Ответы к экзамену (2)

1Вопросы к экзамену по ПС1. Современные компьютеры, архитектура, технические характеристики, способы повышениябыстродействия и производительности при выполнении программ. Примеры.Технические характеристики устройствМетоды повышения быстродействия процессора2. Режимы работы компьютеров, планирование процессов и распределение ресурсов:процессоров, памяти, каналов.Режимы работы компьютераКритерии планированияАлгоритмы планированияПамять3. Архитектура компьютерных систем; классификация, технические характеристики,организация коммуникаций. Примеры.Класификация ФлинаКлассификация по КутеповуОрганизация коммутации4.

Формы и характеристики параллелизма. Распараллеливание последовательных программ.Критерии и параметры сложности параллелизма.Типы параллелизмаХарактеристики паралеллизма5. Процессные модели. Сети Петри как модель параллельных процессов и ее расширения.6. Язык граф-схемного потокового параллельного программирования. Модель параллельноговыполнения программ.

Сравнение с MPI.Описание языкаПример граф-схемной программы7. Средства параллельного программирования MPI, планирование выполнения MPIпрограмм. Сравнение с другими языками и средствами параллельного программирования(MULTITHREADING, ЯГСПП (см. вопрос 6), и др.)8. Язык FPTL: синтаксис (операция композиции функций, задание данных), семантика. Моделипараллельного вычисления значений функций.9. Структурный анализ FPTL программ10. Анализ вычислительной сложности FPTL программ11.

Распараллеливание последовательных программ путем трансляции в FPTL программы12. Средства параллельного программирования MULTITHREADING. Модель параллельноговыполнения программ, реализация на многоядерных компьютерах.13. Технологии проектирования параллельных программ, сравнение с технологиямипроектирования последовательных программ.14. Сетевое представление FPTL программ. Приведение их к максимальной параллельнойформе.15. Управление параллельными процессами в компьютерах и компьютерных системах.Организация управления.2.

Разработка транслятора для трансформации инфиксной формы задания функций впринятую в FPTL схемную форму.3. Разработка программных средств графического проектирования граф-схемных программ.4. Разработка программных средств поддержки проектирования FPTL-программ.5. Разработка FPTL-программ для задач синтаксического анализа. Исследование ихэффективности на многоядерных компьютерах.21. Современные компьютеры, архитектура, техническиехарактеристики, способы повышения быстродействия ипроизводительности при выполнении программ.

Примеры.В основе архитектуры современного компьютера лежит предложенная фон-Нейманомархитектура. Также Фон-Нейманом в 40х годах были сформулированы пять принциповлогического конструирования вычислительных устройств, которые актуальны и в современныхкомпьютерах:1.Принцип двоичного кодирования.

Согласно этому принципу, вся информация,поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) иразделяется на единицы, называемые словами.2.Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти.Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Надкомандами можно выполнять такие же действия, как и над данными.3.Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованныхячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следуетвозможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениямможно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы сиспользованием присвоенных имен.4.Принцип последовательного программного управления.

Предполагает, что программасостоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом вопределенной последовательности.5.Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии,архитектуры, списка команд.Классическая фон-Неймановская архитектура вычислительного устройства имела следующийвид, на ней строились ЭВМ первого и второго поколенийАльтернативной архитектуре фон-Неймана является Гарвардская архитектура. Гарвардскаяархитектура отличается от архитектуры фон Неймана тем, что программный код и данныехранятся в разной памяти.

В такой архитектуре невозможны многие методы программирования(например, программа не может во время выполнения менять свой код; невозможно динамическиперераспределять память между программным кодом и данными); зато гарвардская архитектурапозволяет более эффективно выполнять работу в случае ограниченных ресурсов, поэтому она3часто применяется во встраиваемых системах.От первого поколения до четвертого архитектура ЭВМ претерпела некоторые изменения иприняла следующий вид:Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины,представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания.

Единаясистема аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще болеедецентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисныхпрограмм.Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативнойпамяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для записи ипостоянного хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всехвнешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и других обеспечивается черезсоответствующие адаптеры - согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств иликонтроллеры - специальные устройства управления периферийной аппаратурой. Контроллеры вПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода.

В качестве особых устройств следует выделить таймер- устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) - устройство,обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.Способ формирования структуры ПЭВМ является достаточно логичным и естественнымстандартом для данного класса ЭВМ.Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являютсяобщим стандартом структур современных ЭВМ:•модульность построения,•магистральность,•иерархия управления.Технические характеристики устройствПроцессор:●Тактовая частота – число синхроимпульсов, поступающих извне на вход за секунду. (1-3.9ГГц)●Разрядность шины данных – 16, 32, 64 – определяет разрядность двоичного числа скоторым может работать процессор за один такт.●Разрядность шины адреса - 16, 32, 64 – определяет максимальный разряд двоичногочисла, которое является адресом ячейки памяти●Энергопотребление (Ватт/ч)●Входное напряжение (Вольт)4Объем кешей: L1 <=128 Кб латентность 2-4 такта, L2 до 2Мб латентность 8-20 тактов, L3 до10 МбОперативная память:● Объем памяти – 512 Мб-32Гб● Латентность 2-9 тактов системной шины(до 1 мкС).

Частота системной шины до 4Ггц● Пропускная способность (частота шины * V данных) от 2 до 20 Гб/c● Размер страницы памяти (обычно в 32х разрядных системах 2^12=4096 байт)● Размер сегмента памяти (обычно в 32х разрядных системах 2^12*2^12=2^24=16 Мб)Жесткий диск:●Количество оборотов в минуту 5600, 7200 10000 об/минуту●Латентность доступа=движение головки от оси к дорожке, ожидание данных на дорожек (12 мс)●Объем (до 2 Тб)●Производительность-- Среднее число комманд(в многокомандном режиме)\програм в ед времениFLOPSБыстродейтвие -- как быстро можно выполнить одну программуМетоды повышения быстродействия процессора1.2.3.4.5.Схема выполнения (команд) программы.Параллельная обработка данных имеет две разновидности:● конвейерная● параллельная.Параллельная обработка.Если некое устройство выполняет одну операцию за единицу времени, то тысячу операций оновыполнит за тысячу единиц.

Если предположить, что есть пять таких же независимых устройств,способных работать одновременно, то ту же тысячу операций система из пяти устройств можетвыполнить уже не за тысячу, а за двести единиц времени. Аналогично система из N устройств туже работу выполнит за 1000/N единиц времени.Условия для распараллеливания1. in(O1) intersect out(O2) = NULL2. in(O2) intersect out(O1)=NULL3. out(O1) intersect out(O2) = NULLКонвейерная обработка.Конвейер был придуман Тейлором, а впервые применен Г.Фордом.Обычно для выполнения команды надо осуществлять некоторое количество однотипныхопераций, каждую из которых сопоставляют одной ступени конвеера:выборка командыдешифровка командывыборка операндов по указанным адресамвыполнение операциисохранение результатаРассмотрим схему выполнения программы, введение конвейера и анализ его работы:5Пояснения к схеме:СК – счетчик команд;ИА – индексное устройство;ДШ – дешифратор кода команд;УП – управление памятью;АУ – арифметическое устройство;РК – регистры команд;РО – регистры операнд;РР – регистры результатов.Идея конвейерной обработки заключается в выделении отдельных этапов выполнения общейоперации, причем каждый этап, выполнив свою работу, передавал бы результат следующему,одновременно принимая новую порцию входных данных.