Перспективы развития ПЭВМ и вычислительных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективы развития ПЭВМ и вычислительных систем

Перспективы развития ПЭВМ во многом определяются функциональными возможностями, технико-эксплуатационными характеристиками и архитектурным построением МП.

В настоящее время крупнейшим производителем МП в мире является фирма Intel. Последняя модель фирмы Intel -- МП Pentium используется в мощных настольных ПЭВМ, рабочих станциях и многопроцессорных серверах.

МП Pentium имеет суперскалярную архитектуру, два конвейера с отдельными исполнительными устройствами, встроенный сопроцессор с плавающей точкой. Локальная шина PCI (Pheripheral Component Interconnect) предназначена для передачи данных между процессором и высокоскоростной периферийной ПЭВМ. Пропускная способность PCI достигает 132 Мбайт/с, причем возможно дальнейшее наращивание пропускной способности до 264 Мбайт/с. Шина PCI позволяет использовать одни и те же высокоскоростные периферийные устройства в ПЭВМ с процессорами Intel, ALPHA

или RISC.

Использование шины PCI с процессором Pentium обеспечивает максимальную пропускную способность при работе с сетями, графикой, дисками и т.п. Фирма Intel рекомендует использовать МП Pentium при решении задач моделирования, трехмерного проектирования, для создания серверов и многопроцессорных систем.

Прогресс в развитии МП обеспечивается использованием новых архитектурных решений, в частности транспьютерной и RISC-архитектуры, конвейерного выполнения команд, применения сопроцессоров, параллельной обработки данных и т.п.

микропроцессор архитектура вычислительный

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОСЛЕДНИХ МОДЕЛЕЙ МП ФИРМЫ INTEL

Рассмотрим особенности МП с архитектурой RISC ( Reducted Instruction Set Computer -- «компьютер с сокращенной системой команд»). В этих МП применяется сравнительно небольшой (сокращенный) набор наиболее часто употребляемых команд, определенный в результате статистического анализа большого числа программ.

Для RISC-архитектуры характерны следующие факторы: все команды имеют одинаковый формат; большинство команд -- трехадресные; большое количество внутренних регистров МП, позволяющее резко сократить число обращений к ОП, а следовательно, уменьшить время машинного цикла; конвейеризация выполнения команд; наличие кэш-памяти.

Ограниченный набор команд сравнительно простой структуры дает возможность уменьшить количество аппаратуры.

При одной и той же тактовой частоты ПЭВМ RISC-архитектуры имеют производительность в 2 -- 4 раза выше, чем ПЭВМ обычной

архитектуры. В настоящее время ПЭВМ с RISC-архитектурой применяются в качестве графических рабочих станций, серверов локальных сетей, являются основой для создания современных управляющих, телекоммуникационных и банковских сетей. На отечественном рынке предлагаются модели новых систем RISC/6000 -- семи моделей серверов и четырех моделей рабочих станций на базе МП Power PC (фирма IBM). МП Power PC 601 работает с тактовой частотой от 50 до 200 Мгц. Фирма Apple выпустила в продажу модель Power Macintosh 8100/80 на базе процессора Power PC 601 RISC 80 Мгц со встроенным сопроцессором и кэш-памятью 32 Мбайт, ОП емкостью 16 Мбайт (с возможностью расширения до 264 Мбайт) и винчестером емкостью 1000 Мбайт.

Транспьютеры, как правило, используются в качестве сопроцессоров. Они рассчитаны на работу в параллельных системах с однотипными процессорными элементами и аппаратной поддержкой вычислительных процессоров. В состав системы команд транспьютеров входят команды управления процессами, поддержки инструкций, языков высокого уровня. Транспьютеры используют коммуникационные быстрые каналы, которые позволяют передавать по одной магистрали данные в процессор, а по другой (одновременно) -- данные из него. Высокая производительность обеспечивается прежде всего за счет высокой скорости работы АЛУ и передачи операндов.

В современных МП широко применяются кэш-память и виртуальная память, что приближает ПЭВМ по функциональным возможностям к большим ЭВМ. В ПЭВМ стали использовать многозадачный режим работы, динамическое распределение памяти, системы защиты памяти.

На отечественном компьютерном рынке появилось большое количество разнообразных моделей ПЭВМ многих фирм. Большинство из них, однако, построены на МП фирмы Intel. Менее распространены модели ПЭВМ, созданные на базе МП фирмы Motorola.

В настоящее время тенденции в развитии производства ПЭВМ сводятся к насыщению рынка ПЭВМ следующих трех классов: профессиональные многопроцессорные ПЭВМ, приблизившиеся по своим параметрам к большим ЭВМ; сравнительно недорогие ПЭВМ для массового потребителя; микроминиатюрные ПЭВМ (типа NOTEBOOK и HANDHELD). При выборе ПЭВМ следует обращать внимание прежде всего на скорость работы МП (на его тактовую частоту), которая во многом определяет диапазон применения компьютера. Важным фактором эффективности использования ПЭВМ является емкость ОП, обеспечивающая возможность хранения набора программ, которые планируется выполнять на выбранной ПЭВМ. Емкость ОП для работы в среде Windows, например, не должна быть ниже 4 Мбайт.

Периферийные устройства необходимо выбирать по их технико-эксплуатационным параметрам, ориентируясь на классы задач, которые должны решаться на ПЭВМ, условия эксплуатации ПЭВМ, а также удобства, предоставляемые пользователю. При этом следует учитывать возможность развития потребностей пользователя. Это особенно важно при выборе НЖМД, поскольку многие современные программные средства требуют для своего хранения десятков мегабайт памяти на НЖМД типа «винчестер».

Вычислительная система (вычислительный комплекс) -- взаимоувязанная совокупность сред вычислительной техники, в которую входит не менее двух основных процессоров либо вычислительных машин, и развитая система периферийных устройств. Вычислительные системы (ВС) имеют многоуровневую информационную организацию.

На I уровне системы располагаются центральные процессоры (ЦП), в состав которых входят арифметико-логические устройства, центральные устройства управления и внутренняя память процессоров (иногда сверхоперативная память СОП). Процессоров может быть несколько. Они могут быть универсальными и специализированными и отличаться своими функциональными возможностями. На этом же уровне находятся модули оперативных запоминающих устройств.

II уровень составляют процессоры ввода-вывода (каналы ввода-вывода), которые предназначены для выполнения операций ввода-вывода и обеспечивают все двусторонние связи между оперативной памятью и процессором, с одной стороны, и множеством различных периферийных устройств -- с другой. Каналы ввода-вывода позволяют осуществлять параллельную работу высокоскоростного центрального процессора и сравнительно медленно действующих устройств ввода-вывода с различными техническими характеристиками.

Рисунок 1 Обобщенная структурная схема вычислительной системы: ЦП-- центральный процессор; ОЗУ-- оперативное запоминающее устройство; KM-- мультиплексный канал; КС-- селекторный канал; У УДУ--устройство управления внешними (периферийными) устройствами; ГрУУВУ-- групповое устройство управления внешними устройствами; АП -- абонентский пункт; МДМ-- модем; АПД-- аппаратура передачи данных; АК-К-- адаптер «канал-канал»

Благодаря такому построению исключает «жесткое» подключение периферийных устройств к ЦП. Канал ввода-вывода представляет собой самостоятельное в логическом отношении устройство, работающее по собственной программе, хранимой в памяти машины.

Каналы ввода-вывода универсальных ВС в зависимости от пропускной способности канала, режима его работы и характеристик подключаемых периферийных устройств делятся на быстрые (селекторные -- КС) и медленные (мультиплексные -- КМ).

Селекторный канал обладает высокой пропускной способностью и управляет обменом информации с внешними запоминающими устройствами. Этот канал позволяет только одному из присоединенных к нему устройств ввода-вывода осуществлять в данный момент операцию ввода-вывода.

Мультиплексный канал обеспечивает связь медленнодействующих устройств ввода-вывода с центральным процессором и допускает параллельное подключение нескольких устройств. Этот канал включает в свой состав несколько подканалов и может одновременно выполнять по одной операции в каждом подканале. Подканалом являются средства канала, необходимые для осуществления операции ввода-вывода и связи с одним периферийным устройством. Информационные магистрали канала, по которым происходит обмен информацией, попеременно обслуживаются параллельно работающими устройствами ввода-вывода. Устройства ввода-вывода подключаются к каналу на короткое время, необходимое для передачи или приема информации. Адаптер «канал -- канал» предназначен для обмена информацией между процессорами и различными модулями оперативной памяти и обеспечивает создание многопроцессорного или многомашинного вычислительного комплекса.

На III уровне находятся интерфейс ввода-вывода (устройство сопряжения) и устройства управления внешними (периферийными) устройствами (УУВУ). Связь центрального процессора с внешними устройствами как через селекторный, так и через мультиплексный каналы выполняется по универсальному стандартному принципу, заключающемуся в наличии определенного набора сигналов и одной и той же временной диаграммы взаимодействия для всех внешних устройств независимо от их типа. Благодаря наличию стандартного сопряжения последовательность управляющих сигналов одинакова для всех устройств, связанных с одним каналом.

Возможность изменения конфигурации системы ввода-вывода достигается использованием различных типов УУВУ: одиночных, группового и разделенного.

Одиночные УУВУ применяются для управления работой только одного внешнего устройства, например, устройства вывода на печать. Групповое УУВУ (ГрУУВУ) обслуживает несколько однотипных внешних устройств, причем в каждый момент времени оно обслуживает только одно ВУ, например ВЗУ на магнитном диске. Разделенное УУВУ может быть подсоединено к двум каналам, однако на все время выполнения заданной операции ввода-вывода оно работает только с одним каналом.

Групповое устройство управления внешними устройствами конструктивно расположено в отдельной стойке, поэтому необходим малый интерфейс, унифицированная система связей и сигналов между УУВУ и соответствующими внешними запоминающими устройствами. Одиночное УУВУ, которое управляет работой одного устройства ввода-вывода, обычно размещается конструктивно в одной стойке с этим внешним устройством.

Интерфейс обеспечивает:

стандартную организацию выполнения операций ввода-вывода, простоту программирования операций ввода-вывода, возможность обмена информацией с несколькими ЭВМ, возможность наращивания мощности по вводу-выводу.

В состав интерфейса входят совокупность унифицированных шин для передачи информации и система унифицированных сигналов, электронных схем и алгоритмов управления обменом информацией.

IV уровень составляют периферийные устройства. К ним относятся внешние запоминающие устройства и устройства ввода-вывода.

В современных вычислительных системах можно выделить V уровень, который составляют абонентские пункты, аппаратура передачи данных и каналы связи. Этот уровень необходим при использовании ВС в системах распределенной обработки данных, вычислительных центрах коллективного пользования, вычислительных сетях.

В описанной многоуровневой структуре реализуется классическая фон-неймановская организация ВС и предполагает последовательную обработку информации по заранее составленной программе. Однако повышение производительности ВС классической организации сдерживается ограниченными возможностями элементной базы. Поэтому в ЭВМ пятого поколения, интенсивная разработка которых ведется в настоящее время, предполагается создание параллельных систем, имеющих отличную от представленной выше структуру. Основой таких систем является большое количество элементарных процессоров, которые могут работать параллельно в различном сочетании.

Подобные структуры получили название потоковых. Название связано с наличием потока команд -- последовательности команд, выполняемых вычислительной системой, и потока данных -- последовательности данных, обрабатываемых под управлением потока команд, причем в состав потока данных включается как исходная, так и промежуточная информация.

Эффективность применения больших и суперЭВМ значительно повышается, если они объединяются в вычислительную сеть.

Вычислительная сеть включает несколько высокопроизводительных вычислительных систем или вычислительных центров коллективного пользования, объединенных каналами связи. Она позволяет наиболее полно обеспечить потребности пользователей в выполнении информационно-вычислительных работ. Аппаратура вычислительной сети включает средства вычислительной техники различного уровня, каналы связи, аппаратуру передачи данных, абонентские пункты (терминалы). Использование вычислительной техники в виде вычислительных сетей позволяет значительно увеличить число пользователей ЭВМ, создавать банки данных, производить обмен информацией и программами между вычислительными системами и отдельными пользователями сети.

Развитие архитектуры ЭВМ в период машин четвертого поколения привело к появлению структур, в которых вычислительный процесс может протекать по нескольким ветвям параллельно, что приводит к увеличению производительности вычислительных машин. Идея параллелизма была технически реализована в многопроцессорных системах, состоящих из двух или более взаимосвязанных процессоров, работающих с общей памятью и управляемых общей операционной системой.

В результате возросшего быстродействия ЭВМ стало возможным расширить оперативную память за счет введения виртуальной памяти, основанной на страничном обмене информации между внешней и основной памятью.

Наиболее крупным достижением, связанным с применением БИС, стало создание микропроцессоров, а затем на их основе микроЭВМ. Если прежние поколения ЭВМ требовали для своего расположения специальных помещений, системы вентиляции, специального оборудования для электропитания, то требования, предъявляемые к эксплуатации микроЭВМ, ничем не отличаются от условий эксплуатации бытовых электроприборов. При этом они имеют достаточно высокую производительность, экономичны в эксплуатации и дешевы. МикроЭВМ используются в измерительных комплексах, системах числового программного управления, в управляющих системах различного назначения.

Дальнейшее развитие микроЭВМ привело к созданию персональных компьютеров (ПК), широкое распространение которых началось с 1975 г., когда фирма IBM выпустила свой первый персональный компьютер IBM PC. Сейчас такие компьютеры (совместимые с IBM PC) составляют около 90 % всех производимых в мире ПК. В ПК реализован принцип открытой архитектуры, который означает, что по мере улучшения характеристик основных блоков ПК возможна легкая замена устаревших частей, а модернизированный блок будет совместим с ранее используемым оборудованием. Другими преимуществами ПК являются развитые средства диалога, высокая надежность, удобство эксплуатации, наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности.

В период машин четвертого поколения стали также серийно производиться и суперЭВМ. Рост степени интеграции БИС стал технологической основой производительности ЭВМ. В нескольких серийных моделях была достигнута производительность свыше 1 млрд. операций в секунду. К числу наиболее значительных разработок машин четвертого поколения относится ЭВМ «Крей-3», спроектированная на основе принципиально новой технологии -- замены кремниевого кристалла арсенидом галлия, имеющая производительность до 16 млрд. операций в секунду. Примером отечественной суперЭВМ является многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус» с быстродействием до 1,2-10⁸ оп/с.

С конца 80-х годов в истории развития вычислительной техники наступила пора пятого поколения ЭВМ. Технологические, конструкторские, структурные и архитектурные идеи машин пятого поколения принципиально отличаются от машин предшествующих поколений. Прежде всего их структура и архитектура отличаются от фон-неймановской (классической). Высокая скорость выполнения арифметических вычислений дополняется высокими скоростями логического вывода. Даже скорость предполагается выражать в единицах логического вывода. Машина состоит из нескольких блоков. Блок общения обеспечивает интерфейс между пользователем и ЭВМ на естественном языке и дисциплина программирования как наука для пользователя перестает в будущем быть актуальной. Важное место в структуре ЭВМ занимает блок, представляющий базу знаний, в котором хранятся знания, накопленные человечеством в различных предметных областях, которые постоянно расширяются и пополняются.

Следующий блок, называемый решателем, организует подготовку программы решения задачи на основании знаний, получаемых из базы знаний и исходных данных, полученных из блока общения. Ядро вычислительной системы составляет ЭВМ высокой производительности.

В связи с появлением новой базовой структуры ЭВМ в машинах пятого поколения широко используются модели и средства, разработанные в области искусственного интеллекта.

Размещено на Allbest.ru