Компьютерные и сетевые технологии

Рабочая станция. Миникомпьютеры стали прародителями и другого направления развития современных систем - 64 -разрядных машин. Создание RISC-процессоров и микросхем памяти емкостью более 1 Мбайт привело к окончательному оформлению настольных систем высокой производительности, которые сегодня известны как рабочие станции. Первоначальная ориентация рабочих станций на профессиональных пользователей (в отличие от ПК, которые в начале ориентировались на самого широкого потребителя непрофессионала) 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. Даже наиболее мощные IBM PC совместимые ПК не в состоянии удовлетворить возрастающие потребности систем обработки из-за наличия в их архитектуре ряда "узких мест".

X-терминалы

X-терминалы представляют собой комбинацию бездисковых рабочих станций и стандартных ASCII-терминалов. Бездисковые рабочие станции часто применялись в качестве дорогих дисплеев и в этом случае не полностью использовали локальную вычислительную мощь. Одновременно многие пользователи ASCII-терминалов хотели улучшить их характеристики, чтобы получить возможность работы в многооконной системе и графические возможности. Совсем недавно, как только стали доступными очень мощные графические рабочие станции, появилась тенденция применения "подчиненных" X-терминалов, которые используют рабочую станцию в качестве локального сервера.

На компьютерном рынке X-терминалы занимают промежуточное положение между персональными компьютерами и рабочими станциями. Поставщики X-терминалов заявляют, что их изделия более эффективны в стоимостном выражении, чем рабочие станции высокого ценового класса, и предлагают увеличенный уровень производительности по сравнению с персональными компьютерами. Быстрое снижение цен, прогнозируемое иногда в секторе X-терминалов, в настоящее время идет очевидно благодаря обострившейся конкуренции в этом секторе рынка. Многие компании начали активно конкурировать за распределение рынка, а быстрый рост объемных поставок создал предпосылки для создания такого рынка. В настоящее время уже достигнута цена в $1000 для Х-терминалов начального уровня, что делает эту технологию доступной для широкой пользовательской базы.

Как правило, стоимость X-терминалов составляет около половины стоимости сравнимой по конфигурации бездисковой машины и примерно четверть стоимости полностью оснащенной рабочей станции.

Серверы

Прикладные многопользовательские коммерческие и бизнес-системы, включающие системы управления базами данных и обработки транзакций, крупные издательские системы, сетевые приложения и системы обслуживания коммуникаций, разработку программного обеспечения и обработку изображений все более настойчиво требуют перехода к модели вычислений "клиент-сервер" и распределенной обработке. В распределенной модели "клиент-сервер" часть работы выполняет сервер, а часть пользовательский компьютер (в общем случае клиентская и пользовательская части могут работать и на одном компьютере). 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).

С другой стороны существует классификация серверов, определяющаяся масштабом сети, в которой они используются: сервер рабочей группы, сервер отдела или сервер масштаба предприятия (корпоративный сервер). Эта классификация весьма условна. Например, размер группы может меняться в диапазоне от нескольких человек до нескольких сотен человек, а сервер отдела обслуживать от 20 до 150 пользователей. Очевидно 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.

Файловые серверы небольших рабочих групп (не более 20-30 человек) проще всего реализуются на платформе персональных компьютеров и программном обеспечении Novell NetWare. Файл-сервер, в данном случае, выполняет роль центрального хранилища данных. Серверы прикладных систем и высокопроизводительные машины для среды "клиент-сервер" значительно отличаются требованиями к аппаратным и программным средствам.

Однако для файл-серверов общего доступа, с которыми одновременно могут работать несколько десятков, а то и сотен человек, простой однопроцессорной платформы и программного обеспечения Novell может оказаться недостаточно. В этом случае используются мощные многопроцессорные серверы с возможностями наращивания оперативной памяти до нескольких гигабайт, дискового пространства до сотен гигабайт, быстрыми интерфейсами дискового обмена (типа Fast SCSI-2, Fast&Wide SCSI-2 и Fiber Channel) и несколькими сетевыми интерфейсами. Эти серверы используют операционную систему UNIX, сетевые протоколы TCP/IP и NFS. На базе многопроцессорных UNIX-серверов обычно строятся также серверы баз данных крупных информационных систем, так как на них ложится основная нагрузка по обработке информационных запросов. Подобного рода серверы получили название суперсерверов.

По уровню общесистемной производительности, функциональным возможностям отдельных компонентов, отказоустойчивости, а также в поддержке многопроцессорной обработки, системного администрирования и дисковых массивов большой емкости суперсерверы вышли в настоящее время на один уровень с мейнфреймами и мощными миникомпьютерами. Современные суперсерверы характеризуются:

наличием двух или более центральных процессоров RISC, либо 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.

Как правило, суперсерверы работают под управлением операционных систем UNIX, а в последнее время и Windows NT, 2000, XP, которые обеспечивают многопотоковую многопроцессорную и многозадачную обработку.

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). В нашем сознании мейнфреймы все еще ассоциируются с большими по габаритам машинами, требующими специально оборудованных помещений с системами водяного охлаждения и кондиционирования. Однако это не совсем так. Прогресс в области элементно-конструкторской базы позволил существенно сократить габариты основных устройств. Наряду со сверхмощными мейнфреймами, требующими организации двухконтурной водяной системы охлаждения, имеются менее мощные модели, для охлаждения которых достаточно принудительной воздушной вентиляции, и модели, построенные по блочно-модульному принципу и не требующие специальных помещений и кондиционеров.

Основными поставщиками мейнфреймов являются известные компьютерные компании IBM, Amdahl, ICL, Siemens Nixdorf и некоторые другие, но ведущая роль принадлежит безусловно компании IBM. Именно архитектура системы IBM/360, выпущенной в 1964 году, и ее последующие поколения стали образцом для подражания. В нашей стране в течение многих лет выпускались машины ряда ЕС ЭВМ, являвшиеся отечественным аналогом этой системы.

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.

Суперкомпьютеры

Что такое суперЭВМ? Оксфордский толковый словарь по вычислительной технике, изданный в 1986 году, сообщает, что суперкомпьютер это очень мощная ЭВМ с производительностью свыше 10 MFLOPS (10 миллионов операций с плавающей запятой в секунду). Сегодня это средненький результат даже для ПК. Планки производительности в 10 TFLOPS были успешно перекрыты довольно давно. Суперкомпьютер ASCI WHITE, занимающий первое место в списке пятисот самых мощных компьютеров мира, объединяет 8192 процессора Power 3 с общей оперативной памятью в 4 Терабайта и производительностью более 12 триллионов операций в секунду, а суперкомпьютер IBM Blue Gene/L достиг на тесте Linpack производительности в 153, 3 TFLOPS.

Наиболее значимое отечественное достижение в данном направлении связано с созданием семейства суперкомпьютеров под общим названием «Скиф» в рамках сотрудничества российской и белорусской академий наук. От российской стороны ответственным исполнителем является Институт программных систем в г. Переяславле-Залесском, а от Республики Беларусь - объединение «Кибернетика». Целью работ является создание кластеров с пиковой производительностью в сотни GFLOPS. К практической реализации программы приступили осенью 2000 года, а презентация двух работающих вычислительных систем состоялась уже в мае 2001 года. По основным параметрам «Скиф» не уступает зарубежным аналогам в своем классе компьютеров, а по соотношению цена/производительность намного их превосходит. Осенью 2004 года старшая в ряду «Скифов» система К-1000, включающая 288 двухпроцессорных вычислительных узлов на базе 64-разрядных процессоров AMD Opteron с частотой 2200 МГц, показала производительность 2500 GFLOPS и вошла в рейтинг-лист Top-500, заняв в нем 98-е место.

Второе направление зародилось на базе ИТМ и ВТ - колыбели отечественного компьютеростроения. После того, как резко снизилось государственное финансирование, большая группа разработчиков во главе с Б.А. Бабаяном стала активно искать зарубежных инвесторов с целью реализации передовых отечественных идей на современной западной технологии. В их активе была закончившаяся в 1991 году разработка 16-процессорного «Эльбруса-3», содержащего самые передовые архитектурные решения и по своей производительности (10 GFLOPS) опережавшего современный ему Cray Y-MP. Однако реализованный в стенах ИТМ и ВТ экземпляр был собран на элементах устаревшей
2-микронной технологии. Громоздкий шкаф с 15 млн. транзисторов и около 3 тыс. схем средней и малой интеграции вполне мог быть «упакован» в 2-3 чипа. В 1992 году работами российских ученых заинтересовалась фирма Sun Microsystems. Был создан «Московский центр SPARC-технологий» (МЦСТ), который, объединившись с некоторым другими фирмами в группу компаний «Эльбрус», осуществляет ряд успешных проектов для отечественных и зарубежных заказчиков. Среди них процессор «Эльбрус-2000» (Е2k), в котором в доработанном и усовершенствованном виде воплощены на кристалле основные принципы «Эльбруса-3».

Вот лишь небольшой список областей человеческой деятельности, где использование суперкомпьютеров необходимо:

автомобилестроение;

нефте- и газодобыча;

фармакология;

прогноз погоды и моделирование изменения климата;

сейсморазведка;

проектирование электронных устройств;

синтез новых материалов;

и многие, многие другие.

В 1995 году корпус автомобиля Nissan Maxima удалось сделать на 10% прочнее благодаря использованию суперкомпьютера фирмы Cray (The Atlanta Journal, 28 мая, 1995г). С помощью него были найдены не только слабые точки кузова, но и наиболее эффективный способ их удаления. По данным Марка Миллера (Mark Miller, Ford Motor Company), для выполнения crash-тестов, при которых реальные автомобили разбиваются о бетонную стену с одновременным замером необходимых параметров, съемкой и последующей обработкой результатов, компании Форд понадобилось бы от 10 до 150 прототипов новых моделей при общих затратах от 4 до 60 миллионов долларов. Использование суперкомпьютеров позволило сократить число прототипов на одну треть. Совсем недавний пример - это развитие одной из крупнейших мировых систем резервирования Amadeus, используемой тысячами агенств со 180000 терминалов в более чем ста странах. Установка двух серверов Hewlett-Packard T600 по 12 процессоров в каждом позволила довести степень оперативной доступности центральной системы до 99.85% при текущей загрузке около 60 миллионов запросов в сутки. И подобные примеры можно найти повсюду. В свое время исследователи фирмы DuPont искали замену хлорофлюорокарбону. Нужно было найти материал, имеющий те же положительные качества: невоспламеняемость, стойкость к коррозии и низкую токсичность, но без вредного воздействия на озоновый слой Земли. За одну неделю были проведены необходимые расчеты на суперкомпьютере с общими затратами около 5 тысяч долларов. По оценкам специалистов DuPont, использование традиционных экспериментальных методов исследований потребовало бы около трех месяцев и 50 тысяч долларов и это без учета времени, необходимого на синтез и очистку необходимого количества вещества.

Увеличение производительности ЭВМ, за счет чего?

А почему суперкомпьютеры считают так быстро? Вариантов ответа может быть несколько, среди которых два имеют явное преимущество: развитие элементной базы и использование новых решений в архитектуре компьютеров. Попробуем разобраться, какой из этих факторов оказывается решающим для достижения рекордной производительности. Обратимся к известным историческим фактам. На одном из первых компьютеров мира - EDSAC, появившемся в 1949 году в Кембридже и имевшем время такта 2 микросекунды (2*10-6 секунды), можно было выполнить 2*n арифметических операций за 18*n миллисекунд, то есть в среднем 100 арифметических операций в секунду. Сравним с одним вычислительным узлом современного суперкомпьютера Hewlett-Packard V2600: время такта приблизительно 1.8 наносекунды (1.8*10-9 секунд), а пиковая производительность около 77 миллиардов арифметических операций в секунду. Что же получается? Более чем за полвека производительность компьютеров выросла почти в 800 миллионов раз. При этом выигрыш в быстродействии, связанный с уменьшением времени такта с 2 микросекунд до 1.8 наносекунд, составляет лишь около 1000 раз. Откуда же взялось остальное? Ответ очевиден - использование новых решений в архитектуре компьютеров. Основное место среди них занимает принцип параллельной обработки команд и данных, воплощающий идею одновременного (параллельного) выполнения нескольких действий.

Параллельные системы

Итак, пути повышения производительности ВС заложены в ее архитектуре. С одной стороны это совокупность процессоров, блоков памяти, устройств ввода/вывода ну и конечно способов их соединения, т.е. коммуникационной среды. С другой стороны, это собственно действия ВС по решению некоторой задачи, а это операции над командами и данными. Вот собственно и вся основная база для проведения параллельной обработки. Параллельная обработка, воплощая идею одновременного выполнения нескольких действий, имеет несколько разновидностей: суперскалярность, конвейеризация, SIMD - расширения, Hyper Threading, многоядерность. В основном эти виды параллельной обработки интуитивно понятны, поэтому сделаем лишь небольшие пояснения. Если некое устройство выполняет одну операцию за единицу времени, то тысячу операций оно выполнит за тысячу единиц. Если предположить, что есть, пять таких же независимых устройств, способных работать одновременно, то ту же тысячу операций система из пяти устройств может выполнить уже не за тысячу, а за двести единиц времени. Аналогично система из N устройств ту же работу выполнит за 1000/N единиц времени. Подобные аналогии можно найти и в жизни: если один солдат вскопает огород за 10 часов, то рота солдат из пятидесяти человек с такими же способностями, работая одновременно, справятся с той же работой за 12 минут (параллельная обработка данных), да еще и с песнями (параллельная обработка команд).

Конвейерная обработка. Что необходимо для сложения двух вещественных чисел, представленных в форме с плавающей запятой? Целое множество мелких операций таких, как сравнение порядков, выравнивание порядков, сложение мантисс, нормализация и т.п. Процессоры первых компьютеров выполняли все эти "микрооперации" для каждой пары аргументов последовательно одна за одной до тех пор, пока не доходили до окончательного результата, и лишь после этого переходили к обработке следующей пары слагаемых. Идея конвейерной обработки заключается в выделении отдельных этапов выполнения общей операции, причем каждый этап, выполнив свою работу, передавал бы результат следующему, одновременно принимая новую порцию входных данных. Получаем очевидный выигрыш в скорости обработки за счет совмещения прежде разнесенных во времени операций.

Суперскалярность. Как и в предыдущем примере, только при построении конвейера используют несколько программно-аппаратных реализаций функциональных устройств, например два или три АЛУ, три или четыре устройства выборки.

Hyper Threading. Перспективное направление развитие современных микропроцессоров, основанное на многонитевой архитектуре. Основное препятствие на пути повышения производительности за счет увеличения функциональных устройств - это организация эффективной загрузки этих устройств. Если сегодняшние программные коды не в состоянии загрузить работой все функциональные устройства, то можно разрешить процессору выполнять более чем одну задачу (нить), чтобы дополнительные нити загрузили - таки все ФИУ (очень похоже на многозадачность).

Многоядерность. Можно, конечно, реализовать мультипроцессирование на уровне микросхем, т.е. разместить на одном кристалле несколько процессоров (Power 4). Но если взять микропроцессор вместе с памятью как ядра системы, то несколько таких ядер на одном кристалле создадут многоядерную структуру. При этом в кристалле интегрируются функции (например, интерфейсы сетевых и телекоммуникационных систем) для выполнения которых обычно используются наборы микросхем (процессоры Motorola MPC8260, Power 4).

По каким же направлениям идет реализация высокопроизводительной вычислительной техники в настоящее время? Основных направлений четыре.

1. Векторно-конвейерные компьютеры. Конвейерные функциональные устройства и набор векторных команд - это две особенности таких машин. В отличие от традиционного подхода, векторные команды оперируют целыми массивами независимых данных, что позволяет эффективно загружать доступные конвейеры, т.е. команда вида A=B+C может означать сложение двух массивов, а не двух чисел. Характерным представителем данного направления является семейство векторно-конвейерных компьютеров CRAY куда входят, например, CRAY EL, CRAY J90, CRAY T90 (в марте 2000 года американская компания TERA перекупила подразделение CRAY у компании Silicon Graphics, Inc.).

2. Массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью. Идея построения компьютеров этого класса тривиальна: возьмем серийные микропроцессоры, снабдим каждый своей локальной памятью, соединим посредством некоторой коммуникационной среды - вот и все. Достоинств у такой архитектуры масса: если нужна высокая производительность, то можно добавить еще процессоров, если ограничены финансы или заранее известна требуемая вычислительная мощность, то легко подобрать оптимальную конфигурацию и т.п.

Однако есть и решающий "минус", сводящий многие "плюсы" на нет. Дело в том, что межпроцессорное взаимодействие в компьютерах этого класса идет намного медленнее, чем происходит локальная обработка данных самими процессорами. Именно поэтому написать эффективную программу для таких компьютеров очень сложно, а для некоторых алгоритмов иногда просто невозможно. К данному классу можно отнести компьютеры Intel Paragon, IBM SP1, Parsytec, в какой-то степени IBM SP2 и CRAY T3D/T3E, хотя в этих компьютерах влияние указанного минуса значительно ослаблено. К этому же классу можно отнести и сети компьютеров, которые все чаще рассматривают как дешевую альтернативу крайне дорогим суперкомпьютерам.

3. Параллельные компьютеры с общей памятью. Вся оперативная память таких компьютеров разделяется несколькими одинаковыми процессорами. Это снимает проблемы предыдущего класса, но добавляет новые - число процессоров, имеющих доступ к общей памяти, по чисто техническим причинам нельзя сделать большим. В данное направление входят многие современные многопроцессорные SMP-компьютеры или, например, отдельные узлы компьютеров HP Exemplar и Sun StarFire.

4. Кластерные системы. Последнее направление, строго говоря, не является самостоятельным, а скорее представляет собой комбинации предыдущих трех. Из нескольких процессоров (традиционных или векторно-конвейерных) и общей для них памяти сформируем вычислительный узел. Если полученной вычислительной мощности не достаточно, то объединим несколько узлов высокоскоростными каналами. Подобную архитектуру называют кластерной, и по такому принципу построены CRAY SV1, HP Exemplar, Sun StarFire, NEC SX-5, последние модели IBM SP2 и другие. Именно это направление является в настоящее время наиболее перспективным для конструирования компьютеров с рекордными показателями производительности.

Использование параллельных вычислительных систем

К сожалению, чудеса в жизни редко случаются. Гигантская производительность параллельных компьютеров и супер-ЭВМ с лихвой компенсируется сложностями их использования. Начнем с самых простых вещей. У вас есть программа и доступ, скажем, к 256-процессорному компьютеру. Что вы ожидаете? Да ясно что: вы вполне законно ожидаете, что программа будет выполняться в 256 раз быстрее, чем на одном процессоре. А вот как раз этого, скорее всего, и не будет.

Закон Амдала и его следствия

Предположим, что в вашей программе доля операций, которые нужно выполнять последовательно, равна f, где 0<=f<=1 (при этом доля понимается не по статическому числу строк кода, а по числу операций в процессе выполнения). Крайние случаи в значениях f соответствуют полностью параллельным (f=0) и полностью последовательным (f=1) программам. Так вот, для того, чтобы оценить, какое ускорение S может быть получено на компьютере из 'p' процессоров при данном значении f, можно воспользоваться законом Амдала:

Если 9/10 программы исполняется параллельно, а 1/10 по-прежнему последовательно, то ускорения более, чем в 10 раз получить в принципе невозможно вне зависимости от качества реализации параллельной части кода и числа используемых процессоров.

Отсюда первый вывод - прежде, чем основательно переделывать код для перехода на параллельный компьютер (а любой суперкомпьютер, в частности, является таковым) надо основательно подумать. Если оценив заложенный в программе алгоритм вы поняли, что доля последовательных операций велика, то на значительное ускорение рассчитывать явно не приходится и нужно думать о замене отдельных компонент алгоритма. В ряде случаев последовательный характер алгоритма изменить не так сложно. Допустим, что в программе есть следующий фрагмент для вычисления суммы n чисел:

s = 0

Do i = 1, n

s = s + a(i)

End Do

(можно тоже самое на любом другом языке)

По своей природе он строго последователен, так как на i-й итерации цикла требуется результат с (i-1)-й и все итерации выполняются одна за одной. Имеем 100% последовательных операций, а значит и никакого эффекта от использования параллельных компьютеров. Вместе с тем, выход очевиден. Поскольку в большинстве реальных программ (вопрос: а почему в большинстве, а не во всех?) нет существенной разницы, в каком порядке складывать числа, выберем иную схему сложения. Сначала найдем сумму пар соседних элементов: a(1)+a(2), a(3)+a(4), a(5)+a(6) и т.д. Заметим, что при такой схеме все пары можно складывать одновременно! На следующих шагах будем действовать абсолютно аналогично, получив вариант параллельного алгоритма. Казалось бы в данном случае все проблемы удалось разрешить. Но представьте, что доступные вам процессоры разнородны по своей производительности. Значит будет такой момент, когда кто-то из них еще трудится, а кто-то уже все сделал и бесполезно простаивает в ожидании. Если разброс в производительности компьютеров большой, то и эффективность всей системы при равномерной загрузке процессоров будет крайне низкой. Но пойдем дальше и предположим, что все процессоры одинаковы. Проблемы кончились? Опять нет! Процессоры выполнили свою работу, но результат-то надо передать другому для продолжения процесса суммирования... а на передачу уходит время... и в это время процессоры опять простаивают... Словом, заставить параллельную вычислительную систему или супер-ЭВМ работать с максимальной эффективность на конкретной программе это, прямо скажем, задача не из простых, поскольку необходимо тщательное согласование структуры программ и алгоритмов с особенностями архитектуры параллельных вычислительных систем.

Заключительный вопрос. Как вы думаете, верно ли утверждение: чем мощнее компьютер, тем быстрее на нем можно решить данную задачу? Заключительный ответ. Нет, это не верно. Это можно пояснить простым бытовым примером. Если один землекоп выкопает яму 1м*1м*1м за 1 час, то два таких же землекопа это сделают за 30 мин - в это можно поверить. А за сколько времени эту работу сделают 60 землекопов? За 1 минуту? Конечно же нет! Начиная с некоторого момента они будут просто мешаться друг другу, не ускоряя, а замедляя процесс. Так же и в компьютерах: если задача слишком мала, то мы будем дольше заниматься распределением работы, синхронизацией процессов, сборкой результатов и т.п., чем непосредственно полезной работой.

Выводы

Именно компьютерный рынок определяет баланс в отношении стоимость/производительность.

Важнейшей характеристикой вычислительных систем является надежность.

Повышение отказоустойчивости требует введение избыточности аппаратного и программного обеспечения.

Масштабируемость представляет собой возможность бесконфликтного наращивания числа и мощности процессоров, объемов оперативной и внешней памяти и других ресурсов вычислительной системы.

Совместимость и мобильность ПО должна обеспечивать возможность запуска одних и тех же программных систем на различных аппаратных платформах, т.е. обеспечивать мобильность программного обеспечения.

Вопросы и задания

Какие параметры ВС определяют ее производительность?

Какова производительность современных суперкомпьютеров?

Что такое кластерные системы и системы высокой готовности?

Приведите примеры наиболее распространенных серверов.

Лекция 6. Структурная организация ЭВМ - процессор

Введение

В предыдущих лекциях мы познакомились с функциональными блоками ЭВМ, вычислительных систем и основными принципами их взаимодействия. Теперь мы можем приступить к более детальному анализу каждого из блоков и узлов в отдельности. Начнем, естественно, с процессора и истории его появления.

Что известно всем

В 1968 году Роберт Нойс, изобретатель кремниевой интегральной схемы (1958), Гордон Мур, автор известного закона Мура, и Артур Рок, капиталист из Сан-Франциско, основали корпорацию Intel для производства компьютерных микросхем.

Первоначальное название “NM Electronicx” звучало не очень привлекательно, после ряда проб остановились на “Integrated Electronics”, утвердить не удалось, зато абривиатуру Intel теперь знают все и стоит она $31 млрд. !!!

За первый год своего существования корпорация продала микросхем (аж!) на $3000. Но вот улыбка судьбы! В августе 1969 года крохотная фирма Intel Corporation, которая была совсем недавно зарегистрирована, получила заказ от небольшой японской фирмы Nippon Calculating Machines, на проектирование микросхем для семейства калькуляторов (10-12 различных несерийных микросхем-калькуляторов). Вместо того, чтобы делать 10-12 различных микросхем на «жесткой логике», т.е. специализированной системе, настроенной на одну, или несколько близких задач. Другими словами, микросхем в которых алгоритмы обработки и хранения данных жестко связаны со схемотехникой и изменения алгоритмов возможны только путем изменения схемотехники системы. Тед Хофман и его сотрудник Стен Мейзор решили разработать одну твердотельную 4-битную микросхему-процессор, представляющую из себя универсальный компьютер с программируемыми функциями, который мог работать в любом из заказанных калькуляторов. Далее грандиозный успех: ноябрь 1970 чип 4001 ----- декабрь 1970 чип 4004. В июне 1971 года Intel анонсировала микропроцессорное семейство 4004 и выкупила все права на микросхему у японской компании за те-же $60000, которые она заплатила, решив расходы на 4004 чрезмерными. Она отказалась от исключительных (!) прав на продукты Intel. Последняя в 1974 г. своими усилиями выпустила 8-разрядный процессор 8080, и наконец покупатели стали проявлять к решениям микроэлектроники реальный интерес. Авторы разработки навечно были внесены в список лауреатов Национального зала Славы США, а само изобретение признано одним из величайших достижений XX века.

Процессор 4004 - 4-х разрядный, 2250 транзисторов, частота - 108 кГц, производительность - 60 000 операций в сек, чип размером со шляпку гвоздя.

Что известно немногим.

В 1968 году (!) два американских инженера Рэй Холт и Стив Геллер создали 20 - разрядный микропроцессор SLF (Special Logic Function).

Чип SLF служил основой бортового компьютера CADC для новейшего истребителя с изменяемой стреловидностью крыла F14. SLF - 20 разрядный процессор с элементами параллельной логики и возможностью расширения (3 синхронно работающих SLF на бортовом компьютере, плюс элементы DSP процессора (!). Можно сказать, что CADC - гениальное для своего времени решение и заложенные в него принципы не устарели и по сей день. Так, в F-14 из-за больших объемов вычислений использовалось одновременно три (!) синхронно работающих микропроцессора SLF. Сравнительно недавно на мировом рынке появились первые общедоступные версии четырехпроцессорных ПК. Строжайшая секретность этой работы не позволила опубликовать результаты исследований, а широкий рынок микропроцессорной техники все больше становился вотчиной Intel.

Первый 16 разрядный Intel 8086 вышел в свет только в 1978 году. Далее история развития микропроцессорной техники это в подавляющем числе случаев - история Intel. Одна самая характерная черта, на мой взгляд, маркетинговой политики этой компании это то, что все процессоры Intel совместимы со своими предшественниками вплоть до процессора 8086. Другими словами, Pentium II,III,IV могут выполнять программы, написанные для процессоров 8086, не думаю, что это есть хорошо, по крайней мере, могу представить возмущение сегодняшних программистов.

Микропроцессорная система

Микропроцессорная система может рассматриваться как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов (рис. 6.1). В качестве входных и выходных сигналов при этом могут использоваться аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигналы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Характерная особенность традиционной цифровой системы состоит в том, что алгоритмы обработки и хранения информации в ней жестко связаны со схемотехникой системы. То есть изменение этих алгоритмов возможно только путем изменения структуры системы, замены электронных узлов, входящих в систему, и/или связей между ними. Например, если нам нужна дополнительная операция суммирования, то необходимо добавить в структуру системы лишний сумматор. Или если нужна дополнительная функция хранения кода в течение одного такта, то мы должны добавить в структуру еще один регистр. Естественно, это практически невозможно сделать в процессе эксплуатации, обязательно нужен новый производственный цикл проектирования, изготовления, отладки всей системы. Именно поэтому традиционная цифровая система часто называется системой на "жесткой логике".

Рис. 6.1. Электронная система.

Любая система на "жесткой логике" обязательно представляет собой специализированную систему, настроенную исключительно на одну задачу или (реже) на несколько близких, заранее известных задач. Это имеет свои бесспорные преимущества. Во-первых, специализированная система (в отличие от универсальной) никогда не имеет аппаратурной избыточности, то есть каждый ее элемент обязательно работает в полную силу (конечно, если эта система грамотно спроектирована). Во-вторых, именно специализированная система может обеспечить максимально высокое быстродействие, так как скорость выполнения алгоритмов обработки информации определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов и выбранной схемой путей прохождения информации. А именно логические элементы всегда обладают максимальным на данный момент быстродействием. Но в то же время большим недостатком цифровой системы на "жесткой логике" является то, что для каждой новой задачи ее надо проектировать и изготавливать заново.

Путь преодоления этого недостатка довольно очевиден: надо построить такую систему, которая могла бы легко адаптироваться под любую задачу, перестраиваться с одного алгоритма работы на другой без изменения аппаратуры. И задавать тот или иной алгоритм мы тогда могли бы путем ввода в систему некой дополнительной управляющей информации, программы работы системы (рис. 6.2). Тогда система станет универсальной, или программируемой, не жесткой, а гибкой. Именно это и обеспечивает микропроцессорная система.

Рис. 6.2. Программируемая (она же универсальная) электронная система.

Но любая универсальность обязательно приводит к избыточности. Ведь решение максимально трудной задачи требует гораздо больше средств, чем решение максимально простой задачи. Поэтому сложность универсальной системы должна быть такой, чтобы обеспечивать решение самой трудной задачи, а при решении простой задачи система будет работать далеко не в полную силу, будет использовать не все свои ресурсы. И чем проще решаемая задача, тем больше избыточность, и тем менее оправданной становится универсальность. Избыточность ведет к увеличению стоимости системы, снижению ее надежности, увеличению потребляемой мощности и т.д. Кроме того, универсальность, как правило, приводит к существенному снижению быстродействия. Оптимизировать универсальную систему так, чтобы каждая новая задача решалась максимально быстро, попросту невозможно. Общее правило таково: чем больше универсальность, гибкость, тем меньше быстродействие. Более того, для универсальных систем не существует таких задач (пусть даже и самых простых), которые бы они решали с максимально возможным быстродействием. За все приходится платить.

Таким образом, можно сделать следующий вывод. Системы на "жесткой логике" хороши там, где решаемая задача не меняется длительное время, где требуется самое высокое быстродействие, где алгоритмы обработки информации предельно просты. А универсальные, программируемые системы хороши там, где часто меняются решаемые задачи, где высокое быстродействие не слишком важно, где алгоритмы обработки информации сложные. То есть любая система хороша на своем месте. Однако за последние десятилетия быстродействие универсальных (микропроцессорных) систем сильно выросло (на несколько порядков). К тому же большой объем выпуска микросхем для этих систем привел к резкому снижению их стоимости. В результате область применения систем на "жесткой логике" резко сузилась. Более того, высокими темпами развиваются сейчас программируемые системы, предназначенные для решения одной задачи или нескольких близких задач. Они удачно совмещают в себе как достоинства систем на "жесткой логике", так и программируемых систем, обеспечивая сочетание достаточно высокого быстродействия и необходимой гибкости. Так что вытеснение "жесткой логики" продолжается.

Что такое микропроцессор?

Ядром любой микропроцессорной системы является микропроцессор или просто процессор (от английского processor). Перевести на русский язык это слово правильнее всего как "обработчик", так как именно микропроцессор -- это тот узел, блок, который производит всю обработку информации внутри микропроцессорной системы. Остальные узлы выполняют всего лишь вспомогательные функции: хранение информации (в том числе и управляющей информации, то есть программы), связи с внешними устройствами, связи с пользователем и т.д. Процессор заменяет практически всю "жесткую логику", которая понадобилась бы в случае традиционной цифровой системы. Он выполняет арифметические функции (сложение, умножение и т.д.), логические функции (сдвиг, сравнение, маскирование кодов и т.д.), временное хранение кодов (во внутренних регистрах), пересылку кодов между узлами микропроцессорной системы и многое другое. Количество таких элементарных операций, выполняемых процессором, может достигать нескольких сотен. Процессор можно сравнить с мозгом системы.

Но при этом надо учитывать, что все свои операции процессор выполняет последовательно, то есть одну за другой, по очереди. Конечно, существуют процессоры с параллельным выполнением некоторых операций, встречаются также микропроцессорные системы, в которых несколько процессоров работают над одной задачей параллельно, но это редкие исключения. С одной стороны, последовательное выполнение операций -- несомненное достоинство, так как позволяет с помощью всего одного процессора выполнять любые, самые сложные алгоритмы обработки информации. Но, с другой стороны, последовательное выполнение операций приводит к тому, что время выполнения алгоритма зависит от его сложности. Простые алгоритмы выполняются быстрее сложных.

Итак, микропроцессор способен выполнять множество операций. Но откуда он узнает, какую операцию ему надо выполнять в данный момент? Именно это определяется управляющей информацией, программой. Программа представляет собой набор команд (инструкций), то есть цифровых кодов, расшифровав которые, процессор узнает, что ему надо делать. Программа от начала и до конца составляется человеком, программистом, а процессор выступает в роли послушного исполнителя этой программы, никакой инициативы он не проявляет (если, конечно, исправен). Поэтому сравнение процессора с мозгом не слишком корректно. Он всего лишь исполнитель того алгоритма, который заранее составил для него человек. Любое отклонение от этого алгоритма может быть вызвано только неисправностью процессора или каких-нибудь других узлов микропроцессорной системы. Все команды, выполняемые процессором, образуют систему команд процессора. Структура и объем системы команд процессора определяют его быстродействие, гибкость, удобство использования. Всего команд у процессора может быть от нескольких десятков до нескольких сотен. Система команд может быть рассчитана на узкий круг решаемых задач (у специализированных процессоров) или на максимально широкий круг задач (у универсальных процессоров). Коды команд могут иметь различное количество разрядов (занимать от одного до нескольких байт). Каждая команда имеет свое время выполнения, поэтому время выполнения всей программы зависит не только от количества команд в программе, но и от того, какие именно команды используются. Для выполнения команд в структуру процессора входят внутренние регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ, ALU -- Arithmetic Logic Unit) , мультиплексоры, буферы, регистры и другие узлы. Работа всех узлов синхронизируется общим внешним тактовым сигналом процессора. То есть процессор представляет собой довольно сложное цифровое устройство (рис. 6.3).

Назначение элементов процессора

Процессор - ЦПУ или CPU, его задача не только обрабатывать большую часть информации (выполнять программу, находящуюся в памяти компьютера), но и управлять работой всех частей (аппаратных и программных) компьютера. Процессор состоит из:

АЛУ, которое выполняет арифметические и логические операции;

УУ или блок управления, вызывает команды из памяти, определяет их тип (декодирует), интерпретирует эти команды (ПЗУ - интерпретатор) и организует обращение к памяти (поиск операндов, запись результатов и т.д.), обрабатывает поступающие на процессор запросы на прерывание, блок управления прямым доступом к памяти (ПДП) служит для временного отключения процессора от внешних шин и организации прямого доступа к памяти различным устройствам ввода/вывода;

Кэш-память - внутренняя память 1-го уровня, хранение исполняемой команды и данных;

Микропроцессорная, сверхбыстродействующая память - регистровый файл, регистровая память, содержащая: специальные регистры (счетчик команд, регистр команд, регистр данных и т.д.), регистры общего назначения (РОН)- память для временного хранения операндов, сегментные регистры для организации логической памяти;

Внутрисистемный интерфейс или интерфейс магистрали - реализует протоколы обмена ЦПУ с памятью компьютера, контроллерами устройств ввода/вывода, и т.д., по определенным правилам и каналам связи.

АЛУ

Рис. 6.4 Функциональная схема АЛУ

Арифметикo-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.

Функционально АЛУ (рис. 5.1) состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).

Сумматор - вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов.

Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины. При выполнении операции в Pr1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции - результат; в Pr2- второе число, участвующее в операции (по завершении операции информация в нем не изменяется). Регистр 1 может принимать информацию с кодовых шин данных, и выдавать информацию с этих шин.

Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.

АЛУ выполняет арифметические операции только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, т.е. только над целыми двоичными числами.

Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется или с привлечением математического сопроцессора, или по специально составленным программам.

Устройство управления

Для реализации любой команды необходимо на соответствующие управляющие входы любого устройства компьютера подать определенным образом распределенную во времени последовательность управляющих сигналов. Часть цифрового вычислительного устройства, предназначенная для выработки этой последовательности, называется устройством управления.

Любое действие, выполняемое в операционном блоке, описывается некоторой микропрограммой и реализуется за один или несколько тактов. Элементарная функциональная операция, выполняемая за один тактовый интервал и приводимая в действие управляющим сигналом, называется микрооперацией. Совокупность микроопераций, выполняемых в одном такте, называется микрокомандой (МК). Если все такты должны иметь одну и ту же длину, а именно это имеет место при работе компьютера, то она устанавливается по самой продолжительной микрооперации. микрокоманды, предназначенные для выполнения некоторой функционально законченной последовательности действий, образуют микропрограмму. Например, микропрограмму образует набор микрокоманд для выполнения команды умножения. Устройство управления предназначено для выработки управляющих сигналов, под воздействием которых происходит преобразование информации в арифметико-логическом устройстве, а также операции по записи и чтению информации в/из запоминающего устройства.

Устройства управления делятся на:

УУ с жесткой, или схемной логикой;

УУ с программируемой логикой (микропрограммные УУ).

В устройствах управления первого типа для каждой команды, задаваемой кодом операции, строится набор комбинационных схем, которые в нужных тактах вырабатывают необходимые управляющие сигналы. В микропрограммных УУ каждой команде ставится в соответствие совокупность хранимых в специальной памяти слов - микрокоманд. Каждая из микрокоманд содержит информацию о микрооперациях, подлежащих выполнению в данном такте, и указание, какое слово должно быть выбрано из памяти в следующем такте. Микропрограммное устройство управления представлено на рисунке. Преобразователь адреса микрокоманды преобразует код операции команды, присутствующей в данный момент в регистре команд, в начальный адрес микропрограммы, реализующей данную операцию, а также определяет адрес следующей микрокоманды выполняемой микропрограммы по значению адресной части текущей микрокоманды.

Рис. 6.5 Функциональная схема микропрограммного устройства управления

Устройство управления содержит дешифратор операций - логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.

Постоянное запоминающее устройство микропрограмм - хранит в своих ячейках коды об управляющих сигналах (импульсах), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации. Эти коды, по выбранному дешифратором операций в соответствии с кодом операции команды, считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.

Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) - устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров микропроцессорной памяти.

Кодовые шины данных, адреса и инструкций - часть внутренней шины микропроцессора. В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур:

выборки из регистра-счетчика адреса команды МПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;

выборки из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;

расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;

считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;

считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов;

выборки операндов (по сформированным адресам ) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;

записи результатов операции в память;

формирования адреса следующей команды программы.

Микропроцессорная память

Микропроцессорная память - память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП, т.е. время, необходимое на поиск, запись или считывание информации из этой памяти, измеряется наносекундами).

Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины, участвующей в вычислениях. МПП используется для обеспечения высокого быстродействия машины, так как, основная память и даже кэш-память, не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Микропроцессорная память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не менее машинного слова. Количество и разрядность регистров в разных микропроцессорах различны. Регистры микропроцессора делятся на регистры общего назначения (РОН) и специальные. Специальные регистры применяются для хранения различных адресов (адреса команды, например), признаков результатов выполнения операций и режимов работы ПК (регистр флагов, например) и др. Регистры общего назначения являются универсальными и могут использоваться для хранения любой информации. Особенностью РОН является то, что к ним не надо адресоваться через основную память МП. Они имеют номера, зашитые в микропрограммном устройстве.

Структура адресной памяти процессора

Память состоит из ячеек, каждая из которых может хранить некоторую порцию информации. Каждая ячейка имеет номер, который называется адресом. Если память содержит n ячеек, они будут иметь адреса от 0 до n-1, как правило, каждая ячейка содержит один байт. Для процессора байтовая организация оперативной памяти является не только основной, но и вполне естественной (см. рис. 6.6). Для хранения данных в такой памяти и обращения к ней надо каждый раз наращивать (инкрементировать) счетчик команд на единицу.

Однако физически при работе с памятью по шине передаются не отдельные байты, а машинные слова. В 32-разрядной архитектуре машинное слово -- это четыре подряд идущих байта, при этом адрес младшего байта кратен четырем. (В 64-разрядной архитектуре машинное слово состоит из восьми байтов.) Машинное слово -- это наиболее естественный элемент данных для процессора. Принято нумеровать биты внутри машинного слова (как и внутри байта) справа налево, начиная с нуля и кончая 31. Младший бит имеет нулевой номер, старший, или знаковый, бит -- номер 31 . Младшие биты числа находятся в младших битах машинного слова. В этом случае каждое 16-разрядное слово состоит из двух последовательно расположенных байтов. Например, байты 2 и 3 образуют одно полное слово, а байты 3 и 4 нет. При работе с такой памятью счетчик команд микропроцессора после выборки каждой команды должен наращиваться на 2, а не на 1, как в предыдущем случае. Аналогично решается задача в случае 4-х байтового слова.

Необходимо отметить, что и в том, и в другом случае слово, содержащее это число, имеет, адрес - 0, но в одном случае мы записываем его в прямом виде - 17BA, а в другом в перевернутом - ВА17. Принято в качестве адреса слова, которое состоит из нескольких последовательно расположенных байтов, использовать адрес байта с наименьшим номером. В итоге адреса слов уже не будут меняться через единицу, приращение будет зависеть от длины машинного слова. Например, при обращении к целому слову (с содержимым 17BA) процессор выставляет адрес 0. При обращении к младшему байту этой ячейки (с содержимым BA) процессор выставляет тот же самый адрес 0, но использует команду адресующую байт, а не слово. При обращении к старшему байту этой же ячейки (с содержимым 17) процессор выставляет адрес 1 и использует команду адресующую байт. Архитектура Big End была популярна в середине XX века. К концу 70-х годов программисты осознали, что Little End-архитектура гораздо удобнее. Тем не менее многие компьютерные протоколы ориентируются на Big End, поскольку они были приняты достаточно давно. Например, все протоколы сети Internet передают данные в формате Big End, т.к. они были разработаны в 70-х годах XX века. На машинах с архитектурой Little End приходится переставлять байты внутри слова перед отправкой IP-пакета в сеть или при получении IP-пакета из сети.