Referat97 (Повышение производительности компьютерных систем)

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра ПОВТАС

Реферат

Проблемы повышения производительности вычислительных систем и методы их преодоления

Оренбург 1999

Содержание.

Немного истории.

Электронный компьютер был разработан в 50-е годы как устройство для производства быстрых вычислений. В то время никто не задумывался над его информационными приложениями и усилия разработчиков были направлены в основном на повышение быстродействия компьютера.

В 60-е годы была сделана попытка использовать компьютер для осуществления информационных операций индексирования и анализа текста. С помощью соответствующего программного обеспечения в память компьютера стали записывать тексты и искать возможности оперирования с ними. В настоящее время существует множество фирм, производящих компьютеры. Это, например, Dell, Acer, IBM. Для тех, кто профессионально с компьютером не связан, расскажем очень кратко о некоторых принципах функционирования компьютера.

Структурно компьютер состоит из пяти основных функциональных блоков, объединенных общей задачей быстро производить арифметические и логические действия над числами. Характер действий и их последовательность определяются программой, представляющей собой определенным образом организованную совокупность машинных операций, называемых командами. Руководит работой компьютера устройство управления. Оно получает команды из памяти, декодирует их и генерирует необходимые для их выполнения сигналы. Каждая команда в памяти находится по определенному адресу, который указывается программным счетчиком, находящимся в устройстве памяти. Для запоминания команд в устройстве управления имеется специальный регистр команд.

Устройств ввода и вывода служат для преобразования информации с тех языков программирования и тех скоростей, на которых работает компьютер, на те, которые воспринимает человек или другая система, работающая с данным компьютером. Важнейшим функциональным блоком компьютера является процессор. В нашей стране получили широкое распространение процессоры фирм Intel, AMD и др.

Команды от оператора поступают через устройство ввода в регистр инструкций. По этим инструкциям блок управления вырабатывает команды для всех функциональных блоков компьютера Система регистров общего пользования служит оперативной памятью для поступающих на вход данных.

Арифметическое устройство производит арифметические и логические операции над поступающими от регистра общего назначения данными. О том, какие именно следует выполнять функции, говорят команды блока управления.

Адресный регистр обеспечивает правильную адресацию данных в системе памяти, он также снабжает каждую следующую инструкцию указаниями адресов памяти, где она будет запоминаться.

Одним из ключевых функциональных блоков компьютера является программный счетчик, назначение которого состоит в обновлении каждой инструкции и временном запоминании ее номера. Если записанная программа перейдет в другой инструктивный номер, это изменение будет зафиксировано программным счетчиком. Информация об этом изменении поступает также в регистр инструкций. При каждом следующем шаге рабочей программы происходит обращение к программному счетчику с запросом о выполнении соответствующей операции.

Каждая ячейка памяти компьютера запоминает одно машинное слово. Возможности компьютера определяются числом команд, которое можно ввести в оперативную память. Максимальная емкость оперативной памяти в миникомпьютерах не превышает обычно 32M слов, в суперкомпьютерах емкость оперативной памяти достигает 1000M слов (M = 1 048 576).

Резкое повышение производительности миникомпьютеров при сравнительно небольшом удорожании привело к созданию мегамини- или супермини-компьютеров. Появление компьютеров нового класса связано с успехами в технологии их изготовления, с расширением их функциональных возможностей. Так, увеличилась скорость, и расширился набор команд центрального процессора, выросла пропускная способность устройств ввода-вывода, расширен диапазон адресов, увеличился ассортимент внешних устройств.

Одновременно с этим появилась возможность создать для супермини-компьютеров богатое программное обеспечение, существенно отличающееся от математического обеспечения типичных миникомпьютеров. В то же время это математическое обеспечение ориентировано на интерактивный режим работы пользователя с машиной, т. е. на непосредственное общение. Крупными производителями программного обеспечения можно считеть: Microsoft, Symantec, Borland, Microprose и др.

В начале 70-х годов американская фирма Intel предложила вместо интегрального модуля с жесткой логикой разработать стандартный логический блок, конкретное назначение которого можно определить после его изготовления, т. е. создать программируемую интегральную схему. Так появился микропроцессор - многофункциональный цифровой микроэлектронный модуль с программируемой логикой, сделавший революцию в электронике и технике обработки информации.

Основой микропроцессора является большая интегральная схема, в которой происходят все функциональные и вычислительные операции. Микропроцессор составляет основу микрокомпьютера.

В 1980 г. основу почти всех микрокомпьютеров составляли однокристальные микропроцессоры, у которых на одном кристалле выполнены центральный процессор, устройство памяти, устройство ввода-вывода и другие логические схемы. Число транзисторов на одном кристалле достигало примерно 70 тыс. штук. В настоящее время уже имеются монокристаллические микросхемы с числом элементарных вентилей до 5 млн. штук, что закладывает основу для перехода к микрокомпьютерам следующего нового поколения.

Производство микрокомпьютеров происходит в нарастающем темпе.

К первому поколению персональных компьютеров американского производства относятся компьютер TRS-80 на базе микропроцессора Z80 фирмы Zilog, компьютер Apple - II фирмы Apple Computer, компьютер PET фирмы Commondore Int. на базе микропроцессора 6502 фирмы MOS Technology.

Ко второму поколению принадлежат компьютеры IBM Personal Computer фирмы IBM с микропроцессором i8088, Rainbow-100 фирмы DEC на базе микропроцессора Z80A/i8088.

Микрокомпьютеры второго поколения с 16-разрядным словом отличаются от своих предшественников включением в комплект кроме гибких дисков также малогабаритных жестких дисков большой емкости, графических устройств, увеличенным объемом оперативной памяти до 256 КБайт - 2 Мбайт. Остальные поколения являются производными от этих.

Характеристики персональных компьютеров постоянно улучшаются, и в настоящее время технические характеристики и области применения мини- и микрокомпьютеров перекрываются.

В конце 80-х годов существовала проблема отставания математического вооружения компьютера от его физических возможностей. Зато в настоящее время данная проблема преобразилась с точностью до наоборот. Т.е. современное программное обеспечение способно использовать все системные ресурсы компьютера и при этом требовать еще большего увеличения данных ресурсов.

Пусть, например, необходимо ввести данные в компьютер. Этот процесс следует начать с тестовых проверок, чтобы убедиться в физической возможности осуществления этой процедуры. Поэтому работа начинается с того, что устройство ввода посылает в компьютер сигнал, указывающий на готовность ввода порции информации. В свою очередь, компьютер должен известить устройство ввода, т. е. оператора, о том, что он закончил обработку предыдущей порции данных и готов к приему следующей. В результате происходящего обмена сигналами устанавливается режим, позволяющий вводить новую порцию данных.

При выводе информации из компьютера устройство вывода должно известить компьютер о том, что оно готово воспринимать данные, т. е. послать в компьютер так называемый "сигнал занятости". Компьютер начнет выдавать данные только после проверки наличия такого сигнала. В свою очередь, компьютер должен послать в устройство вывода сигнал готовности передавать данные и устройство вывода должно убедиться в наличии такого сигнала.

Этот очевидный режим обмена информацией между компьютером и периферийными устройствами имеет недостаток - нерациональное использование времени, так как компьютер значительную часть времени находится в режиме ожидания. Поэтому разработан более экономичный режим обмена данными - ввод и вывод по прерыванию. В этом режиме выполнение основной программы компьютером чередуется с выполнением подпрограмм ввода и вывода.

Повышение производительности в компьютерных сетях.

Быстрое проникновение информационных технологий в коммерцию, банковское дело, образование и сферу развлечений в совокупности с неуклонно увеличивающейся мощностью компьютеров и емкостью устройств хранения данных предъявляет все большие требования к сетям связи. На повестку дня выходят широкополосные каналы связи.

Согласно прогнозам, мощность персональных компьютеров и high-end-вычислительных машин в ближайшие 15 лет увеличится более чем в тысячу раз, соответственно и потребности в объеме трафика по опорным сетям связи вырастут в десятки и сотни раз. Эти тенденции стимулируют исследования в области высокопроизводительных сетевых решений. Самые быстрые линии передачи данных - оптоволоконные - требуют соответствующие технологии построения быстрых и гибких сетей. Одной из таких технологий является временное уплотнение каналов.

Современные технологии ATM и SDH решают задачу повышения производительности сетей лишь в краткосрочной перспективе. Их дальнейшее развитие сопровождается увеличением сложности и цены электронного оборудования, заставляя разработчиков обратить взор в сторону оптических технологий связи.

Связь по оптоволокну - пока единственный способ удовлетворить огромные потребности в скоростной передаче данных. Главными технологиями, позволяющими наиболее полно на сегодняшний день использовать поистине громадные возможности волокна, являются уплотнение каналов с разделением по спектру (WDM, или спектральное уплотнение) и с временным разделением (OTDM, или временное уплотнение).

И та и другая технологии важны не только для повышения скорости передачи данных, но и для ускорения коммутации и маршрутизации. Уже разработаны необходимые средства для решения этих задач без использования электронных устройств. Таким образом, снимаются ограничения, накладываемые электроникой. Временное и спектральное уплотнения не являются взаимоисключающими, хотя использование первого с некоторыми видами волокон затруднено. Более того, эти подходы могут быть скомбинированы. Небольшое число OTDM-каналов может быть объединено с помощью WDM, увеличивая емкость линии.

Представим, что нам нужно установить локальную сеть с большой пропускной способностью, так сказать, с заделом на будущее. Чем соединить между собой компьютеры? Еще недавно ответ был очевиден - коаксиал или витая пара (UTP) с третьей по пятую категории. Если речь шла о магистральных коммуникациях, прокладывалось оптическое стекловолокно. С развитием технологии выбор расширился. Появилась расширенная 5-я категория UTP, экранированная витая пара (так называемая 6-я европейская категория UTP). Снизилась стоимость оптоволокна. Кроме этого, на рынке кабельных соединений для локальных сетей возникло новое явление: пластиковое, или полимерное, оптическое волокно. По-английски оно называется Plastic Optical Fiber или сокращенно POF. Аналитики считают, что POF должно заполнить существующую нишу между медными проводами и стекловолокном по соотношению цена-производительность.

Пластиковое оптоволокно уже в течение нескольких лет производится в Японии и США. Оно употребляется для освещения (в качестве световодов), а также в робототехнике, промышленности и автомобилях. Число сетевых применений POF, впрочем, пока весьма невелико. Несколько американских компаний используют POF в качестве коротких (до 100 м) магистралей передачи данных. Новая разработка - POF с изменяющимся в поперечном сечении показателем преломления (graded-index POF) - обещает увеличить пропускную способность пластического волокна до 2 гигабит в секунду на дистанциях до 100 метров.

В каких отношениях находится POF со стеклом и медью с точки зрения технических характеристик и экономической выгоды? Пластиковые световоды способны работать в самых суровых температурных режимах, мыслимых для современных сетей, - от -40њ до 85њC. Без ущерба для оптических характеристик они могут выдерживать радиус изгиба до 20 мм и не ломаются даже при радиусе изгиба в 1 мм. Такая гибкость позволяет с легкостью прокладывать POF там же, где и медные провода, пропуская световод через стены и вентиляционные короба.

Область применения для POF оказывается весьма широкой. Помимо локальных сетей в их привычном понимании, пластиковые световоды могут использоваться в качестве сетевой основы для самолетов, компьютеризированных автомобилей, военного снаряжения и обмундирования, а также везде, где недопустимо возникновение электрических наводок и полей.