Краткий_Курс

В.А. Фисун 14.12.2005

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ

Краткий курс

1. Основные виды ЭВМ.

Электронные Вычислительные Машины (ЭВМ) разделяются на аналоговые(непрерывные) и дискретные машины, реализующие цифровые вычисления. Так как для обозначения аналоговых электронных вычислительных машин используется сокращение (АВМ), то для электронных дискретных вычислительных машин используется сокращение от ЭЦВМ - ЭВМ.

В АВМ информация может быть введена в виде физических величин и результаты могут выдаваться на самопишущие устройства или на экраны приборов. Схема такой машины строится в соответствии с математической моделью явления, описываемой изучаемый процесс. Спидометры и тахометры на щитке автомобиля - примеры тривиальных АВМ. Автопилоты самолетов создавались первоначально на принципах АВМ. Достоинство этой архитектуры в быстродействии (иногда в мгновенном срабатывании), в относительной дешевизне. К недостаткам следует отнести: низкую точность результатов, сложность программирования – настройки машины.

Другой, наиболее распространенный тип ЭВМ - цифровые вычислительные машины (ЭЦВМ) или машины дискретного действия. В машинах такого типа вся информация представляется в виде цифровых кодов и они могут называться: "компьютер", "суперкомпьютер", ”персональный компьютер”, ”РС”, ”рабочая станция”, "вычислительная система", "вычислительная среда", "универсальная ЦВМ", "ЭВМ", "вычислительная платформа". Базовые элементы вычислительной техники, классические ЭВМ - это вычислительные машины фон-Нейманновской архитектуры (Von Neumann architecture).

ВОПРОСЫ !! Но является ли ЭВМ, цифровая машиной с новыми принципами физической организации аппаратных средств, например с квантовами. А как называть пневматическую дискретную вычислительную машину?

1.1. Эволюционная классификация ЭВМ

Одна из форм классификации ЭВМ - по "поколениям" связана с эволюцией аппаратного и программного оборудования, причем основным классификационным параметром является технология производства. Классификация рассматривается на примерах из отечественной техники, что дает возможность перечислить хотя бы основных творцов отечественной информационной технологии. История отечественных исследований в данной области пока малоизвестна. Это связано с тем, что работы в данной области длительное время носили закрытый характер. В России (в СССР) начало эры вычислительной техники принято вести от 1946г., когда под руководством Сергея Алексеевича Лебедева закончен проект малой электронной счетной машины (МЭСМ - 50 оп./сек. ОЗУ на 63 команды и 31 константы) - фон Нейманновская универсальная ЭВМ. В 1950/51 гг. она пущена в эксплуатацию. Далее, приводятся некоторые крупные отечественные достижения в области вычислительной техники.

Первое поколение ЭВМ /1946-1957гг/ использовало в качестве основного элемента электронную лампу. Быстродействие их не превышало 2-3 т. оп./сек; емкость ОЗУ - 2-4 К слов. Это ЭВМ: БЭСМ-1 (В.А. Мельников,1955г.), Минск-1 (И.С. Брук 1952/59 гг.), Урал-4 (Б. И. Рамеев), Стрела (Ю.Я. Базилевский, 1953 г.), М-20 (М.К. Сулим 1860 г.). А.Н. Мямлиным была разработана и несколько лет успешно эксплуатировалась "самая большая в мире ЭВМ этого поколения" - машина Восток. Программирование для этих машин: однозадачный, пакетный режим, машинный язык, ассемблер.

В ЭВМ второго поколения /1958-1964гг/ элементной базой служили транзисторы. Отечественные: Урал-14,Минск-22,БЭСМ-4,М-220,Мир-2,Наири и БЭСМ-6 (1 млн. оп./сек , 128К), Весна (В.С. Полин, В.К. Левин), М-10 (М.А. Карцев). ПС-2000,ПС-3000, УМШМ, АСВТ, Сетунь. Программирование: мультипрограммный режим, языки высокого уровня, библиотеки подпрограмм.

Элементная база ЭВМ третьего поколения, /1965-1971гг/ интегральные схемы - логически законченный функциональный блок, выполненный печатным монтажом. Отечественные ЭВМ этого поколения ЭВМ ЕС (Единой Системы):ЕС-1010,ЕС-1020, ЕС-1066 (2 млн. оп./сек , 8192К) и др. Программирование: мультипрограммный, диалоговый режимы, ОС, виртуальная память.

В 1996 г. в России работают 5 тысяч ЕС ЭВМ из 15 т., уставленных а СССР. НИИЦЭВТ на базе комплектующих IBM/390 разработал 23 модели производительностью от 1.5 до 167 Мфлоп (ЕС1270, ЕС1200, аналоги серверов 9672)). IBM предоставляет также лицензионные программные продукты (ОС-390). Используются в Росси для сохранения программного задела прикладных систем (проблема наследия ЕС ЭВМ).

ЭВМ четвертого поколения /1972-1977гг/ базируются на "больших интегральных схемах"(БИС) и "микропроцессорах". Отечественные - проект "Эльбрус", ПК. Программирование: диалоговые режимы, сетевая архитектура, экспертные системы.

ЭВМ пятого поколения /начиная с 1978г/ используют "сверхбольшие интегральные схемы" (СБИС). Выполненные по такой технологии процессорные элементы на одном кристалле могут быть основным компонентом различных платформ - серверов: от супер-ЭВМ (вычислительных серверов), до интеллектуальных коммутаторов в файл-серверах.

На этом поколении технологические новации приостанавливаются и в восьмидесятые годы в ряде стран появляются проекты создания новых вычислительных систем на новых архитектурных принципах. Так, в 1982 японские разработчики приступили к проекту "компьютерные системы пятого поколения", ориентируясь на принципы искусственного интеллекта, но в 1991 японское министерство труда и промышленности принимает решение о прекращении программы по компьютерам пятого поколения; вместо этого запланировано приступить к разработке компьютеров шестого поколения на основе нейронных сетей.

В СССР под руководством А.Н. Мямлина в рамках такого проекта велась разработка вычислительной системы, состоящей из специализированных процессоров: процессоров ввода/вывода, вычислительного, символьного, архивного процессоров.

В настоящее время в России создаются мультисистемы на базе зарубежных микропроцессоров: вычислительные кластеры (НИИЦЭВТ), супер-ЭВМ МВС-1000 (В.К. Левин, А.В.Забродин). Под руководством Б.А.Бабаяна проектируется микропроцессор Мерсед-архитектектуры. В.С. Бурцев разрабатывает проект суперЭМВ на принципах потоковых машин.

Эволюция отечественного программного обеспечения непосредственно связана с эволюцией архитектуры ЭВМ, первая Программирующая Программа ПП, Интерпретирующая Система- ИС создавались для М-20 (ИПМ). Для ЭВМ этого семейства были реализованы компиляторы с Алгола: ТА-1 (С.С.Лавров), ТФ-2 (М.Р.Шура-Бура), Альфа(А.П.Ершов).

Для БЭСМ-6 создан ряд операционные системы: от Д-68 до ОС ИПМ (Л.Н. Королев, В.П. Иванников, А.Н. Томилин, В.Ф.Тюрин, Н.Н. Говорун, Э.З. Любимский).

Под руководством С.С.Камынина и Э.З. Любимского был реализован проект Алмо: создание машинно-ориентированного языка и на его базе системы мобильных трансляторов.

В.Ф.Турчин предложил функциональный язык Рефал, системы программирования на базе этого языка используются при создании систем символьной обработки и в исследованиях в области мета вычислений.

2. Принципы фон-Неймана

Основные архитектурные принципы построения цифровых (дискретных) вычислительных систем (ЦВМ) были разработаны и в 1946 г. опубликованы Дж. фон Нейманом (John Louis von Neumann), Г. Голдстайном (H.H Goldstine) и А. Берксом (A.W. Burks) в отчете: "Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства". Основные принципы.

2.1. Программное управление работой ЭВМ.

Программа состоит из последовательности команд, хранимых в Оперативном Запоминающем Устройстве (ОЗУ); каждая команда задает единичный акт преобразования информации. ЭВМ по-очередно выбирает команды программы и выполняет предписанные в них дискретные вычисления. В любой момент времени работы ЭВМ выполняется только одна команда программы.

Так алгоритм вычисления площади трапеции с основаниями А и В, высотой Н {S=0.5*(А+В)*Н} можно представить в виде последовательности (шагов) элементарных вычислений - команд ЭВМ (трех-адресных):

Команды Комментарий

+, A, B,P1; Р1=А+В

*, P1,H,P2; Р2=Р1*Н

/,P2,’’0.5’’,S; S=R2/0.5.

2.2. Принцип условного перехода.

Этот принцип дает возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от промежуточных, получаемых в ходе вычислений результатов. Команда условного перехода могут нарушить последовательный порядок выборки команд программы и указать команду для последующего выполнения – L в случае выполнения условий заданного соотношения. (Команды безусловного перехода нарушает порядок выбора команд всегда).

Так, определение максимального числа может быть выполнено программой:

MАХ = B

IF (A<B) GOTO L

MAX =A

L ..............

Команды перехода позволяет реализовывать в программе циклы с автоматическим выходом из них.

2. 3. Принцип хранимой программы

Принцип заключается в том, что команды представляются в числовой форме и хранятся в том же Оперативном Запоминающем Устройстве (ОЗУ), что и исходные данные. ОЗУ – структурно состоит из пронумерованных ячеек. Над программой можно производить арифметические действия, изменяя ее динамически.

ВОПРОС? Как можно использовать для модификации программы команду %:

%,А1,А2,А3; которая,

1. передает управление команде, размещенной в ОЗУ по адресу А2,

2. пересылает содержимое слова ОЗУ А1 в А3 (А3=А1).

2.4. Использования двоичной системы счисления для представления информации в ЭВМ.

Элементарной единицей информации является бит, принимающий одно из двух значений 0 или 1. В двоичной системе счисления представляются целые и вещественные числа над которыми ЭВМ производит вычисления, команды программ.

ВОПРОСЫ? Почему числа - степень двойки предпочтительны для измерения параметров оборудования ЭВМ. Почему нумерация строк ОЗУ начинает с нуля.

3. Структура традиционных ЭВМ

Классические (Von Neumann architecture) ЭВМ имеют следующую структуру:

АЛУ + УУ <кд........кд.....кд ОЗУ, где

- ОЗУ (Оперативное Запоминающего Устройства) - память для хранения программ и данных. Таблица, каждая строка которой содержит команду или данное в двоичной системе счисления.

- АЛУ (Арифметико- Логическое Устройство, ALU – Arithmetic and Logic Unit), устройство, которое выполняет операции над данными: аргументы и результаты операции считываются и записываются из (в) ОЗУ.

• УУ (Устройства Управления), устройство, которое последовательно выбирает команды из ОЗУ, дешифрирует их и организует выполнение заданных операций в АЛУ.

• <кд........кд.....кд последовательность команд и данных, причем данные как читаются из ОЗУ, так и туда же записываются.

Совокупность АЛУ и УУ принято называть процессором (ЦПУ,CPU), резервируя слово ЭВМ (ПЭ) для полного вычислительного комплекса. (По словарю А. Синклера "processor" - блок компьютера, выполняющий вычислительные действия). В современных микропроцессорах, микросхема процессора размещается на одном кристалле (чипе) , это: УУ + АЛУ + набор регистров + кэш память. В приведенной схеме не отражены устройства ввода/вывода информации, массовая память для постоянного хранения информации.

Все современные микропроцессоры имеют фон Нейманновскую архитектуру. Для ускорения вычислений которых предложено ряд параллельных архитектур вычислительных машин, для классификации которых , можно использовать нотацию М. Флинна (М.Flynn).

4. Классификация вычислительных машин по Флинну

Данная классификация иллюстрируется схемами повышения производительности классического процессора путем увеличения количества функциональных устройств. Итак, исходная схема: АЛУ + УУ <кд.....кд......кд> ОЗУ.

Увеличив число АЛУ, получим схему:

АЛУ + УУ <кд.....кд......кд> ОЗУ

АЛУ <д.....д......д> ОЗУ

По такой схеме создавалась система Эллиак 4 (отечественный аналог - ПС-2000), суперскалярные микропроцессоры.

Увеличив число УУ , то получим следующую схему:

АЛУ + УУ <кд.....кд......кд> ОЗУ

УУ <к.....к......к> ОЗУ

Некоторые исследователи отказывают данной схеме право на существование , другие, в качестве примера данной схемы приводят конвейерные АЛУ. (Например, сложение вещественных чисел можно реализовать последовательностью команд: выровнить мантиссы, сложить мантиссы, провести нормализацию результата.)

Наконец, можно просто умножать исходную схеиу:

АЛУ + УУ <кд.....кд......кд> ОЗУ

АЛУ + УУ <кд.....кд......кд> ОЗУ

По такой схеме реализуются все современные суперЭВМ

Кроме функционального различия, схемы отличаются характером нагрузки на ОЗУ- плотностью потоков команд и данных. По Флинну эта особенность и является главной чертой и она характеризует архитектуры ЭВМ по структуре используемых потоков (Stream) команд (Instruction) и данных (Data), каждый из которых может быть одиночным и множественным. Множественный поток определяется как возможность одновременной обработки сразу нескольких элементов соответствующего потока. Комбинация признаков дает четыре вида архитектур.

- ОКОД одиночный поток команд, одиночный поток данных,

- ОКМД одиночный поток команд, множественный поток данных,

- МКОД множественный поток команд, одиночный поток данных,

- МКМД множественный поток команд, множественный поток данных.

Одозначив поток команд как ‘-‘,’+’ , а поток данных ‘a,b’ , ‘c,d’ эту классификацию изобразить:

+ -> ОКОД -> a+b + -> -> a+b

а,b -> a,b -> ОКМД -> c+d

c,d ->

+ -> -> a+b + -> -> a+b

- -> МКОД -> a-b - -> МКМД -> c-d

a,b -> a,b ->

c,d ->

5. Общие принципы потоковой обработки