–PAGE_BREAK–
Виртуальная память
Имея иерархическую структуру запоминающих устройств на реальном объёме памяти значительно меньше максимального. Можно имитировать работу с максимальной памятью. В этом случае программист работает так, как будто ему предоставляется реальная память максимального объёма для данной ЭВМ, хотя имеющаяся реальная память значительно меньше по объёму. Такой режим работы называется режимом виртуальной памяти. Теоретически доступная пользователь оперативная память, объём которой определяется только разрядностью адресной части команды и которая не существует в действительности – называется виртуальной памятью. Виртуальная память имеет сегментно-стороничную организацию и реализована в иерархической системе памяти ЭВМ. Часть её размещается в страничных блоках основной памяти, а часть в ячейках внешней страничной памяти. Внешняя страничная память является частью внешней памяти.
Ячейка (слод) – это записываемая область во внешней страничной памяти. Например на жёстком магнитном диске. Она того же размера, что и страница. Вычислительная система с 24-х разрядным адресом может иметь адресеное пространство 16777216 байт. С 23-х разрядным адресом – 4 Гб. Все программные страницы физически располагаются в ячейках внешней страничной памяти. Виртуальная память существует только, как продукт деятельности ОС функционирующей на основе совместного использования внешней и страничной памяти. Загрузить программу в виртуальную память, значит переписать несколько программных страниц из внешней страничной памяти в основную память. Если в процессе выполнения программы система обнаружит, что требуемой странице нет в реальной памяти она должна переслать копию этой страницы из внешней страничной памяти в реальную память – этот метод называется принудительным страничным обменом.
Система прерываний ЭВМ.
1.Работа центрального процессора в системе прерываний.
2.”Поле зрения” ЦП.
3.Виды систем прерывания.
4.Принцип действия системы прерывания.
5Группы прерываний.
2.Современная ЭВМ представляет собой комплекс автономных устройств, каждая из которых выполняет свой функции под управлением местного устройства управления независимо от других устройств, машины включают устройства в работу ЦП и передаёт устройству команду и все необходимое для её выполнения параметры. После начала работы устройства центральный процессор отключается от него и переходит к обслуживанию других устройств или к выполнению других функций. Для того, чтобы ЦП выполняя свою работу имел возможность реагировать на события происходящие вне его зоны, внимание, наступление, которых он не ожидает существует система прерываний ЭВМ. При отсутствии системы прерываний все заслуживающие внимания события должны находиться в поле зрения процессора. Что сильно усложняет программы и требует большой их избыточности. Кроме того поскольку момент наступления события заранее неизвестен, процессор в ожидании какого-либо события может находиться длительное время и чтобы не пропустить его появления ЦП не может откликаться на выполнение какой-либо другой работы. Такой режим работы (режим сканирования ожидаемого события)связан с большими потерями времени ЦП на ожидание. Таким образом система прерываний позволяет микропроцессору выполнять основную работу, не откликаясь на состояния сложных систем при отсутствии такой необходимости или прервать выполняемую работу и переключиться на анализ возникшей ситуации сразу после её выполнения.
Работа системной памяти проходит под управлением ЦП. Основы центрального процессора персональной ЭВМ (ПЭВМ) составляет микропроцессор, обрабатывающие устройства служащие для арифметических и логических преобразований данных. Для организации обращения к ОП и внешним устройствам и для управления ходом вычислительного процессора. В настоящее время существует большое кол-во разновидностей микропроцессоров различающихся назначением функциональными возможностями структурой и исполнением. Чаще всего наиболее существенным классификационным различием между ними является кол-во разрядов в обрабатываемой информационной единице – 8-битовые, 16-битовые, 32-битовые и др.
Арифметика логического устройства.
АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат в состав которого входят: сумматоры, счётчики, регистры, логические преобразователи и др. АЛУ каждый раз перенастраивается с выполнением очередной операции.
3.В зависимости от места нахождения источника прерываний, они могут быть разделены на внутренние (программные и аппаратурные) и внешние прерывания ((поступающие в ЭВМ от внешних источников) от принтера или модема).
15.
4.При возникновении события требующей немедленной реакции со стороны машины ЦП прекращает обработку текущей программы и переходит к выполнению отложенной программы. Такой режим работы называется прерыванием. Каждое событие требующее прерывание сопровождается специальными сигналами, которые называются запросом прерывания, программы затребованная запросом прерывания называется обработчиком прерывания. Запросы не прерывания могут возникать из-за сбоев в аппаратуре (зафиксированных схемами контроля переполнения разрядной сетки, деления на ноль, выхода за установленные для данной программы области памяти затребованные периферийными устройствами, операции ввода/вывода, завершение этой операции ввода/вывода, или возникновение при этой операции особых условий и т.д.
5.Персональные ЭВМ IBMPCможет выполнять 256 различных прерываний, каждая которых имеет свой номер – двухразрядное шестнадцатеричное число. Все прерывания делятся на 2 группы. Прерывания с номера 00hпо номер 1Fhназываются прерываниями базовой системы ввода/вывода. Прерывания с номера 20hпо номер FFhназывается прерыванием DOS. Прерывания DOSимеет более высокий уровень организации, чем прерывания BIOSони строятся на использовании модулей BIOSв качестве элементов.
Система команд микропроцессора
1. Команды пересылки данных (4 группы)
1.1 Команды пересылки данных внутри МП (MOV, PUSH, POP, XCHNG)
1.2 Команды ввода/вывода in/out.
1.3 Операции с флагами.
1.4 Операции с адресами.
2. Арифметические команды.
2.1 Основные (+,-,*,/)
2.2 Дополнительные.
3. Логические команды.
3.1 Сдвиг, Дизъюнкция, конъюнкция, отрицание равнозначности и др.
4. Команды обработки строковых данных (пересылке, сравнение, сканирование, слияние/разделение и др.)
5. Команды передачи управления (безусловный переход, условный переход, прерывания, переход с возвратом).
1. Команды управления (“нет операций”, “внутренняя синхронизация”).
Классификация вычислительных систем
1.Закономерность в процессе развития ЭВМ.
2.Термин вычислительная система.
3.Основные принципы построения закладываемые при создании вычислительной системы.
4.Структура вычислительной системы.
5.Классификация вычислительных систем.
1.Развитие средств электронной вычислительной техники строго придерживалось к классической структуре ЭВМ (структуры фон Неймана), основной на методах последовательных вычислений. Рост производительности и быстродействия.
Комплексное совершенствование ЭВМ (электронно-конструкторная база, структурно аппаратурные решения, системно программный и пользовательский алгоритмический уровень, ощутимость пределов возможностей микроэлектроники.
2.Термин вычислительной системы появился в начале по середину 60-х годов при появлении ЭВМ III-го поколения. В это время знаменовалось переходом на новую элементную базу интегральные схемы. Следователем этого явилось появление новых технических решений: разделение процессоров обработки информации и её ввода/вывода. Множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные работы ЭВМ многопользовательской и многопрограммной обработки. Под вычислительной системой (ВС) будем понимать совокупность взаимодействующих и взаимосвязывающих процессов или ЭВМ периферийного оборудования и программного обеспечения предназначенного для подготовки и решения задач пользователей. Отличительная особенность вычислительной системы по отношению к ЭВМ является наличие нескольких вычислителей реализующих параллельную обработку. Создание вычислительной системы преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счёт ускорения процессов обработки данных, повышения достоверности и надёжность вычислений, предоставленные пользователю дополнительных серверных услуг.
Параллелизм в вычислениях значительной степени усложняет управление вычислительным процессом. Использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет ОС вычислительной системы.
3.
1.Возможность работы в разных работах.
2.Модульность структуры технических и программных средств, что позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительность системы без коренных их переделок.
3.Унификация и стандартизация технических и программных решений.
4.Иерархия в организации управления процессами.
5.Способ систем к адаптации, к самонастройки и к самоорганизации.
6.Обеспечение необходимым сервисам при выполнении вычислений.
Многопроцессорная вычислительной системы
Типичным представителем многопроцессорной системы с массовым параллелизмом (MPP) является суперкомпьютер nCUBE2, состоящий из мультипроцессора nCUBE2 и хост-компьютера, управляющего его работой. Мультипроцессор состоит из набора процессорных модулей (узлов), объединенных в гиперкубовую структуру. В такой структуре процессоры размещаются в вершинах N- мерного куба (гиперкуба), а коммуникационные каналы, соединяющие процессоры, расположены вдоль ребер гиперкуба. Общее число процессоров в гиперкубе размерности N равно 2N. На Рис. 3 приведены гиперкубовые структуры для различного числа процессоров. Гиперкубовая архитектура является одной из наиболее эффективных топологий соединения вычислительных узлов. Основным показателем эффективности топологии многопроцессорной системы является количество шагов, требуемое для пересылки данных между двумя наиболее удаленными друг от друга процессорами. В гиперкубовой архитектуре максимальное расстояние (число шагов) между узлами равно размерности гиперкуба. Например, в системе с 64 процессорами сообщение всегда достигнет адресата не более, чем за 6 шагов. Для сравнения заметим, что в системе с топологией двумерной сетки для передачи данных между наиболее удаленными процессорами требуется 14 шагов. Кроме того, при увеличении количества процессоров в два раза, максимальное расстояние между процессорами увеличивается всего на 1. Совершенно очевидно, что для образования такой архитектуры на вычислительных узлах необходимо иметь достаточное количество коммуникационных каналов. В процессорных модулях nCUBE2 имеется 13 таких каналов, что позволяет собирать системы, состоящие из 8192 процессоров.
Физическая нумерация процессоров построена таким образом, что номера соседних узлов в двоичной записи отличаются только одним битом. Номер этого бита однозначно определяет номер коммуникационного канала, соединяющего эти процессоры. Это позволяет эффективно реализовать аппаратные коммутации между любой парой процессоров. Подкубом в гиперкубовой архитектуре называют подмножество узлов, которые, в свою очередь, образуют гиперкуб меньшей размерности. Каждый узел в массиве процессоров nCUBE2 состоит из 64-битного центрального процессора, коммуникационного процессора и оперативной памяти. Коммуникационный процессор отвечает за пересылку данных между узлами, освобождая центральный процессор от выполнения рутинных операций по приему, отправке и маршрутизации потока данных. Ниже приведены технические характеристики вычислительного комплекса nCUBE2, установленного в РГУ:
число процессоров
64
оперативная память на один процессор (Мб)
32
число процессоров ввода/вывода
8
число каналов ввода/вывода
6
объем дисковых накопителей (Гб)
20
суммарная пиковая производительность (Mflops)
192
Доступ к вычислительным ресурсам nCUBE2 получают пользователи, зарегистрированные на хост-компьютере, роль которого выполняет рабочая станция SGI 4D/35 (Silicon Graphics), работающая под управлением операционной системы IRIX 4.0.5. С помощью хост-компьютера выполняется начальная инициализация системы, ее тестирование и подготовка программ для их выполнения на nCUBE2. В программное обеспечение хост-компьютера входит серверная программа, позволяющая организовать прямой доступ к вычислительным ресурсам nCUBE2 с хост-компьютеров второго уровня, в качестве которых могут выступать рабочие станции SUN. Для этого на них должно быть установлено программное обеспечение хост-компьютера.
На хост-компьютерах устанавливается среда параллельного программирования (Parallel Software Environment — PSE). PSE поставляется в трех вариантах: для операционных систем IRIX 4.0.5, SunOS и Solaris.
Архитектура вычислительных систем.
1.Архитектура вычислительных систем.
2.История появления классификации ВС.
3.Четыре основные архитектуры ВС:
3.1.Архитектура ОКОД.
3.2.Архитектура ОКМД.
3.3.Архитектура МКОД.
3.4.Архитектура МКМД.
1.Совокупность характеристик и параметров определяющих функционально-логических и структурную организацию систем. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования наиболее существенные для пользователя, в которой дольше интересует возможности систем, а не деталей их технического исполнения.
Классификация ВС:
1.По назначению ВС делятся на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные ВС ориентированы на решение узкого класса задач.
2.По типу ВС различаются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные ВС (ММС) появились исторически первыми. При использовании ЭВМ первых поколений возникали задачи повышения производительности, надёжности и достоверности вычислений.
3.По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. В однородных системах значительно упрощаются разработка и обслуживание технических и программных средств. В неоднородных ВС комплексуемые элементы очень сильно отличаются по своим техническим и функциональным характеристикам. Обычно это связано с необходимостью параллельного выполнения многофункциональной обработки.
4.По степени территориальной разобщённости вычислительных модулей ВС делят на системы совмещённого (состредоточенного) и распределённого (разобщённого) типов.
Многопроцессорные системы относятся к системам совмещённого типа. Совмещённые и распределённые МВС сильно различаются оперативностью взаимодействия в зависимости от удалённости ЭВМ.
5.По методам управления элементами ВС различают централизированные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизированных ВС за это отвечает главная, или диспечерская, ЭВМ (процессор). В децентрализированных системах функции управления распределены между её элементами. В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизированного и децентрализированного управления.
6.По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ различают системы с жёстким и плавающим закреплением функций.
7.По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах.
ОКОД – включает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, т.е. С одним вычислением. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путём совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода информации и процессора.
ОКМД – 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 управлений алгебраического и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др.)
В супер ЭВМ – ОКМД. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединение между процессорами соответствующие реализуемым математическим событиям. Структуры ВС этого типа по существу являются структурами специализированных super– ЭВМ.
МКОД – предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Прототипом таких вычислений может служить схема любого производственного конвейера, в современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, в которой параллельно работают различные функциональные блоки и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки команды.
МКМД – все процессоры системы работают со своими программами с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы.
Комплексирование ВС.
1.Понятие совместимости.
2.Пути передачи данных.
3.Уровень прямого управления.
4.Уровень общей оперативной памяти.
5.Уровень комплексируемых каналов ввода/вывода.
6.Уровень устройств управления внешними устройствами.
7.Уровень общих внешних устройств.
1.Для построения вычислительных систем необходимо, чтобы элементы или модули комплексируемые в систему были совместимы. Понятие совместимости имеет 3 аспекта: аппаратурный (технический), программный или информационный.
Техническая совместимость предполагает, что ещё в процессе разработки аппаратуры обеспечиваются следующие условия: 1)подключаемая друг к другу аппаратура должна иметь единые стандартные унифицированные средства соединения: кабели, число проводов в них, единое назначение проводов, разъёмы, заглушки, адаптеры, платы и т.д. 2)параметры электрических сигналов, которыми обмениваются технические устройства, тоже должны соответствовать друг к другу: амплитуды импульсов, полярность, длительность и т.д. 3)алгоритмы взаимодействия (последовательность сигналов по отдельным проводам не должны вступать в противоречие друг с другом.
2.В создаваемых вычислительных системах стараются обеспечить несколько путей передачи данных, что позволяет достичь необходимой надёжности функционирования, гибкости и адаптируемости конкретным условием работы. Эффективность обмена информации определяет сложностью передачи и возможными объёмами данных, передаваемых по каналу взаимодействия.
Машинные коды
Прямой код дворичного числа образуется из абсолютного значения этого числа и кода знака (0 — + или 1 — -) перед его старшим числовым разрядом.
A10=10 A2=1010 [A2]n=0:1010-прямой машинный код числа 10.
Обратный код дворичного числа образуется по следующему правилу. Обратный код положительных чисел совпадает с их прямым кодом. Обратный код отрицательного числа содержит единицу в знаковом разряде числа, а знающие разряды числа заменяются на инверсные, т.е. 0-заменяется 1, а 1-0.
А10=5 А2=101 [А2]4-[A2]=0:101 [A2]4=1:101
Своё название обратный код чисел получил потому, что коды цифр отрицательного числа заменены на инверсные. Наиболее важные свойства обратного кода чисел сложения положительного числа с его отрицательным значением в обратном ходе даёт машинную единицу МЕ ОN. Дополнительный код положительных чисел совпадает с его прямым кодом. Дополнительный код отрицательного числа представляет собой результат суммирования обратного кода числа с единицей младшего разряда ((2 – 1) для целых чисел) ((2 ) для дробных чисел).
А10-19А2=(10011)
[А2]n=0:10011
[A2]n=[A2]oк=[A2]ДК=0:10011
А10=-13 А2=-1101
[A2]ок=1:0010
[A2]n[A2]ок=[A2]ДК=1:1101
Основные свойства дополнительного кода. Сложение дополнительных кодов положительного числа с его отрицательным значением даёт машинную единицу дополнительного кода. Дополнительный код получил название потому, что представление отрицательных чисел является дополнением прямого кода чисел до машинной единицы дополнительного кода.
Модифицированные коды и обратные дворичных чисел отличаются соответственно от обратных и дополнительных кодов удвоенным значением знаковых разрядов знак + в этих кодах кодируется двумя нулевыми знаковыми разрядами, а – двумя единичными разрядами.
А10=9
[A2]n=0:1001 [A2]n=1:1001
[A2]ок=0:1001 [A2]ок=1:0110
[A2]дк=0:1001 [A2]дк=1:0111
[A2]Мок=00:1001 [A2]Мок=11:0110
[A2]Мдк=00:1001 [A2]Мдк=11:0111
Программная совместимость (SoftWare) требует чтобы программы, передаваемые из одного технического средства в другое, были правильно поняты и выполнены другим устройством.
Информационная совместимость комплексируемых средств предполагает, что передаваемые информационные массивы будут одинаково интерпретироваться стыкуемыми модулями ВС. Должны быть стандартизированы алфавиты, разрядность, форматы структура и разметка файлов, томов. В создаваемых ВС стараются обеспечить несколько путей передачи данных, что позволяет достичь необходимой надёжности функционирования, гибкости и адаптируемости к конкретным условиям работы. Эффективность обмена информацией определяется скоростью передачи и возможными объёмами данных, передаваемыми по каналу взаимодействия. Эти характеристики зависят от средств, обеспечивающих взаимодействие модулей и уровня управления процессами, на котором это это взаимодействие осуществляется сочетание различных уровней и методов обмена данными между модулями ВС наиболее плотно представлено в универсальных супер ЭВМ и больших ЭВМ, с которых сбалансировано использовались все методы достижения высокой производительности. В этих машинах предусматривались следующие уровни комплексирования:
1) прямого управления (процессор-процессор);
2) общей оперативной памяти;
3) комплексируемых каналов ввода\вывода;
4) устройств управления внешними устройствами (УВУ);
5) общих внешних устройств.
На каждом из этих уровней используются специальные технические и программные средства, обеспечивающие обмен информацией.
3.Уровень прямого управления служит для передачи коротких однобайтовых приказов сообщений. Последовательность взаимодействия процессоров сводится к следующему. Процессор инициатор обмена по интерфейсу прямого управления байт – сообщения и подаёт команду прямое чтение и записывает передаваемый байт в свою память, затем принятая информация расшифровывается и по ней принимается решение. После завершения передачи прерывания скрываются и оба процессора продолжают вычисления по собственным программам следовательно уровень прямого управления не может использоваться для передачи больших массивов данных, однако оперативные взаимодействия отдельными сигналами широко используется в управлении вычислениями.
4.Является более предпочтительной для оперативного взаимодействия процессора. В этом случае ООП эффективно работает при небольшом числе обслуживаемых абонентов.
5.Уровень общей оперативной памяти предназначается для передачи больших объёмов информации между блоками оперативной памяти сопрягаемых в вычислительной системе. Обмен данными между ЭВМ осуществляется с помощью адаптера канал-канал (АКК) и команд чтения и записи. Адаптер – это устройство согласующее скорости работы сопрягаемых сигналов. Обычно сопрягаются селекторные программы (СК) каналы машин, как наиболее быстродействующие. Скорость обмена данными определяется скоростью самого медленного канала. Скорость передачи данных по этому уровню составляет несколько Мб/1сек. В ПЭВМ данному уровню взаимодействия соответствует подключение современной аппаратуры через контролёры адаптеры.
6.Предполагает использование встроенного в УВУ двухканального переключателя и команд зарезервировать и освободить. Двухканальный переключатель позволяет УВУ одной машины и селекторными каналами различных ЭВМ. По команде зарезервировать канал инициатор обмена имеет доступ через УВУ к любым накопителям на жёстких дисках и на магнитных лентах. УВУ магнитных дисках и лент совершенно различные устройства обмен канала с накопителями продолжает до полного завершения работ и получения команды освободить. Только после УВУ может подключиться к конкурирующему каналу, только такая дисциплина обслуживания требований позволяет избежать конфликтных ситуаций на 4 уровне с помощью аппаратуры передачи данных (АПД) (мультиплексоры, адаптеры, сетевые модемы) имеется возможность сопряжения с каналами связи – эта аппаратура позволяет создавать сети ЭВМ.
7.Предполагает использование общих внешних устройств. Для подключения отдельных устройств используются автономный двухканальный переключатель.
Таблица:
продолжение
–PAGE_BREAK–