Понятие архитектуры ЭВМ

.

Понятие архитектуры ЭВМ

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество… Рис. 1.2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

Классификация ЭВМ

Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято разделять на группы по определенным признакам, т. е. классифицировать. Сравнительно недавно классифицировать ЭВМ по различным признакам не составляло большого труда. Важно было только определить признак классификации, например: по назначению, по габаритам, по производительности, по стоимости, по элементной базе и т. д.

С этой точки зрения классификацию вычислительных машин по таким показателям, какгабариты и производительность, можно представить следующим образом:

• сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ);
• большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения);
• средние ЭВМ;
• малые или мини-ЭВМ;
• микро-ЭВМ;
• персональные компьютеры;
• микропроцессоры.

Исторически первыми появились большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения), элементная база которых прошла путь от электронных ламп до схем со сверхвысокой степенью интеграции. В процессе эволюционного развития больших ЭВМ можно выделить отдельные периоды, связываемые с пятью поколениями ЭВМ.

Поколение ЭВМ определяется элементной базой (лампы, полупроводники, микросхемы различной степени интеграции), архитектурой и вычислительными возможностями.

Основное назначение больших ЭВМ — выполнение работ, связанных с обработкой и хранением больших объемов информации, проведением сложных расчетов и исследований в ходе решения вычислительных и информационно-логических задач. К ним относятся большинство моделей фирмы IBM (семейства 360,370,390) и их отечественные аналоги ЕС ЭВМ.

Производительность больших ЭВМ порой оказывается недостаточной для ряда приложений, например, таких как прогнозирование метеообстановки, ядерная энергетика, оборона и т. д. Эти обстоятельства стимулировали создание сверхбольших или суперЭВМ. Такие машины обладают колоссальным быстродействием в миллиарды операций в секунду, основанном на выполнении параллельных вычислений и использовании многоуровневой иерархической структуры ЗУ(запоминающих устройств), требуют для своего размещения специальных помещений и крайне сложны в эксплуатации. Стоимость отдельной ЭВМ такого класса достигает десятков миллионов долларов. Представители этого класса ЭВМ — компьютеры фирм Cray Research, Control Data Corporation (CDC) и отечественные супер-ЭВМ семейства Эльбрус.

Средние ЭВМ обладают несколько меньшими возможностями, чем большие ЭВМ, но зато им присуща и более низкая стоимость. Они предназначены для использования всюду, где приходится постоянно обрабатывать достаточно большие объемы информации с приемлемыми временными затратами. За рубежом средние ЭВМ выпускают фирмы IBM (International Business Machinary), DEC (Digital Equipment Corporation), Hewlett Packard, COMPAREX и др.

Малые ЭВМ составляют самый многочисленный и быстроразвивающийся класс ЭВМ. Их популярность объясняется малыми размерами, низкой стоимостью (по сравнению с большими и средними ЭВМ) и универсальными возможностями.

При переходе от схем с малой и средней степенями интеграции к интегральным микросхемам с большой и сверхбольшой степенями интеграции оказалось возможным создание на одной БИС или СБИС функционально законченного устройства обработки информации, выполняющего функции процессора. Такое устройство принято называть микропроцессором. Изобретение микропроцессора привело к появлению еще одного класса ЭВМ — микро-ЭВМ.

Успехи в развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ привели к появлениюперсональных ЭВМ (ПЭВМ), предназначенных для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированных на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной техники. Все оборудование персональной ЭВМ размещается в пределах стола.

ПЭВМ, выпускаемые в сотнях тысяч и миллионах экземпляров, вносят коренные изменения в формы использования вычислительных средств, в значительной степени расширяют масштабы их применения. Они широко используются как для поддержки различных видов профессиональной деятельности (инженерной, административной, производственной, литературной, финансовой и др.), так и в быту, например для обучения и досуга.

Персональный компьютер позволяет эффективно выполнять научно-технические и финансово-экономические расчеты, организовывать базы данных, подготавливать и редактировать документы и любые другие тексты, вести делопроизводство, обрабатывать графическую информацию и т. д. Выполнение многих из указанных функций поддерживается многочисленными эффективными универсальными функциональными пакетами программ.

На основе ПЭВМ создаютсяавтоматизированные рабочие места (АРМ) для представителей разных профессий (конструкторов, технологов, административного аппарата и др.).

Рынок персональных и микро-ЭВМ непрерывно расширяется за счет поставок ведущих мировых фирм: IBM, Compaq, Hewlett Packard, Apple (США), Siemens (Германия), ICL (Англия) и др.

2004 г

Курс лекций "Параллельная обработка данных"

Воеводин В.В., д.ф.-м.н., зам. директора НИВЦ МГУ
Сайт PARALLEL.RU

Содержание

Лекция 2. Архитектура векторно-конвейерных супер-ЭВМ CRAY C90

 

Разделяемые ресурсы процессора

Структура оперативной памяти.

Каждый процессор имеет доступ к ОП через четыре порта с пропускной способностью два слова за один такт каждый, причем один из портов всегда связан с… В максимальной конфигурации вся память разделена на 8 секций, каждая секция на… При одновременном обращении к одной и той же секции из разных портов возникает задержка в 1 такт, а при обращении к…

Секция ввода/вывода

Компьютер поддерживает три типа каналов, которые различаются скоростью передачи:

• Low-speed (LOSP) channels - 6 Mbytes/s
• High-speed (HISP) channels - 200 Mbytes/s
• Very high-speed (VHISP) channels - 1800 Mbytes/s

Секция межпроцессорного взаимодействия

Секция межпроцессорного взаимодействия содержит разделяемые регистры и семафоры, предназначенные для передачи данных и управляющей информации между процессорами. Регистры и семафоры разделены на одинаковые группы (кластеры), каждый кластер содержит 8 (32-разрядных) разделяемых адресных (SB) регистра, 8 (64-разрядных) разделяемых скалярных (ST) регистра и 32 однобитовых семафора.

Вычислительная секция процессора

Все процессоры имеют одинаковую вычислительную секцию, состоящую из регистров, функциональных устройств (ФУ) и сети коммуникаций. Регистры и ФУ могут хранить и обрабатывать три типа данных: адреса (A-регистры, B-регистры), скаляры (S-регистры, T-регистры) и вектора (V-регистры).

Регистры

Адресные регистры: A-регистры, 8 штук по 32 разряда, для хранения и вычисления адресов, индексации, указания величины сдвигов, числа итераций циклов… Скалярные регистры: S-регистры, 8 штук по 64 разряда, для хранения аргументов… Векторные регистры: V-регистры, 8 штук на 128 64-разрядных слова каждый. Векторные регистры используются только для…

Функциональные устройства

Адресные ФУ (2): целочисленное сложение/вычитание, целочисленное умножение. Скалярные ФУ (4): целочисленное сложение/вычитание, логические поразрядные… Векторные ФУ (5-7): целочисленное сложение/вычитание, сдвиг, логические поразрядные операции (1-2), число единиц/число…

Секция управления процессора

Команды выбираются из ОП блоками и заносятся в буфера команд, откуда они затем выбираются для исполнения. Если необходимой для исполнения команды нет в буферах команд, то происходит выборка очередного блока.

Команды имеют различный формат и могут занимать 1 пакет (16 разрядов), 2 пакета или 3 пакета (в одном слове 64 разряда, следовательно, в слове содержится 4 пакета). Максимальная длина программы на CRAY C90 равна 1 Гигаслову.

Параллельное выполнение программ

Конвейеризация выполнения команд

Все основные операции, выполняемые процессором: обращения в память, обработка команд и выполнение инструкций являются конвейерными.

Независимость функциональных устройств

Большинство ФУ в CRAY C90 являются независимыми, поэтому несколько операций могут выполняться одновременно. Для операции A=(B+C)*D*E порядок выполнения может быть следующим (все аргументы загружены в S регистры). Генерируются три инструкции: умножение D и E, сложение B и C и умножение результатов двух предыдущих операций. Первые две операции выполняются одновременно, затем третья.

Векторная обработка

в скалярном режиме потребуется сгенерировать целую последовательность команд: прочитать элемент B(I), прочитать элемент C(I), выполнить сложение,… Перед тем, как векторная операция начнет выдавать результаты, проходит… Векторные операции, использующие различные ФУ и регистры, могут выполняться параллельно.

Зацепление функциональных устройств

Архитектура CRAY Y-MP C90 позволяет использовать регистр результатов векторной операции в качестве входного регистра для последующей векторной операции, т.е. выход сразу подается на вход. Это называется зацеплением векторных операций. Вообще говоря, глубина зацепления может быть любой, например, чтение векторов, выполнение операции сложения, выполнение операции умножения, запись векторов.

Многопроцессорная обработка: multiprogramming, multitasking

Multiprogramming - выполнение нескольких независимых программ на различных процессорах.

Multitasking - выполнение одной программы на нескольких процессорах.

Пиковая производительность CRAY Y-MP C90

  var begun_auto_pad = 107648332; var begun_auto_limit = 6; begun_multispan = 1;…