Презентация Основные направления развития систем команд онлайн

Содержание слайда: Архитектура семейства персональных ЭВМ IBM PC

Содержание слайда: Основные направления развития систем команд

Содержание слайда: Тенденции в развитии компьютерной деятельности С самого начала существовал конфликт между противоречивыми требованиями к размеру ячейки. Параллельно развивались сложные методы адресации

Содержание слайда: Постепенно доля труда программиста в конечном продукте компьютера всё возрастала Первоначально компьютеры были чрезвычайно дороги и дефицитны

Содержание слайда: Нельзя рассчитывать на бесконечный рост памяти и тактовой частоты Дальнейшее повышение производительности компьютеров связано в основном с архитектурными решениями.

Содержание слайда: Преодоление противоречий Возврат к машинам с простой системой команд. RISC-компьютеры. Принципы организации таких процессоров: Стандартная длина всех команд, равная ширине шины данных Небольшое число различных команд Малое число способов адресации Малое число форматов команд Обращение к памяти в командах производится не более одного раза-чтение или запись Большое число регистров Не менее 75% команд проходят каждое из устройств конвейера за один такт.

Содержание слайда: Преодоление противоречий Сохранение сложной системы команд с многочисленными форматами разной длины, большим числом способов адресации при небольшом числе регистров общего назначения. CISC-процессоры.

Содержание слайда: Суперконвейер Конвейеры, имеющие больше 6 ступеней, называются суперконвейерами Главный недостаток: Конфликты возникают даже между командами, расположенными не слишком близко друг от друга. Если число регистров при 20 ступенях не больше 20, то конфликты по данным

Содержание слайда: Суперскалярный процессор

Содержание слайда: Risc-ядро

Содержание слайда: Архитектуры с командным словом сверхбольшой длины. VLIW-архитектура Идея RISC-процессора. VLIW-архитектуру называют пост RISC-архитектурой. Главная новинка – связки команд и пучки команд.

Содержание слайда: Развитие идей VLIW-архтитектуры – EPIC-архитектура EPIC (англ. explicitly parallel instruction computing) — микропроцессорная архитектура с явным параллелизмом команд. Термин введён в 1997 году альянсом HP и Intel для разрабатываемой архитектуры Intel Itanium. Главное дополнение – предикация. Её назначение – предотвращение задержек конвейера при ветвлениях программы. Каждая команда связки вкючает поле предиката

Содержание слайда: Применение предикатов Предикатный подход исходит из предпосылки, что возросшие мощности микропроцессоров позволяют запускать параллельно команды из разных ветвей условного ветвления вместо того, чтобы ожидать формирования истинных признаков для выбора правильного направления или полагаться на блок предсказания переходов, рискуя прийти к необходимости перезагрузки достаточно длинных конвейеров в случае неудачного предсказания. При этом каждая команда снабжается специальным полем условия (предикатом). По мере определения истинных признаков ветвления те команды, предикаты которых указывали, что они выбраны из другой ветви, снимаются с обработки в конвейере. Результаты команд не записываются в приемник до определения правильности направления перехода.

Содержание слайда: Предикатное исполнение команд

Содержание слайда: Отметим основные достоинства этого подхода: Упрощается архитектура процессора. Вместо логики распараллеливания на EPIC-процессоре можно разместить больше регист ров, функциональных устройств и т. п. Процессор не тратит время на анализ потока команд. Возможности процессора по анализу программы во время выполнения ограничены сравнительно небольшим участком программы, тогда как компилятор способен произвести анализ всей программы. Если некоторая программа должна запускаться многократно (а именно так и бывает в подавляющем большинстве случаев), выгоднее распараллелить ее один раз при компиляции, а не тратить на это время каждый раз, когда она исполняется на процессоре.

Содержание слайда: Однако архитектуре EPIC присущ и ряд недостатков: Компилятор производит статический анализ программы, раз и навсегда планируя вычисления. Однако даже при небольших изменениях исходных данных путь выполнения программы существенно изменяется. Значительно усложняются компиляторы, следовательно, увеличиваются время компиляции программы и число ошибок в самих компиляторах. Если первый фактор, учитывая высокое быстродействие современных компьютеров, не очень существенен, то на второй следует обратить определенное внимание. Исследования показывают, что к моменту поставки даже ответственного программного обеспечения в нем содержится примерно 1 ошибка на 10 000 строк исходного кода. Следовательно, программа из 500 тыс. строк будет содержать около 50 ошибок, как бы хорошо ни работали тестировщики. И эти ошибки могут проявиться самым неожиданным образом. Производительность микропроцессора во многом определяется качеством компилятора. Правда, здесь необходимо четко определить, что понимается под производительностью, ведь количество операций, выполняемых микропроцессором в единицу времени, от компилятора не зависит. Но это тема будет особо рассмотрена далее. Увеличивается сложность отладки, так как отлаживается не исходная программа, а оптимизированный параллельный код. Программисту тяжело определить место и причину появления ошибки, так как в процессе трансляции исходной программы ее отдельные команды будут переставлены компилятором для обеспечения оптимальности работы микропроцессора.

Содержание слайда: Crusoe  Crusoe— семейство x86-совместимых микропроцессоров, созданных компанией Transmeta в конце 1990-x годов. Процессор был продемонстрирован публике в январе 2000 года, реальное производство началось позже в том же году. Для исполнения команд х86 используется программная эмуляция в виде виртуальной машины — технология, названная морфингом программного кода. Сам процессор построен по VLIW-архитектуре и исполняет всегда единственную программу, написанную в его нативных кодах: транслятор команд х86, который переводит эти команды в VLIW-инструкции. Теоретически процессор может быть переориентирован на эмуляцию любой другой архитектуры, но такое развитие маловероятно, так как аппаратура, очевидно, была оптимизирована для обработки именно х86. Программная трансляция позволяет гибко изменять внутреннее устройство процессора, не нарушая его совместимости с целевой платформой. Например, Efficeon, следующее поколение семейства, имеет 256-разрядную организацию взамен 128-разрядной у оригинального Crusoe. Программная эмуляция берет на себя многие функции, традиционно реализуемые аппаратно, например, суперскалярное (внеочередное) выполнение команд, благодаря чему аппаратная часть становится компактнее из-за меньшего количества транзисторов, а значит, потребляет меньше энергии и производит меньше тепла, чем у аналогичных процессоров.

Содержание слайда: Сети Типы и топология сетей. Локальные, региональные сети (характеристика). Интранет (назначение). Глобальные сети – Интернет (назначение и характеристика). Серверы и хосты в Интернете. Системы передачи данных и их характеристики. Варианты адресации компьютеров в сети. Модель взаимодействия открытых систем. Повторители, мосты, маршрутизаторы, шлюзы. Что такое сетевая технология.

Содержание слайда: Этапы развития операционных систем Какие события в развитии технической базы вычислительных машин стали вехами в истории операционных систем? 2. В чем состояло принципиальное отличие первых мониторов пакетной обработки от уже существовавших к этому времени системных обрабатывающих программ — трансляторов, загрузчиков, компоновщиков, библиотек процедур? 3. Может ли компьютер работать без операционной системы? 4. Как эволюционировало отношение к концепции мультипрограммирования на протяжении всей истории ОС? 5. Какое влияние на развитие ОС оказал Интернет? 6. Чем объясняется особое место ОС UNIX в истории операционных систем? 7. Опишите историю сетевых ОС. 8. В чем состоят современные тенденции развития ОС?

Содержание слайда: Суперкомпьютеры Супер-ЭВМ обладают производительностью, достигающей 1011 оп./с и выше. Такие ВС могут не только удовлетворительно решать сложнейшие научно-технические задачи, требующие огромного объема вычислений, но и обеспечивать работу более чем с 10 000 отдельных рабочих станций, для чего им требуются в качестве координатора системы ввода-вывода специальные ЭВМ. Однако, не взирая на их вычислительные возможности, супер-ЭВМ — пока все еще слишком дорогое удовольствие для коммерческого использования. Типичными областями применения супер-ЭВМ являются научные исследования, прогнозирование погоды, проектирование авиационной и космической техники, ядерные исследования, сейсмический анализ и другие области требующие быстрой обработки очень большого количества данных

Содержание слайда: Суперкомпьютеры Определенную картину по использованию супер-ЭВМ дает сводный анализ по США: оборонные проекты (45%); нефтяные компании (18%); университеты (13%); космические исследования (10%); другие (14%).

Содержание слайда: Архитектура ОКОД ОКОД - одиночный поток команд - одиночный поток данных, или SISD (Single Instruction Single Data) охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, т.е. ВС с одним вычислителем (рис. 4.10). Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также парал­лельная работа устройств ввода-вывода информации и процессора.

Содержание слайда: Архитектура ОКОД

Содержание слайда: Архитектура ОКМД ОКМД — одиночный поток команд множественный поток данных, или SIMD (Single Instruction Multiple Data) предполагает соз­дание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, т.е. процессорные элементы, входящие в систему, идентичны, и все они управля­ются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними. Векторный или матричный тип вычислений является необходимым атрибутом любой супер-ЭВМ.

Содержание слайда: Архитектура ОКМД

Содержание слайда: Архитектура МКОД МКОД — множественный поток команд — одиночный поток данных или MISD (Multiple Instruction Single Data), предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки очевидны (рис. 4.12). Однако в большинстве алгоритмов очень трудно выявить подобный, регулярный характер вычислений. Кроме того, на практике нельзя обеспечить и «большую длину» такого конвейера, при котором достигается наивысший эффект. Вместе с тем конвейерная схема нашла применение в так называемых скалярных процессорах супер-ЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки

Содержание слайда: Архитектура МКОД

Содержание слайда: Архитектура МКМД Архитектура МКМД — множественный поток команд — множественный поток данных, или MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) предпо­лагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд (рис. 4.13). В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра.

Содержание слайда: Архитектура МКМД

Содержание слайда: Современные варианты архитектуры В современных супер-ЭВМ используются три варианта архитектуры МПВС: структура MIMD в классическом варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burrought; параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, т.е. многопроцессорная (Multiple) MISD архитектура (например, в суперкомпьютере «Эльбрус 3»); параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, т.е. многопроцессорная SIMD архитектура (например, в суперкомпьютере Cray 2).

Содержание слайда: Системы с массовым параллелизмом В настоящее время возможно построение систем с массовым параллелизмом (MPP — Mass Parallel Processing) с десятками, сотнями и даже тысячами процессорных элементов, с размещением их в непосредственной близости друг от друга. Если каждый процессор системы имеет собственную память, то он также будет сохранять известную автономию в вычислениях. Считается, что именно такие системы займут домини­рующее положение в мире суперкомпьютеров в ближайшие десять-пят­надцать лет. Параллельную архитектуру MPP-компьютера определяют следую­щие компоненты: процессорная матрица (ПМ); устройство управления процессорной матрицей (УУПМ); устройство подготовки программ и данных (УППД); переходная память (ПП) для буферизации и перекомпоновки данных; ведущая и интерфейсная ЭВМ, внешняя память (ВП) и система интерфейсов.

Содержание слайда: Архитектура параллельной супер-ЭВМ МРР

Содержание слайда: Кластеры Опыт создания серверов на основе MPP-структур и SMP-структур (SMP — Shared Memory multiprocessing, технология мультипроцессирования с разделением памяти) показал, что они не обеспечивают хорошей адаптации к конкретным условиям функционирования, остаются доро­гими и сложными в эксплуатации. Одним из решений этой проблемы является кластеризация, т.е. тех­нология, с помощью которой несколько серверов, сами являющиеся вы­числительными системами, объединяются в единую систему более вы­сокого ранга для повышения эффективности функционирования систе­мы в целом

Содержание слайда: Кластеры

Содержание слайда: Кластеры. Зачем? Целями построения кластеров могут служить: улучшение масштабируемости (способность к наращиванию мощности); повышение надежности и готовности системы в целом; увеличение суммарной производительности; эффективное перераспределение нагрузок между компьютерами кластера; •эффективное управление и контроль работы системы и т.п.

Содержание слайда: http://www.theory-a.ru/index_arh_I_seti_evm_1.html

Содержание слайда: Классификация, состав и функции ИВС Классификация по принципам: по территориальности по организация передачи данных по геометрии

Содержание слайда: Поколения ЭВМ Первое (ламповые, начало 50-х) Второе (транзисторные 60-е) Третье (интегральная системотехника, конец 60-х) Четвертое (БИС, конец 70-х) Пятое (микропроцессорные, конец 80-х) Шестое (Оптоэлектронные с массовым параллелизмом и нейронной структурой, наше тысячелетие)

Содержание слайда: Первое поколение Ламповые ЭВМ, промышленный выпуск начат в начале 50-х годов. В нашей стране началом выпуска можно считать начало 50-х годов “МЭСМ”. Разработана под руководством Лебедева. В 1952-1953 годах на этой основе, под руководством Мельникова и Бурцева была разработана “БЭСМ-1” (Большая электронная счетная машина). А на ее основе был произведен серийный выпуск машины “БЭСМ-2”. В это же время в США выпускают машину “Эдвак”. Технические характеристики машины “БЭСМ-2” были гораздо выше. Это было связано с тем, что в “БЭСМ-2”, использовались два совершенно новых принципа: конвейеризации и стека. Для “БЭСМ-2”, быстродействие АЛУ составляло порядка 10000 операций в секунду. В 1953 году была разработана машина “Стрела” под руководством Василевского. А так же в Московском Энергетическом институте под руководством академика Брука были разработаны ЭВМ получившие название “М”. В Минске был создан завод по производству ЭВМ, серийное производство машин “Минск”. В городе Пензе было создано ОКБ (отдел конструкторского бюро) под руководством академика Рамеева, где разработали и выпускали серийно ЭВМ “Урал”. Структура ЭВМ первого поколения полностью соответствовали машине фон Неймана. Технические характеристики машин были значительно ниже характеристик современных ПК. Программирование велось в машинных кодах. Емкость ОЗУ – 2 тысячи слов. Ввод информации с перфоленты и кинопленки.

Содержание слайда: Второе поколение Связывают с переходом от ламповых к транзисторным ЭВМ. Транзисторы позволяли обеспечить большую надежность, быстродействие и меньшее энергопотребление (среднее время отказа около 100 часов, тогда как на машинах первого поколение около 10 часов, энергоемкость на два порядка ниже, по сравнению с машинами первого поколения). Переход к печатному монтажу также улучшило надежность.

Содержание слайда: Архитектура второго поколения

Содержание слайда: Второе поколение Начинается бурное развитие математического и программного обеспечения. Высшая точка: создание алгоритмических языков (Fortran, ALGOL). Создаются простейшие компиляторы и интерпретаторы. Становится нецелесообразна работа пользователя у пульта управления. Основным режимом становится работа через операторов. Появляются многопрограммные ЭВМ. Многопрограммность достигается за счет программной обработки. Для работы в пакетном режиме создаются первые мониторы и supervisor’ы. Вследствие чего происходит резкое увеличение использование ЭВМ второго поколения.

Содержание слайда: Третье поколение В конце 60-х годов появляются первые машины третьего поколения. Переход к третьему поколению ЭВМ связывают с серьезными архитектурными изменениями. Изменение технической базы связано с переходом на интегральную схематехнику. Правда степень интеграции была небольшой. Вследствие чего произошло заметное увеличение надежности. В машинах третьего поколения формируется концепция канала, начинается работа с распараллеливанием процессора, появляется микропрограммное управление, иерархируется память, впервые вводится понятие агрегатирования.

Содержание слайда: Архитектура третьего поколения Канал является основным структурным элементом. В структуре процессора и оперативной памяти появляются специальные устройства, которые организуют адресные механизмы (обеспечивающие адресацию, перемещение программы в памяти, взаимную защиту). В процессоре появляется несколько АЛУ (целочисленные, с плавающей арифметикой, для работы с адресами). Правда, эти устройства параллельно не работают, но для выполнения той или иной обработки выбирается определенное АЛУ.

Содержание слайда: Третье поколение В памяти четко выделяется основная память, к которой процессор обращается непосредственно, и массовая память, емкость которой значительно больше емкости основной памяти, но непосредственно процессору она недоступна. Тем более данные с внешних устройств непосредственно недоступны процессору. Так как память иерархична, то создаются механизмы для управления памятью. Развивается и внутренняя память процессора (создаются предпосылки кэширования). В конце третьего поколения ЭВМ появляется концепция управления виртуальной памяти, развиваются внешние устройства и терминальное оборудование. Самое главное в тот период: унификация ЭВМ по конструктивно - технологическим параметрам. ЭВМ третьего поколения начинают выпускаться сериями или семействами, совместимыми моделями. Дальнейшее развитие математического и программного обеспечения приводит к созданию пакетных программ для решения типовых задач, проблемно - ориентированных программных языков (для решения задач отдельной категории) и впервые создаются уникальные программные комплексы, - операционные системы (разработаны IBM).

Содержание слайда: Четвертое поколение В конце 70-х кодов появляются первые ЭВМ четвертого поколения. Связано с переходом на интегральные схемы средней и большой степени интеграции. Характерные свойства ЭВМ четвертого поколения: Мультипроцессорность Параллельно – последовательная обработка Языки высокого уровня Появляются первые сети ЭВМ

Содержание слайда: Технические характеристики 4-го поколения Средняя задержка сигнала 0.7 нс./вентиль (вентиль – типовая схема) Впервые основная память – полупроводниковая. Время выработки данного из такой памяти 100-150 нс. Емкость 1012 –1013 символов. Впервые применяется аппаратная реализация оперативной системы Модульное построение стало применяться и для программных средств Основная внимание машин четвертого поколения было направлено на сервис (улучшение общения ЭВМ и человека).

Содержание слайда: Пятое поколение В конце 80-х годов появляются первые ЭВМ пятого поколения. Пятое поколение ЭВМ связывают с переходом к микропроцессорам. С точки зрения структурного построения характерна максимальная децентрализация управления. С точки зрения программного и математического обеспечения – переход на работу в программных средах и оболочках. Производительность 108 - 109 операций в секунду. Для пятого и шестого поколения характерны многопроцессорные структуры созданные на упрощенных микропроцессорах, которых очень много (решающие поля или среды). Создаются ЭВМ ориентированные на языки высокого уровня.

Содержание слайда: Современные тенденции В этот период существуют две диаметрально противоположных тенденции: Персонификация ресурсов Коллективизация ресурсов (коллективный доступ – сети)

Содержание слайда: Шестое поколение Оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой — с сетью из большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих структуру нейронных биологических систем.

Содержание слайда: Эволюция ЭВМ и вычислительных систем (ВС) История ВТ отсчитывается с опубликования работы Джона фон Неймана. Впервые возможность построения цифровой ВМ была доказана английским математиком Тьюрингом в 1936 году. Он показал, что любой алгоритм реализуется с помощью его дискретного автомата, который был назван машиной Тьюринга. Независимо это же доказал Пост (машина Поста).

Содержание слайда: Первая настоящая ЭВМ Физически первая цифровая ВМ была сконструирована в 1935 году фирмой Белл (США). Такого же вида машина была сконструирована для специальных задач под руководством К. Цунзе (1941, Германия). Попытка построения универсальной ЭВМ была предпринята Айтнетом (США). Она получила название “Марк-1”. Спроектирована и изготовлена в Гарвардском университете.

Содержание слайда: Адамы современных ЭВМ Первая ЭВМ, разработанная на электронных компонентах, изготовлена в 1942 году (“Эниак”). Серийный выпуск в 1945-1946 годах. Разработана в Пенсельванском университете под руководством Маушли и Энкера. В 1943 году под руководством Тьюринга была разработана ЭВМ “Колос”. После рассекречивания архивов в 70-х годах оказалось, что первая ЭВМ была разработана в 1939 году выходцем из Германии Антоносовым, которая получила название “ABC”.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Вопросы: Информационная система, что это? От чего зависит производительность ЭВМ? По Филину существует 4 разновидности ВС, какие? Назовите главную особенность SMP архитектуры. Назовите главную особенность МРР архитектуры. Назовите главную особенность гибкой архитектуры NUMA. Назовите главную особенность PVP архитектуры. Что является суперкомпьютером? Назовите основные типы кластеров. Что такое микропроцессор?

Содержание слайда:

Содержание слайда: Отечественные машины первого поколения: МЭСМ (малая электронная счетная машина), БЭСМ, Стрела, Урал, М-20.

Содержание слайда:

Содержание слайда: По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют: По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 86-разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности); По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW; По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные; многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.

Содержание слайда: Гарвардская архитектура Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете. История В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру компьютера для военно-морской артиллерии. Победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура не использовалась вплоть до конца 70-х годов.

Содержание слайда: Начиная с момента широкого использования интегральных схем в компьютерах, технологический прогресс в вычислительных машинах можно наблюдать, используя широко известный закон Мура. Один из основателей компании Intel Гордон Мур в 1965 году открыл закон, согласно которому количество транзисторов в одной микросхеме удваивается через каждые 1,5 года. Ввиду существенного усложнения как аппаратной, так и логической структуры ЭВМ 3-го поколения часто стали называть системами. Так, первыми ЭВМ этого поколения стали модели систем IBM (ряд моделей IBM 360) и PDP (PDP 1). В Советском Союзе в содружестве со странами Совета Экономической Взаимопомощи (Польша, Венгрия, Болгария, ГДР и др1.) стали выпускаться модели единой системы (ЕС) и системы малых (СМ) ЭВМ.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Вопросы Что такое конвейер команд? Что такое RISC-процессоры? Что такое CISC-процессоры? Что такое суперконвейер? Что такое суперскалярный конвейер? Что такое VLIW-архитектура? Что такое EPIC-архитектура? Назовите главную особенность SMP архитектуры. Назовите главную особенность МРР архитектуры. Назовите главную особенность гибкой архитектуры NUMA. Назовите главную особенность PVP архитектуры. Что такое МКОД? Что такое МКМД? Что такое MIMD? Что такое MMISD? Что такое MSIMD?