Уроки 25 - 26
Информационные процессы в компьютере

Из курса основной школы вам известно:

Серийное производство электронных вычислительных машин (ЭВМ) начинается в разных странах в 1950-х годах. 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, объема памяти и др.), с изменением областей применения и способов эксплуатации машин.

Под архитектурой ЭВМ понимаются наиболее общие принципы построения компьютера, реализующие программное управление его работой и взаимодействие основных функциональных узлов.

В основе архитектуры ЭВМ разных поколений лежат принципы Джона фон Неймана. Однако в процессе развития происходят некоторые отклонения от фон-неймановской архитектуры.

Однопроцессорная архитектура ЭВМ

Элементной базой ЭВМ первого поколения (1950-годы) были электронные лампы, а ЭВМ второго поколения (1960-е годы) создавались на базе полупроводниковых элементов. Однако их архитектура была схожей. Она в наибольшей степени соответствовала принципам фон Неймана. В этих машинах один процессор управлял работой всех устройств: внутренней и внешней памяти, устройств ввода и вывода, как показано на рис. 2.4.

Согласно принципам фон Неймана, исполняемая программа хранится во внутренней памяти — в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Там же находятся данные, с которыми работает программа. Каждая команда программы и каждая величина (элемент данных) занимают определенные ячейки памяти, как показано на рис. 2.5.

Процессор начинает выполнение программы с первой команды и заканчивает на команде остановки, назовем ее STOP. При выполнении очередной команды процессор извлекает из памяти обрабатываемые величины и заносит их в специальные ячейки внутренней памяти процессора — регистры. Затем выполняется команда, например складываются два числа, после чего полученный результат записывается в определенную ячейку памяти. Процессор переходит к выполнению следующей команды. Исполнение программы закончится, когда процессор обратится к команде STOP.

Среди команд программы существуют команды обработки данных и команды обращения к внешним устройствам. Команды обработки данных выполняет сам процессор с помощью входящего в него арифметико-логического устройства — АЛУ, и этот процесс происходит сравнительно быстро. А команды управления внешними устройствами выполняются самими этими устройствами: устройствами ввода/вывода, внешней памятью. Время выполнения этих команд во много раз больше, чем время выполнения команд обработки данных. При однопроцессорной архитектуре ЭВМ, показанной на рис. 2.4, процессор, отдав команду внешнему устройству, ожидает завершения ее 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 процессоров

Следующим шагом в развитии архитектуры ЭВМ стал отказ от однопроцессорного устройства. Уже на последних моделях машин второго поколения, помимо центрального процессора (ЦП), выполнявшего обработку данных, присутствовали периферийные процессоры, которые назывались каналами ввода/вывода (рис. 2.6). Их задача состояла в автономном управлении устройствами ввода/вывода и внешней памяти, что освобождало от этой работы центральный процессор. В результате КПД центрального процессора существенно возрос. Быстродействие некоторых моделей машин с такой архитектурой составляло от 1 до 3 млн оп./с.

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

Для разделения ресурсов ЭВМ между несколькими выполняемыми программами потребовалось создание специального программного обеспечения: операционной системы (ОС). К разделяемым ресурсам, прежде всего, относятся время работы центрального процессора и оперативная память. Задача ОС состоит в том, чтобы разные программы, выполняемые одновременно на ЭВМ, «не мешали» друг другу и чтобы КПД центрального процессора был максимальным, иначе говоря, чтобы ЦП не «простаивал». ОС берет на себя также заботу об очередности использования несколькими программами общих внешних устройств: внешней памяти, устройств ввода/вывода.

Архитектура персонального компьютера

Персональный компьютер (ПК) — самый распространенный в наше время тип компьютера. Появление ПК связано с созданием микропроцессоров, которое началось в 1970-х годах. До недавнего времени в устройстве ПК существовал один центральный процессор и множество периферийных процессоров, управляющих внешними устройствами, которые называются контроллерами. Архитектура такого ПК изображена на рис. 2.7.

Для связи между отдельными функциональными узлами ПК используется общая информационная магистраль, которая называется системной шиной.

Системная шина состоит из трех частей:

• шина данных (для передачи данных);
• шина адреса (для передачи адресов устройств, которым передаются данные);
• 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 устройства используется свой контроллер, а в составе операционной системы имеется управляющая программа, которая называется драйвером устройства.

Открытая архитектура персонального компьютера — это архитектура, предусматривающая модульное построение компьютера с возможностью добавления и замены отдельных устройств».

Важное событие в совершенствовании архитектуры ПК произошло в 2005 году: был создан первый двухъядерный 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

Несмотря на стремительно нарастающую производительность ЭВМ, которая каждые 4 5 лет по важнейшим показателям практически удваивается, всегда есть классы задач, для которых никакой производительности не хватает. Укажем некоторые из них.

1. Математические расчеты, лежащие в основе реализации математических моделей многих процессов. Гигантские вычислительные ресурсы, которые можно реализовать очень быстро (как иногда говорят, в реальном масштабе времени), необходимы для более надежного и долгосрочного прогноза погоды, для решения аэрокосмических задач, в том числе и оборонных, для решения многих инженерных задач и т. д.

2. Поиск информации в гигантских базах данных, в информационном пространстве Интернета.

3. Моделирование интеллекта — при всех фантастических показателях, объем оперативной памяти современных компьютеров составляет лишь малую долю объема памяти человека.

Быстродействие компьютера с одним центральным процессором имеет физическое ограничение: повышение тактовой частоты процессора ведет к повышению тепловыделения, которое не может быть неограниченным. Перспективный путь повышения производительности компьютера лежит на пути отказа от единственности главных устройств компьютера: либо процессора, либо оперативной памяти, либо шины, либо всего этого вместе. Это путь еще большего отступления от архитектуры фон Неймана.

Чтобы стало понятнее, зачем компьютеру несколько процессоров, обсудим алгоритм решения простейшей математической задачи. Есть массив из 100 чисел: a₁, а₂, ... , а₁₀₀. Требуется найти их сумму.

Нет ничего проще! И на компьютере, и без него мы, скорее всего, поступим так: сложим первые два числа, как-то обозначим их сумму (например, S), затем прибавим к ней третье, и будем делать это еще 98 раз. Это пример последовательного вычислительного процесса. Его блок-схема приведена на рис. 2.8.

Поскольку у человека нет второй головы, иначе эту задачу в одиночку не решить. Но представим, что мы решаем ее не в одиночку, а всем классом (25 человек). Тогда возникает возможность совсем иной последовательности действий.

1. Объединим числа в пары — по два на каждого (итого распределили 50 чисел); например, ученик № 1 берет себе а₁ и а₂, ученик № 2 — а₃ и а₄, и т. д.

2. Даем команду «складывай!» — и каждый складывает свои числа.

3. Даем команду «записывай!» — и каждый записывает мелом на классной доске свой результат.

4. Поскольку у нас осталось еще 50 необработанных чисел (а₅₁, ..., а₁₀₀), повторяем пункты 1 - 3. После этого имеем на доске 50 чисел b₁ = а₁ + а₂, ..., b₅₀ = а₉₉ + а₁₀₀ — результаты парных сложений.

5. Объединим в пары числа b_i и повторим выполнение пунктов 2 - 4.

Продолжаем этот процесс (2 - 5) до тех пор, пока не останется одно число — искомая сумма.

Первое впечатление, что очень сложно, гораздо сложнее, чем алгоритм на рис. 2.8. Если бы мы захотели записать этот алгоритм в виде блок-схемы, то нам бы пришлось кроме описания порядка и объектов действий сделать то, что мы никогда при записи алгоритмов не делали, — предусмотреть синхронизацию параллельных процессов по времени. Например, выполнение команд 2 и 3 должно завершиться всеми участниками вычислений до того, как они будут продолжены (до перехода к п. 4), иначе даже при решении этой простой задачи наступит хаос.

Но сложность не есть объективная причина отвергнуть такой путь, особенно если речь идет о возможности значительного ускорения компьютерных вычислений. То, что мы предложили выше, называется на языке программистов распараллеливанием вычислений и вполне поддается формальному описанию. Эффект ускорения вычислений очевиден: пункт 2 в приведенном выше алгоритме ускоряет соответствующий этап работы в 25 раз!

Следующий вопрос: 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 сегодняшней вычислительной техники.

Вернемся, однако, к описанной выше последовательности действий — в ней еще есть источники проблем. Представим себе, что в схеме на рис. 2.7 мы дорисовали еще 24 центральных процессора, соединенных с шиной. При реализации в таком компьютере команды 3 произойдет одновременное обращение 25 процессоров к системной шине для пересылки результатов сложения в оперативную память. Но поскольку шина одна, числа по ней могут пересылаться только по одному! Значит, для выполнения команды 3 придется организовать очередь на передачу чисел в память. Тут же возникает вопрос: не сведет ли к нулю эта очередь все преимущества от параллельности выполнения операций на шаге 2? А если преимущества останутся, то насколько они велики? Окупятся ли расходы на 24 дополнительных процессора?

В возникшей ситуации естественен следующий шаг «изобретательской мысли»: ввод в архитектуру нескольких системных шин. А если еще подумать над возможными проблемами, то и нескольких устройств оперативной памяти.

Как видите, все это очень непросто! Обсуждаемые изменения в устройстве компьютера приводят к «ненеймановским» архитектурам. Изобретателям таких систем приходится искать компромисс между возрастающей сложностью (и, как следствие, — стоимостью) и ускорением их работы.

Варианты реализации ненеймановских вычислительных систем

В самом общем смысле под параллельными вычислениями понимаются процессы обработки данных, в которых одновременно могут выполняться нескольких машинных операций. Параллельные вычисления реализуются как за счет новой архитектуры вычислительной техники, так и за счет новых технологий программирования. Такие технологии называются параллельным программированием.

Распределенные вычисления — способ реализации параллельных вычислений путем использования множества компьютеров, объединенных в сеть. Такие вычислительные системы еще называют мультикомпьютерными.

Распределенные вычисления часто реализуются с помощью компьютерных кластеров — нескольких компьютеров, связанных в локальную сеть и объединенных специальным программным обеспечением, реализующим параллельный вычислительный процесс. Распределенные вычисления могут производиться и с помощью многомашинных вычислительных комплексов, образуемых объединением нескольких отдельных компьютеров через глобальные сети.

Мультипроцессорные системы образуют единый компьютер, который относится к классу суперкомпьютеров. Достижение параллелизма в них происходит благодаря возможности независимой работы отдельных устройств и их дублирования: несколько процессоров, блоков оперативной памяти, шин и т. д. Мультипроцессорная система может использовать разные способы доступа к общей для всей системы памяти. Если все процессоры имеют равный (однородный) доступ к единой памяти, то соответствующая вычислительная система называется векторным суперкомпьютером.

Один из самых мощных в мире суперкомпьютеров под названием «Ломоносов» (рис. 2.9) произведен в России и работает в Московском государственном университете. Его быстродействие составляет более ста триллионов операций в секунду.

Вопросы и задания

1. Расскажите о смене элементной базы компьютеров, происходившей при переходе от одного поколения к другому. Как при этом менялись основные характеристики ЭВМ?

2. В чем состоял отход от архитектуры фон Неймана на ЭВМ второго и третьего поколений?

3. Что позволило реализовать мультипрограммный режим работы на ЭВМ третьего поколения?

4. Чем принципиально отличается архитектура ПК от классической архитектуры компьютеров первых поколений?

5. Какие функции выполняют контроллеры внешних устройств на ПК?

6. В чем состоит принцип открытости архитектуры ПК?

7. Какие функции выполняли первые операционные системы?

8. Для каких классов задач нужны сверхпроизводительные вычислительные системы?

9. Что такое параллельные вычисления?

10. Для примера со сложением чисел 25 учениками попробуйте проанализировать следующие ситуации: в классе всего 1 кусочек мела; в классе 5 кусочков мела; в классе 25 кусочков мела. Оцените, как от этого зависит время решения задачи (учтите еще ширину доски и время перемещения учеников по классу). Попробуйте построить модель такого процесса. Переведите эту ситуацию на язык компьютерной терминологии для многопроцессорных систем.

11. Чем отличаются мультикомпьютерные системы от мультипроцессорных? По какому принципу работают суперкомпьютеры?