А.Н. Томилин - Вычислительные системы (2006)

Московский Государственный Университетимени М. В. ЛомоносоваФакультет Вычислительной Математики и КибернетикиКафедра Автоматизации Систем Вычислительных КомплексовНЕ ЯВЛЯЕТСЯ ОФИЦИАЛЬНЫМ УЧЕБНЫМ ПОСОБИЕМВычислительные системы(VII семестр)лектор — профессор А. Н. Томилинсоставитель — a_s@interwave.ruМосква 2006СодержаниеВведение .............................................................................................................................................3Классификация архитектур вычислительных систем ..................................................................11Параллелизм работы основных устройств машины.....................................................................12Параллелизм работы АЛУ ..............................................................................................................22Векторно-конвейерная ЭВМ: Cray.................................................................................................26Модульно-конвейерный процессор (МКП)...................................................................................32Электроника СС БИС («Красный Крей»)......................................................................................36ILLIAC VI .........................................................................................................................................38Многопроцессорные вычислительные комплексы.......................................................................40NUMA ...........................................................................................................................................40MPP................................................................................................................................................40Иерархия памяти ..............................................................................................................................53Кэш (cache) .......................................................................................................................................54Структурная организация оперативной памяти............................................................................59Сегментная организация памяти ................................................................................................62Страничная организация памяти ................................................................................................65Сегментно-страничная организация памяти .............................................................................67Средства поддержки операционной системы ...............................................................................70Переключение процессов............................................................................................................70Аппаратура прерываний..............................................................................................................75Защищённая подсистема.

Многоуровневая защита .................................................................77Аппаратная поддержка взаимодействия программных модулей............................................79Типы устройств внешней памяти и ввода-вывода........................................................................80Дисплеи.........................................................................................................................................82Диски.............................................................................................................................................83Печать ...........................................................................................................................................85Многомашинные комплексы ..........................................................................................................91Заключение .......................................................................................................................................99Вопросы по курсу «Вычислительные системы».........................................................................101Литература к курсу «Вычислительные системы» ......................................................................1022ВведениеСегодня мы начнём (будет много вводных предложений) курс: «Вычислительные системы» для 3-го потока 4-го курса.

Фамилия моя Томúлин, Александр Николаевич, профессоркафедры АСВК со времён её основания, а также основания факультета, т.е. с 1970 года, когда её возглавил Лев Николаевич Королёв, которому послезавтра исполняется 80 лет. Будетбольшая конференция, будут выступать все его ученики, которых очень много, много всякихкорреспондентов академии наук, докторов наук.Лев Николаевич, конечно, это большая школа, школа программирования, школа разработки с точки зрения моделирования, проектирования архитектуры вычислительных машини их использования. Очень развита школа и современных компьютеров. Ну так вот, он человек совершенно замечательный, человек очень дружественно расположенный, ну, собственно говоря, он мой научный руководитель был, да и сейчас коим, конечно, является.

И, конечно, все кто его знает, те отмечают его исключительное дружелюбие, исключительныйтакт в общении, исключительно положительную настроенность. Вот я сообщаю вам положительный факт, что в хорошем настроении, в хорошей отдаче живёт наш замечательный профессор Лев Николаевич Королёв, выпускник механико-математического факультета МГУ,воевавший на фронте в Великую Отечественную войну.

Тут больше ничего не добавить.Вычислительные машины вначале так и назывались — «вычислительные машины».Слово «компьютер», во всяком случае, в нашем отечественном лексиконе, привилось далеконе сразу. Но уже, когда вычислительные машины стали обладать многими уровнями параллелизма, подсоединениями многих внешних устройств, каналов, высокий потенциал внутренних устройств развивался всё больше с развитием параллельной обработки информации всамих центральных устройствах машины, их стали называть вычислительными системами.Ну и конечно объединение вычислительных машин, оно началось с самого начала. Как только в какой-то организации появилась вторая машина, так сразу появился уже двухмашинныйкомплекс.

И это, естественно, для разных целей. Вторая машина, как правило, являлась более производительной, на неё и перекладывалась задача обработки информации, а предыдущая машина приспосабливалась к выполнению функций ввода-вывода. Или, если машиныодного уровня производительности, то они использовались и для разделения труда по обработке информации, для резервирования в случае таких систем, как когда в случае выхода изстроя одной машины тут же переключаться на продолжение вычислений с сохранением информации на каком-то этапе на внешней памяти машины.

По разным причинам возникалиэти многомашинные комплексы. Т.е. они возникли на много раньше многопроцессорных. Нуи продолжают существовать и сейчас.Кстати, о том, что они были актуальны: как-то, после того, как уже было выпущено какое-то количество машин БЭСМ-6, была конференция на Украине в палаточном городке Института кибернетики Академии наук Украины. Конференция была такая: «Связь БЭСМ-6 сдругими ЭВМ». И выяснилось, что число многомашинных комплексов (от 2-х и более машин в каждом комплексе), в который входит машина, БЭСМ-6 в Советском Союзе превышает количество выпущенных машин БЭСМ-6. Это вот что касается вообще понимания вычислительных систем.

Ну а затем стали появляться многопроцессорные вычислительные комплексы. Сейчас существуют системы с громаднейшим количеством процессоров. В данномслучае сейчас это всё на микропроцессорах строится, на достижениях технологий последнихдесятилетий. И эти системы — они требуются. Постоянно возрастают мощности машин всписке TOP500 (http://www.top500.org) — это список наиболее высокопроизводительныхвычислительных машин в мире. И вот, в каждом новом списке они несколько раз в год меняются. Сейчас эти наиболее высокопроизводительные установки — это десятки и уже дажесотни Тфлопс, т.е.

тысяч миллиардов операций в секунду. Но это именно Тфлопс, т.е. операции над числами, представленными в системе с плавающей запятой, полноразрядными. Конечно, это для вычислительных задач существенно. Правда, есть задачи, которые не требуюбольшого количества арифметических операций над числами с плавающей запятой, логические задачи.

Но так уж традиционно, вычислительные машины с самого начала производились для вычислительных задач, но поскольку их область применения расширилась у вычис3лительных систем так же, но, как видите, оценивается в Тфлопс. Ну, т.е. есть Мфлопс, естьГфлопс (миллион операций в секунду с плавающей запятой). Кроме того, есть MIPS (millioninstruction per second) — это количество операций, проходящих через устройство управлениямашины.

Вовсе не все эти операции участвуют в арифметических вычислениях. Есть какието операции подготовки, считывания данных, какое-то ещё преобразование для дальнейшегоиспользования в вычислениях. Поэтому, как правило, даже для счётных задач вот таких операций с плавающей запятой (это, собственно говоря, операции +, −, ×, ÷) их от числа всехопераций приблизительно 1/3. Да и вообще надо смотреть в контексте, когда говорят о числеопераций в секунду, что это за операции. Если это операции действительно над числами сплавающей запятой да ещё 64-х разрядными числами.Вот такой гротескный пример. Как-то довольно давно в зале президиума академии наукобсуждался ход разработки отечественных суперЭВМ, которые по своей архитектуре, структуре да и возможностям не на много уступали состоянию дел американской техники того жевремени.

Конструктор рассказывает, какие проблемы есть с организацией электропитания,организации охлаждения. И этот вопрос мы с вами тоже рассмотрим, что очень интересно,какие пертурбации произошли за какой-то период. В технической реализации вычислительных систем был момент, когда казалось, что всё: наступает тепловая смерть вычислительнойтехники. Как когда-то, не то, чтобы я увлекался шахматами, но интересно было исследоватьэтот вопрос. И вот в своё время, как в мире, так и в литературе, говорилось, что всё: мирждёт ничейная смерть шахмат.