вычислительные системы в информатике. вычислительные системы (копия). В россии в xvixvii веках появилось намного более передовое изобретение

• Название: В россии в xvixvii веках появилось намного более передовое изобретение
• Анкор: вычислительные системы в информатике
• Дата: 23.05.2023
• Размер: 0.79 Mb.
• Имя файла: вычислительные системы (копия).docx
• Тип: Анализ; #1153303
• страница: 6 из 12

VLIW- компьютеры могут выполнять суперскалярную обработку, т.е. одновременно выполнять две или более команд. В целом ряде структур суперЭВМ использовалась эта идея. Отметим, что и в ПЭВМ последних выпусков имеется возможность выполнения двух команд одновременно.

Эта реализация имеет две цели:

• 
  уменьшение отрицательного влияния команд ветвления вычислительного процесса путем выполнения независимых команд двух различных ветвей программы. При этом в какой-то степени исключаются срывы конвейера в обработке команд программы;
  
• 
  одновременное выполнение двух команд (независимых по данным и регистрам их хранения), например команды пересылки и арифметические операции.
  

Для реализации программного параллелизма, включающего циклы и итерации, используются матричные или векторные структуры. В них эффективно решаются задачи матричного исчисления, задачи решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля, геодезические задачи, задачи аэродинамики. Теоретические проработки подобных структур относятся к концу пятидесятых, шестидесятым годам. Данные структуры очень хорошо зарекомендовали себя при решении перечисленных задач, но они получились очень дорогими по стоимости и эксплуатации. Кроме того, в тех случаях, когда структура параллелизма отличалась от матричной, возникает необходимость передачи данных между процессорами через коммутаторы. При этом эффективность вычислений резко снижается. Подобные структуры могут использоваться как сопроцессоры в системах будущих поколений.

МКОД-структуры

Эти структуры большой практической реализации не получили. Задачи, в которых несколько процессоров могли эффективно обрабатывать один поток данных, в науке и технике неизвестны. С некоторой натяжкой к этому классу можно отнести фрагменты многофункциональной обработки, например обработку на разных процессорах команд с фиксированной и плавающей точкой.

Так же как фрагмент такой структуры, можно рассматривать локальную сеть персональных компьютеров, работающих с единой базой данных, но скорее всего это - частный случай использования МКМД-структуры.

МКМД-структуры

Они являются наиболее интересным классом структур вычислительных систем. После разочарований в структурах суперЭВМ, основанных на различном сочетании векторной и конвейерной обработки, усилия теоретиков и практиков обращены в этом направлении.

Уже из названия МКМД-структур видно, что в данных системах можно найти все перечисленные виды параллелизма. Этот класс дает большое разнообразие структур, сильно отличающихся друг от друга своими характеристиками .

Важную роль здесь играют способы взаимодействия ЭВМ или процессоров в системе.

 В сильносвязанных системах достигается высокая оперативность взаимодействия процессоров посредством общей оперативной памяти. При этом пользователь имеет дело с многопроцессорными вычислительными системами.

Наиболее простыми по строению и организации функционирования являются однородные симметричные структуры. Они обеспечивают простоту подключения процессоров и не требуют очень сложных централизованных операционных систем, размещаемых на одном из процессоров.

Однако при построении таких систем возникает много проблем с использованием общей оперативной памяти.

Число комплексируемых процессоров не может быть велико, оно не превышает 16. Для уменьшения числа обращений к памяти и конфликтных ситуаций могут использоваться многоблочное построение ОП, функциональное закрепление отдельных блоков за процессорами, снабжение комплексируемых процессоров собственной памятью типа “кэш”. Но все эти методы не решают проблемы повышения производительности ВС в целом. Аппаратурные затраты при этом существенно возрастают, а производительность систем увеличивается незначительно.

Появление мощных микропроцессоров типа “Pentium” привело к экспериментам по созданию многопроцессорных систем на их основе. Так, для включения мощных серверов в локальные сети персональных компьютеров была предложена несколько измененная структура использования ООП  -  SMP(Shared Memory multiProcessing - мультипроцессирование с разделением памяти). На общей шине оперативной памяти можно комплексировать до четырех микропроцессоров.

Слабосвязанные МКЦД-системы могут строиться как многомашинные комплексы или использовать в качестве средств передачи информации общее поле внешней памяти на дисковых накопителях большой емкости.

Невысокая оперативность взаимодействия заранее предопределяет ситуации, в которых число межпроцессорных конфликтов при обращении к общим данным и к друг другу было бы минимальным. Для этого необходимо, чтобы ЭВМ комплекса обменивались друг с другом с небольшой частотой, обеспечивая автономность процессов (программы и данные к ним) и параллелизм их выполнения. Только в этом случае обеспечивается надлежащий эффект. Эти проблемы решаются в сетях ЭВМ.

Успехи микроинтегральной технологии и появление БИС и СБИС позволяют расширить границы и этого направления. Возможно построение систем с десятками, сотнями и даже тысячами процессорных элементов, с размещением их в непосредственной близости друг от друга. Если каждый процессор системы имеет собственную память, то он также будет сохранять известную автономию в вычислениях. Считается, что именно такие системы займут доминирующее положение в мире компьютеров в ближайшие десять-пятнадцать лет.

Подобные ВС получили название систем с массовым параллелизмом (МРР - Mass-Parallel Processing).

Все процессорные элементы в таких системах должны быть связаны единой коммутационной средой. Нетрудно видеть, что здесь возникают проблемы, аналогичные ОКМД-системам, но на новой технологической основе.

Передача данных в МРР-системах предполагает обмен не отдельными данными под централизованным управлением, а подготовленными процессами (программами вместе с данными).

 Этот принцип построения вычислений уже не соответствует принципам программного управления классической ЭВМ. Передача данных процесса по его готовности больше соответствует принципам построения “потоковых машин” (машин, управляемых потоками данных). Подобный подход позволяет строить системы с громадной производительностью и реализовывать проекты с любыми видами параллелизма, например перейти к “систолическим вычислениям” с произвольным параллелизмом.

Однако для этого необходимо решить целый ряд проблем, связанных с описанием, программированием коммутаций процессов и управлением ими. Математическая база этой науки в настоящее время практически отсутствует.

Классификация и архитектура вычислительных сетей.

Вычислительные сети классифицируются по :

а)     территориальной распространенности:

• 
  локальные сети (LAN, Local Area Network);
  
• 
  городские сети (MAN, Metropolitan Area Network);
  
• 
  глобальные вычислительные сети (WAN, Wide Area Network);
  

 б)    типу функционального взаимодействия:

• 
  клиент-сервер;
  
• 
  многослойная архитектура;
  
• 
  точка-точка;
  
• 
  одноранговая.
  

в)    типу сетевой топологии:

• 
  шина;
  
• 
  звезда;
  
• 
  кольцо;
  
• 
  решётка;
  
• 
  смешанная топология.       
  

г)   функциональному назначению:

• 
  сети хранения данных;
  
• 
  серверные фермы;
  
• 
  сети управления процессом;
  
• 
  сети SOHO.
  

д) по типу среды передачи:

• 
  проводные;
  
• 
  коаксиальные;
  
• 
  на витой паре;
  
• 
  оптоволоконные.
  
• 
  беспроводные:
  
• 
  с передачей информации по радиоканалам;
  
• 
  в  инфракрасном диапазоне.
  

Глобальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на различных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи. Глобальные вычислительные сети позволяют решить проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к этим ресурсам.

Региональная( городская ) вычислительная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Она может включать абонентов внутри большого города, экономического региона, отдельной страны. Обычно расстояние абонентами региональной вычислительной сети составляет десятки - сотни километров.

Локальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов локальной вычислительной сети. Обычно такая сеть привязана к конкретному месту. К классу локальных вычислительных сетей относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов и т. д. Протяженность такой сети можно ограничить пределами 2 - 2,5 км.

Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии. Они обеспечивают мощные, экономически целесообразные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам.

На рисунке 6.1.приведена одна из возможных иерархий вычислительных сетей.

Локальные вычислительные сети могут входить как компоненты в состав региональной сети, региональные сети - объединяться в составе глобальной сети и, наконец, глобальные сети могут также образовывать сложные структуры.



Рис. 6.1. Иерархия вычислительных сетей

 

Персональные компьютеры, ставшие в настоящее время непременным элементом любой системы управления, привели к буму в области создания локальных вычислительных сетей. Это, в свою очередь, вызвало необходимость в разработке новых информационных технологий.

Практика применения персональных компьютеров в различных отраслях науки, техники и производства показала, что наибольшую эффективность от внедрения вычислительной техники обеспечивают не отдельные автономные ПК, а локальные вычислительные сети.

 Архитектура сети определяет технологию передачи данных в сети.

 Наиболее распространены следующие архитектуры:

• 
  Ethernet;
  
• 
  Token ring;
  
• 
  ArCNET;
  
• 
  FDDI.
  

Ethernet  -  технология появилась во второй половине 70-х годов. Ее разработали совместно фирмы DEC, Intel и Xerox. В настоящее время эта технология наиболее доступна и популярна.

a)     Топология - шина, звезда;

b)    Среда передачи данных - коаксиал, витая пара;

c)     Скорость передачи данных - до 100 Мбит/с;

d)    Длина кабельного сегмента сети - не более 100 м до хаба.

Принципы работы:
Никому не разрешается посылать сообщения в то время, когда этим занят уже кто-то другой (слушай перед тем, как отправить).
Если два или несколько отправителей начинают посылать сообщения примерно в один и тот же момент, рано или поздно их сообщения "столкнутся" друг с другом в проводе, что называется коллизией.

Коллизии нетрудно распознать, поскольку они всегда вызывают сигнал помехи, который не похож на допустимое сообщение. Ethernet может распознать помехи и заставляет отправителя приостановить передачу, подождать некоторое время, прежде чем повторно отправить сообщение.

 Достоинства Ethernet:

• 
  Дешевизна.
  
• 
  Большой опыт использования.
  
• 
  Продолжающиеся нововведения.
  
• 
  Богатство выбора. Многие изготовители предлагают аппаратуру построения сетей, базирующуюся на Ethernet.
  

 Недостатки Ethernet:

• 
  Возможность столкновений сообщений (коллизии, помехи);
  
• 
  В случае большой загрузки сети время передачи сообщений непредсказуемо.
  

 

Token ring  - является более молодой, по сравнению с Ethernet.

Она была разработана фирмой IBM. Технология ориентирована на кольцо, по которому постоянно движется маркер. Маркер представляет собой особого рода пакет, предназначенный для синхронизации передачи данных.

a)     Топология - кольцо;

b)    Среда передачи данных - коаксиал, витая пара;

c)     Скорость передачи данных - до 100 Мбит/с;

d)    Длина кабельного сегмента сети - не более 185 м до коммутатора.

Принципы работы:
Каждый абонент сети работает в Token ring согласно принципу "Ждать маркера, если необходимо послать сообщение, присоединить его к маркеру, когда он будет проходить мимо. Если проходит маркер, снять с него сообщение и послать маркер дальше".

 Достоинства Token ring:

• 
  гарантированная доставка сообщений;
  
• 
  высокая скорость.
  

 Недостатки Token ring:

• 
  Необходимы дорогостоящие устройства доступа к сети;
  
• 
  Высокая сложность технологии реализации сети;
  
• 
  Необходимы 2 кабеля (для повышения надежности): один входящий, другой исходящий от компьютера к концентратору (2-я модификация кольца, коммутатор);
  

Высокая стоимость (160-200% от Ethernet).

ArCNET - Attached resource Computer Network - маркер шины.

Технология ArCNET была разработана фирмой Datapoint Corporation.

a)     Топология - шина, звезда;

b)    Среда передачи данных - коаксиал, витая пара;

c)     Скорость передачи данных - до 10 Мбит/с;

d)    Длина кабельного сегмента сети - не более 185 м.

Принцип работы:
Принцип работы сети ArCNET аналогичен Token ring, т.е. используется маркер для разрешения АбС передать информацию в соответствующий момент времени. Однако "способ" реализации маркера здесь отличен от Token ring. Кроме того, технология ArCNET ориентирована на шину (в случае коаксиального кабеля) или звезду (при наличии витой пары проводов).

 Достоинства ArCNET:

• 
  невысокая стоимость(самая дешевая);
  
• 
  простота использования;
  
• 
  гибкость.
  

 Недостатки ArCNET:

• 
  низкое быстродействие (1/4 Ethernet, 1/2 - 1/7 Token ring);
  
• 
  плохо работает в условиях мультимедиа, режиме реального времени;
  
• 
  отсутствуют перспективы развития.
  

FDDI  -   Fiber Distributed Data Interface  -  волоконно-оптический распределенный механизм передачи данных. Технологи FDDI появилась в середине 80-х годов и ориентирована на волоконную оптику.

a)     Топология - кольцо;

b)    Среда передачи данных - оптоволоконные линии;

c)     Скорость передачи данных - от 100 Мбит/с;

d)    Длина кабельного сегмента сети - не более 200км.

Принцип работы:
FDDI поддерживает сеть с передачей маркера. FDDI опирается на 1-ю модификацию циклического кольца (2 кольца: в первом сообщения передаются по часовой стрелке; во втором - против).

 Достоинства FDDI:

• 
  очень высокая скорость передачи;
  
• 
  кольцо может быть окружностью до 200 км. и включать до 1000 устройств.
  

 Недостатки FDDI:

высокая стоимость (подключение одной рабочей станции - $1000 - $2000)

Техническое и аппаратное обеспечение сетей.

Любая коммуникационная сеть должна включать следующие основные компоненты: передатчик, сообщение, средства передачи, приемник.

Передатчик  -  устройство, являющееся источником данных.

Приемник-  устройство, принимающее данные.

Приемником могут быть компьютер, терминал или какое-либо цифровое устройство.

 Сообщение-  цифровые данные определенного формата, предназначенные для передачи.

Это может быть файл базы данных, таблица, ответ на запрос, текст или изображение.

Средства передачи-  физическая передающая среда и специальная аппаратура, обеспечивающая передачу сообщений.

Для передачи сообщений в вычислительных сетях используются различные типы каналов связи. Наиболее распространены выделенные телефонные каналы и специальные каналы для передачи цифровой информации. Применяются также радиоканалы и каналы спутниковой связи.

Особняком в этом отношении стоят ЛВС, где в качестве передающей среды используются витая пара проводов, коаксиальный кабель и оптоволоконный кабель.

Для характеристики процесса обмена сообщениями в вычислительной сети по каналам связи используются следующие понятия: режим передачи, код передачи, тип синхронизации.

Режим передачи.

Существуют три режима передачи: симплексный, полудуплексный и дуплексный.

Симплексный режим- передача данных только в одном направлении.

Примером симплексного режима передачи является система, в которой информация, собираемая с помощью датчиков, передается для обработки на ЭВМ. В вычислительных сетях симплексная передача практически не используется.

Полудуплексный режим -  попеременная передача информации, когда источник и приемник последовательно меняются местами .

Яркий пример работы в полудуплексном режиме - разведчик, передающий в Центр информацию, а затем принимающий инструкции из Центра.

Дуплексный режим  -  одновременные передача и прием сообщений.

Дуплексный режим является наиболее скоростным режимом работы и позволяет эффективно использовать вычислительные возможности быстродействующих ЭВМ в сочетании с высокой скоростью передачи данных по каналам связи.

Пример дуплексного режима - телефонный разговор.

 



Аппаратные средства

Чтобы обеспечить передачу информации из ЭВМ в коммуникационную среду, необходимо согласовать сигналы внутреннего интерфейса ЭВМ с параметрами сигналов, передаваемых по каналам связи. При этом должно быть выполнено как физическое согласование (форма, амплитуда и длительность сигнала), так и кодовое.

Технические устройства, выполняющие функции сопряжения ЭВМ с каналами связи, называются адаптерами или сетевыми адаптерами.

Один адаптер обеспечивает сопряжение с ЭВМ одного канала связи.

Кроме одноканальных адаптеров используются и многоканальные устройства - мультиплексоры передачи данных или просто мультиплексоры.

Мультиплексор передачи данных - устройство сопряжения ЭВМ с несколькими каналами связи.

Мультиплексоры передачи данных использовались в системах телеобработки данных -  первом шаге на пути к созданию вычислительных сетей.

 В дальнейшем при появлении сетей со сложной конфигурацией и с большим количеством абонентских систем для реализации функций сопряжения стали применяться специальные связные процессоры.

Как уже говорилось ранее, для передачи цифровой информации по каналу связи необходимо поток битов преобразовать в аналоговые сигналы, а при приеме информации из канала связи в ЭВМ выполнить обратное действие - преобразовать аналоговые сигналы в поток битов, которые может обрабатывать ЭВМ.

Такие преобразования выполняет специальное устройство - модем.

Модем - устройство, выполняющее модуляцию и демодуляцию информационных сигналов при передаче их из ЭВМ в канал связи и при приеме в ЭВМ из канала связи.

Наиболее дорогим компонентом вычислительной сети является канал связи. Поэтому при построении ряда вычислительных сетей стараются сэкономить на каналах связи, коммутируя несколько внутренних каналов связи на один внешний.

Для выполнения функций коммутации используются специальные устройства - концентраторы.

Концентратор- устройство, коммутирующее несколько каналов связи на один путем частотного разделения.

В ЛВС, где физическая передающая среда представляет собой кабель ограниченной длины, для увеличения протяженности сети используются специальные устройства - повторители.

Повторитель- устройство, обеспечивающее сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче его на большее, чем предусмотрено данным типом физической передающей среды, расстояние.

Существуют локальные и дистанционные повторители.

 Локальные повторители позволяют соединять фрагменты сетей, расположенные на расстоянии до 50 м, а дистанционные - до 2000 м.