35456

Архитектура ЭВМ и систем

Шпаргалка

Информатика, кибернетика и программирование

Выполнение типичной команды можно разделить на 5 ступеней: 1 выборка команды IF; 2 декодирование команды и чтение операндов РОН ID; 3 выполнение команды EX; 4 обращение к памяти MEM; 5 запоминание результата WB. Другая проблема: обращение к одному ресурсу памяти чтобы выбрать две команды. Для наращивания системы есть слоты расширения на шине ISA; КШ – контроллер шины системный контроллер; КВУ – контроллер внешних устройств; КОЗУ – контроллер ОЗУ регенерация динамической памяти; К – контроллер на базе специализированных 8...

Русский

2013-09-15

2.16 MB

1 чел.

Архитектура ЭВМ и систем

1. Оценка производительности ВС. Основные требования к вычислительным системам

Время центрального процессора (CPU time) – оценка производительности (измерение времени работы процессора на прерывание):

1) пользовательское время ЦП – время, потраченное процессором непосредственно на выполнение программы пользователем;

2) системное время ЦП – время, потраченное ОС на выполнение определенного задания, затребованного программой.

Зависит от: частоты синхронизации ЦП, среднего количества тактов на команду и количества выполняемых команд.

Для оценки производительности используются: MIPS (миллион целочисленных команд в секунду) и MFLOPS (миллион операций с плавающей точкой в единицу времени).

MIPS. Недостатки: зависит от набора команд процессора, рейтинг может меняться в зависимости от программы, рейтинг может меняться относительно производительности в другую сторону.

MFLOPS. Достоинства: базируется на количестве операций. Недостатки: наборы операций с плавающей точкой несовместимы на различных процессорах; рейтинг меняется в зависимости от смеси быстрых и медленных операций для исключения используется нормализация (-,+,* = 1; /, квадратный корень = 4; exp = 8).

Тестовые пакеты:

LINPACK (LAPACK) - тестовые FORTRAN-программы взятые из реальных программных систем (обработка матриц). Используется для оценки вычислительных систем с векторной, матричной и VLIV архитектурой.

SPEC: cint92, cfp92, cint95, cfp95. Не ориентированы на производителя.

TPC-A – предназначен для оценки производительности систем, работающих в среде интенсивно обновляемых БД. Пропускная способность - количество транзакций в единицу времени.

TPC-B – интенсивный тест БД, который характеризуется следующими элементами: значительный объем дискового ввода/вывода, умеренное время работы систем, измеряет пропускную способность системы, определяющуюся количеством транзакций в секунду.

TPC-C – моделирует прикладную задачу обработки заказов. Тестирование основных компонентов системы.

AIM – генератор тестовых пакетов + нагрузочные смеси. Генератор - специализированная система, которая обеспечивает одновременное выполнение множества программ. Смесь – формула, определяющая компоненты требуемой нагрузки:

1) универсальная смесь для рабочих станций (средства разработки ПО);

2) смесь для механических САПР (моделирование рабочих станций 3D-моделирования);

3) нагрузочная смесь для геоинформационных систем (рабочие станции для обработки изображений).

WINSTONE, Ziff-Davis – работа стандартных приложений.

Основные требования к вычислительным системам:

1. Соотношение «производительность-стоимость»;

2. Надежность и отказоустойчивость. Надежность – свойство ВС сохранять во времени в установленных пределах значений всех параметров характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения.

[MTBF] – среднее время наработки на отказ.

Повышение надежности основано на принципе предотвращения неисправности путем снижения интенсивности отказов и сбоев за счет:

1) применения электрических схем и компонентов высокой и сверхвысокой степени интеграции;

2) за счет снижения уровня помех;

3) совершенствование методов сборки аппаратуры;

4) обеспечение вентиляции, защита от влаги, пыли и т.д.

Главная цель повышения программной надёжности – сохранение целостности данных.

Отказоустойчивость – свойство ВС, обеспечивающее возможность продолжения действий заданных программой после возникновения неисправности (дублирование).

3. Масштабируемость – увеличение производительности при добавлении новых вычислительных ресурсов. Обеспечивается архитектурой и ПО.

Повышение аппаратных мощностей – уменьшение числа узких мест.

Повышение программных мощностей – увеличение взаимодействия программных ресурсов.

В идеале: при линейном росте ресурсов – линейный рост производительности.

4. Совместимость и мобильность. Совместимость – свойство различных по конструкции устройств выполнять аналогичные функции.

Аспекты: технический, программный, информационный:

- ПО – возможность выполнять программы на различных ЭВМ с получением идентичных результатов;

- техника – в процессе разработки обеспечивают стандартность и унифицированность кабелей, совпадение параметров электрических сигналов, не конфликтность алгоритмов взаимодействия;

- информация – передаваемая информация будет одинаково интерпретируема.

Мобильность – возможность переноса программ с одной аппаратно операционной среды на другую. Такая вычислительная среда должна:

1) позволять менять состав и количество аппаратных средств и ПО в соответствии с меняющимися требованиями решаемых задач;

2) обеспечивать возможность запуска программных средств на различных аппаратных платформах;

3) гарантировать возможность применения одних и тех же интерфейсов на всех компьютерах ВС.

2. Конвейерная обработка. Организация. Конфликты и основные пути их минимизации

Конвейерная обработка основана на разделении команды на более мелкие части, называемые ступенями, и выделении для каждой из них отдельного блока аппаратуры.

Выполнение типичной команды можно разделить на 5 ступеней:

1) выборка команды (IF);

2) декодирование команды и чтение операндов РОН (ID);

3) выполнение команды (EX);

4) обращение к памяти (MEM);

5) запоминание результата (WB).

В неконвейерных системах программы выполняются друг за другом. В конвейерных системах на каждом такте поступает команда и на каждом такте выходит команда. Время выполнения одной команды в конвейере больше, чем в неконвейерном случае так как: необходимо выполнять синхронизацию каждой ступени и необходимо время для передачи с одного конвейера на другой.

В процессе выполнения программ происходит нарушение последовательности работы конвейеров из-за конфликтных ситуаций. Конфликты делятся на структурные, конфликты по данным и конфликты по управлению.

Структурные конфликты: основной причиной является ограниченность аппаратных ресурсов процессора. Конфликт можно ликвидировать за счет дополнительной аппаратуры, но это может привести к усложнению процессора и как следствие к уменьшению надежности.

Для минимизации структурных конфликтов используются аппаратные методы:

1) использование гарвардской архитектуры на уровне внутреннего КЭШа:

2) использование многопортовых РОН:

Конфликты по данным: возникают, когда выполнение одной команды зависит от результата выполнения предыдущей. Существует 3 конфликта по данным в зависимости от порядка операций чтения и записи: RAW (чтение после записи), WAR (запись после чтения), WAW (запись после записи).

Методы минимизации:

  1.  метод обходов (обратной связи);
  2.  можно планировать работу конвейера как статическим (компилятор), так и динамическим (с помощью специальной аппаратуры процессора) методом;
  3.  метод переименования регистров.

Конфликты по управлению: возникают при выполнении команд безусловных переходов, вызова возврата из подпрограммы, переключении задач.

Методы минимизации:

  1.  метод выжидания. Останов до тех пор, пока не будет известен адрес следующей команды. Самый простой и надежный;
  2.  метод возврата. Считается, что за выполнением команды условного перехода будет выполняться следующая команда;
  3.  задержанные переходы. Используется слот задержки.

Все методы минимизации делятся на:

1) Статической оптимизации – программный код оптимизируется до выполнения, на этапе компиляции. Наиболее простой вариант – метод разворачивания циклов.

2) Динамической оптимизации. Выполняется на аппаратном уровне. Для этого используются:

а) буфер прогнозирования направления переходов – обычный счетчик разрядностью 2n. Для реализации используется дополнительно КЭШ-память, доступ к которой осуществляется с помощью адреса команды во время стадии выборки;

б) буфер целевых адресов. Содержит несколько строк, каждая из которых делится на поля: адрес команды, прогнозируемый адрес и буфер прогноза.

Наличие буфера позволяет свести выполнение команды перехода до 1 такта.

3. Суперскалярная обработка. Процессы VLIW-типа

В суперскалярных процессорах имеется несколько конвейеров, в простейшем случае два: один для скалярных команд, второй – для чисел с плавающей точкой. Следовательно, в процессоре одновременно выполняется и выходит несколько команд.

Основная проблема: с выхода процессора команды выходят не в том порядке, в котором зашли. Поэтому возможны конфликты по данным типа WAR и WAW. Другая проблема: обращение к одному ресурсу памяти, чтобы выбрать две команды.

Здесь разрядность шины данных увеличивается в раз, где n – количество конвейеров.

Процессор с длинным командным словом (VLIW). В отличие от суперскалярных процессоров VLIW программно не зависим. Задача планирования загрузки конвейеров решается статическим методом в процессе компиляции.

Командное слово состоит из нескольких команд ((1,2,3,4);(5,6,7);(8);(9,10)). На каждом такте процессор не задумываясь считывает такой блок, следовательно: устройство управления простое (потому что оно не занимается оптимизацией), увеличивается число конвейеров и значительно упрощается реализация процессора.

4. Архитектура компьютера. Развитие архитектур IBM PC

Архитектура – это концепция взаимосвязи элементов сложной структуры, включая компоненты физической, логической и программной структур.

Архитектура ЭВМ – общая логическая организация цифровых ВС, определяющая процесс обработки данных, состав, взаимодействие технических средств и программного обеспечения.

Структура – это фиксированное упорядоченное множество объектов и отношений между ними. Вычислительная структура – способ представления в ЭВМ модели, данных и алгоритмов решения задач.

Алгоритм – заданная последовательность четко определенных правил и/или команд для получения решения задачи за конечное число шагов.

Для упрощения архитектуру вычислительной машины представляют в виде многоуровневой системы:

5-ый уровень определяет, какие задачи решает пользователь, а какие машина;

4 – разграничивает ПП и СПО;

3 уровень управления физическими ресурсами;

2 – выполняет разграничение между программным, аппаратным обеспечением;

1 – определяет, какие задачи решает ЦП, какие порты ввода/вывода;

0 – разграничение функций между процессорами ввода/вывода и контроллерами внешних устройств.

Архитектуры ПК делятся на: закрытую (плохо совместимая, используемая в государственных учреждениях и в военной сфере) и открытую (с большим количеством производителей).

Развитие архитектур:

  1.  Intel 8088, 8086.

L-шина - процессорная шина; M-шина – для связи; S-шина – системная шина (ISA) – асинхронная шина, позволяющая осуществлять обмен между быстрым ЦП и медленными устройствами; X-шина – для обмена в режиме прерываний. Для наращивания системы есть слоты расширения на шине ISA;

КШ – контроллер шины (системный контроллер);

КВУ – контроллер внешних устройств;

КОЗУ – контроллер ОЗУ (регенерация динамической памяти);

К – контроллер на базе специализированных, 8 разрядных СБИС (прерываний, ПДП).

Недостатки: через одну шину выполняется весь обмен (обращение к памяти и внешним устройствам).

2) i486

 

VLB – системная шина, предназначенная для подключения скоростных устройств. Зависит от ПШ (процессорной шины).

3) i440bx

Дополнительный мост PCI/PCI позволяет наращивать число устройств на шине PCI до восьми.

4) i810, 820

IHL – изохронный хабовый линк;

AMR – звуковой выход;

I/O CH – хаб в/в, сочетающий различные контроллеры для шин;

LPC – шина, аналогичная ISA с той же пропускной способностью.

5) i840

Сейчас слабое место PCI, на нее нет стандарта.

Дальнейшее развитие увеличит пропускную способность всех каналов, переход от параллельной шины к последовательным высокоскоростным каналам, соединения на основе оптоволокна; подключение внешних устройств на основе последовательного интерфейса USB.

5. Организация системы памяти. Иерархия памяти современного компьютера

По размещению:

  •  процессорная – наиболее скоростная (РОНы, КЭШП 1 уровня);
  •  внутренняя – более медленная (ОП, КЭШ 2-го и последующих уровней);
  •  внешняя память (ВЗУ).

Объем и время доступа растутт при движении вниз по списку.

1) РОН – работают на частоте процессора, объём < 512байт;

2) КЭШ 1 уровня – располагается на кристалле процессора, объём до 128 Кбайт, аппаратное взаимодействие, частота равна частоте циклов обмена процессора;

3) КЭШ 2 и последующих уровней. Работает на частоте циклов процессорной шины, объём до 8 Мбайт, аппаратное взаимодействие;

4) ОЗУ. Объёмы не превышают 10 Гбайт, аппаратное взаимодействие;

5) FIFO – буфер на контроллере шины ВЗУ. Объём – не более 10 Мбайт, согласование обмена;

6) БВЗУ – буфер ВЗУ. Дисковая КЭШ-память, располагается на накопителе, объём до 16 Мбайт, аппаратное взаимодействие;

7) ВЗУ – внешние запоминающие устройства. Объёмы не ограниченны, аппаратное и ОС взаимодействие.

Общая структура подсистемы памяти:

Основные направления развития подсистемы памяти: увеличение объемов, повышение пропускной способности, повышение надежности и отказоустойчивости, уменьшение энергопотребления памяти,  уменьшение массы и габаритов, снижение стоимости.

Основные пути повышения производительности:

1. Повышение размеров кэш-памяти;

2. Многоуровневая организация кэш-памяти;

3. Расширение регистрового файла;

4. Повышение полосы пропускания шины памяти;

5. Увеличение разрядности канала данных памяти;

6. Использование памяти с расслоением (конвейерное обращение к банкам памяти);

7. Использование специфических свойств динамической памяти;

8. Использование не теневой памяти для BIOS.

6. Принципы построения КЭШ-памяти. Виртуальная память

КЭШ-память. Небольшая буферная память, располагается между основной памятью и процессором. Дает выигрыш при операциях чтения, при операциях записи производительность может уменьшаться.

Процессор выставляет адрес, в начале поиск данных производится в КЭШ. Если искомый блок найден в КЭШ-памяти, то такая ситуация называется кэш-попаданием, иначе - промахом.

При проектировании КЭШП необходимо учитывать:

1) КЭШП более дорогая (так как статическая);

2) пропускную способность;

3) объем аппаратных затрат на реализацию взаимодействия.

Условно кэш-память представляет собой:

Каждое слово имеет N разрядный адрес. Основная память делится на блоки, каждый блок содержит K слов. Длина одного слова: . КЭШ-память состоит из C блоков аналогичного размера, но блок здесь называют строкой. Причем всегда выполняется: . Так же КЭШ-память содержит поле тегов (признаков), определяющих какой блок основной памяти отображен на данной строке, так как количество строк меньше количества блоков. Определенному блоку основной памяти нельзя зарезервировать одну строку в КЭШ.

Коэффициент удачных обращений зависит от:

1) размера КЭШ-памяти (оптимальная – до 512 Кбайт);

2) размера строки КЭШ-памяти;

3) алгоритма управления;

4) дисциплины организации;

5) выполняемой программы.

Способы отображения:

1. Полностью ассоциативный КЭШ

Любой блок основной памяти может быть отображен на любую строку КЭШ-памяти. Поле признака является частью адреса основной памяти. Недостатки: требуется сложная схема параллельного сравнения значения адреса с полем тегов; предполагает большие аппаратные затраты, большие схемы и более высокие требования к проектированию; при такой организации требуется больше времени для обновления при промахе. Достоинство: способ наиболее производительный, способность заполнения несвязанных блоков ОП в конкретный момент времени.

2. КЭШ с прямым отображением

При данном способе имеется строгая зависимость между строкой кэш-памяти и блоком основной памяти. Поле тега определяет, какой именно из зарезервированных блоков памяти отображен в кэш памяти. Достоинство: простота реализации. Недостатки: при частых обращениях к различным областям основной памяти происходит частое замещение строк в КЭШ-памяти.

3. Множественно ассоциативный КЭШ

КЭШ-память делится на модули, обращение к которым происходит параллельно, причем отдельные блоки организованы как кэш-память с прямым отображением. Определенному модулю соответствует определенный набор блоков памяти, а внутри модуля используется ассоциативный кэш. Любому блоку может соответствовать любая строка. Данная организация позволяет значительно повысить производительность по сравнению со вторым методом при незначительном усложнении организации. В настоящее время наиболее распространенный тип КЭШ.

Обеспечение когерентности данных в основной памяти и в КЭШ-памяти:

1. Сквозное копирование изменений в КЭШ и ОП. Не эффективно, так как происходит обращение к кэш-памяти, что сказывается на производительности. Достоинство: простота реализации;

2. Запись с буферированием: данные записываются в кэш-память и в специальный буфер, специальный регистр и затем специальная схема обеспечивает запись из регистра в основную память;

3. Запись с обратным копированием – наиболее эффективна. Данные записываются только в кэш-память, перезапись данных в основную память выполняется только в том случае, если выполняется замещение строки в кэш-памяти.

Наиболее остро проблема когерентности стоит в:

1) многопроцессорных системах с общей памятью;

2) системах, в которых используется режим ПДП.

Алгоритмы замещения информации:

1. LRU. Замещается та строка, к которой дольше всего не было обращений. Наиболее эффективен.

2. LFU. Замещается та строка, к которой было меньшее количество обращений.

3. FIFO.

4. Random. Наиболее простой, наименее эффективный.

Виртуальная память. Совокупность программно аппаратных средств, позволяющих пользователю писать программы, размер которых превышает размер основной памяти. Суть этой концепции: часть программы размещается на внешних носителях и при необходимости подгружается в основную память.

Для реализации этого решают следующие задачи:

1) размещение данных в запоминающих устройствах разного типа;

2) перемещение данных по мере необходимости между запоминающими устройствами;

3) преобразование виртуальных адресов в физические.

Основная память рассматривается как физическое пространство из n операндов для задач, где требуется более n адресов, модель представляет виртуальное пространство адресов равных емкости всех устройств. Программа пишется в виртуальных адресах. Существует схема преобразования адресов из виртуальных в физические адреса.

Существует несколько реализаций виртуальной памяти:

Страничная реализация: все пространство памяти разбивается на равные части (страницы), кратные размеру сектора (обычно 4-8 Кбайт). Блок основной памяти называют страничным кадром или фреймом. Страницам виртуальной и физической памяти присваивают номера. Если система обнаруживает, что по данному адресу нужная страница отсутствует, тогда происходит ситуация «страничный сбой» и требуемая страница подгружается из внешней памяти в основную память.

Преобразование адреса из виртуального в физический осуществляется с помощью страничной таблицы:

Признаки

Номер виртуальной страницы

Номер физической страницы

V

M

R

A

карта диска:

Номер виртуальной страницы

Сектор

Дорожка

Число записей в данных таблицах соответствует числу виртуальных страниц.

Признаки страничной таблицы:

1) V – признак присутствия, определяет загружена ли страница в основой памяти или нет (1 – в основной памяти, номер физической страницы заполнен, 0 – виртуальная страница отсутствует в основной памяти, генерируется сигнал страничного сбоя, по нему происходит замена);

2) R – признак использования страницы, устанавливается при обращении к данной странице, информация эта используется при замещении страницы в основной памяти;

3) M – признак модификации, данное поле работает, как в кэш памяти, определяет была ли изменена страница в процессе работы;

4) A – признак прав доступа, данный признак используется с целью защиты информации и определяет, какой вид доступа разрешен в этой таблице.

Данная организация имеет следующие недостатки: программа состоит из информационной, стековой и кодовой части. Использует сквозную нумерацию.

Сегментная организация: каждая из частей программы имеет собственную нумерацию, начинающуюся с нуля. Для этого в виртуальной памяти выделяются линейные пространства переменной длины (сегменты), каждый из которых предполагает собственную нумерацию с нуля. Для преобразования виртуального адреса в физический используется сегментная таблица.

Недостатки: не эффективно используется основная память (в ней происходит фрагментация) → решение проблемы – использование сегментно-страничной организации.

Свопинг: для того, чтобы программа была исполнена, она должна быть загружена в основную память, возможна ситуация наполненности основной памяти. Предполагается существование программ или процессов, не используемых в данный момент, то их временно выгружают на внешний носитель, по необходимости они подгружаются в основную память, замещая что-нибудь ещё.

7. Основная память. Методы повышения производительности. Типы динамической памяти

Является единственным вид памяти, к которой процессор может обращаться непосредственно. Делится на ОЗУ и ПЗУ (RAM и ROM). Расслоение памяти: используют для увеличения производительности.

Имеем N последовательных адресов, находящихся в N различных банках памяти, причем в i-том банке располагаются только адреса, имеющие вид: , где , М – количество слов в банке.

Специфические свойства памяти: контроллер памяти генерирует данный адрес на адрес строки и адрес столбца, причем обращение к строке осуществляется по импульсу –RAS, обращение к столбцу по –CAS.

Используя данное свойство можно однократно выставлять адрес строки, затем менять адрес столбца и читать последовательно ячейки памяти, увеличив скорость доступа. При блочной организации памяти на одно обращение к строке выдается 4 обращения к столбцам. При страничной организации после выдачи адреса строки память работает как статический буфер. Значения столбцов обновляются после получения нового адреса строки.

Память бывает динамической и статической. Динамическая – менее быстродействующая, требует регенерации (транзистор + емкость). Статическая – не требует регенерации, но более дорогостоящая, так как требует больше транзисторов.

Микросхемы памяти, где используется страничный режим и его модификации принято обозначать формулой: X-Y-Y-Y, где: X – количество тактов системной шины, необходимое для доступа к первой ячейке последовательности, последующие – количество тактов шины необходимое для доступа к последующим ячейкам последовательности.

1. FPM: 5-3-3-3. Режим быстрого страничного доступа

2. EDO. 5-2-2-2. Отличие – использование специального регистра защелки.

3. BEDO: 5-1-1-1. Кроме регистра защелки используется внутренний счетчик адреса колонок, для пакетного режима работы.

4. SDRAM: 5-1-1-1. Синхронная память. Частота равна частоте системной шины без тактов ожидания. Синхронизация позволяет получить 3-х кратный выигрыш в производительности. На этой памяти возможна организация конвейера.

5. RDRAM: память фирмы Rambus. Является последовательной. Управляющие и информационные сигналы передаются по одним и тем же линиям. Так как интерфейс последовательный, то это позволило увеличить  пропускную способность до 1.6 Гбайт/с.

6. DDR. Память параллельного способа обмена, основное отличие от SDRAM в том, что она работает по обоим фронтам тактового импульса.

7. DDR 2, 3 – увеличивается только частоты шины, увеличение вдове шины Д, снижение напряжения питания.

8. Организация внешней памяти. Параметры НЖД. Пути повышения производительности внешней памяти. Интерфейсы внешней памяти IDE, EIDE, SCSI

Информация хранится на плоских металлических пластинах, покрытых магнитным материалом. Данные записываются на диск электромагнитными катушками, которые называются головка. Процесс записи осуществляется путем намагничивания магнитной поверхности диска под головкой, а считывание путем наведения тока на головке.

Данные на диске организованы в виде дорожек. Каждая дорожка имеет одинаковую ширину, равную размеру головки. Соседние дорожки отделены друг от друга промежутками. На всех дорожках хранится одинаковое количество данных. Плотность записи к центру увеличивается.

Дорожки делятся на сектора. Несколько секторов составляют блок. Обмен информации осуществляется блоками. Размер сектора равен размеру блока и обычно равен 512 байт. Обычно секторов на дорожке от 10 до 100. При такой организации должна быть задана точка отсчета, сектор, его идентификатор. Все разбиения происходят при форматировании. Форматирование – разбиение диска на части и занесение служебной информации.

Характеристики жестких дисков:

1) ёмкость;

2) тип интерфейса и его пропускная способность (IDE (ATA), SCSI, SATA);

3) быстродействие и производительность (внутренняя скорость передачи данных, внешняя скорость передачи данных, время перехода на соседний трек, среднее время поиска);

4) надежность и достоверность хранения данных;

5) физические параметры: габариты, масса, потребляемая мощность;

6) условия эксплуатации и хранения: температура, влажность, давление, вибрация;

7) уровень шума.

Основные пути повышения производительности:

1) повышение плотности записи (GMR);

2) увеличение скорости вращения шпинделя;

3) увеличение скорости доступа к данным (использование КЭШ памяти);

4) повышение эффективности работы дисковой КЭШ;

5) повышение пропускной способности внешнего интерфейса (SATA);

6) SMART – система мониторинга, самодиагностики.

Интерфейсы внешних запоминающих устройств

Широкое распространение внешних устройств началось с разработки фирмой Seagate Tec диска ST 506.

Емкость 5 Мбайт. Для подключения к компьютеру использовалась специальная плата. Для соединения использовался 32-проводный кабель. В качестве интерфейса использовался аналоговый ST506/412. Вся электроника для диска располагалась на самой плате, а не на диске.

Достоинство: низкая цена.

Недостатки: пошаговое перемещение головок, жесткая зависимость накопителя от контроллера, низкая пропускная способность.

Развитие этого интерфейса – ESDI. Разработан в 1985 году. Отличия: контроллер перемещен в накопитель, данные передаются в цифровой форме последовательно по 16 бит, используется бит паритета. Скорость передачи - до 10 Мбайт/с.

В дальнейшем был разработан интерфейс IDE (ATA). Разработан в 1981 году, приблизительно в 1987 году пришел на смену ESDI. Первоначально предусматривал передачу данных до 3 Мбайт/с. В дальнейшем увеличен до 33 Мбайт/с.

В дальнейшем:

1) интерфейс EIDE – усовершенствованные электронные схемы управления для более быстрого доступа к жесткому диску. Логическая адресация блоков (режим LBA), увеличивающая адресуемую ёмкость.

2) интерфейс ATAPI – пакетный интерфейс периферийных устройств. Используется для подключения CD-ROM, DVD-ROM.

3) многорежимная передача данных - PIO (программируемый ввод/вывод), DMA (режим прямого доступа к памяти), Ultra DMA (контроль правильности передаваемых данных).

4) коды обнаружения и исправления ошибок (CRC).

Интерфейс SATA. Последовательный, использующий 5 В сигнал (приводит к различным помехам, наводкам и необходимости больших контактных площадок), подключение «точка-точка». 7-жильный шлейф – проводной до 1 метра. Предусмотрен контроль целостности данных (обнаружение и исправление ошибок). Скорость передачи 150 Мбайт/с, в дальнейшем 300, предполагается 600 Мбайт/с.

Недостаток – треск винчестера. Физическая среда – 2 дифференциальные пары, провод земли, и ещё 2 провода земли. Данные передаются по схеме 8/10. Данные скремблируются для исключения постоянной составляющей. Четко разделены физический уровень и уровень передачи данных.

Интерфейс SCSI. Интерфейс для маленьких компьютеров с высокой пропускной способностью. Разработан для обмена с любыми периферийными устройствами, модули подключаются цепочкой. Интерфейс не ориентирован на конкретные устройства, определяет только протокол обмена данными. Первоначально предусматривает подключение до 8 устройств. Параметры интерфейса: ширина шины - 8 или 16 бит.

Типы шины SCSI: SCSI Fast 2 – частота до 10 МГц, Ultra SCSI – до 20 МГц, Ultra 2 SCSI – 40 МГц, Wide – 16 битная шина, соответственно скорость передачи увеличивается в 2 раза.

На смену этому интерфейсу приходит интерфейс SASSerial Attached SCSI. Последовательный интерфейс с высокой скоростью обмена и надёжностью. Системы, поддерживающие SAS поддерживают и SATA.

9. Системные шины

Системная шина определяет взаимодействие с внешней средой, конфигурацию и конструктив системы, а также скорость взаимодействия с внешними устройствами. Основное назначение – унификация внутренних связей для обеспечения высокой производительности (определяет общий интерфейс внутри конструкции). Основными функциями системной шины является обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости.

Информационная совместимость – согласованность взаимодействия элементов в соответствии с совокупностью логических условий. Определяет правила обмена информацией. Описывается с помощью временных диаграмм.

Электрическая совместимость – согласованность статических (напряжение, ток, нагрузка) и динамических (время задержки) параметров электрических сигналов с учетом ограничений на пространственное размещение устройств и техническую реализацию приемо-передающих частей.

Конструктивная совместимость – согласованность конструкторских элементов интерфейса предназначенных для механического контакта электрических соединений, то есть определение типа разъёма, соответствующих сигналов, размеры разъёмов и плат.

Основные характеристики системной шины:

1) пропускная способность (сколько байт информации можно передавать по шине за единицу времени);

2) разрядность шины данных (сколько байт информации можно передать за один такт);

3) тактовая частота (актуальна только для синхронных шин);

4) типы системной шины:

а) синхронные – обмен информацией по тактовым сигналам;

б) асинхронные – не только по тактовым сигналам, информация передается по мере необходимости.

5) адресуемая емкость памяти и устройства ввода/вывода;

6) количество процессоров, которые могут управлять системной шиной;

7) уровни сигналов питание, размеры плат и некоторые стандарты системной шины. Обычно любая системная шина состоит из 3-х шин: шины адреса, шины данных и шины управления. Шину адреса и шину данных часто объединяют – это позволяет уменьшать число контактов, но снижает производительность.

Параллельные и последовательные шины. Параллельные – по параллельным проводам в определенные моменты передается некоторое слово. Последовательные – по одним проводам идут данные, сигналы управления – запакованные в пакеты по малому количеству проводов. Сейчас практически все шины последовательные. На последовательные шины легче увеличивать тактовую частоту.

Классификация:

1. Тип: синхронные и асинхронные;

2. Передача: с подтверждением и без подтверждения;

3. Канал данных: параллельный и последовательный;

4. Мильтиплексирование: да, нет.

Системная шина Compact PCI. Реализована функция горячей замены. Главное отличие: строится по модульному принципу и предусматривает специальные разъемы соединения. За основу шины взята шина PCI стандарта 2.1. Типовая схема для телекоммуникаций выглядит следующим образом:

В ЦП реализован дополнительный интерфейс для сетевого доступа. КМ используется для подключения дополнительных каналов. Часто в комплекте есть специальная телефонная шина H110.

Для этой шины реализована возможность горячей замены: один из модулей системы работает непрерывно, при этом возможно подключать и отключать другие модули.

1 вариант: замена модуля производится после полной приостановки работы системы, то есть по системной шине никакой работы не происходит, однако система не отключается. Все буферы системной шины переведены в 3-е состояние, но сама система работоспособна.

2 вариант: замена модуля происходит во время работы системной шины. Для критически важных приложений.

Требование для выполнения функций горячей замены:

1) при подключении модуля по сигнальным линиям не пойдут случайные токи;

2) при подключении модуля нет никаких помех в цепях земли и питания.

Для выполнения требований рекомендуется:

1) использовать разъемы с выдвинутыми вперед контактами земли и питания;

2) применять микросхемы, отключающие свои выводы при пониженном напряжении питания (серия КМОП);

3) использовать цепи мониторинга напряжения питания (основной элемент – микросхема TLC7705);

4) емкости сигнальных линий до подключения их к шине должны быть заряжены (микросхемы серии BTL, ETL с выводом Vcc bias);

5) при включении модуля не должно быть бросков напряжения в цепях питания. Для этого рекомендуется использовать специальный фильтр;

6) интерфейсные цепи в подключаемых модулях должны оставаться в 3-ем состоянии при отключенном питании.

 

Сначала подключается потенциал земли, затем цепи питания и в последнюю очередь сигнальные линии. Для исключения бросков по питания используются фильтры на цепях питания.

10. Параллельные интерфейсы. Centronics, КОП. Беспроводные интерфейсы. IrDA, Bluetooth

Интерфейс Centronics. По способу передачи интерфейсы делятся на параллельные и последовательные. В персональных компьютерах традиционно используется параллельный интерфейс порта LPTCentronics (советский аналог – ИРПР-М). В современных компьютерах порт LPT применяется для подключения принтеров и существует несколько разновидностей данного интерфейса:

1) Стандартный SPP порт. Особенность: симплексный (однонаправленный) обмен. 32 контактный разъём. Достаточно широкая шина управления.

Основные сигналы данного интерфейса:

Номер контакта

Обозначение сигнала

Направление со стороны компьютера + расшифровка

1

-STROBE

O. Строб данных

2-9

DATA

O. Шина данных

10

-ACK

I. Сигнал подтверждения приема байта, так же является запросом на передачу следующего байта, так же может использоваться для формирования запроса прерывания.

11

BUSY

I. Занятость устройства

12

PE

I. Нет бумаги

13

SLCT

I. Онлайн или Оффлайн. Включен или выключен.

14

AutoF

O. Автоматический перевод строки.

15

-ERROR

I. Ошибка, говорит о том что нет бумаги, состояние выключенности или какая либо внутренняя ошибка

16

-INIT

O. Инициализация или сигнал запроса

17

-SLCTIN

O. Выбор печатающего устройства

Диаграмма обмена по интерфейсу Centronics:

Обмен возможен если сигналы имеют следующие значения: -ERROR=1, PE=0, SLCT=1, -INIT=1, -SLCTIN=0. Передача байта начинается с проверки компьютером сигнала BUSY, если он имеет низкий уровень, компьютер выводит данные на шину данных и выдает сигнал –STROBE. По сигналу –STROBE принтер считывает данные и переводит сигнал BUSY в высокий уровень. На этом заканчивается обмен. Сигнал –ACK выставляется после чтения байт, если долгое время сигнала –ACK нет, то это означает ошибку передачи и возможно повторение передачи данного байта.

Обмен осуществляется с помощью 3-х программно доступных регистров. Эти регистры соответствуют порту управления, порту данных и порту состояния. Они и составляют LPT порт.

 

Порт данных это непосредственно те данные, которые передаются. Он имеет адрес – 378h.

Порт управления имеет адрес 37Ah.

Порт состояния: 379h. Пяти битный порт вывода состояния принтера.

Порт EPP: двунаправленный обмен, управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно во время цикла обращения к порту. Обмен в режиме ПДП. Потенциальная пропускная способность до 2 Мбайт/с. Возможно подключение цепочкой до 64 периферийных устройств. Имеет специальный буфер, который сохраняет передаваемые данные, до тех пор, пока устройство не будет готово обработать их.

Порт ECP: аналогичен EPP. Кроме того аппаратное сжатие данных по методу RLE (для передачи повторяющихся битов данных – первый байт содержит повторяющуюся последовательность символов, второй байт – количество повторений). Для данного порта используются специальные FIFO-буферы и обмен в режиме ПДП. Возможно подключение до 128 устройств.

Стандарт IEEE-1284 объединяет возможности портов EPP и ECP. Добавлена возможность формирования сигнала «запрос- прерывание» при ошибке на удаленном устройстве. Длина кабеля до 10 метров, так же предусмотрено объединение проводов в общем экране, для повышения помехозащищенности.

Интерфейс КОП (IEEE-488, GRIB). Предназначен для построения контрольно-измерительных систем на базе управления компьютера и набора КИП. Обеспечивает обмен между ними.

Основные достоинства: простота физического обмена, возможность просто синхронизировать быстрый компьютер и медленный КИП.

Недостаток: сложность логического обмена, что требует специфического программного драйвера.

Основные сигналы:

Обозначение

Назначение

Тип выхода

DIO[1…8]

8-и разрядный канал данных

TR (три состояния)

Линии синхронизации и квитирования

NRFD

Готовность к приему

OK

NDAC

Подтверждение приема данных

OK

-DAV

Строб

OK

Цепи управления

-ATN

Управление:

– идентификатор передачи данных;

– передаются данные;

– передаются команды управления по DIO

OK

-EOI

Конец передачи

OK

-SRQ

Запрос на обслуживание

OK

-IFC

Очистка интерфейса

OK

-REN

Дистанционное управление

OK

Временная диаграмма обмена: 

1 – некоторые готовы; 2 – все готовы; 3 – некоторые приняли; 4 – все приняли.

Интерфейс IrDA. Универсальный стандарт передачи данных через инфракрасный порт, для подключения инфракрасных устройств. Разработан в 1979 году компанией HP. Имеет 3 режима:

1) SIRSerial (Slow) IR. Скорость обмена – 2,4 – 15,2 Кбайт/с;

2) MIRMiddle (Medium) IR. Скорость обмена – 57,6–1152 Кбайт/с;

3) FIRFast IR. Скорость обмена – 4 – 16 Мбайт/с.

Оборудование состоит из следующих устройств: светодиод, различные микросхемы контроллера и специальные кодер и декодер инфракрасного сигнала. Обычно декодер имеет стандарт UART. Вспышка – 0, отсутствие – 1. Радиус действия – не более 1 метра, угол ≤ 30 градусов. Интерфейс недостаточно удобен.

Интерфейс Bluetooth. Стандарт на миниатюрные недорогие средства передачи информации с помощью радио-связи. Каждое устройство с Bluetooth имеет и приемник и передатчик, работающие в диапазоне 2,4 ГГц. Данный диапазон не лицензирован, в нем работают устройства больниц.

По данному стандарту используется радиоканал с дискретной частотной модуляцией, несущая частота 2402 + k, где k = 1…78. Используются передатчики различных классов мощностей: 1, 2.5, 100 мВт. Это определяет дальность действия и другие параметры. Передача данных ведется с перескоком несущей частоты – технология FHSS (скачкообразная перестройка частоты) – для борьбы с интерференцией и замираниями сигналов.

Физический канал представляет собой псевдослучайную последовательность используемых каналов. Устройства, которые разделяют 1 физический канал образуют пикосеть, в которую может входить от 2 до 8 активных устройств, и до 255 пассивных. Причем из активных устройств 1 является ведущим, 7– активными ведомыми, остальные – неактивными. Причем пикосети могут перекрываться, и устройство, ведомое в одной сети может быть активным и ведущим в другой. Все устройства вместе образуют разбросанную сеть. Здесь канал данных делится на так называемые тайм слоты, всего скорость перескока – 1600 скачков в секунду. Тайм слот – 625 мкс. Передача данных ведется пакетами, один пакет занимает от 1 до 5 тайм слотов.

Между ведущим и ведомым устройством могут устанавливаться 2 типа связи – синхронные связи и асинхронные связи (с установлением соединения и без). Синхронные связи используется для передачи изохронного трафика (оцифрованный звук) – с гарантированным временем доставки. В случае ошибки данные не повторяются. Асинхронные связи работают по схеме «точка – множество точек». Ведущее устройство может связаться с любым ведомым устройством в тайм слоты, которые не зарезервированы под синхронные связи. При ошибке возможны повторы данных до 2-3 раз. Также возможна широковещательная рассылка.

11. Последовательные интерфейсы. RS-232, RS-485, USB и IEEE-1394

Интерфейс RS-232. В компьютере этот интерфейс реализован на COM-порте. Предназначен для присоединения периферийных устройств типа сканеров, принтеров, модемов, мышей к компьютеру, а так же для соединения компьютеров между собой. Используется, когда требуется передавать данные на расстояние более 10 метров. В любом последовательном интерфейсе меньше проводников, поэтому, он дешевле, чем параллельный. Русский аналог интерфейса RS-232 – интерфейс «стык С2».

Является последовательным асинхронным, но также может работать в синхронном режиме. Синхронный режим:

Стартовый бит

Информационные биты

Бит паритета

Стоповый бит

ST

От 5 до 7

БП

1, 1.5, 2

В синхронном режиме сначала передается 8 бит информации, затем специальное синхрослово, для синхронизации (избыточность передаваемой информации).

Скорость выбирается из линейки скоростей: 300, 600, 1200, …, 115200. Уровни сигналов для интерфейса RS-232 отличаются от обычных ТТЛ сигналов: логическому нулю соответствует +3, +25 В, логическая единица -3, -25 В. От –3 до +3 B – зона нечувствительности данного интерфейса.

Сигналы данного интерфейса:

Номер контакта

DB-9

Номер контактов

DB-25

Обозначение

Назначение

Направление

4

20

DTR

Готовность передающего устройства

O

6

6

DSR

Готовность принимающего устройства

I

7

4

RTS

Запрос передачи

O

8

8

CTS

Готовность приема

I

2

3

RxD

Принимаемые данные

I

3

2

TxD

Передаваемые данные

O

Дополнительные сигналы:

Номер контакта

DB-9

Номер контактов

DB-25

Обозначение

Назначение

Направление

1

8

DCD

Обнаружение несущей

I

5

9

GND

Земля

I

9

22

RI

Индикатор вызова

I

Для соединения устройств используется полная и сокращенная схемы:

  

1 – сокращенная схема: соединение двух компьютеров по DB-9, сигналы управления обменом не используются. 2 – полная схема.

Временная диаграмма обмена по данному интерфейсу:

Начало обмена тогда когда первый компьютер выставляет сигнал начала обмена DTR который приходит на DSR второго компьютера. Второй компьютер выставляет DTR о готовности принимать данные.

Все сигналы данного интерфейса заведены на программно доступные регистры и могут устанавливаться программно. Для формирования сигналов используются специальные формирователи и специальные преобразователи.

Недостатки данного интерфейса: низкая скорость обмена, ограниченность кабельной конструкции (до 25 метров), достаточно большое число линий в канале (как минимум 4).

Интерфейс RS-485. Является физической основой для построения низкоскоростных ЛВС для систем управления. Среда обмена – витая пара + дренажный кабель или экран, сигнал передаётся по дифференциальной паре. Скорость обмена достигает 10 Мбит/с, количество приёмо-передатчиков – до 32, топология сети – общая шина, максимальная протяжённость линии – до 10 км.

Подключение устройств приёмо-передатчиков:

Для RS485 очень важна проблема заземления (если логические нули объединить, то разность потенциалов может достигать сотен вольт). Решение:

1. использование кабеля с экраном (подсоединяют к земле только в одной точке);

2. использование дренажного кабеля (дополнительная линия) для выравнивания потенциала;

3. использование гальванической изоляции приёмо-передатчиков (используется в СУ, иногда совместно с остальными). Достоинство: отсоединяет земли на расстоянии светового барьера.

Чаще используют первый и второй методы. Также необходимы дополнительные меры по защите от импульсных помех (молний): используются специальные газоразрядные устройства.

Интерфейс USB – универсальная последовательная шина, которая обеспечивает высокоскоростной обмен информацией между хост-системой и периферийными устройствами.

Особенности данного интерфейса:

1) более быстрая шина, в отличие от интерфейса RS-232;

2) простота использования;

3) более высокая стоимость.

В качестве топологии, используется топология дерева:

 

Host – чип, который является мостом между шинами PCI и портом USB. Обмен инициируется хостом.  Концентраторы (hub) – интеллектуальные устройства, которые обеспечивают функции передачи и некоторые функции управления потоком данных. По шине USB нельзя объединять более 1 активного устройства. Сами устройство и программное обеспечение разбиты на 3 уровня:

Каждое устройство при подключении к шине USB автоматически получает свой уникальный номер, который и составляет адрес данного устройства. Логически, каждое устройство USB представляет собой набор независимых точек, называемых EP (end point), с которыми Host выполняет обмен информацией.

Каждая точка имеет свой номер и описывается следующими параметрами:

1) Требуемая частота доступа к данному устройству (точке);

2) Допустимые задержки обслуживания;

3) Требуемая полоса пропускания канала;

4) Максимальные размеры принимаемых и передаваемых пакетов;

5) Тип передачи и направление передачи (используется при передаче массивов информации).

Все обмены с устройствами USB состоят из 2-3 пакетов, и называются транзакциями. Каждая транзакция начинается по инициативе host-машины, которая посылает специальный пакет-маркер (token packet), описывающий тип, направление передачи, адрес устройства USB и номер конечной точки.

В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемой точкой и хостом. Если адресуемое устройство распознает свой адрес, оно готовится к обмену. Источник данных передает информацию или выдает уведомление о том, что отказывается от обмена. После успешного приема пакета приемник посылает специальный пакет квитирования или подтверждения (handshake packet). Далее контроллер циклически формирует кадры, в которые укладываются все запланированные транзакции. Каждый кадр начинается со стартовой посылки SOF и заканчивается специальным сигналом EOF.

В каждом кадре может быть выполнено несколько транзакций, число которых зависит от длины поля данных. Для обнаружения ошибок каждый пакет имеет поле CRC, позволяющее обнаруживать 1-2 ошибки и выполнять повторную передачу (до 3 раз).

Физический канал:

4-х проводной провод с дифференциальной парой для передачи данных. Полоса пропускания USB 1.0 – 12 Мбайт/с, 2.0 – 60 Мбайт/c. Максимальная длина кабеля – до 5 метров. Скорость передачи зависит от длины кабеля и его экранирования. Главная особенность интерфейса – подключение только одной хост машины. Невозможно подключение более 1 активного устройства (компьютера).

Интерфейс FireWire (IEEE-1394): высокопроизводительная последовательная шина, которая позволяет объединять в сеть более 1 активного устройства. Разрабатывался как дешевая альтернатива интерфейсу SCSI и предназначался для построения домашних сетей.

Основные отличительные особенности:

1) многофункциональность (количество подключаемых устройств - до 64);

2) высокая скорость обмена за счёт использования оптоволокна (до 2,1 Гбайт/с);

3) расширенный режим Plug And Play;

4) возможность передавать в реальном масштабе времени видео и аудио;

5) гибкая топология (звезда/дерево/цепочка);

6) низкая цена кабеля и компонентов.

Физическая среда:

6-проводный кабель, с двумя дифференциальными парами – на приём и на передачу. Стандарт определяет 2 категории шин: кабельные (обычная шина, обеспечивающая взаимодействие нескольких устройств) и кросс-шины (параллельный внутренний интерфейс устройств). Для данного интерфейса также предусмотрено использование так называемых мостов, обеспечивающих соединение шин.

Данный протокол реализуется на трех уровнях:

  1.  Уровень транзакций – преобразование пакетов в данные и наоборот;
  2.  Уровень связи – формирование пакетов из данных физического уровня и наоборот;
  3.  Физический уровень – прием и передача сигналов на шину.

12. Периферийные устройства. Клавиатура, мышь

Клавиатура. Основной элемент – кнопка. Существует несколько способов реализации: механические и сенсорные датчики, основанные на эффекте холла.

По способу получения кода нажатой клавиши клавиатуры бывают на кодирующего и сканирующего типа. В клавиатурах кодирующего типа матрица контактов клавиш подключена к входам шифратора, нажатие соответствующей клавиши вызывает сигнал на выходе. В сканирующих – в цикле опрашиваются все клавиши.

При обнаружении нажатой клавиши фиксируется номер такта внутри цикла, который является идентификационным номером клавиши. При нажатии клавиши сигнал регистрируется контроллером клавиатуры и передается на системную плату в виде скан-кодов. Скан-код – однобайтовое слово, которое представляет идентификационный код клавиши. Фактически генерируются скан-коды нажатия и отжатия. При нажатии скан-код клавиши оказывается в буфере вывода и в контроллер подается запрос на прерывание. В ответ на этот запрос процессор реализует процедуру прерывания. Программа обработки прерывания содержится в BIOS. Если из буфера считывается скан-код нажатия, но не считывается скан-код отжатия, то происходит размножение символа.

Физическая среда: питание +5В; земля; сброс; двунаправленная линия данных; тактовая частота.

Клавиатура сканирующего типа на 8 клавиш:

В центре программно доступный буфер с 3 состояниями. На базе этой схемы можно реализовать схему по прерыванию. В этом случае процессор не будет участвовать в обмене.

При использовании клавиатуры часто может возникать эффект дребезга. Существует несколько способов борьбы с дребезгом, они делятся на программные и аппаратные: например, применяется специальная аппаратура (RC цепочка, триггер Шмита). Достоинством является то, что здесь не требуется процессорного времени, недостаток – введение дополнительно аппаратуры. Суть программных способов: при нажатии клавиши программа выполняет задержку на некоторый интервал времени, по истечении которого проверяет нажатие клавиши и если оно все еще есть, то считаем, что клавиша действительно нажата. Второй способ – постоянно выполняется проверка нажатия, и подтверждении нажатия несколько раз, считается, что клавиша была нажата.

Клавиатура сканирующего типа:

Если требуется реализовать клавиатуру, где большое количество клавиш, то реализуется структура в виде матриц. Реализуется постоянное сканирование с помощью декодера и мультиплексора, затем скан-код поступает на специальный процессор и либо в процессор, либо на световые индикаторы.

Канал связи представляет собой последовательный канал, данные передаются с помощью старт стопного способа передачи. В этом последовательном канале присутствует тактовая частота.

Мышь – процессорное устройство, в основе которого лежит процессор i8048. Характеристики:

1) количество кнопок: 2, 3 и так далее;

2) разрешение;

3) тип интерфейса, по которому они соединяются с компьютером: COM (RS-232), PS/2, USB.

Устройство мыши:

В основе лежит контроллер, два светодиода, кнопки, некоторая интерфейсная схема и источник питания.

Мыши бывают оптико-механические (есть некоторая механика, которая позволяет определять положение) и оптические (по углу отражения анализируется перемещения).

13. Параллельные ВС. Основные архитектуры параллельной обработки

Преимущество использования многопроцессорных систем: архитектура дает большую гибкость, здесь могут работать однозадачная и многозадачная, однопользовательская и многопользовательская системы.

Расширенная классификация (по Флину) многопроцессорных систем:

1) ОКОД – одна команда – одно данное (SISD). Обычная фон-неймановская вычислительная машина:

Поток данный, поток команд, процессор и запоминающее устройство. 

2) Конвейерные и векторные процессоры. Используются для векторных команд, когда одна и та же операция применяется ко всем элементам вектора. При работе данных видов процессора требуется дополнительное время для начальной инициализации работы, а затем данные с высокой скоростью поступают в процессор и обрабатываются в своем операционном устройстве. Данный тип процессоров увеличивает производительность процессоров при работе с векторами.

3) Матричные процессоры – SIMD (Single Instruction Stream Multiple Data Stream). Состоят из большого количества идентичных процессорных элементов, которые имеют свою память и выполняют одну и ту же команду. Схожа с моделью конвейерного и векторного процессора, но здесь в качестве вычислительного блока используется отдельные процессорные элементы. Данные процессоры также используются на векторных операциях и при выполнении нескольких итераций цикла.

4) Многопроцессорные системы класса, MIMD или МКМД. В данном случае в качестве процессоров типа MIMD используются процессоры типа SISD, и требуется обеспечить их взаимодействие.

В зависимости от связей процессоров выделяют 2 класса многопроцессорных систем: с общей памятью (в системе имеется память, которая доступна всем процессорным элементам) и с обменом посредством сообщений (отсутствует общая память, синхронизация и передача сообщений осуществляется по высокоскоростной сети).

5) Вычислительные системы типа MSIMD – многопроцессорные системы с матричными процессорами. Используются в суперкомпьютерах, где одновременно выполняется декомпозиция команд на одном из процессоров и одновременно несколько задач распределяются на несколько матричных процессорах.

6) MPP – многомашинная система, где в качестве элемента системы выступает один компьютер. Данные системы строятся аналогично многопроцессорным системам с обменом посредством сообщений.

14. Параллельные ВС. Архитектура с общей памятью. Архитектура с распределенной памятью

В многопроцессорных системах масштабирование осуществляется за счет процессоров, в многомашинных системах – за счет компьютеров.

UMA – многопроцессорные системы с общей памятью;

NUMA – многопроцессорные система с распределенной памятью;

COMA – архитектура только с кэш-памятью. Локальная память каждого процессора построена как большая кэш-память для быстрого доступа со стороны процессора;

CC-NUMA – архитектура с кэш-когерентным доступом к памяти;

NCC-NUMA – архитектура с кэш-некогерентным доступом к памяти.

Схема: каждый процессор рассматривает общее ЗУ как свою локальную память, и в нем выделяются локальные буферы для обмена между процессорами. Для повышения пропускной способности каждый процессор снабжается своей КЭШ-памятью и при работе контроллер КЭШ-памяти должен отслеживать все изменения в общей памяти и по мере необходимости перезаписывать данные в памяти.

Возникает проблема когерентности данных. Для обеспечения когерентности между КЭШ и основной памятью используются: сквозная запись либо запись с буферированием. Для обеспечения когерентности между КЭШ применяются свои методы: запись с аннулированием (при изменении информации в кэш-памяти посылается сигнал об очищении информации во всех остальных КЭШ), запись с обновлением или запись с трансляцией (данные обновляются в оставшихся КЭШ).

Достоинства:

1) Простота обмена с общей памятью;

2) Простота программирования;

3) Низкая задержка обмена, так как для обмена используется только системная шина, и не используется никакая периферия.

Данная система имеет существенные недостатки:

1) Плохая масштабируемость: максимум до 64 процессоров, обычно 4-8;

2) Низкая надежность, так как при нарушении ЗУ вся работа нарушается.

Многопроцессорная система с обменом посредством сообщений.

Архитектура системы имеет следующую структуру:

Контроллер сети (КС) – обеспечивает связь с высокоскоростной сети;

ЛОЗУ – локальная память для процессора;

КЭШ всех процессоров в совокупности рассматриваются как глобальная память системы.

Архитектура COMA. Данные здесь не связаны статически, то есть они не привязаны к определенному модулю памяти – они переносятся из одного КЭШа процессора в другой, затребовавший эти данные.

Архитектура CC-NUMA. Используется обычная физически распределенная память. Здесь не происходит никакого копирования ячеек памяти и нет никакой передачи сообщений. Существует одна карта памяти, то есть данные привязаны к модулю. Данные, если требуется, копируются в кэш и перезаписываются в локальную ОЗУ – туда, откуда они были взяты. Функции когерентности выполняет аппаратура.

Архитектура NCC-NUMA. Наличие единого адресного пространства, но нет согласования глобальных данных на аппаратном уровне.

Достоинства:

1) Данная архитектура хорошо масштабируется. До 256 процессоров, при желании возможно больше;

2) Выше надежность в отличие от многопроцессорной системы с общей памятью.

Недостатки:

1) Более медленный обмен между процессорными элементами;

2) Более сложные механизмы обмена, то есть возрастает нагрузка на программное обеспечение;

3) Требуются сложные компиляторы.

15. Системы высокой готовности. Классификация. Модели ОУС. Обнаружение сбоев и отказов

Надёжность:

- ввод избыточности программных и аппаратных средств;

- средства контроля и самодостаточности;

- устройства перераспределения вычислительных ресурсов в случае отказов.

Отказ ВС – это устойчивое неправильное функционирование аппаратных и программных средств, в следствии возникновении неисправности или появления ошибки при производстве аппаратно-программных средств.

Сбой ВС – это разовая ошибка, происходящая в случайные моменты времени неправильное функционирование, обусловленное возникающей неисправностью, возмущениями внешней среды, резкой сменой температуры и т.д.

Цель – обеспечение длительного функционирования системы, которое включает в себя следующее: повышение надежности, повышение готовности, повышение удобства обслуживания.

Обеспечение надежности основано на принципе предотвращения неисправностей путем снижения интенсивностей отказов и сбоев за счет: применения больших и сверхбольших ИС, снижения помех, обеспечения температурных режимов, совершенствования методов сборки аппаратуры.

Повышение уровня готовности предполагает подавление в определенных пределах влияния отказов и сбоев на работу системы, а так же наличие средств автоматического восстановления вычислительного процесса после проявления неисправности. Предполагается программная и аппаратная избыточность и схема контроля и исправления ошибок.

Удобство обслуживания: контролепригодность, ремонтопригодность.

Классификация отказоустойчивых систем:

1) Системы высокой готовности. Резервируются отдельные блоки или модули ВС. Время восстановления - 2-20 минут. В случае возникновения неисправности вычислительный процесс перезапускается;

2) Системы эластичные к отказам. Требуется меньше времени для восстановления, процесс вычисления начинается с некоторой контрольной точки.

3) Системы устойчивые к отказам. Резервируются все блоки системы и для каждого блока есть горячий резерв. Время восстановления – менее 1 секунды.

4) Системы непрерывной готовности. Время восстановления стремится к нулю. Имеется более одного резерва. Процессы масштабирования технического обслуживания и поддержки выполняются в режиме online. К данным системам относятся кластеры.

5) Системы устойчивые к стихийным бедствиям. В простейшем случае – некоторые резервные ПК, располагающиеся вне зоны действия основного компьютера. Данные на резервном компьютере периодически обновляются. В случае стихийного бедствия ПК запускается с резервной площадки.

Модели отказоустойчивых систем:

1) Холодный резерв: имеется полная копия основной системы, но она не развернута или не подключена к сети. В случае обнаружении неисправности система развертывается и подключается вместо основной.

2) Горячий резерв: присутствует основная и резервная система, между ними создается выделенная локальная сеть. Также имеется двухпортовый диск повышенной надежности (Д), обычно RAID массив. В случае выхода из стоя основной системы работает резервная, то есть данные с диска записываются на резервную систему, в случае если обе системы рабочие, то на резервной системе для повышения производительности могут запускаться некоторые задачи.

3) Репликация данных: есть основная система, имеющая свой диск, и резервная система с дополнительным резервным диском. В случае выхода основной системы из строя вычисление программы продолжается в резервной системе с последней сохраненной резервной точки.

 

4) Параллельный сервер: предполагает наличие некоторого монитора дисковой системы, который позволяет выполнять доступ ко всем дискам как основной, так и резервной системы объединенных в RAID-массив. Так же происходит постоянный обмен данных между ОС и РС по выделенной сети. 

Обеспечение отказоустойчивости включает в себя решение следующих проблем:

1) обнаружение отказа или сбоя;

2) поиск неисправности и определение начала неисправности;

3) выполнение отката в ту точку, когда все работало;

4) перераспределение задач с отказавших элементов на работоспособные;

5) перезапуск системы и начало функционирования с той точки, когда ещё все работало.

Каждая из этих проблем может решаться несколькими способами, причем время, за которое та или иная проблема может быть решена, зависит от программных и  аппаратных средств.

Существуют следующие методы обнаружения отказов и сбоев:

1) Методы обнаружения, совмещаемые с вычислением. Используются схемы обнаружения и исправления ошибок, специальные коды. Также обнаружение отказов выполняется с помощью специальных схем включающих в себя избыточность аппаратуры.

 

В схеме сравнения после выполнения вычисления происходит сравнение результатов. Если результаты совпали, то считается, что сбоя не произошло. Если результаты разные, считается, что произошел отказ или сбой, вычисления могут повторяться.

Более гибкая схема – схема голосования. Допустим, 2/3 сказали, что результат правильный, а 1/3 – что неправильный, то считается верным результат 2/3.

2) Методы тестового обнаружения отказов. Использование основано на сохранении во внешней памяти контрольных точек для каждого устройства, входящего в систему. Эти точки однозначно определяют положение компьютера, так чтобы вычисление можно было продолжить с места контрольной точки.

Выполнение программы: запуск программы с текущей контрольной точки, выполнение вычислений до следующей контрольной точки, диагностическое тестирование рабочей системы. При выявлении отказа или сбоя происходит восстановление последней работающей конфигурации из той, которая была запомнена в последний раз. Здесь используются специальные программы диагностики. Этот метод с одной стороны более эффективен, так как не расходуются ресурсы на повторное вычисление, но тратится на диагностику.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

52580. СХЕМА-МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СИСТЕМНОГО ПОДХОДА КАК ИНСТРУМЕНТ СИСТЕМАТИЗАЦИИ ЗНАНИЙ УЧАЩИХСЯ И ФОРМИРОВАНИЯ СИСТЕМНОГО И ТВОРЧЕСКОГО МЫШЛЕНИЯ 932.5 KB
  Отечественные и зарубежные ученые давно пытаются ответить на вопрос: каким должно быть образование, чтобы удовлетворять потребности современного мира? Почему во всем мире наблюдается глобальный кризис образования и какова основная функция школы нового тысячелетия.
52581. Усі уроки з інформатики 10 клас. Рівень стандарту 31.44 MB
  Вправи, що призначені для закріплення вивченого матеріалу, передбачають поступове наростання складності: знання теоретичного матеріалу, вміння використовувати його на практиці та застосування набутих знань у нестандартних ситуаціях
52582. Усі уроки фізики 10 клас. Академічний рівень 110.3 MB
  Закони збереження в механіці. Механічні коливання і хвилі. Релятивістська механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Основи термодинаміки. Фізичний практикум
52583. Усі уроки екології 11 клас. Профільний рівень 127.74 MB
  Мінерально-сировинні ресурси: Особливості використання, екологічні проблеми. Тенденції зміни клімату. Водокористування та його екологічні наслідки. Екологічний стан землекористування. Стан вкористання і відтворення ресурсів рослинного і тваринного світу, екологічні проблеми.
52584. Усі уроки до курсу «Філософія». 11 клас. Профільний рівень 1.04 MB
  Філософське розуміння світу: бутт я, матерія. Людина та її бутт я у світі. Філософське розуміння душі, свідомості і розуму. Соціальна філософія. Пізнання та його основні форми. Філософія економіки. Духовне житт я суспільства. Філософія культури. Повторювально-узагальнювальний урок за темою «Духовне життя суспільства. Філософія культури»...
52588. Усі уроки. Географія. 9 клас 2.53 MB
  Кількість, розміщення і густота населення, його вікова і статева структура. Національний та етнічний склад населення. Системи розселення і розвиток поселень. Трудові ресурси і зайнятість населення. Загальна характеристика господарства України. Економічний потенціал України....