими для всех типов компьютеров и решаются как на уровне создания надежной элементной базы, так и архитектурными, структурными, конструкторскими, технологическими и организационными решениями.

Наиболее эффективным способом достижения заданного уровня производительности является применение параллельных масштабируемых архитектур, когда для увеличения вычислительного ресурса или ресурса памяти добавляются дополнительные устройства.

Обеспечение продолжительного функционирования системы определяется такими её характеристиками, как надежность, готовность и удобство обслуживания. Повышение надежности базируется на предотвращении неисправностей путем снижения интенсивности отказов и сбоев. Повышение уровня готовности предполагает снижение степени влияния отказов и сбоев на работу системы с помощью средств контроля и коррекции ошибок, а также автоматического восстановления вычислительного процесса после проявления неисправности, включая аппаратурную и программную избыточность, на основе которой реализуются различные варианты отказоустойчивых архитектур. Основные эксплуатационные характеристики системы зависят, в частности, от её контролепригодности и ремонтопригодности.

Кластерную архитектуру можно определить как комплекс специальным образом соединенных вычислительных машин, который воспринимается единым целым операционной системой, системным программным обеспечением и прикладными программами пользователей. Аппаратурная и программная избыточность комплекса позволяет при обнаружении отказа одного процессора быстро перераспределить работу на другие процессоры внутри кластера. Работа кластерной системы определяется высокоскоростным механизмом связи процессоров и соответствующими системными программными средствами, обеспечивающими пользователей прозрачным доступом к системному сервису.

Архитектура компьютеров и их основные подсистемы

При описании компьютера, как правило, пользуются понятием его архитектуры. Под архитектурой компьютера понимается то, каким он предстает перед программистом или пользователем. В общем случае, архитектура включает в себя описание форматов данных, системы команд, используемых методов адресации, организации памяти, системы ввода-вывода, системы прерываний, которые определяют производительность компьютера. Далее рассматриваются архитектурные отличия компьютеров и типовые реализации их основных подсистем.

Процессоры

Команда процессора определяет необходимые для выполнения действия. Поскольку такими действиями могут быть выполнение арифметических и логических операций, операций пересылок данных, управления потоком команд - команды условных и безусловных переходов, ввода и вывода информации, вызова процедур и многие другие, то процессору требуется система команд. Чем больше разнообразных команд в системе команд процессора, тем большие возможности он предоставляет для программирования.

Так как основным назначением процессора является выполнение вычислений, то большинство команд содержат поля с кодами выполняемой операции и адресами операндов, над которыми эти операции выполняются. Очевидно, что при выполнении операции процессор должен выбрать по указанным адресам один или два операнда, выполнить указанное командой действие и поместить результат также по заданному адресу. Количество указываемых в коде команды операндов определяет адресность процессора. По этому признаку различают:

безадресные процессоры: адреса операндов и результата являются фиксированными. Примером безадресных процессоров являются устройства со стековой организацией внутренней памяти, иногда называемой памятью «магазинного» типа. Под «магазином» здесь понимается магазин стрелкового оружия, когда последний вставленный в него патрон первым направляется в ствол. Таким же образом заполняется стек памяти: последний загруженный операнд - вершина стека, подается на вход АЛУ. Вторым операндом является предпоследний из загруженных операндов - подвершина стека. Результат операции записывается в вершину стека, а место подвершины занимает следующий операнд;

одноадресные процессоры: адрес одного из операндов задается в коде команды, а второй операнд всегда находится в фиксированном регистре, называемым «аккумулятором». Результат операции сохраняется в аккумуляторе;

двухадресные процессоры: в коде команды указываются адреса обоих операндов. Результат выполнения команды сохраняется по адресу одного из операндов;

трехадресные процессоры: в коде команды указываются адреса операндов и адрес, по которому необходимо сохранить результат операции.

Очевидно, что трехадресные процессоры наиболее предпочтительны с точки зрения предоставления большей гибкости по работе с операндами и требуют меньшего количества команд для выполнения вычислений. В процессорах меньшей адресности требуются дополнительные команды, чтобы записать операнды в фиксированные регистры, предварительно сохранить один из операндов, если на его место записывается результат операции, а он будет нужен в последующих операциях. Однако увеличение адресности процессора приводит к увеличению разрядности команды и усложнению схем её декодирования, увеличению управляющего оборудования и, как правило, наличию мультиплексоров на входе АЛУ, то есть, к общему усложнению и увеличению оборудования.

Операнды могут находиться в регистрах процессора, в коде команды, в ячейках оперативной памяти следом за командой и в любых других произвольных ячейках. Способы задания местонахождения операндов называются методами адресации.

Если операнд находится в регистре процессора, то в поле команды задается номер этого регистра. Если же операнд находится в ячейке памяти, то возможны разнообразные способы задания его адреса. Адрес может находиться в одном из регистров процессора, в ячейке оперативной памяти, вычисляться процессором относительно некоторого базового значения или задаваться другим способом. Чем больше способов адресации реализованы в процессоре, тем более содержательными и эффективными являются его команды и тем меньшее их количество требуется для решения задачи. Но, как и в случае с увеличением адресности, реализация большого количества методов адресации приводит к усложнению и увеличению оборудования процессора.

Отмеченная ранее эффективность многоадресных процессоров с большим количеством команд и развитыми методами адресации является достаточно условной, так как частота использования отдельных команд и методов адресации существенно зависит от класса решаемых задач. Усложнение же аппаратуры приводит к увеличению рабочего такта процессора, то есть к снижению количества команд, выполняемых за единицу времени. Все это привело к появлению двух различных процессорных архитектур:

· CISC (Complete Instruction Set Computer) - процессоры с полным набором команд;

· RISC (Reduced Instruction Set Computer) - процессоры с сокращенным набором команд.

CISC процессоры содержат развитые системы команд со сложными системами адресации. Как правило, они используются в больших вычислительных машинах, например, мейнфреймах, или универсальных компьютерах, ориентированных на использование в качестве отдельной рабочей станции. Процессоры компании Intel серий х86 и Pentium являются представителями CISC архитектуры.

RISC процессоры, хоть и являются универсальными, но в большей степени ориентированы на использование в высокопроизводительных рабочих станциях и серверах, количество процессоров в которых может составлять десятки и сотни единиц. Ограниченный набор команд и простые методы адресации позволяют сократить количество требуемого оборудования, упростить структуру процессоров и повысить рабочую тактовую частоту, что компенсирует увеличение длины их программ.

Для повышения производительности процессоров используются различные структурные методы, наиболее распространенными из которых является параллельная работа отдельных узлов и организация конвейера выполнения команд.

Под параллельной работой понимается выполнение в одном рабочем такте процессора нескольких операций, например, работа АЛУ и выборка операнда из оперативной памяти, выполнение операции ввода или вывода, вычисление адреса команды или операнда и другие. Как правило, для этого требуется некоторое дополнительное оборудование.

Конвейерное выполнение команд, также называемое совмещением выполнения операций, является частным случаем параллельной работы узлов процессора. Оно основано на том, что, в большинстве случаев, выполняемые процессором команды находятся в последовательных ячейках памяти. Выполнение процессором простой команды можно разбить на четыре этапа: выборка команды из памяти, её декодирование, выполнение операции и сохранение результата. Так как эти четыре этапа выполнения команды поддерживаются различными узлами процессора, то возможно совмещение выполнения последовательности четырех команд. При этом в одном такте процессора записывается результат первой команды последовательности, выполняется операция, заданная второй командой, декодируется третья и выбирается из памяти четвертая. Таким образом, при выполнении последовательности коротких команд производительность процессора увеличивается в четыре раза.

На самом деле получить такую степень повышения производительности процессора не удается из-за того, что в программах существуют команды условных и безусловных переходов, вызовов процедур, а в конвейере возможны конфликтные ситуации, изменяющие гладкую последовательность выполнения команд. С увеличением уровней совмещения операций количество факторов, нарушающих работу конвейера команд, увеличивается и существенным образом усложняется схема управления процессором. Поэтому обычно в процессорах универсальных вычислительных машин ограничиваются 4-5 уровнями совмещения выполнения операций. Но организация конвейера выполнения команд, тем не менее, является наиболее эффективным структурным методом повышения  производительности и применяется практически во всех современных процессорах.

Архитектура компьютеров и их основные подсистемы

При описании компьютера, как правило, пользуются понятием его архитектуры. Под архитектурой компьютера понимается то, каким он предстает перед программистом или пользователем. В общем случае, архитектура включает в себя описание форматов данных, системы команд, используемых методов адресации, организации памяти, системы ввода-вывода, системы прерываний, которые определяют производительность компьютера. Далее рассматриваются архитектурные отличия компьютеров и типовые реализации их основных подсистем.

Процессоры

Процессоры являются главным модулем любого компьютера. Именно процессор выполняет действия, предписанные программой по вычислению результатов, управлению внешними устройствами, вводом и выводом информации и другие.

Одной из важнейших характеристик процессора является его разрядность, то есть над операндами какой разрядности может выполнять операции его арифметическо-логическое устройство (АЛУ). Разрядность процессора определяет диапазон чисел, с которыми он может работать, и точность их представления. Если разрядность операндов превышает разрядность АЛУ, то они обрабатываются не одной, а несколькими командами, что, естественно, увеличивает время получения результата. Современные универсальные процессоры, которые составляют основу рабочих станций и серверов, как правило, являются 32-х и 64-х разрядными устройствами. Специализированные процессоры могут иметь и существенно большую разрядность.

Команда процессора определяет необходимые для выполнения действия. Поскольку такими действиями могут быть выполнение арифметических и логических операций, операций пересылок данных, управления потоком команд - команды условных и безусловных переходов, ввода и вывода информации, вызова процедур и многие другие, то процессору требуется система команд. Чем больше разнообразных команд в системе команд процессора, тем большие возможности он предоставляет для программирования.

Так как основным назначением процессора является выполнение вычислений, то большинство команд содержат поля с кодами выполняемой операции и адресами операндов, над которыми эти операции выполняются. Очевидно, что при выполнении операции процессор должен выбрать по указанным адресам один или два операнда, выполнить указанное командой действие и поместить результат также по заданному адресу. Количество указываемых в коде команды операндов определяет адресность процессора. По этому признаку различают:

безадресные процессоры: адреса операндов и результата являются фиксированными. Примером безадресных процессоров являются устройства со стековой организацией внутренней памяти, иногда называемой памятью «магазинного» типа. Под «магазином» здесь понимается магазин стрелкового оружия, когда последний вставленный в него патрон первым направляется в ствол. Таким же образом заполняется стек памяти: последний загруженный операнд - вершина стека, подается на вход АЛУ. Вторым операндом является предпоследний из загруженных операндов - подвершина стека. Результат операции записывается в вершину стека, а место подвершины занимает следующий операнд;

одноадресные процессоры: адрес одного из операндов задается в коде команды, а второй операнд всегда находится в фиксированном регистре, называемым «аккумулятором». Результат операции сохраняется в аккумуляторе;

двухадресные процессоры: в коде команды указываются адреса обоих операндов. Результат выполнения команды сохраняется по адресу одного из операндов;

трехадресные процессоры: в коде команды указываются адреса операндов и адрес, по которому необходимо сохранить результат операции.

Очевидно, что трехадресные процессоры наиболее предпочтительны с точки зрения предоставления большей гибкости по работе с операндами и требуют меньшего количества команд для выполнения вычислений. В процессорах меньшей адресности требуются дополнительные команды, чтобы записать операнды в фиксированные регистры, предварительно сохранить один из операндов, если на его место записывается результат операции, а он будет нужен в последующих операциях. Однако увеличение адресности процессора приводит к увеличению разрядности команды и усложнению схем её декодирования, увеличению управляющего оборудования и, как правило, наличию мультиплексоров на входе АЛУ, то есть, к общему усложнению и увеличению оборудования.

Операнды могут находиться в регистрах процессора, в коде команды, в ячейках оперативной памяти следом за командой и в любых других произвольных ячейках. Способы задания местонахождения операндов называются методами адресации.

Если операнд находится в регистре процессора, то в поле команды задается номер этого регистра. Если же операнд находится в ячейке памяти, то возможны разнообразные способы задания его адреса. Адрес может находиться в одном из регистров процессора, в ячейке оперативной памяти, вычисляться процессором относительно некоторого базового значения или задаваться другим способом. Чем больше способов адресации реализованы в процессоре, тем более содержательными и эффективными являются его команды и тем меньшее их количество требуется для решения задачи. Но, как и в случае с увеличением адресности, реализация большого количества методов адресации приводит к усложнению и увеличению оборудования процессора.

Отмеченная ранее эффективность многоадресных процессоров с большим количеством команд и развитыми методами адресации является достаточно условной, так как частота использования отдельных команд и методов адресации существенно зависит от класса решаемых задач. Усложнение же аппаратуры приводит к увеличению рабочего такта процессора, то есть к снижению количества команд, выполняемых за единицу времени. Все это привело к появлению двух различных процессорных архитектур:

· CISC (Complete Instruction Set Computer) - процессоры с полным набором команд;

· RISC (Reduced Instruction Set Computer) - процессоры с сокращенным набором команд.

CISC процессоры содержат развитые системы команд со сложными системами адресации. Как правило, они используются в больших вычислительных машинах, например, мейнфреймах, или универсальных компьютерах, ориентированных на использование в качестве отдельной рабочей станции. Процессоры компании Intel серий х86 и Pentium являются представителями CISC архитектуры.

RISC процессоры, хоть и являются универсальными, но в большей степени ориентированы на использование в высокопроизводительных рабочих станциях и серверах, количество процессоров в которых может составлять десятки и сотни единиц. Ограниченный набор команд и простые методы адресации позволяют сократить количество требуемого оборудования, упростить структуру процессоров и повысить рабочую тактовую частоту, что компенсирует увеличение длины их программ.

Для повышения производительности процессоров используются различные структурные методы, наиболее распространенными из которых является параллельная работа отдельных узлов и организация конвейера выполнения команд.

Под параллельной работой понимается выполнение в одном рабочем такте процессора нескольких операций, например, работа АЛУ и выборка операнда из оперативной памяти, выполнение операции ввода или вывода, вычисление адреса команды или операнда и другие. Как правило, для этого требуется некоторое дополнительное оборудование.

Конвейерное выполнение команд, также называемое совмещением выполнения операций, является частным случаем параллельной работы узлов процессора. Оно основано на том, что, в большинстве случаев, выполняемые процессором команды находятся в последовательных ячейках памяти. Выполнение процессором простой команды можно разбить на четыре этапа: выборка команды из памяти, её декодирование, выполнение операции и сохранение результата. Так как эти четыре этапа выполнения команды поддерживаются различными узлами процессора, то возможно совмещение выполнения последовательности четырех команд. При этом в одном такте процессора записывается результат первой команды последовательности, выполняется операция, заданная второй командой, декодируется третья и выбирается из памяти четвертая. Таким образом, при выполнении последовательности коротких команд производительность процессора увеличивается в четыре раза.

На самом деле получить такую степень повышения производительности процессора не удается из-за того, что в программах существуют команды условных и безусловных переходов, вызовов процедур, а в конвейере возможны конфликтные ситуации, изменяющие гладкую последовательность выполнения команд. С увеличением уровней совмещения операций количество факторов, нарушающих работу конвейера команд, увеличивается и существенным образом усложняется схема управления процессором. Поэтому обычно в процессорах универсальных вычислительных машин ограничиваются 4-5 уровнями совмещения выполнения операций. Но организация конвейера выполнения команд, тем не менее, является наиболее эффективным структурным методом повышения  производительности и применяется практически во всех современных процессорах.

Подсистема памяти

Организация подсистемы памяти существенным образом влияет на производительность вычислительной машины. В памяти хранятся команды выполняемой программы и операнды. Если цикл работы памяти превышает цикл работы процессора, то последний  вынужден простаивать в ожидании следующей команды или операнда.

Поскольку с увеличением объема памяти увеличивается цикл её работы, а с использованием быстродействующей памяти существенно увеличивается её цена, то в компьютерах, в качестве компромиссного решения, применяется  многоуровневая организация памяти, когда в самом процессоре находится регистровая или сверхоперативная кэш память небольшого объема, а следующими уровнями являются оперативная и дисковая памяти. При этом каждая из упомянутых памятей может также строится по многоуровневому принципу. Это определяется особенностью реализации процессора, решаемых компьютером задач, используемых микросхем или устройств памяти и общим необходимым её объемом.

Организация многоуровневой памяти основывается на принципе локальности обращений в неё процессора. То есть на том, что большинство программ выполняет обращение к командам и данным не равновероятно по всему объему памяти, а в ограниченном диапазоне адресов. Тогда блок памяти, с адресами которого в данный момент работает процессор, можно поместить в быстродействующую кэш память. Если происходит обращение к ячейке памяти, которой нет в кэш, то организуется обращение к следующему уровню памяти и из него загружается новый блок команд и данных. Очевидно, что чем больше объем памяти определенного уровня, тем больше вероятность, что необходимые команды и данные будут находиться именно в ней. Чтобы повысить эффективность использования кэш памяти в ней хранят содержимое нескольких блоков адресов. В этом случае при необходимости загрузки нового блока сначала для него освобождают место - на более низкий уровень памяти загружается, как правило, блок, который дольше всего не использовался, а на его место загружают новый. Примерно такой механизм взаимодействия реализуется между всеми уровнями памяти.

При любой организации памяти производительность процессора В значительной степени определяется временными характеристиками оперативной памяти. Оперативная память при наличии кэш памяти должна как можно быстрей удовлетворять её запросы, а при её отсутствии работать не медленнее процессора. По этой причине даже при наличии сверхоперативной памяти используют различные методы повышения её пропускной способности. Базовыми методами являются увеличение разрядности шины данных, использование расслоения и независимых банков памяти.

Кэш память обычно имеет разрядность шин данных соответствующую количеству разрядов в слове процессора, поскольку большинство компьютеров выполняют обращения именно к этой единице информации. Увеличение в два или четыре раза разрядности шины данных оперативной памяти позволяет за один цикл её работы считывать несколько слов процессора и во столько же раз увеличивает её пропускную способность.

Реализация оперативной памяти с использованием некоторого множества микросхем позволяет использовать заложенный в ней потенциальный параллелизм. Для этого микросхемы памяти объединяются в банки или модули, содержащие фиксированное число слов, причем только к одному из этих слов банка возможно обращение в каждый момент времени. Чтобы получить большую скорость доступа, нужно осуществлять одновременный доступ к нескольким банкам памяти. Одна из общих методик, используемых для этого, называется расслоением памяти. При расслоении памяти банки организуются так, чтобы N последовательных адресов памяти i, i + 1, i + 2, ..., i + N-1 приходились на N различных банков. Степень или коэффициент расслоения определяют распределение адресов по банкам памяти. Схема управления памятью реализует конвейер совмещения обращений к различным блокам памяти. Такая организация памяти увеличивает в N раз обращения по последовательным адресам, что является характерным при загрузке информации в кэш память и сохранении одного из её блоков. При подобной организации оперативной памяти можно использовать для неё микросхемы в N раз более медленные, чем микросхемы кэш памяти и не увеличивать разрядность шины данных.

Наиболее общим случаем расслоения памяти является возможность реализации нескольких независимых обращений, когда несколько контроллеров памяти позволяют банкам памяти работать самостоятельно. Такое решение наиболее характерно для многопроцессорных компьютеров.

Управление различными уровнями памяти осуществляется программами ядра операционной системы, которые распределяют блоки данных по уровням и организуют между ними обмены.

Для проверки достоверности хранимой в ячейках памяти информации используют дополнительные контрольные разряды. Принцип такого контроля достаточно прост. Поскольку в вычислительной технике в качестве базовой используется двоичная система исчисления, в которой любое число представляется последовательностью нулей и единиц, то принимается соглашение, что все хранимые в памяти байты (8 разрядов данных) или слова (количество разрядов определяется разрядностью процессора и кратно разрядности байта) информации должны содержать четное или нечетное их количество. Так как количество единиц в байте или слове информации может быть четным и нечетным, то используется дополнительный контрольный разряд для дополнения количества единиц до четного или нечетного значения. Специальная схема при записи данных в память определяет четность байта или слова данных и формирует соответствующее значение контрольного разряда, ноль или единицу, оставляя четность той, которая есть, или изменяя её. При чтении информации из ячеек памяти проверяется четность данных и если обнаруживается ошибка, то запускается специальная программная процедура её обработки.

Если к сохранности информации в памяти предъявляются более жесткие требования, то используются специальные схемы кодирования контрольных разрядов, позволяющие обнаруживать ошибки и исправлять ошибочные значения разрядов. Наиболее широкое распространение получило использование для этих целей кодов Хэмминга. Очевидно, что поскольку в этом случае нужно не только определить сохранность данных в ячейке, но и указать номера разрядов, которые следует исправить, то количество контрольных разрядов требуется большее, чем в первом рассмотренном случае, и схема контроля используется более сложная.

Следует заметить, что кэш память и оперативная память являются устройствами временного хранения информации, так как содержат данные, необходимые для выполнения процессором команд текущей программы. Основным же долговременным хранилищем программ, исходных данных и результатов является дисковая память, объёмы которой во многие тысячи раз превышают объемы оперативной памяти.

Дисковые массивы и уровни RAID

Выше уже рассматривались базовые принципы организации памяти компьютеров. Здесь более подробно рассматриваются проблемы дисковой памяти, так как именно она является основным долговременным хранилищем данных.

Также как и для оперативной памяти, для дисковой памяти важнейшими характеристиками являются скорость обмена данными и их сохранность. Очевидно, что ввиду большого объема дисковой памяти потеря хранящихся в ней данных из-за сбоя или отказа оборудования является более серьезной проблемой, чем потеря информации оперативной памяти, и может потребовать существенно большего времени для восстановления процессов вычислений. Поэтому к дисковой памяти предъявляются более высокие требования по отказоустойчивости. Одним из способов повышения отказоустойчивости дисковой памяти является организация избыточного дискового массива, позволяющего восстановить исходные данные при сбоях и отказах. Одна из технологий повышения отказоустойчивости дисковой памяти получила название RAID - Redundant Array of Inexpensive Disks - избыточный массив недорогих дисков.

Технология RAID базируется на трех основных методах записи и защиты информации:

· распределение последовательности сегментов данных по дискам с определенной циклической очередностью, подобно рассмотренной выше для оперативной памяти;

· зеркальное отображение дисков;

· вычисление контрольных сумм.

Поочередное размещение позволяет создавать тома памяти большого объема и ускорять выполнение операций записи и чтения данных, так как предполагает запись первого сегмента данных на первый диск, второго -- на второй и так далее. В этом случае производительность массива повышается, поскольку процессор или контроллер ввода вывода начинает записывать очередной сегмент данных на следующий диск до того, как закончил запись предыдущего сегмента. Дальнейшее повышение производительности обеспечивается подключением разных групп дисков к отдельным контроллерам.

Зеркальное отображение накопителей и вычисление контрольных сумм приводят к появлению избыточной информации, обеспечивающей восстановление утерянных из-за сбоя или отказа оборудования данных.

Различные схемы реализации дисковых массивов получили название уровней RAID.

RAID система уровня 0 не является отказоустойчивой и довольно часто такую организацию дисковой памяти вообще не относят к RAID массивам. В системах RAID 0 осуществляют только поочередное размещение сегментов данных на дисках. Они применяются, когда повышенная надежность хранения данных не имеет очень большого значения, поскольку выход из строя одного диска приводит к потере всей хранящейся в массиве информации. Такая организация дисковой памяти используется, например, для задач редактирования изображений и разного рода приложений, требующих большой емкости массива и высокой скорости выполнения операций ввода-вывода.

Отказоустойчивая система дисковой памяти реализуется по технологии RAID 1, которая представляет собой зеркальное отображение дисков: данные записываются на два или большее число дисков одновременно. При этом образуется более одной копии данных, а уровень информационной избыточности при записи на два диска уже составляет 100%. При сбое или выходе из строя одного из дисков данные считываются с его зеркального отображения. Недостатком RAID 1 является высокая избыточность оборудования и возможные проблемы с заменой вышедшего из строя диска, если функциональность RAID 1 реализуется программно, а не с помощью специального контроллера.

В технологии RAID 2, коммерческие реализации которой практически отсутствуют, предусмотрена защита данных с помощью корректирующих кодов Хэмминга. Записываемые данные распределяются по нескольким дискам, а контрольные разряды ECC (Error-Correction Code) записываются на один или несколько предназначенных специально для этого дисков. Недостатком RAID 2 является большая доля ECC-дисков в массиве, что делает реализацию данной архитектуры довольно дорогостоящей. Кроме того, контроллеры современных дисковых устройств часто уже имеют встроенные схемы коррекции ошибок.

В RAID 3 данные распределяются по информационным дискам и для совокупности сегментов данных, расположенных в одних и тех же секторах на разных физических дисках, определяется контрольная сумма или код четности, которые записываются на отдельный диск. Массивы RAID 3 обеспечивают высокую скорость передачи данных при выполнении операций чтения и записи, и, по сравнению с массивами RAID 2, им требуется меньшее количество дисков для хранения контрольных сумм. Недостатком этого уровня RAID 3  является его достаточная сложность и возможность реализации только аппаратным способом.

Массив RAID 4 повышает производительность передачи небольших объемов данных за счет параллелизма, давая возможность выполнять более одного обращения по вводу выводу к группе в единицу времени. Логические блоки информации в RAID 4 не распределяются между отдельными дисками, а каждый индивидуальный блок попадает на отдельный диск. Это дает возможность выполнять несколько разных запросов на чтение одновременно.

В массивах RAID 5, как и в RAID 4, на дисках поочередно размещаются большие блоки данных, но, в отличие от системы предыдущего уровня, контрольная информация распределяется по всем дискам массива. Это небольшое изменение оказывает огромное влияние на производительность записи небольших массивов информации. Если операции записи могут быть спланированы так, чтобы обращаться за данными и соответствующими им блоками четности к разным дискам, появляется возможность параллельного выполнения N/2 записей, где N - число дисков в группе. Данная организация имеет одинаково высокую производительность при записи и при считывании как небольших, так и больших объемов информации, что делает ее наиболее привлекательной в случаях смешанных применений.

Следующие уровни RAID разработаны с целью повышения надежности хранения данных, но их реализация обходится довольно дорого.

RAID 6 является расширенным вариантом RAID 5, в котором предусмотрен двойной контроль четности хранимой информации. Если в RAID 5 предлагается лишь одно измерение дисковой матрицы, вторым измерением которой являются секторы, то в RAID 6 диски объединяются в двумерный массив таким образом, чтобы секторы являлись третьим измерением. Контроль четности осуществляется как по строкам, как в системах уровня 5, так и по столбцам, которые, в свою очередь, могут расслаиваться для обеспечения возможности параллельной записи. При такой организации можно преодолеть любые отказы двух дисков и многие отказы трех дисков. Однако при выполнении логической записи реально происходит шесть обращений к диску - за старыми данными, за четностью по строкам и по столбцам, а также для записи новых данных и новых значений четности. Для некоторых применений с очень высокими требованиями к отказоустойчивости такая избыточность может оказаться приемлемой, но архитектура RAID 6 имеет очень низкую производительность записи в связи с необходимостью расчета дополнительных контрольных сумм и для традиционных суперкомпьютеров и обработки транзакций данный метод не подходит.

RAID уровня 7 является фирменным решением компании Storage Computer. Оно отличается от других уровней RAID тем, что предполагает асинхронность работы своих компонентов и независимость управления ими. По этой причине контроллер дисковых массивов RAID 7 должен работать под управлением специальной операционной системы реального времени. Системы RAID 7 обладают более высокой производительностью по сравнению с массивами RAID других уровней. В них данные распределяются по информационным дискам, а контрольная информация хранится на отдельном диске. С целью повышения производительности операции чтения и записи централизованно кэшируются.

В архитектурах RAID уровней 10 и 0+1 зеркальное отображение дисков, как в системе RAID 1, сочетается с поочередным размещением сегментов данных, предусмотренным в массиве RAID уровня 0. Эти архитектуры разработаны для тех случаев, когда нужна большая производительность, чем та, которую обеспечивает массив RAID 1. Для реализации системы RAID уровня 10 или 0+1 требуется минимум четыре диска. Эти системы стоят довольно дорого и плохо масштабируются.

В RAID уровня 53 комбинируются архитектуры RAID уровней 0 и 3. Для её реализации требуется как минимум 5 дисков. RAID 53 поочередно записывает небольшие сегменты данных на первые два диска, а информацию о четности на третий диск. Последние два диска - четвертый и пятый, содержат те же самые данные, поочередно записанные большими блоками без контроля четности, как это делается в системе RAID уровня 0.

Технологии RAID постоянно развиваются и совершенствуются. Наиболее дорогие системы обретают способность автоконфигурирования и автоматического выбора уровней в режиме реального времени. Они используют операционные системы реального времени, которые анализируют поток данных и определяет наиболее подходящую среду для их размещения. Недорогие же системы обычно ориентированы на узкий круг задач и базируются на фиксированных стандартных уровнях или же на основе программных решений. Наблюдается также внедрение функций RAID на серверные материнские платы или же комбинации их частичной реализации на недорогой плате контроллера и системной плате.

Наиболее интересными современными реализациями технологий построения отказоустойчивых дисковых массивов являются Dynamic Migration и AutoRAID.

Dynamic Migration - динамическая миграция, представляет собой технологию, которая обеспечивает автоматическое распределение данных в системе с несколькими уровнями RAID. Так как для большинства систем значительная часть данных имеет низкую интенсивность использования, массив разделяется на две подсистемы - RAID 5 и RAID 1. Данные, которые используются наиболее активно, размещаются на массиве с архитектурой RAID 1, а все остальные на RAID 5. Таким образом, система постоянно оптимизирует свою производительность, анализируя активность данных, и имеет при этом достаточно высокий коэффициент используемого дискового пространства.

Технология AutoRAID разработана фирмой Hewlett Packard для систем хранения и обработки данных. Системы на основе AutoRAID представляют собой отказоустойчивые дисковые массивы, в которых автоматически выбирается уровень RAID для кодирования данных, в максимальной степени соответствующий текущим запросам пользователя.

AutoRAID контроллер, в отличие от традиционных систем, для отображения адресов блоков данных компьютера в адреса блоков данных дискового массива использует динамические алгоритмы, а не статические. Динамические алгоритмы позволяют размещать данные на любом физическом диске массива. Это дает возможность транслировать уровни RAID из одного в другой, причем такая операция остается прозрачной для хост машины. Анализируя тип и интенсивность запросов, AutoRAID выбирает наиболее подходящие для обслуживания алгоритмы, обеспечивая максимально высокие скоростные возможности при сохранении отказоустойчивости дисковой подсистемы.

Важной особенностью технологии AutoRAID является возможность использования новых и дополнительных дисков для балансировки системы. Под балансировкой в данном случае понимается распределение данных по всем дискам системы для достижения максимального быстродействия и использовании для этого дисков активного горячего резерва.

Тенденции развития ПК

2006 год войдет в историю как очередная веха в области развития высоких технологий. За последние четверть века - с 1981 года, когда был создан первый персональный компьютер, - компьютерная индустрия еще не претерпевала столь бурного развития в течение одного лишь года. В прошедшем году мир ПК кардинально изменился. Появились многоядерные процессоры, и компьютеры с двумя или четырьмя вычислительными ядрами стали реальностью.[6]

Накануне Нового 2007 года редакция PC Week/RE обратилась к компаниям - производителям компьютеров с просьбой дать предварительную оценку итогам 2006 г. и рассказать о тех тенденциях, которые зародились в уходящем году и, возможно, сохранятся в будущем.[5]

Из высказываний респондентов можно сделать вывод, что c точки зрения изготовителей компьютеров, главным событием уходящего года стало усиление “капсоревнования” между основными производителями процессоров (Intel и AMD) на ниве 64-разрядных многоядерных устройств.

Что же касается тенденций, то это же явление будет существенно влиять и на ситуацию в грядущем и последующих годах. Кроме того, в 2007-м огромное влияние на положение изготовителей компьютеров может оказать выход и возрастание популярности коммерческой версии ОС Windows Vista (как известно, весьма жадной до аппаратных ресурсов, что, несомненно, ускорит процесс модернизации как домашних, так и корпоративных машинных парков. [5]

Однако складывается парадоксальная ситуация: есть “продвинутое железо” (64-разрядные многоядерные процессоры), но нет “продвинутого” прикладного софта, способного его поддержать. Тем не менее, как отмечают участники опроса, переход от простого наполнения рынка компьютерной техникой к решению задач по созданию эффективных информационных сред уже произошел. И обратного пути нет. Так что производителям ПО не остаётся ничего другого, как осваивать “продвинутое железо” и предлагать потребителям софт, максимально использующий его возможности.

Многие из респондентов считают, что наиболее быстрорастущим сегментом на рынке персональных систем станет домашний сектор. Что неудивительно -- ведь к нацеленным на максимальный комфорт мультимедийным домашним компьютерам обычно предъявляются гораздо большие требования, чем к офисным “рабочим лошадкам”.

Отмечается, что к российскому сегменту домашних ПК пристально присматриваются не только отечественные производители, но и зарубежные (последние среди прочего, похоже, возлагают определённые надежды на появление в России зарубежных ритейловых сетей). Кроме того, конкуренцию между отечественными и зарубежными производителями компьютеров может ужесточить возможное вступление нашей страны в ВТО.

Чего же нам стоит ожидать? Какие тенденции в развитии ПК и отрасли ИТ в целом? [5]

1.Повсеместная мобильность станет реальностью. Корпоративные и домашние пользователи по достоинству оценили удобства мобильных вычислений, уже сегодня каждый третий проданный ПК - это ноутбук. Портативные вычислительные устройства становятся все более производительными и удобными, а их энергопотребление снижается, поэтому у людей появляется гораздо больше возможностей для работы и отдыха.

2.Повсеместный широкополосный доступ в Интернет становится реальностью. Сегодня практически половина жителей Европейского Союза регулярно использует Интернет. Поэтому неудивительно, что в 2006 году потребность в высококачественном скоростном доступе в Интернет существенно выросла. В наступившем году новые беспроводные телекоммуникационные технологии, такие как WiMAX, позволят достичь огромного прогресса в этой области. Пол Отеллини (Paul S. Otellini), президент и главный исполнительный директор корпорации Intel, считает, что «следующим переворотом в отрасли информационных технологий станет возможность повсеместного широкополосного доступа в Интернет, в любое время и в любом месте».

3.Развитие телекоммуникационных технологий - от обычной связи до инструментов для совместной работы - достигнет качественно нового уровня. Электронная почта, мобильные телефоны и Интернет значительно ускорили и упростили общение людей. Все эти средства связи сегодня оказывают огромное влияние на нашу жизнь. Но сейчас мы стоим на пороге новой эры телекоммуникаций. Передовые технологии позволяют организовывать обмен мультимедийной информацией и обеспечивают общение с высоким качеством и реалистичностью. Использование видео-конференций и Web-конференций для частных и деловых контактов сделает связь более прямой и непосредственной, мощным средством для налаживания взаимоотношений. По прогнозам, к 2015 году 80% всех корпоративных работников в мире будут работать совместно, при этом у них не будет необходимости встречаться лично. Поэтому важность технологий для организации коллективной деятельности будет продолжать расти.