КААВ. Информационные процессы в компьютере. Архитектура вычислительных систем. Презентация подготовлена учителем информатики

• Название: Информационные процессы в компьютере. Архитектура вычислительных систем. Презентация подготовлена учителем информатики
• Дата: 16.02.2022
• Размер: 0.79 Mb.
• Имя файла: 00056e91-495c6471.pptx
• Тип: Презентация; #364556

Информационные процессы в компьютере. Архитектура вычислительных систем.

Презентация подготовлена учителем информатики

МОУ «СОШ с. Багаевка Саратовского района Саратовской области имени Героя Советского Союза Н. В. Котлова»

Кузнецовой

Еленой Владимировной

16.02.2022

Историю развития ЭВМ принято делить на поколения

Переход от одного поколения к другому связан со сменой элементной базы, на которой создавались машины, с изменением архитектуры ЭВМ, с развитием основных технических характеристик (скорости вычислений, объёма памяти и др.), с изменением области применения и способов эксплуатации машин.
Под архитектурой ЭВМ понимаются наиболее общие принципы построения компьютера, реализующие программное управление его работой и взаимодействие основных функциональных узлов.

Венгеро-американский математик еврейского происхождения, сделавший важный вклад в квантовую физику, квантовую логику, функциональный анализ, теорию множеств, информатику, экономику и другие отрасли науки. (Википедия)

Однопроцессорная архитектура ЭВМ

Элементная база ЭВМ I поколения – электронные лампы, II поколения – полупроводниковые элементы. Их архитектура схожа и в большей степени соответствовала принципам фон Неймана. Один процессор управлял работой всех устройств.

• Согласно принципам фон Неймана, исполняемая программа хранится во внутренней памяти – в ОЗУ. Там же находятся данные, с которыми работает программа. Каждая команда программы и каждая величина занимают определенные ячейки памяти.

• При однопроцессорной архитектуре ЭВМ, процессор отдав команду внешнему устройству, ожидает завершения её выполнения. При большом числе обращений к внешним устройствам может оказаться, что большую часть времени выполнения программы процессор «простаивает» и, следовательно его КПД оказывается низким. Быстродействие ЭВМ с такой архитектурой находилось в пределах 10-20 тысяч операций в секунду (оп./с).

Использование периферийных процессов

• Следующий шаг в развитии архитектуры ЭВМ – отказ от однопроцессорного устройства. На последних моделях машин II поколения, помимо центрального процессора (ЦП), выполнявшего обработку данных, присутствовали периферийные процессоры, которые назывались каналами ввода/вывода. Их задача – в автономном управлении устройствами ввода/вывода и внешней памяти, что освобождало от этой работы центральный процессор. В результате КПД ЦП возрос. Быстродействие некоторых моделей с такой архитектурой составляло от 1 до 3 млн. оп./с.

На всех моделях ЭВМ III поколения, которые создавались на базе интегральных схем (1970-80г.г), использовалась архитектура с одним ЦП и периферийными процессорами внешних устройств. Благодаря совершенствованию элементной базы и др. аппаратных средств на некоторых моделях III поколения достигалось быстродействие до 10 млн. оп./с Такая многопроцессорная архитектура позволяла реализовать мультипрограммный режим работы: пока одна программа занята вводом/вывода данных, которым управляет периферийный процессор, другая программа занимает центральный процессор, выполняет вычисления.

Архитектура ПК

Для связи между отдельными функциональными узлами ПК используется общая информационная магистраль – системная шина, которая состоит из 3-х частей:

-Шина данных (для передачи данных);

-Шина адреса (для передачи адресов устройств);

- Шина управления (для передачи управляющих сигналов, синхронизирующих работу разных устройств).

Важное достоинство такой архитектуры – возможность подключения к компьютеру новых устройств или замена старых устройств на более современные. Это называется принципом открытой архитектуры.

Для каждого типа и модели устройств используется свой контроллер, а в составе ОС имеется управляющая программа (драйвер устройства)

В 2005 г. был создан первый двухядерный микропроцессор.

Каждое ядро способно выполнять функции центрального процессора.

Эта особенность архитектуры позволяет производить на ПК параллельную обработку данных, что существенно увеличивает его производительность.

Выпускаемые в настоящее время микропроцессоры содержат до 8 ядер.

Архитектура ненеймановских вычислительных систем

В процессе развития происходят некоторые отклонения от фон-неймановской архитектуры.

Несмотря на нарастающую производительность ЭВМ, которые каждые 4-5 лет по важнейшим показателям практически удваивается, всегда есть классы задач, для которых никакой производительности не хватает.

• Математические расчёты, лежащие в основе реализации математических моделей многих процессов. Гигантские вычислительные ресурсы, которые нужно реализовать очень быстро, необходимы для более надежного и долгосрочного прогноза погоды, для решения аэрокосмических задач, для решения инженерных задач.
• Поиск информации в гигантских БД.
• Моделирование интеллекта – при всех фантастических показателях, объем оперативной памяти современных компьютеров составляет лишь малую долю объема памяти человека.
• Быстродействие компьютера с одним ЦП имеет физическое ограничение: повышение тактовой частоты процессора ведет к повышению тепловыделения, которое не может быть неограниченным.

Зачем компьютеру несколько процессоров?

• Есть массив из 100 чисел: а1, а2,…., а100. Найти их сумму S.

Решаем задачу не в одиночку, а всем классов.

Что надо изменить в устройстве компьютера, чтобы он смог так работать?

• Для реализации подобной схемы вычислений компьютеру потребуется 25 процессоров, объединенных в одну архитектуру и способных работать параллельно.

Такие многопроцессорные вычислительные комплексы – реальность сегодняшнего времени.

• Представим, что в схеме мы дорисовали ещё 24 ЦП, соединенных шиной. В этом случае при реализации команды 3 произойдет одновременное обращение 25 процессоров к центральной шине для пересылки результатов сложения в оперативную память. На шина одна, числа в ней могут передаваться по одному, значит будет очередь на передачу чисел в память.

Вопросы:

• Не сведет ли к нулю эта очередь все преимущества от параллельности выполнения операций в шаге 2?
• Если преимущества останутся, то насколько они велики?
• Окупятся ли расход на 24 дополнительных процессора?

Возникает мысль: ввод в архитектуру нескольких системных шин, а может и нескольких устройств оперативной памяти.

Обсуждаемые изменения приводят к «ненеймановской» архитектурам.

Ведущий принцип ненеймановских вычислительных систем:

• Отказ от последовательного выполнения операций.

Техническое решение: мультипроцессорные системы – суперкомпьютеры: мультикомпьютерные системы (кластеры).

Программное решение: параллельное программирование - выделение в программе нескольких одновременно выполняемых действий (распараллеливание).

Задания для самостоятельной работы к следующему уроку (на выбор учащихся)

• Реферат «Архитектура персонального компьютера»
• Презентация «Суперкомпьютеры и их применение»