Основы информатики

Данные на дисках хранятся в файлах -- именованных областях внешней памяти, выделенных для хранения массива данных. Кластеры, выделяемые файлу, могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными. Вся информация о том, где именно записаны кусочки файла, хранится в таблице размещения файлов FAT (file allocation table). Для пакетов МД (это диски, установленные на одной оси) и для двусторонних дисков вводится понятие цилиндр - совокупность дорожек МД, находящихся на одинаковом расстоянии от центра.

На ГМД магнитный слой наносится на гибкую основу. Диаметр ГМД: 5,25" и 3,5". Емкость ГМД от 180 Кб до 2,88 Мб. Число дорожек на одной поверхности - 80. Скорость вращения от 3000 до 7200 об/мин. Среднее время доступа 65 - 100 мс.

Каждая новая дискета перед работой должна быть отформатирована, т.е. создана структура записи информации на ее поверхности: разметка дорожек, секторов, записи маркеров, таблицы FAT. Дискеты нужно хранить аккуратно, беречь от пыли, механических повреждений, воздействия магнитных полей, растворителей. Это основной недостаток этого вида накопителей.

НЖМД или «винчестеры» изготовлены из сплавов алюминия или из керамики и покрыты ферролаком, вместе с блоком магнитных головок помещены в герметически закрытый корпус. Емкость накопителей за счет чрезвычайно плотной записи достигает нескольких гигабайт, быстродействие также выше, чем у съемных дисков (за счет увеличения скорости вращения, т.к. диск жестко закреплен на оси вращения). Первая модель появилась на фирме IBM в 1973 г. Она имела емкость 16 Кб и 30 дорожек/30 секторов, что случайно совпало с калибром популярного ружья 30'730" «винчестер».

Диаметр ЖМД: 3,5" (есть 1,8" и 5,25"). Скорость вращения 7200 об/мин, время доступа -- 6 мс.

Каждым ЖМД проходит процедуру низкоуровневого форматирования -- на носитель записывается служебная информация, которая определяет разметку цилиндров диска на сектора и нумерует их, маркируются дефектные сектора для исключения их из процесса эксплуатации диска. В ПК имеется один или два накопителя. Один ЖД можно разбить при помощи специальной программы на несколько логических дисков и работать с ними как с разными ЖД.

Дисковые массивы RAID - применяются в машинах-серверах БД и в суперЭВМ, они представляют собой матрицу с резервируемыми независимыми дисками, несколько НЖМД объединены в один логический диск. Можно объединить до 48 физических дисков любой емкости, формирующих до 120 логических дисков (RAID7). Емкость таких дисков составляет до 5Т6 (терабайт=1012).

НОД (накопители на оптических дисках) делятся на:

не перезаписываемые лазерно-оптические диски или компакт-диски (CD-ROM). Поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной на них информацией. Запись на них возможна в лабораторных условиях лазерным лучом большой мощности. В оптическом дисководе ПК эта дорожка читается лазерным лучом меньшей мощности. Ввиду чрезвычайно плотной записи CD-ROM имеют емкость до 1,5 Гб, время доступа от 30 до 300 мс, скорость считывания данных от 150 до 1500 Кб/сек;

перезаписываемые CD-диски имеют возможность записывать информацию прямо с ПК, но для этого необходимо специальное устройство.

Магнитооптические диски (ZIP) -- запись на такой диск производится под высокой температурой намагничиванием активного слоя, а считывание -- лучом лазера. Эти диски удобны для хранения информации, но оборудование стоит дорого. Емкость такого диска до 20,8 Мб, время доступа от 15 до 150 мс, скорость считывания информации до 2000 Кб/сек.

Контроллеры служат для обеспечения прямой связи с ОП, минуя МП, они используются для устройств быстрого обмена данными с ОП - НГМД, НЖД, дисплей и др., обеспечения работы в групповом или сетевом режиме. Клавиатура, дисплей, мышь являются медленными устройствами, поэтому они связаны с системной платой контроллерами и имеют в ОП свои отведенные участки памяти.

Порты бывают входными и выходными, универсальными (ввод - вывод), они служат для обеспечения обмена информацией ПК с внешними, не очень быстрыми устройствами. Информация, поступающая через порт, направляется в МП, а потом в ОП. Выделяют два вида портов:

последовательный -- обеспечивает побитный обмен информацией, обычно к такому порту подключают модем;

параллельный -- обеспечивает побайтный обмен информацией, к такому порту подключают принтер. Современные ПК обычно оборудованы 1 параллельным и 2 последовательными портами.

Видеомониторы -- устройства, предназначенные для вывода информации от ПК пользователю. Мониторы бывают монохромные (зеленое или янтарное изображение, большая разрешающая способность) и цветные. Самые качественные RGB-мониторы, обладают высокой разрешающей способностью для графики и цвета. Используется тот же принцип электронной лучевой трубки как у телевизора. В портативных ПК используют электролюминесцентные или жидкокристаллические панели. Мониторы могут работать в текстовом и графическом режимах. В текстовом режиме изображение состоит из знакомест -- специальных знаков, хранимых в видеопамяти дисплея, а в графическом изображение состоит из точек определенной яркости и цвета. Основные характеристики видеомониторов - разрешающая способность (от 600х350 до 1024х768 точек), число цветов (для цветных) -от 16 до 256, частота кадров фиксированная 60 Гц.

Принтеры -- это устройства вывода данных из ЭВМ, преобразовывающие информационные ASCII-коды в соответствующие им графические символы и фиксирующие эти символы на бумаге. Принтеры - наиболее развитая группа внешних устройств, насчитывается более 1000 модификаций.

Принтеры бывают черно-белые или цветные по способу печати они делятся на:

матричные -- в этих принтерах изображение формируется из точек ударным способом, игольчатая печатающая головка перемещается в горизонтальном направлении, каждая иголочка управляется электромагнитом и ударяет бумагу через красящую ленту. Количество игл определяет качество печати (от 9 до 24), скорость печати 100-300 символов/сек, разрешающая способность 5 точек на мм;

струйные -- в печатающей головке имеются вместо иголок тонкие трубочки - сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки чернил (12 - 64 сопла), скорость печати до 500 символов/сек, разрешающая способность - 20 точек на мм;

термографические -- матричные принтеры, оснащенные вместо игольчатой печатающей головки головкой с термоматрицей, при печати используется специальная термобумага;

лазерные -- используется электрографический способ формирования изображений, лазер служит для создания сверхтонкого светового луча, вычерчивающего на поверхности светочувствительного барабана контуры невидимого точечного электронного изображения. После проявления изображения порошком красителя (тонера), налипающего на разряженные участки, выполняется печать - перенос тонера на бумагу и закрепление изображения на бумаге при помощи высокой температуры. Разрешение у таких принтеров до 50 точек/мм, скорость печати - 1000 символов/сек.

Сканеры - устройства ввода в ЭВМ информации непосредственно с бумажного документа. Можно вводить тексты, схемы, рисунки, графики, фотографии и другую информацию. Файл, создаваемый сканером в памяти ЭВМ называется битовой картой. Существует два формата представления графической информации в ЭВМ:

растровый -- изображение запоминается в виде мозаичного набора множества точек на экране монитора, редактировать такие изображения с помощью текстовых редакторов нельзя, эти изображения редактируют в Corel Draw, Adobe PhotoShop;

текстовый -- информация идентифицируется характеристиками шрифтов, кодами символов, абзацев, стандартные текстовые процессоры предназначены для работы именно с таким представлением информации.

Битовая карта требует большого объема памяти, поэтому после сканирования битовые карты упаковывают с помощью специальных программ (PCX, GIF). Сканер подключается к параллельному порту. Сканеры бывают:

черно-белые и цветные (число передаваемых цветов от 256 до 65 536);

ручные перемещаются по изображению вручную, за один проход вводится небольшое количество информации (до 105 мм), скорость считывания - 5-50 мм/сек;

планшетные -- сканирующая головка перемещается относительно оригинала автоматически, скорость сканирования -2-10 сек на страницу;

роликовые -- оригинал автоматически перемещается относительно сканирующей головки;

проекционные - напоминают фотоувеличитель, внизу -сканируемый документ, сверху - сканирующая головка;

штрих-сканеры -- устройства для считывания штрих-кодов на товарах в магазинах.

Разрешающая способность сканеров от 75 до 1600 точек/дюйм.

Манипуляторы - компьютерные устройства, управляемые руками оператора:

мышь -- устройство для определения относительных координат (смещения относительно предыдущего положения или направления) движения руки оператора. Относительные координаты передаются в компьютер и при помощи специальной программы могут вызывать перемещения курсора на экране. Для отслеживания перемещения мыши используются различные виды датчиков. Самый распространенный - механический (шарик, к которому прикасаются несколько валиков), существует еще оптический датчик, обеспечивающий более высокую точность считывания координат;

джойстик -- рычажный указатель - устройство для ввода направления движения руки оператора, их чаще используют для игр на компьютере;

дигитайзер или оцифровывающий планшет -- устройство для точного ввода графической информации (чертежей, графиков, карт) в компьютер. Он состоит из плоской панели (планшета) и связанного с ней ручного устройства - пера. Оператор ведет вдоль графика перо, при этом абсолютные координаты поступают в компьютер.

Клавиатура -- устройство для ввода информации в память компьютера. Внутри расположена микросхема, клавиатура связана с системной платой, нажатие любой клавиши продуцирует сигнал (код символа в системе ASCII -16-ричный порядковый номер символа в таблице), в памяти ЭВМ специальная программа по коду восстанавливает внешний вид нажатого символа и передает его изображение на монитор.

Конкретный набор компонент, входящих в данный компьютер, называется его конфигурацией. Минимальная конфигурация ПК необходимая для его работы включает в себя системный блок (там находятся МП, ОП, ПЗУ, НЖМД, НГМД), клавиатуру (как устройство ввода информации) и монитор (как устройство вывода информации)

Многопроцессорный компьютер (мультипроцессор) ПС-2000 предназначен для задач, обладающих массовым параллелизмом на уровне элементарных операций, и ориентирован на высокопроизводительную обработку данных по хорошо распараллеливаемым алгоритмам. Синхронная высокопараллельная обработка многих потоков данных в нем осуществляется под управлением общего потока команд, что свойственно SIMD-архитектурам (один поток команд, много потоков данных).

Мультипроцессор состоит из набора однотипных процессорных элементов (ПЭ1, ПЭ2, …, ПЭN), связанных между собой регулярным и магистральным каналом, и общего устройства управления (ОУУ) (рис. 1).

Каждый ПЭ, а также ОУУ состоят из нескольких функциональных устройств, включающих самую быструю в компьютере программно доступную регистровую память. Совокупность этих устройств (как в ОУУ, так и всех ПЭ) образует разветвленный конвейерный агрегат с программно конфигурируемыми связями. Каждое функциональное устройство составляет конвейерную ступень. Обмен данными между этими устройствами производится через общий для соседних ступеней регистр. Состав и назначение функциональных устройств каждого ПЭ приведены в табл. 1.

ОУУ обеспечивает прием и хранение программы мультипроцессора, генерацию и передачу общих для всех ПЭ управляющих сигналов, синхронизацию процессов обработки и ввода-вывода, тестирование ПЭ, а также связь с внешней мониторной подсистемой (МПС) (рис. 2). Состав и назначение функциональных устройств ОУУ приведены табл. 2.

Оригинальная архитектура ПС-2000 соединила относительную простоту аппаратных решений систем управления одним потоком команд с беспрецедентно высокой гибкостью программирования высокопараллельной обработки одновременно многих потоков данных. Уникальная гибкость управления ПС-2000 ломает привычные представления о функциональных возможностях SIMD-компьютеров. Невероятно, но в серийном ПС-2000 было сделано, казалось, совершенно немыслимое для компьютеров этого класса. В ресурсах ПС-2000 на программном уровне была эмулирована многопроцессорная архитектура MIMD (много потоков команд, много потоков данных). При этом все ПЭ, работая параллельно под управлением устройства активации, могли одновременно выполнять каждый свою программу, загруженную в собственный модуль оперативной памяти. Например, 64-процессорный SIMD-компьютер ПС-2000 смог параллельно выполнять 64 потока разных программ. Существовавшие на тот момент SIMD-компьютеры этого делать не умели.

Перечислим особенности архитектуры ПС-2000, которые обеспечили ей высокую гибкость и эффективностью вычислений.

· Команды отличались повышенной функциональной гибкостью управления разнообразными видами аппаратного параллелизма. Это качество достигается за счет многоуровневого иерархического структурирования большого множества одновременно исполняемых операций.

· Виды программно управляемого параллелизма:

-- одновременное выполнение во всех ПЭ множества разнотипных действий (активация, вычислительные операции, вычисление адресов, доступ к модулям оперативной памяти, межпроцессорные пересылки данных по регулярному каналу);

-- одновременное выполнение любого, программно задаваемого подмножества разнотипных действий (действия в ПЭ; ОУУ; параллельный обмен данным между модулями оперативной памяти ПЭ и набором дисководов через автономные каналы системы внешней памяти - СВП; действия в мониторной подсистеме), управление процессами внешней операционной системы.

· Наличие значительных объемов регистровой памяти ПЭ, в которых параллельно во всех активных ПЭ реализуются массовые вычисления и межпроцессорные обмены при исполнении циклических участков программ. Для циклов с большим числом повторений доля обращения к более медленным модулям оперативной памяти ПЭ может быть малой. В этом случае регистры реализуют положительный эффект кэширования (причем с параллельным выполнением действий во многих ПЭ).

· Межпроцессорная конвейеризация регистровых вычислений через регистры B регулярного канала обеспечивает режим программируемых систолических структур, что дает предельно достижимый уровень параллелизма.

· Набор однотипных устройств адресной арифметики L ПЭ обеспечивает параллельный доступ к памяти М по набору адресов с возможностями инкрементной модификации этих адресов.

· Набор однотипных устройств активации ПЭ обеспечивает высокий уровень параллелизма при ассоциативной обработке больших массивов данных (поиск и сортировки по программно задаваемым предикатным функциям, теоретико-множественные операции, обработка растровой графики, событийное управление вычислительными действиями и др.).

Система команд

Программирование мультипроцессора производится посредством высокопараллельных иерархически структурированных команд, которые обеспечивают программисту наглядное представление параллелизма функциональных устройств и высокоэффективное управление всеми действиями, синхронно исполняемыми в разветвленном конвейеризованном агрегате, связывающем функциональные устройства ПЭ и ОУУ.

Два верхних уровня структуры команды показаны на рис. 3. Все команды имеют одинаковый размер-- 64 разряда-- и разделены на две равные части-- левую и правую. Каждая из них разделена на несколько полей. В каждом поле для соответствующего функционального устройства задается набор трехадресных операций с регистрами. В полях левой части задается управление устройством Т, а также либо S, либо В. В полях правой части задается управление либо устройствами М и L, либо W и устройствами H и HL, либо G.

После простой дешифрации команды все заданные в ее полях действия исполняются параллельно и синхронно на соответствующих устройствах.

Чем больше действий в полях каждой команды, тем выше параллелизм программы, эффективнее использование вычислительных ресурсов и, естественно, скорость выполнения. Искусство программирования мультипроцессора состоит в написании как можно более наполненных действиями полей команд.

Эффективность распараллеливания повышается за счет совмещения во времени разнотипных устройств. Например, выполнение массовых вычислений в устройствах S ПЭ совмещается с сопутствующими операциями (подготовка настроек, модификация адресов операндов, считывание операндов, запись результатов, управление конфигурацией решающего поля и т.п.). Таким образом, мультипроцессор ПС-2000 с общим потоком команд максимально использует параллелизм разнотипных и однотипных устройств.

Масштабируемость

Мультипроцессор ПС-2000 компонуется из модулей трех типов, каждый из которых размещается в одной стойке. Модули масштабирования компонуются из устройства обработки (УО), состоящего из 8 ПЭ и ОУУ. Модули имеют следующий состав:

· базовый - одно УО (8 ПЭ) и одно ОУУ;

· наращивания 1 -- одно УО (8 ПЭ);

· наращивания 2 -- два УО (16 ПЭ).

Минимальная конфигурация (8 ПЭ) состоит из одной стойки, максимальная (64 ПЭ) состоит из пяти стоек в виде «звезды».

Технические характеристики устройств ПС-2000

Быстродействие, разрядность и объемы регистровой и оперативной памяти определялись доступной элементной базой, однако структура и архитектура мультипроцессора не зависит существенным образом от элементной базы.

Устройство S работает с 24-разрядными регистровыми операндами. Однотактные арифметические операции с фиксированной запятой и логические операции над словами выполняются за 0,32 мкс, что соответствует рабочей частоте 3 МГц. Сложение/вычитание в формате плавающей запятой выполнялось за три такта (0,96 мкс), умножение-- за пять тактов (1,6 мкс).

Объем одного модуля памяти данных М или Н составлял 1638424-разрядных слова, операции считывания или записи выполняются пословно за 0,96 мкс. Объем памяти программ G составляет 1638464-разрядных слова. Время выдачи каждой команды-- 0,32 мкс, время выполнения операции ветвления - от 1,28 до 1,92 мкс.

Регулярный канал обеспечивал массовый обмен данными в режиме сегментируемого многокольцевого сдвига между соседними ПЭ.За 0,32 мкс производится передача и прием N 24-разрядных слов, где N - количество ПЭ в мультипроцессоре ПС-2000.

Магистральный канал обеспечивает «широковещательную» передачу одного 24-разрядного слова всем активным ПЭ либо из регистра KU ОУУ в один такт за 0,32 мкс, либо из любого ПЭ в два такта-- за 0,64 мкс.

Регулярный и магистральный каналы могут программно сегментироваться на несколько не связанных между собой одинаковых фрагментов размером 8, 16, 32 или 64 ПЭ.

При тактовой частоте 3 МГц средняя производительность 64-процессорного компьютера ПС-2000 на задачах промышленной обработки данных была близка к пиковой-- 200 MFLOPS

15. Устройство центрального процессора

Любой ЦП независимо от его предназначения располагает рядом функциональных устройств (ФУ): блоками целочисленных вычислений (Integer Execution Unit, E-box, арифметико-логическое устройство), обработки адресов (Address Translation Unit, A-box), контроллером системной шины (System Bus Controller, B-box), декодером команд (Instruction Decoding Unit, I-box). Для проведения вычислений и хранения промежуточных результатов используется так называемый файл регистров (их может быть несколько), состоящий из фиксированного количества записей определенной длины (регистров). Практически во всех современных ЦП реализованы и средства предсказания направления условных переходов. С начала 1990-х гг. общепринятой стала практика внедрения в ядро ЦП блока вещественных вычислений (Floating-Point Unit, F-box). Если дизайн определенной аппаратной платформы предполагал использование кэш-памяти с прямым доступом, то в ЦП вводился блок взаимодействия с кэш-памятью (Cache Memory Interface Unit, C-box). В современных ЦП нередко также реализованы контроллеры памяти, периферийных шин и т. Д

Центральный процессор. Ключевыми подсистемами компьютера являются управляющее устройство (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ). Вместе они составляют центральный процессор (ЦП) - «командный пункт». В ЦП компьютер манипулирует данными, хранит след своих команд и управляет остальными подсистемами. В большинстве микрокомпьютеров ЦП размещается на одиночном микроэлектронном чипе. У миникомпьютеров УУ зачастую находится на одном чипе, АЛУ - на другом, а команды, управляющие обоими этими устройствами, - на третьем. В больших компьютерах ЦП рассредоточен по многим чипам. Во всех случаях ЦП занимает сравнительно мало места.



ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР

Центральный процессор имеет дело непосредственно с программой, хранимой в основной памяти. Программа представляет собой просто перечень инструкций, указывающих компьютеру, что делать. Большинство компьютерных программ содержит два вида информации: команды и данные. Команды интерпретируются УУ, которое управляет всем, что должно быть сделано, например сложением в АЛУ. Команды поступают в УУ в форме кода операции, называемого так потому, что он сообщает компьютеру, что делать дальше. Большая часть компьютерных задач решается путем манипуляции данными: перемещения слов из одного места памяти в другое, сложения, вычитания, сравнения и изменения слов.

Компоненты типичного ЦП показаны на рисунке. Обычно АЛУ выполняет следующие функции: сложение, вычитание, логические операции, сравнение и манипулирование битами. С помощью проводников АЛУ связано с рядом регистров, представляющих собой наборы схем памяти, которые действуют как временные запоминающие устройства в процессе функционирования ЦП. Обычно в компьютере имеются два набора регистров: один для использования ЦП, другой - для удержания следов команд задействованной программы. Среди регистров ЦП выделим прежде всего сумматор, который является устройством, непосредственно обслуживающим АЛУ. Самые последние результаты операций находятся, как правило, в сумматоре. Среди других регистров назовем счетчик команд (который хранит след адресов команд, подлежащих извлечению из памяти), указатель стека (который хранит след промежуточных результатов вычислений) и различные регистры общего назначения. УУ дешифрует команды, извлеченные из памяти, генерирует и выдает управляющие сигналы, необходимые для перемещения данных в компьютере, и сообщает АЛУ, что делать дальше

ЦП типичного компьютера состоит из большого числа логических вентилей и триггеров. УУ использует много вентилей, чтобы выбрать способ обработки, которая должна быть выполнена в АЛУ, а также направить полученные результаты другим частям компьютера. Регистры, о которых мы рассказывали выше, представляют собой большей частью матрицы из триггеров. Наметился ряд тенденций в конструкции и производстве ЦП. В больших компьютерах и многих миникомпьютерах ЦП состоит из набора чипов, каждый из которых выполняет специальную функцию. В этих машинах каждый из основных блоков ЦП - АЛУ, УУ, микрокоманды для УУ - может находиться на одном или нескольких чипах. (Микрокоманды, по существу, сообщают УУ, какие проводники и вентили нужно соединить, чтобы выполнить команду.) Эти ЦП слишком сложны, чтобы их можно было уместить на одном чипе. Такой подход также позволяет вносить изменения в схему компьютера путем замены одного или двух чипов, а не всего ЦП.

В некоторых компьютерах выполняемая задача разделяется между несколькими ЦП. Этот метод известен как параллельная обработка. Некоторые ЦП работают непосредственно в терминах языка программирования (см. ниже), а не обычной архитектуры. Ожидается увеличение разнообразия конструкций и возможностей ЦП. Вероятен также отход от традиционной архитектуры по мере роста объема и скоростей обработки.

Возможно, самый большой скачок в конструировании ЦП был сделан с появлением в 1971 микропроцессора 4044 фирмы «Интел». Этот 4-разрядный микропроцессор представлял собой сравнительно медленный чип с ограниченным набором команд, но он и его наследники сделали возможным создание карманных калькуляторов и цифровых часов и привели к разработке микрокомпьютера. В 1974 появились 8-разрядные микропроцессоры, обрабатывающие по 8 бит информации одновременно.

Как упоминалось раньше, микропроцессор (или другой ЦП) принимает информацию в виде «слов». Например, память компьютера по командам УУ подает в сумматор сразу 8 бит. Затем УУ добавляет, например, число 00101101 к битам в сумматоре (снова сразу все). Теперь в сумматоре находится новый набор из 8 бит. Далее УУ передает эти 8 бит в память, все сразу. На каждом из этих шагов 8 бит обрабатываются или перемещаются одновременно, но индивидуальные действия - их ввод, сложение, копирование результата - выполняются последовательно. В принципе, чем больший размер слова доступен для обработки ЦП, тем больше информации он может «проглотить» сразу и тем быстрее он выполняет свои задачи.

Восьмиразрядные микропроцессоры дали жизнь микрокомпьютерам, сложным компьютерным терминалам и ряду «интеллектуальных» устройств; прогресс в вычислительной технике продолжается. В 1990-х годах имелись сотни миллионов 8- и 16-разрядных микропроцессоров, а в большинстве новых персональных компьютеров и рабочих станций использовались 32-разрядные микропроцессоры, выполняющие миллионы операций в секунду. В 1999 фирмой «Интел» выпущен высокопроизводительный микропроцессор «Пентиум III» с тактовой частотой 500 МГц, интегрированной кэш-памятью до 2 Мб и повышенными возможностями в таких сферах, как распознавание речи и трехмерная графика.

Одним из логических следствий микроэлектронной технологии была разработка всего компьютера, включая память, на чипе. Конечно, для таких малых компьютеров память довольно ограниченна, но она достаточна для разработки таких устройств, как реле-регуляторы автоматического зажигания и топливных систем автомобилей и микроволновых печей, а также полноценных «карманных» компьютеров

В каждом современном ЦП предусмотрено некоторое количество статической памяти, работающей на частоте ядра. Именно статической, поскольку использование динамической памяти в этих целях представляется крайне нерациональным.

Одна ячейка статической памяти состоит из шести транзисторов и двух резисторов (для техпроцессов с проектными нормами до 0,5 мкм могли быть использованы только четыре транзистора на одну ячейку, с дополнительным слоем поликремния и с более жесткими ограничениями по максимальной тактовой частоте), в то время как аналогичная структура динамической памяти состоит из одного транзистора и одного конденсатора. Быстродействие статической памяти намного выше (емкость, используемая в динамической памяти, имеет определенную скорость зарядки до требуемого уровня, определяющую «частотный потолок»), но из-за большего количества составляющих элементов она существенно дороже в производстве и отличается более высоким энергопотреблением. Битовое значение ячейки статической памяти характеризуется состоянием затворов транзисторов, а динамической -- уровнем заряда конденсатора. Так как конденсаторы имеют свойство с течением времени разряжаться, то для поддержания их состояния требуется регулярная перезарядка (для современных микросхем динамической памяти -- приблизительно 15 раз в секунду). Кроме того, при операции чтения из ячейки динамической памяти конденсатор разряжается, т. е. ячейка утрачивает свой первоначальный заряд, а следовательно должна быть перезаряжена.

Очевидно, что статическая память используется там, где требуется максимальное быстродействие (регистры ЦП, кэш-память, локальная память сигнального процессора), а динамическая -- там, где приоритетом является объем, а не скорость чтения-записи (оперативная память, буферы периферийных устройств).

В настоящее время предельная производительность системы определяется мощностью ЦП и подсистемы памяти (контроллера памяти, который может быть встроен как в набор микросхем, так и непосредственно в процессор). Поэтому наиболее эффективное масштабирование по производительности обеспечивают именно многопроцессорные системы. Хотя кластерные решения, объединяющие несколько вычислительных узлов, как правило, при пересчете на один ЦП оказываются дешевле, но из-за накладных расходов на организацию их взаимодействия удельная производительность многопроцессорных машин все же заметно выше. Кроме того, использование многопроцессорных серверов позволяет минимизировать дублирование вспомогательных подсистем вычислительной машины -- контроллеров ввода-вывода, дисковых массивов и т. п.

Нельзя не отметить и конструктивные преимущества многопроцессорных серверов: они обеспечивают максимальную удельную производительность при пересчете не только на один ЦП, но и на единицу объема, что в серверных платформах весьма важно.

Благодаря указанным преимуществам многопроцессорные платформы пользуются популярностью практически во всех сегментах серверного рынка. Двух- и четырехпроцессорные серверы младшего и среднего уровня имеют хорошее соотношение цена/производительность, и с точки зрения организации охлаждения они ненамного сложнее однопроцессорных. Решения с восемью и более процессорами имеют более сложную архитектуру, но и позволяют добиться максимальной производительности и надежности.

Топологии многопроцессорных систем

Типы многопроцессорных систем различаются прежде всего подходом к организации системной шины, связывающей, как и в однопроцессорных системах, ЦП и НМС. В настоящее время наиболее распространены три варианта архитектуры многопроцессорных систем:

общая шина (shared bus);

звездообразная топология (star topology), или топология «точка--точка» (point-to-point topology);

коммутируемая топология (switch-based topology). Наиболее простая -- топология общей шины.

Как следует из названия, все ЦП в системе подключаются последовательно к общей системной шине и соответственно вынуждены делить между собой ее полосу пропускания. Этим определяются как преимущества, так и недостатки этой архитектуры. Одновременно с экономией на количестве проводников и общей стоимости разработки возникает проблема пропускной способности системной шины, который столь существенен, что при большом количестве ЦП (начиная с восьми) такая топология просто неприменима, так как задержки при обращении к памяти слишком велики из-за очереди на обращение к шине. Компенсацией недостаточной пропускной способности системной шины может служить добавление значительных локальных объемов кэш-памяти к каждому ЦП. Общая шина наиболее оправданна в системах с двумя процессорами. В четырехпроцессорных системах объемы кэш-памяти каждого ЦП приходится увеличивать в 2-4 раза, что приводит к существенному росту стоимости конечной системы.

В звездообразной топологии каждый ЦП располагает выделенной системной шиной, а поэтому отсутствует необходимость в разделении доступа. Системные шины всех ЦП подключаются непосредственно к набору микросхем. Хотя такая архитектура и позволяет минимизировать зависимость производительности ЦП от пропускной способности системной шины, но налагает очень высокие требования на НМС и системную плату в целом, усложняя их проектирование и увеличивая стоимость производства. Тем не менее и этот подход не позволяет подключить большое количество ЦП -- звездообразная топология применяется, как правило, в системах с двумя или четырьмя процессорами.

Довольно интересный пример звездообразной топологии -- четырехпроцессорные серверы Fujitsu PRIME-POWER 450. В их основу положен принцип скоростного универсального коммутатора, работающего на тактовой частоте 220 МГц, который и выполняет все основные функции набора микросхем. К нему по выделенным 128-бит 220-МГц шинам (110 МГц с применением технологии DDR) подключаются ЦП SPARC64 V с тактовой частотой 2 ГГц и выше. Далее к нему же подключаются два контроллера оперативной памяти (DDR SDRAM 110 МГц), каждый из которых располагает своим 128-бит каналом данных, и два моста шины PCI -- по 110-МГц 64-бит каналам. Эта схема обеспечивает скоростной обмен данными между всеми узлами, но добавление, например, еще четырех ЦП и двух контроллеров оперативной памяти потребует серьезной перепроектировки коммутатора.

У систем с коммутируемой топологией нет проблем масштабируемости, свойственных вышеперечисленным шинным архитектурам. В этой архитектуре ЦП подключаются не к НМС (который может отсутствовать), а к коммутатору, соединенному с другими коммутаторами. Механизм подключения может быть как простым (широкая общая шина), так и иерархическим (древовидная иерархическая структура). На основании такой топологии можно проектировать системы с большим количеством ЦП (до 1024).

Рассмотрим коммутируемую топологию на примере 16-процессорных серверов HP AlphaServer GS160. В основе архитектуры лежит так называемый Quad Building Block (QBB), содержащий четыре ЦП Alpha 21264B (EV68C) с тактовой частотой до 1,22 ГГц, до 16 Мбайт B-cache на каждый ЦП, четыре модуля регистровой SDRAM ЕСС общим объемом до 32 Гбайт, два модуля стабилизатора питания, два 64-бит 33-МГц РСI-интерфейса, собственно коммутатор и интерфейс GlobalPort для связи с другими коммутаторами.

Четыре таких QBB объединяют в двухуровневую древовидную структуру через главный коммутатор, находящийся на отдельном модуле и обеспечивающий пропускную способность между двумя отдельно взятыми QBB по 1,75 Гбайт/с в каждом направлении.

Особняком стоят системы, в которых контроллер оперативной памяти, а часто и контроллеры периферийных шин интегрированы в ядро ЦП, а поэтому необходимость в системной шине отпадает. Такие системы строятся по NUMA-архитектуре, о которой пойдет речь дальше. Их можно рассматривать как представителей коммутируемой топологии.

Доступ к памяти в многопроцессорных системах

Независимо от количества ЦП в системе и топологии системной шины, им придется разделять доступ к общему пространству оперативной памяти, за исключением случаев, когда используется сегментирование аппаратных ресурсов некоторого сервера или суперкомпьютера для запуска нескольких копий ОС. В настоящее время существуют три типа доступа к оперативной памяти в многопроцессорных системах:

классический SMP (Symmetrical Multi-Processing, симметричная многопроцессорность);

распределенный SMP (distributed SMP);

NUMA (Non-Uniform Memory Access, неоднородный доступ к памяти).

Первоначальная модель симметричней многопроцессорности, теперь называемая классической, предусматривала, что все ЦП в системе имеют доступ к физически единому пространству оперативной памяти, обслуживаемому специальным контроллером. Все ЦП равнозначны по уровню прав доступа, какие-либо механизмы приоритетности отсутствуют, системная логика обрабатывает запросы в порядке поступления, и только на нее возложены все функции по работе с оперативной памятью. Соответственно задержки при доступе к памяти одинаковы для всех ЦП при обращении к любой области памяти. Это наиболее простая модель организации доступа к памяти в многопроцессорных системах, но не самая производительная и не позволяющая подключать большое количество ЦП из-за объективных проектировочных ограничений.

Принцип распределенной многопроцессорности предполагает формирование из имеющихся в системе ЦП логических групп, каждая из которых располагает своим (локальным) объемом оперативной памяти. Естественно, что для обеспечения целостности и нормального функционирования всего пространства оперативной памяти эти логические группы должны быть как-то связаны между собой. Задержки при доступе к памяти будут соответственно различны в зависимости от того, происходит обращение к локальной или удаленной области памяти.

Следует понимать, что, несмотря на некоторое сходство, распределенная SMP -- не частный случай коммутируемой архитектуры: в последней могут быть реализованы как SMP, так и NUMA. Например, в вычислительном комплексе Intel Profusion восемь ЦП Intel Xeon разделены на две группы по четыре ЦП и связаны коммутатором, к которому подключается НМС с контроллером оперативной памяти. Таким образом, при обращении к памяти все процессоры равноправны и Intel Profusion представляет собой классическую SMP-систему. А вот описанный выше сервер HP AlphaServer GS160 спроектирован по принципу распределенной многопроцессорности.

Принцип неоднородного доступа (NUMA) состоит в явном разделении на локальную и удаленную память для каждого ЦП. Так как главный недостаток коммутируемой архитектуры -- относительно низкая скорость обмена информацией между коммутаторами, возникла идея интегрировать контроллер памяти в ядро ЦП. Модули оперативной памяти в этом случае подключаются напрямую к ЦП (без НМС). В многопроцессорной системе такому ЦП придется запрашивать информацию из оперативной памяти других ЦП и отвечать на их запросы. Модель памяти называется неоднородной, потому что скорость доставки данных из локальной оперативной памяти ЦП будет значительно выше,, чем из оперативной памяти, подключенной к другому ЦП, причем разница будет все более ощутимой с увеличением количества ЦП в системе.

Модели с распределенной многопроцессорностью и неоднородным доступом позволяют создавать более масштабируемые решения, чем классическая SMP. Однако они предъявляют некоторые специфические требования к ОС, которая должна оптимизировать загрузку процессоров таким образом, чтобы процесс, выполняемый на одном ЦП, как можно реже использовал информацию, находящуюся в локальной оперативной памяти другого ЦП

16. Устройство памяти. Устройства образующие оперативную память

Основная память. Главным устройством памяти для компьютеров второго поколения и для многих больших компьютеров третьего поколения был магнитный сердечник - крохотное колечко магнитного материала размером с бусинку. С помощью тонких проводов, прошивающих колечки в вертикальном и горизонтальном направлениях, из этих сердечников вяжется сетка внутри компьютера. Каждый сердечник хранит магнитный заряд. Направление магнитного потока определяет состояние 1 или 0. Запоминающее устройство на сердечниках было изобретено в 1948 Э.Уонгом и широко использовалось в 1950-1960-х годах.

Запоминающее устройство на сердечниках является энергонезависимой памятью, т.е. оно сохраняет свое содержимое даже тогда, когда электроэнергия отключается. Сердечники выполняли функции появившихся ранее ламповых триггеров и привели к появлению термина «оперативная память». Позже память на сердечниках была вытеснена микроэлектронными устройствами, однако она все еще используется в армейском оборудовании, на космических кораблях и для других специальных применений.

Важным дополнением к микропроцессору является память на интегральных схемах. Существуют два основных класса этой памяти: оперативное запоминающее устройство с произвольной выборкой (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

ОЗУ работают быстро: микропроцессор может получать доступ к ним за 10-20 нс. Обычные коммерческие модули ОЗУ хранят до 256 Мб (1 Мб равен 1 048 576 байт). ОЗУ надежны и работают годами, выполняя миллиарды операций. ОЗУ помнят только то, что вы сообщили им в последний раз; все остальное стирается. ОЗУ потребляют довольно мало энергии, если сравнивать их с другими интегральными схемами примерно тех же размеров и плотности упаковки. Некоторые ОЗУ расходуют так мало энергии, что достаточно маленькой батарейки, чтобы активизировать или хотя бы поддерживать их память после отключения основного источника энергии. Эти ОЗУ часто используются в небольших портативных компьютерах и калькуляторах.

При отключении энергии ОЗУ свою память теряет. ПЗУ же запоминает практически навсегда. ПЗУ особенно удобны для задач, которые нуждаются в неоднократном повторении одного и того же набора команд. ПЗУ работают обычно медленнее, чем ОЗУ, но зато их память постоянна и помехоустойчива. Кроме того, свой проигрыш в скорости реакции ПЗУ компенсируют плотностью упаковки.

Характеристика ОЗУ и ПЗУ, именуемая произвольным доступом, относится к способности микропроцессора или другого ЦП получать доступ к любому элементу памяти в любое время. Например, если телефонный номер хранится где-нибудь в ОЗУ или ПЗУ и ЦП (через свою программу) знает, где этот номер находится, то ЦП может набрать его почти мгновенно. Важно лишь, чтобы было известно, где он находится.

Не все ПЗУ имеют абсолютно постоянную память. Некоторые ПЗУ-подобные устройства обладают, так сказать, полупостоянной памятью, т.е. они помнят (даже при отключенном питании), что им сообщалось, до тех пор, пока не подвергнутся стиранию и перезаписи. Стирание осуществляется путем экспозиции чипа в ультрафиолетовых лучах высокой интенсивности (например, в стираемом ПЗУ - СПЗУ) или другими способами, как в некоторых современных чипах памяти со стиранием и записью.

Внешняя память. К внешней, или периферийной, памяти относятся магнитные ленты, магнитные диски и память на магнитных доменах. Внешняя память дешевле внутренней, создаваемой обычно на основе полупроводников. Кроме того, большинство устройств внешней памяти может переноситься с одного компьютера на другой. Главный их недостаток в том, что они работают медленнее устройств внутренней памяти.

Магнитные ленты в качестве устройств внешней памяти многим знакомы по аудио- и видеомагнитофонным кассетам. И те и другие хранят аналоговые данные, т.е. сигналы, которые изменяются непрерывно, - например, от пианиссимо скрипки до мажорного звука духового инструмента рок-группы. Для использования этих носителей в компьютерах необходимо преобразовать аналоговые сигналы в цифровую форму, т.е. в сигналы, соответствующие двоичным цифрам 0 и 1. Это сравнительно дешевый и довольно медленный носитель. Тем не менее в мощных компьютерах для хранения больших объемов данных часто используют высокоскоростные многодорожечные магнитные ленты. Эти ленты удобны для резервного копирования всей информации с дисков компьютерных систем (см. ниже).

По виду ленточные картриджи похожи на аудиокассеты, но предназначены для цифровой записи. Плотность записи в них выше, чем у аудиокассет, а ленты подвергаются специальному тестированию. Они используются при создании резервных копий для систем на жестких дисках. Цифровые аудиоленты также используются в качестве средства резервирования. При этом в кассете меньшего размера, чем аудиокассета, может храниться до миллиарда байт данных. Все типы ленточных запоминающих устройств имеют один основной недостаток - последовательный режим работы, т.е. лента должна прокручиваться до нужного элемента, что отнимает много времени. Требование экономии времени вынуждает пользователя обращаться к другому, более популярному средству хранения информации для небольших компьютеров, - гибкому диску, или дискете.

Гибкий магнитный диск является компромиссным решением между магнитной лентой и граммофонной пластинкой. Это небольшой, тонкий и гибкий пластиковый диск, на одной или обеих сторонах которого нанесено магнитное покрытие. Диск с покрытием заключается в защитный конверт или оболочку, имеющую отверстия для доступа головки чтения/записи и двигателя дисковода.

Гибкие диски «проигрываются» аналогично грампластинке, но с помощью головки магнитной записи, а не иголки. Подобно магнитной ленте, гибкий диск может формировать постоянную запись программы или данных; поскольку он допускает стирание, его содержимое может быть изменено.

Гибкий диск, в отличие от магнитной ленты, является средством произвольного доступа. Информация, записанная на диске, располагается концентрическими окружностями (дорожками) на его поверхности. Одна или две дорожки обычно используются для хранения оглавления. Чтобы найти конкретную запись на диске, компьютер дает указание магнитной головке переместиться к дорожке с оглавлением и найти координаты места нужной информации; при этом диск вращается под магнитной головкой. Как только нужная запись найдена в оглавлении, компьютер приказывает магнитной головке переместиться к соответствующему месту диска. Те же принципы действуют при записи информации. Чтобы изменить информацию на магнитной ленте, надо прочитать всю ленту, вставить изменения и перезаписать измененный вариант. Принцип гибкого диска позволяет исправить конкретный сегмент записей, не затрагивая остальной поверхности. Вот почему запись на диске может быть осуществлена частями, каждая из которых вставляется в любое подходящее место. Единственное дополнительное требование состоит в том, чтобы оглавление на диске изменялось в соответствии с изменениями, сделанными на этом диске.

Промышленность выпускает гибкие диски в основном размера 3,5 дюйма (89 мм). Типичный гибкий диск может хранить до 1,5 млн. знаков (байтов), что эквивалентно 900 страницам машинописного текста, напечатанного через два интервала. Имеются также диски большей информационной емкости. Дисководами для гибких дисков оснащаются практически все персональные компьютеры.

Жесткий диск подобен гибкому, но сделан из прочных и жестких материалов. Он может вращаться быстрее и вмещает больше информации. Типичный дисковод жесткого диска для персонального компьютера почти не отличается размерами от дисковода гибкого диска, но емкость современного жесткого диска достигает 25-50 Гб, т.е. в тысячи раз больше, чем у гибкого. Кроме того, жесткие диски гораздо быстрее связываются со своим компьютером, чем дискеты. Поиск, который длится до нескольких секунд на дискете, занимает на жестком диске лишь сотые доли секунды. Жесткий диск в большинстве компьютеров служит внешним устройством хранения текущих записей и прикладного программного обеспечения.

Обычно жесткий диск заключается в прочный герметичный корпус. Если такой диск отказывает, то компьютер, не имеющий резервной памяти, становится бесполезным. Некоторые жесткие диски, подобно гибким, могут удаляться из дисковода. Жесткие диски дороже дискет, однако стоимость единицы емкости у них постоянно уменьшается.



СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ на компакт-диске. При записи твердотельный лазер «выжигает» информацию на диске в виде крошечных углублений. При поиске такой же лазер используется (но в режиме пониженной мощности) для «чтения» информации: отраженный свет лазера преобразуется в электрические сигналы, которые воспроизводят первоначальную информацию. Положение лазера в режиме записи и поиска задается линейными двигателем и оптическим датчиком. 1 - подложка; 2 - слой оксида; 3 - покрытие; 4 - деталь; 5 - лазерный луч; 6 - линейный оптический датчик положения; 7 - оптическая головка; 8 - диск; 9 - лазерный диод; 10 - фотоприемник; 11 - линейный двигатель.

Оптический диск имеет сходство как с магнитным диском, так и с граммофонной пластинкой. Существуют диски CD-ROM, диски с однократной записью и многократным чтением и стираемые диски. Компакт-диски и диски с однократной записью используются для хранения большого количества информации, не подлежащей изменению. Последние заполняются только один раз, и введенная информация не может быть стерта. Стираемые оптические диски могут использоваться аналогично жестким дискам. По размерам оптические диски варьируются от размеров видеодиска до диаметров 133 мм и менее, характерных для звуковых компакт-дисков. См. также ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ.

КОМПЬЮТЕРНЫЙ КОМПАКТ-ДИСК

Оптический диск, как и грампластинка, хранит информацию на спиральной дорожке. Как и в случае с магнитным диском, считывающая головка оптического плейера перемещается вдоль фиксированной направляющей радиально вперед-назад, а не на рычаге, вращающемся около некоторого центра, как в случае грампластинки. Для записи и чтения информации используется лазерный луч.

Оптический компакт-диск хранит информацию в форме маленьких поверхностных углублений, соответствующих двоичным числам. Вариации интенсивности лазерного луча, отраженного от этих углублений, распознаются фотоэлементом, который превращает их в электрические сигналы. Стираемые оптические диски имеют покрытие, которое реагирует на магнитное поле от записывающей головки дисковода изменением оптической поляризации. Затем эти изменения могут быть превращены считывающей головкой в электрические сигналы. Информация, записанная на магнитооптическом диске, стирается путем комбинированного действия магнитного поля и лазерного луча.

На диске CD-ROM диаметром 120 мм может храниться свыше 300 000 страниц печатного текста, или 650 Мб информации. Коммерческие CD-ROM используются для размещения многочисленных и разнообразных справочных материалов, клипов для компьютерной графики, анимации и комбинаций текста, звука и изображений. Они становятся незаменимыми в мультимедийных системах. Магнитооптические диски имеют такие же размеры, как и распространенные дискеты (89 и 133 мм).

Технология производства запоминающих устройств постоянно совершенствуется, что приводит к повышению быстродействия и надежности и снижению стоимости, а у пользователя появляется выбор, практически удовлетворяющий поставленной вычислительной задаче.

18. Внешние запоминающие устройства персонального компьютера

Помимо оперативной памяти, компьютеру необходима дополнительная память для долговременного размещения данных. Такие устройства называются ВЗУ (внешние запоминающие устройства). Различные способы хранения и записи информации служат для разных целей, на сегодняшний день не существует универсального ВЗУ, которое может быть использовано как постоянное и переносное одновременно, и при этом быть доступным рядовым пользователям. Информацию необходимо сохранять на носителях, не зависящих от наличия напряжения, и таких размеров, которые превышают возможности всех современных видов первичной памяти. Сравнительно долговременное хранилище данных, расположенное вне системной платы компьютера, называется вторичным хранилищем данных (secondary storage). Внешняя (долговременная) память -- это место длительного хранения данных (программ, результатов расчётов, текстов и т.д.), не используемых в данный момент в оперативной памяти компьютера. Внешняя память, в отличие от оперативной, является энергонезависимой. Носители внешней памяти, кроме того, обеспечивают транспортировку данных в тех случаях, когда компьютеры не объединены в сети (локальные или глобальные). Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись и (или) считывание информации) и устройства хранения -- носителя.

В своей работе я рассмотрю следующие запоминающие устройства: винчестеры, дискеты,стримеры, флэш-карты памяти, MO-накопители, оптические:CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW, и новейшие запоминающие устройства.