Краткий_Курс (Краткий курс ПОД)

В.А. Фисун14.12.2005ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХКраткий курс1.Основные виды ЭВМ.ЭлектронныеВычислительныеМашины(ЭВМ)разделяютсянааналоговые(непрерывные)и дискретные машины, реализующие цифровыевычисления. Так как для обозначения аналоговых электронных вычислительныхмашин используется сокращение (АВМ), то для электронных дискретныхвычислительных машин используется сокращение от ЭЦВМ - ЭВМ.В АВМ информация может быть введена в виде физических величин и результатымогут выдаваться на самопишущие устройства или на экраны приборов.

Схема такоймашины строится в соответствии с математической моделью явления, описываемойизучаемый процесс. Спидометры и тахометры на щитке автомобиля - примерытривиальных АВМ. Автопилоты самолетов создавались первоначально напринципах АВМ. Достоинство этой архитектуры в быстродействии (иногда вмгновенном срабатывании), в относительной дешевизне. К недостаткам следуетотнести: низкую точность результатов, сложность программирования – настройкимашины.Другой, наиболее распространенный тип ЭВМ - цифровые вычислительныемашины (ЭЦВМ) или машины дискретного действия. В машинах такого типа всяинформация представляется в виде цифровых кодов и они могут называться:"компьютер", "суперкомпьютер", ”персональный компьютер”, ”РС”, ”рабочаястанция”, "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 принципамифизической организации аппаратных средств, например с квантовами.

А как называтьпневматическую дискретную вычислительную машину?1.1. Эволюционная классификация ЭВМОдна из форм классификации ЭВМ - по "поколениям" связана с эволюциейаппаратного и программного оборудования, причем основным классификационнымпараметром является технология производства. Классификация рассматривается напримерах из отечественной техники, что дает возможность перечислить хотя быосновных творцов отечественной информационной технологии. Историяотечественных 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 подруководством Сергея Алексеевича Лебедева закончен проект малой электроннойсчетной машины (МЭСМ - 50 оп./сек. ОЗУ на 63 команды и 31 константы) - фон1Нейманновская универсальная ЭВМ. В 1950/51 гг. она пущена в эксплуатацию. Далее,приводятся некоторые крупные отечественные достижения в области вычислительнойтехники.Первое поколение ЭВМ /1946-1957гг/ использовало в качестве основногоэлемента электронную лампу.

Быстродействие их не превышало 2-3 т. оп./сек; емкостьОЗУ - 2-4 К слов. Это ЭВМ: БЭСМ-1 (В.А. Мельников,1955г.), Минск-1 (И.С. Брук1952/59 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 успешноэксплуатировалась "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 служилитранзисторы. Отечественные: Урал-14,Минск-22,БЭСМ-4,М-220,Мир-2,Наири иБЭСМ-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: мультипрограммныйрежим, 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 моделипроизводительностью 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 "большихинтегральных схемах"(БИС) и "микропроцессорах". Отечественные - проект"Эльбрус", ПК. Программирование: диалоговые режимы, сетевая архитектура,экспертные системы.ЭВМ пятого поколения /начиная с 1978г/ используют "сверхбольшиеинтегральные схемы" (СБИС).

Выполненные по такой технологии процессорныеэлементы на одном кристалле могут быть основным компонентом различныхплатформ - серверов: от супер-ЭВМ (вычислительных серверов), до интеллектуальныхкоммутаторов в файл-серверах.На этом поколении технологические новации приостанавливаются и ввосьмидесятые годы в ряде стран появляются проекты создания новыхвычислительных систем на новых архитектурных принципах. Так, в 1982 японскиеразработчики приступили к проекту "компьютерные системы пятого поколения",ориентируясь на принципы искусственного интеллекта, но в 1991 японское министерство труда ипромышленности принимает решение о прекращении программы по компьютерам2пятого поколения; вместо этого запланировано приступить к разработке компьютеровшестого поколения на основе нейронных сетей.В СССР под руководством А.Н. Мямлина в рамках такого проекта веласьразработка вычислительной системы, состоящей из специализированных процессоров:процессоров ввода/вывода, вычислительного, символьного, архивного процессоров.В настоящее время в России создаются мультисистемы на базе зарубежныхмикропроцессоров: вычислительные кластеры (НИИЦЭВТ), супер-ЭВМ МВС-1000(В.К.

Левин, А.В.Забродин). Под руководством Б.А.Бабаяна проектируетсямикропроцессор Мерсед-архитектектуры. В.С. Бурцев разрабатывает проектсуперЭМВ на принципах потоковых машин.Эволюция отечественного программного обеспечения непосредственно связана сэволюцией архитектуры ЭВМ, первая Программирующая Программа ПП,Интерпретирующая Система- ИС создавались для М-20 (ИПМ).

Для ЭВМ этогосемейства 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 проектАлмо: создание машинно-ориентированного языка и на его базе системы мобильныхтрансляторов.В.Ф.ТурчинпредложилфункциональныйязыкРефал,системыпрограммирования на базе этого языка используются при создании системсимвольной обработки и в исследованиях в области мета вычислений.2.

Принципы фон-НейманаОсновные архитектурные принципы построения цифровых (дискретных)вычислительных систем (ЦВМ) были разработаны и в 1946 г. опубликованы Дж. фонНейманом (John Louis von Neumann), Г. Голдстайном (H.H Goldstine) и А.

Берксом(A.W. Burks) в отчете: "Предварительное обсуждение логического конструированияэлектронного вычислительного устройства". Основные принципы.2.1. Программное управление работой ЭВМ.Программа состоит из последовательности команд, хранимых в ОперативномЗапоминающем Устройстве (ОЗУ); каждая команда задаетединичный актпреобразования информации. ЭВМ по-очередно выбирает команды программы ивыполняет предписанные в них дискретные вычисления. В любой момент времениработы 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):КомандыКомментарий+, A, B,P1;Р1=А+В*, P1,H,P2;Р2=Р1*Н3/,P2,‟‟0.5‟‟,S;S=R2/0.5.2.2.

Принцип условного перехода.Этот принцип дает возможность перехода в процессе вычислений на тот или инойучасток программы в зависимости от промежуточных, получаемых в ходе вычисленийрезультатов. Команда условного перехода могут нарушить последовательный порядоквыборки команд программы и указать команду для последующего выполнения – L вслучае выполнения условий заданного соотношения.

(Команды безусловного переходанарушает порядок выбора команд всегда).Так, определение максимального числа может быть выполнено программой:MАХ = BIF (A<B) GOTO LMAX =AL ..............Команды перехода позволяет реализовывать в программе циклы с автоматическимвыходом из них.2. 3. Принцип хранимой программыПринцип заключается в том, что команды представляются в числовой форме ихранятся в том же Оперативном Запоминающем Устройстве (ОЗУ), что и исходныеданные. ОЗУ – структурно состоит из пронумерованных ячеек.

Над программойможно 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 представленияинформации в ЭВМ.Элементарной единицей информации является бит, принимающий одно из двухзначений 0 или 1. В двоичной системе счисления представляются целые ивещественные числа над которыми ЭВМ производит вычисления, команды программ.ВОПРОСЫ? Почему числа - степень двойки предпочтительны для измеренияпараметров оборудования ЭВМ.

Почему нумерация строк ОЗУ начинает с нуля.3. Структура традиционных ЭВМКлассические (Von Neumann architecture) ЭВМ имеютследующую структуру:АЛУ + УУ<кд........кд.....кд ОЗУ,где- ОЗУ (Оперативное Запоминающего Устройства) - память для храненияпрограмм и данных. Таблица, каждая строка которой содержит команду или данное вдвоичной системе счисления.4- АЛУ (Арифметико- Логическое Устройство, ALU – Arithmetic and Logic Unit),устройство, которое выполняет операции над данными: аргументы и результатыоперации считываются и записываются из (в) ОЗУ.- УУ (Устройства Управления), устройство, которое последовательно выбираеткоманды из ОЗУ, дешифрирует их и организует выполнение заданныхопераций в АЛУ.- <кд........кд.....кд последовательность команд и данных, причем данные какчитаются из ОЗУ, так и туда же записываются.Совокупность АЛУ и УУ принято называть процессором (ЦПУ,CPU), резервируяслово ЭВМ (ПЭ) для полного вычислительного комплекса.

(По словарю А. Синклера"processor" - блок компьютера, выполняющий вычислительные действия). Всовременных микропроцессорах, микросхема процессора размещается на одномкристалле (чипе) , это: УУ + АЛУ + набор регистров + кэш память. В приведеннойсхеме не отражены устройства ввода/вывода информации, массовая память дляпостоянного хранения информации.Все современные микропроцессоры имеют фон Нейманновскую архитектуру. Дляускорения вычислений которых предложено ряд параллельных архитектурвычислительных машин, для классификации которых , можно использовать нотациюМ.